Концептуальные системы химических знаний

 

1. Учение о составе 1660-е гг. Это первый концептуальный уровень. Данный уровень связан с иследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами. Данное учение до XIX в. являлось основой химии, а сегодня является ее частью.		2. Структурная химия 1800-е гг. Второй концептуальный уровень познания свойств предполагает исследование структуры, т.е. способа взаимодействия элементов вещества. Свойства вещества и их качественное разнообразие обуславливаются не только составом, но и структурой молекул.
3. Учение о химических процессах 1950-е гг. Третий концептуальный уровень связан с исследованием внутренних механизмов и условий протекания химических процессов (скорость протекания процессов, температура, давление и т.п.). Химия становится наукой не только о веществах, сколько наукой о процессах и механизмах изменения вещества.		4. Эволюционная химия 1970-е гг. Четвертый концептуальный уровень представляет собой дальнейшее развитие предыдущего уровня. Он предполагает более глубокое изучение природы и условий протекания химических процессов (применение катализаторов). На данном уровне наблюдается процесс самоорганизации химических систем.

Учение о составе вещества

 

Три проблемы

 

проблема проблема проблема

химического элемента химического соединения получения

новых материалов

 

1. Проблема химического элемента

Первое научное определение химического элемента сформулировал английский физик и химик Р. Бойль (1627-1691 гг.) в XVII в. Химический элемент рассматривался как простое тело, предел химического разложения вещества, переходящего без изменения из состава одного сложного тела в состав другого. Результаты исследований Р. Бойля показали, что свойства и качества тел зависят от того, из каких элементов они состоят.

А.Л. Лавуазье (1743-1794 гг.) впервые в истории химии попытался систематизировать химические элементы, в дальнейшем данную систему усовершенствовал Д.И. Менделеев.

Д.И. Менделеев (1834-1907 гг.) открыл периодический закон и разработал Периодическую систему химических элементов (1869 г.). Он считал, что основной характеристикой элементов являются их атомные веса, но дальнейшие исследования доказали, что место элемента определяется зарядом атомного ядра. Во времена Менделеева было известно 62 элемента, а сегодня – 114.

Периодический закон: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера).

В настоящее время дано квантовомеханическое обоснование строения атомов химических элементов.

 

2. Проблема химического соединения

Ж. Пруст (1754-1826) сформулировал закон постоянства состава: любое химическое соединение обладает неизменным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей.

Д. Дальтон (1766-1844) теоретически обосновал закон постоянства состава. На основе идей об атомическом строении вещества он утверждал, что соединения состоят из атомов двух или нескольких элементов, образующих определенные сочетания друг с другом.

С конца XIX века в химии стали применяться физические методы исследования вещества, что позволило выявить физическую природу химизма, т.е. те внутренние силы, которые объединяют атомы в молекулы, представляющие собой прочную квантовомеханическую целостность. Такими силами оказались химические связи, проявляющие волновые свойства валентных электронов. Электрон измеряется и как частица, и как волна, и как точечный заряд. Химические связи представляют собой обменное взаимодействие электронов.

В результате, химия стала по-новому решать проблему химического соединения, которое определяется как качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы – молекулы, монокристаллы или иные агрегаты (системы).

 

3. Проблема применения новых химических элементов в производство материалов

Практическое решение этой проблемы осуществляется в разработке новых химических технологий.

 

Учение структурной химии

 

«Структурная химия» – термин условный. Это уровень развития химических знаний, при котором основную роль играет понятие «структура» (структура молекулы реагента, в том числе макромолекулы или монокристалла).

Структура – это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула.

Д. Дальтон – представитель химической атомистики. Считал, что любой химический индивид состоит из молекул, обладающих строго количественным и качественным составом.

Й. Берцелиус выдвигал предположение, что структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или атомных групп.

Ш. Жерар считал, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но преобразуют друг друга, так что в результате возникает определенная целостность (система).

Ф. Кекуле предпринял попытку раскрыть структуры молекул и синтезировать новые вещества. Он связал структуру с понятием валентности элемента. На этой основе и возникли структурные формулы органической химии. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов, то есть управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами.

 

Современные представления о структуре

1. По современным представлениям структура молекул – это пространственная и энергетическая упорядоченность квантовомеханической системы, состоящей из атомных ядер и электронов.

2. Структурная химия ограничена рамками знаний только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии. Одних этих знаний недостаточно для управления процессами превращения вещества. Большое количество реакций органического синтеза, основанных лишь на принципах структурной химии, имеют очень низкие выходы продукции и очень большие побочные отходы, для производства на основе органического синтеза использовалось только дорогостоящее сырье сельскохозяйственного производства.

3. Структурная неорганическая химия решала проблемы химии твердого тела, искала пути синтеза кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения металлов с высокой механической прочностью, термической стойкостью и долговечностью, для получения материалов с заданными электрофизическими и оптическими свойствами.

4. В 60-80-е гг. появился термин «органический синтез», применяемый при получении красителей, взрывчатых веществ и лекарственных препаратов.