WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |
FUNDAMENTAL О ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ CONCEPTS ПОНЯТИЯХ ХИМИИ OF CHEMISTRY P. M. ZORKY..

‚ „‰‡‚ ‚ The essence of chemis... ‚‡ try is revealed in its most important concepts, В современных естественных науках часто говоincluding interaction of рят о фундаментальных законах, хотя далеко не всеatoms and chemical bond, гда в точности известно, что под этим подразумеваstructure, chemical sub- ется. По-видимому, обычно имеется ввиду система важнейших физических соотношений, не вытекаюstance, chemical comщих из каких-либо более общих утверждений и pound, chemical reaction принимаемых в качестве аксиом1. В идеале хотелось and phase transition. In бы представить всю совокупность известных естественно-научных фактов (физических, химичесthis article the author tries ких, биологических) как сумму следствий, строго to clarify the meaning of следующих из этих законов. Однако такой подход, these fundamental con- называемый дедуктивным, по сути дела проходит только в физике, и то с оговорками и за исключениcepts, although he believes ем многих разделов. Когда же дело доходит до опиit is impossible to give сания тонких особенностей поведения различных their strict definition. химических веществ, до описания многообразия их свойств и реакций, что, собственно, и составляет предмет химии, особых успехов не наблюдается: да‰‡‡‡fl же небольшое продвижение здесь дается с великим трудом и явно не оправдывает средств.

‚ ‚ Гораздо более продуктивным в химии оказыва‰ ‡‚‡fl ‚ ется движение в обратном направлении, индуктив ‚‡ flfl, ное построение системы знаний: на основе химиче ской фактологии выявляются более или менее общие закономерности (наиболее общие или наиflfl flfl ‚‡более важные из них именуются правилами или за‰‚fl ‡‚ конами), затем создаются модели, позволяющие ‚fl, flfl интерпретировать наблюдаемые результаты и прогнозировать новые факты; их ценность определяет, „ ся прагматическими факторами. Обобщенные мо‚‚‡, „ дели, полученные таким путем и, следовательно, ‰fl, имеющие эмпирический характер, составляют основу современной теоретической химии. Отметим ‡, ‡‚„ еще раз, что эти модели, как правило, не удается вы‰‡. ‰‡‡ вести из фундаментальных физических теорий; в ‡ ‰‡ лучшем случае эмпирические модели базируются на понятиях, выработанных в рамках этих теорий, и ‰‡‡ flне противоречат фундаментальным законам (хотя и, fl это иногда не выполняется).

„ ‰, ‡‚‡, ‚.

Предполагается, что фундаментальные законы работают неукоснительно и не имеют отклонений или исключений (в определенной для них сфере действия). Примерами фундаментальных законов являются законы Ньютона (в рамках классической механики), первое и второе начала термодинамики, законы статистической физики (кинетическое уравнение Больцмана и каноническое распределение Гиббса), уравнение Шредингера и соотношение неопределенности Гейзенберга.

.. ©.., В такой ситуации дефиниции капитальных по- мических понятий. Последнее дает основание назынятий химии — к их числу относятся понятия ато- вать важнейшие понятия химии фундаментальными2.

ма1 и молекулы, химического вещества и химичес- В настоящей статье предложены ориентировочные (исходные) дефиниции химии и ее фундаменкого соединения, химической реакции и фазового тальных понятий. Модификация этих понятий припревращения, структуры и химического строения – менительно к конкретным целям и задачам с учетом не могут быть полными, точными, строгими. Засубъективных особенностей педагога или исследотруднительным оказывается дать определение и савателя, по мнению автора, желательна и соответстмой химии, поскольку в этом определении неизвует специфике химии как науки.

бежно должны присутствовать понятия вещества и реакции. Главная же проблема возникает при по пытке дать определение химической связи – важОпределения химии, встречающиеся в многонейшего понятия химии, которое лежит в основе численных учебниках, словарях и энциклопедиях, в всех остальных ее базовых понятий. Чтобы скольбольшинстве случаев достаточно сходны и сводятся ко-нибудь полно определить химическую связь, к тому, что она есть наука о веществах и их превращеобязательно нужно опереться на ту или иную сисниях. Обычно приводятся более длинные дефинитему модельных представлений. А таких систем ции: авторы стремятся быть обстоятельными, доимеется целый ряд, причем у каждой есть свои прибавляя, например, что речь идет об “однородных верженцы. По-видимому, построить определение веществах”, что имеются в виду “превращения их химической связи, которое устраивало бы всех (в том друг в друга”, что химию интересуют и “явления, числе физиков) или хотя бы широкий круг химиков сопровождающие такие превращения”. Эти добави при том было полным и точным, в настоящее вре- ления, совершенно правильные по существу, тем не менее представляются излишними: они делают демя невозможно.

финицию не более точной, а лишь более громоздкой;

Впрочем, если очень постараться, путем соотвсе равно, чтобы адекватно представить содержание ветствующих ограничительных оговорок, включае- химии, нужны многочисленные и многословные мых в дефиницию или сопровождающих ее, можно комментарии. Так, практически невозможно сформулировать универсальный критерий однородности сформулировать довольно точные определения, но веществ. На более современном языке здесь следовав этом случае они становятся узкими или частными ло бы говорить о гомогенных фазах3, но и микрогетеи явно не передают все богатство содержания, которогенные среды и гетерогенные системы, несомненно, рое несут в себе фундаментальные химические попредставляют огромный интерес для химии. Ненятия. Ценность таких определений, если они расредко, давая определение химии, говорят, что она сматриваются как окончательные, невелика как в занимается химическими веществами. Однако тут эвристическом плане, то есть для познания нового, возникает тавтология, и выяснение сути дела отдля развития науки, так и в аспекте педагогики. Бокладывается до основательного обсуждения вопролее того, такого рода дефиниция, особенно при догса о том, что такое химическое вещество. Тем не мематическом подходе, может не только не помочь, но нее именно этот путь кажется оптимальным.



и повредить, поскольку создает превратное представление о сущности того или иного термина, ис- Во избежание путаницы мы не рекомендуем использовать этот эпитет применительно к химическим законопользуемого в химической практике. Иное дело, мерностям, поскольку, как уже было сказано, будучи если ограниченное определение используется в каэмпирическими, они всегда являются приближенными.

честве стартового пункта (с соответствующими ого- С этой точки зрения не относится к числу фундаментальных законов природы и Периодической закон Д.И. Менворками) и затем дополняется, уточняется, развиделеева, несмотря на его неоспоримую колоссальную вается последующим текстом.

важность.

Понятие фазы возникло в классической равновесной Несомненно, круг фактов, закономерностей, термодинамике и в рамках этой области физики (или фипроблем, обсуждаемых в современной химии, со- зической химии) при последовательном феноменологическом подходе представляется достаточно ясным. Однаставляет неотъемлемую часть общей картины мира.

ко при рассмотрении структуры разнообразных атомноЭти факты и закономерности не сводятся к какиммолекулярных систем отнюдь не просто выделить среди либо физическим фактам и законам и не могут быть них однофазные, в особенности в свете новейших данвыведены как следствия последних, и в то же время ных, которые очень часто свидетельствуют о микрогетерогенности веществ, считающихся однофазными (таких, изложение и обсуждение химических фактов и законапример, как жидкий глицерин). Кроме того, очень часномерностей неосуществимо без использования хито приходится иметь дело с нестабильными (неравновесными) или метастабильными состояниями вещества. В Здесь мы имеем в виду не изолированный атом, кото- итоге понятие фазы мало помогает при характеристике рым занимается физика, а атом, взаимодействующий с предмета химии. Более того, оно, в свою очередь, требует другими атомами. серьезного нетривиального анализа.

, ‹9, Химические p(X) Химия свойства p(X) p(X) {Xi} ** Физические свойства Физико-химические свойства Раздел p(X) фундаментального естествознания Биохимические свойства Рис. 1. Концентры фундаментальной химии.

Далее, известно, что вещество может меняться ница одной из главных химических ролей, но не (например, при изменении температуры или давле- следует упускать из виду, что прежде всего химия – ния), не превращаясь в другое вещество. В частнос- это наука о веществах.

ти, при нагревании изменяются, иногда довольно Итак, отчетливо вырисовывается первый консущественно, геометрические характеристики моцентр химии (рис. 1); его содержание – изучение лекул, и такие изменения бывают важны при обсужмногообразия химических веществ, их описание и дении химических вопросов. Кроме того, обычно систематика. Если индивидуальное химическое веподразумевается, что химическое вещество состоит щество обозначить символом X, а множество всеиз атомов; между тем, превращение вещества может возможных веществ – {Xi}, то обнаружение и исслесостоять в разрушении атомов, и тогда вещество не дование отдельных X, изучение их совокупности переходит в другое вещество, а попросту перестает {Xi} – это и есть центральная задача химии. Сюда же существовать, превращаясь, например, в плазму.

относится и интерпретация множества {Xi}, то есть Наконец, явления, сопровождающие превращения выяснение причин, по которым существуют именно веществ (скажем, выделение или поглощение тепнаблюдаемые, а не какие-нибудь другие вещества.

ла), в конечном счете приходится рассматривать Коль скоро мы интересуемся химическими векак неотъемлемые компоненты этих превращений.

ществами, первостепенный интерес представляют Следовательно, исследование превращений, естеспособы их получения (синтез) и идентификации ственно, включает в себя изучение всех аспектов (анализ), составляющие второй концентр. Еще неэтих превращений и об этом можно специально не давно большинство химиков были заняты именно договариваться.

этим. Теперь синтетиков и аналитиков стало меньТаким образом, лаконичная дефиниция, привеше, и все же несомненно: синтез и анализ и ныне соденная выше, – это наилучшая стартовая позиция ставляют весомую долю химических исследований.

для обсуждения вопроса о том, что такое химия. ОсГлавная же часть современной химии, как и хитается, однако, ни много ни мало, пояснить:

мии прошлых веков, – это исследование функцио• что такое химические вещества и вещества в нальных зависимостей вида p = p(X), где X – поболее широком смысле слова; при этом возникнет прежнему химическое вещество, а p – какое-либо необходимость сказать и о химических соединениях;

свойство. Это может быть и такое “химическое” • о каких превращениях этих веществ идет речь;

свойство, как реакционная способность, и такое “физическое” свойство, как температура плавления • что, собственно, делает химия с веществами и или электропроводность. В последнем случае хиих превращениями; в каком смысле она их изучает.





мическая специфика здесь проявляется в том, что Начнем с последнего, полагая, что с первыми данное свойство рассматривается в зависимости от двумя вопросами в нужный момент мы справимся.

химической индивидуальности, например, в ряду Укажем на одно примечательное обстоятельство:

родственных соединений.

бывает, благодушно соглашаясь с лаконичной дефиницией, человек все-таки считает, что главное содержа- Вопрос о границах между физикой и химией обние химии – это реакции, и этим химия отличается суждается довольно часто и, как правило, без толку, от физики. Действительно, реакция – исполнитель- поскольку очевидно, что границ таких нет. Но есть,.. н т е и з с а з н и а л конечно, – и это важное обстоятельство, – сущест- например, ассоциаты, кластеры, мицеллы, пленки, венная разница в круге проблем, составляющих ос- мембраны и другие. Простейшая и из ныне действуновное содержание физики, и проблем, относя- ющих моделей структуры – это модель локализощихся к компетенции химии. Собственно, есть ванных межатомных химических связей, которая капитальное различие в методологии физики и хи- приводит к описанию вещества с помощью конечмии, есть различия и в менталитете физика и химика. ной или бесконечной точечно-штриховой структурной формулы или, выражаясь языком математиПроблематика физики главным образом состоит ки, с помощью графа. Эта модель применительно к в изучении физических явлений. (Разумеется, и химиорганической молекуле была создана А.С. Купером, ческую реакцию можно рассмотреть, – и часто это Ф.А. Кекуле, А.М. Бутлеровым. Для неорганичесделается, – как физическое явление.) Вещество для ких, в частности координационных, соединений ее физика – чаще всего только арена, на которой происпользование стало возможным в результате работ исходит интересующее его действие; он обратится к А. Вернера. Таким образом, это самая старшая по разным веществам, лишь если наблюдаемое явление возрасту и вместе с тем и поныне самая важная для протекает в них совершенно по-разному, если требухимии модель структуры, которая по смыслу близка к ется создание различных моделей процесса. Химика тому, что принято называть химическим строением.

же интересует именно вещество и, что особенно важно, ряды веществ. Что произойдет со свойством Как известно, вопрос о причинах образования, p (реакционной способностью, температурой плав- формах проявления и свойствах химических связей ления, электропроводностью и т.п.) при замене ато- сам по себе составляет сложную и обширную обма водорода на метил, этил, пропил и т.д. или натрия ласть науки. Однако безотносительно к тому, как на калий, рубидий, цезий – вот вопрос, который образуется связь и какова она, для точечно-штриховсегда важен для химика и обычно не возникает при вой модели структуры важно лишь, какие атомы физическом подходе. Не будем, однако, забывать, считаются связанными, а какие нет. Это делалось и что нередко физики занимаются химическими ис- делается на основе весьма различных предпосылок следованиями, а химики – физическими. и критериев, начиная с использования эмпирических обобщений химических свойств и кончая сложПереходя к более полной характеристике фунданейшими современными расчетно-теоретическими ментальных химических понятий отметим, что все и экспериментальными подходами. Естественно, они в значительной мере имеют структурное содеризвестны многочисленные ситуации, когда вопрос жание. В современной химии структурные предв принципе не может быть решен однозначно. Факставления играют столь существенную роль, что не тически это означает, что рассматриваемая система будет большим преувеличением всю химию наших близка к границе применимости модели и эту гранидней назвать структурной. Поэтому нужно достацу нельзя указать с полной определенностью. Сущеточно полно и точно уяснить сущность многоуровствует и обширный круг объектов (системы с металневого и многоликого понятия структуры.

лическими и другими многоцентровыми связями), для которых точечно-штриховая модель заведомо неприменима. И, тем не менее, для большинства веОбычно химики говорят об атомно-молекуляр- ществ вопрос о построении графа химических свяной структуре, хотя в некоторых случаях не в явном зей не вызывает сомнений и вполне единообразно виде. Если вещество моделируется континуальным решается и экспериментаторами и теоретиками, пространственным распределением электронной применяющими самые разные методы и придержиплотности с вкрапленными в него атомными ядра- вающимися весьма разных взглядов на основы хими, атомы как таковые отсутствуют и нужно пред- мии. Наряду с точечно-штриховой моделью имеются принимать специальные усилия, чтобы их выделить. многочисленные, более или менее детализированВпрочем, для многих целей это уже и необязательно. ные представления структуры различных атомноНо современная химия, первоосновой которой ос- молекулярных объектов, причем особенности мотается химическая атомистика Дальтона, не может дели зависят от метода, который используется для обойтись без атомов и стремится их выделить даже определения качественных характеристик и колив континуальных распределениях электронной чественных значений параметров.

плотности. Ниже мы вернемся к этому вопросу, а В табл. 1 представлена схема моделирования пока условимся говорить только об атомно-молекуструктуры молекулы (так мы называем конечную лярных структурах, полагая, что к ним можно свессовокупность химически связанных атомов). В ости и континуальные ядерно-электронные системы.

Pages:     || 2 | 3 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.