Современное определение химии

 

Что такое химия? Вопрос непраздный; каждому химику – и преподавателю, и исследователю – время от времени приходится на него отвечать.

Обычно химию определяют как науку о веществах и их превращениях, и это хорошая стартовая позиция. Но, разумеется, требует уточнения сущность терминов "вещество" и "превращение". Иногда, давая определение химии, говорят, что она изучает химические вещества. В этом случае к неполной ясности добавляется еще и тавтология, и выяснение сути дела откладывается до основательного обсуждения вопроса о том, что такое химическое вещество, а этому должно предшествовать описание аппарата структурных представлений. Тем не менее, именно такое первичное определение химии представляется оптимальным.

Ориентируясь пока на интуитивное представление о химических веществах, которое есть у каждого, кто хотя бы поверхностно знаком с основами химии (заметим, что это представление о химическом веществе, являющееся весьма важным, если не основным компонентом химического сознания, возникло в глубокой древности и не раз претерпевало капитальные метаморфозы. Важнейшая из них состоит в том, что, если в предыдушие века химическое вещество, в первую очередь, ассоциировалось с определенным агрегатным состоянием, цветом, запахом и т.п., то в XX веке это, прежде всего, структура, и нередко химики уверенно рассуждают о существующих или гипотетических веществах, не задумываясь о том, как они выглядят), дадим более конкретную характеристику содержания химии. Что, собственно, она делает с веществами и их превращениями? В каком смысле она их изучает?

Первый концентр химии (рис. 3) – изучение многообразия химических веществ, их описание и систематика. Если индивидуальное химическое вещество обозначить символом Х _i, а множество всевозможных веществ – {Х _i }, то можно сказать, что обнаружение и исследование отдельных Х _i, изучение их совокупности {Х _i } – это и есть центральная задача химии. Сюда же относится и интерпретация множества {Х _i }, т.е. выяснение причин, по которым существуют именно наблюдаемые, а не какие-нибудь другие вещества.

Естественно, первостепенный интерес представляют способы получения (синтез) и идентификации (анализ) химических веществ; это – второй концентр. Еще недавно большинство химиков было занято именно этой деятельностью. Теперь синтетиков и аналитиков стало меньше, и все же синтез и анализ и ныне составляют весомую долю химических исследований.

Однако главная часть современной химии (как и химии прошлых веков) – это исследование функциональных зависимостей вида р= р (Х), где Х – по-прежнему химическое вещество, а р – какое-либо свойство. Это может быть и такое "химическое" свойство, как реакционная способность, и такое "физическое" свойство, как температура плавления или электропроводность. Еще раз подчеркнем, что не только реакции входят в круг интересов химии. Кстати, при детальном количественном изучении и реакции также характеризуют физическими константами, любая из таких характеристик, представленная в виде функции р (Х), может быть предметом химических исследований. Вместе с тем, объектом внимания химика может быть (и очень часто действительно является) физическое свойство, непосредственнно связанное с какой-либо реакцией. Химическая специфика здесь проявляется в том, что данное свойство рассматривается в зависимости от химической индивидуальности, например, в ряду родственных соединений.

Вопрос о границах между физикой и химией обсуждается довольно часто и, как правило, без всякого толку, поскольку таких границ нет. Но есть, конечно, – и это важное обстоятельство – существенная разница в круге проблем, составляющих основное содержание физики, и проблем, относящихся к компетенции химии. Собственно, есть капитальное различие в методологии физики и химии, есть различия и в менталитете физика и химика.

Проблематика физики главным образом состоит в изучении физических явлений. Впрочем, и химическую реакцию можно рассмотреть (и часто это делается) как физическое явление. Однако вещество для физика – чаще всего, только арена, на которой происходит интересующее его действие; он обратится к разным веществам, лишь если наблюдаемое явление протекает в них совершенно по-разному, если требуется создание различных моделей процесса. Химика же интересует именно вещество и, что особенно важно, ряды веществ. Что произойдет со свойством р (реакционной способностью, температурой плавления, злектропроводностью и т.п.) при замене атома водорода на метил, этил, пропил и т. д. или на калий, рубидий, цезий? – вот вопрос, который всегда важен для химика и обычно не возникает при физическом подходе. Не будем, однако, забывать, что нередко физики занимаются химическими исследованиями, а химики – физическими.

Чтобы продвинуться к более глубокому определению химии, нужно принять во внимание следующие обстоятельства:

1. Химические вещества состоят из атомов; материя, в которой выделение атомов теряет физический смысл (например, плазма), в качестве химического вещества обычно не рассматривается, хотя является, конечно, веществом в более широком смысле слова;

2. Химическим веществом в традиционном значении этого термина можно назвать только совокупность большого, практически бесконечного числа атомов; нередко, хотя и далеко не всегда, атомы объединены в молекулы; в последнем случае вещество – это множество молекул; вместе с тем, в современной химии все чаще изучаются процессы, в которых функционируют отдельные (единичные) молекулы или небольшие ансамбли молекул/атомов (сюда, в частности, относятся некоторые из так называемых "наноструктур"). Таким образом, химия имеет дело не только с химическими веществами, но и с друтими химическими обьектами, что следует учесть в более полном ее определении;

3. Химическое вещество – это гомогенная или микрогетерогенная фаза [понятие фазы возникло в классической равновесной термодинамике и в рамках этой области физики (или физической химии) при последовательном феноменологическом подходе представляется достаточно ясным]. Однако при рассмотрении структуры разнообразных атомно-молекулярных систем отнюдь не просто выделить среди них однофазные, в особенности в свете новейших данных, которые очень часто свидетельствуют о микрогетерогенности веществ, считающихся однофазными (таких, например, как жидкий глицерин). Таким образом, понятие фазы, в свою очередь,требует серьезного нетривиального анализа (но этот вопрос выходит за рамки нашей проблемы), но химию, разумеется, интересуют и гетерогенные системы. Такую систему тоже иногда называют веществом, но без эпитета "химическое" (к числу таких веществ относятся многие материалы). Некоторые разделы химии (например, химия поверхности или коллоидная химия) имеют дело с гетерогенными системами определенного типа и формируются именно по этому признаку;

4. Понятие фазы и, соответственно, химического вещества обычно относят к стабильному (равновесному) состоянию, но очень часто, особенно в последние годы, предметом исследования становится нестабильное (неравновесное) или метастабильное состояние;

5. В современной химии важнейшую, а во многом и определяющую роль играют структурные представления. Всестороннее изучение структуры химических веществ и использование структурной информации – неотьемлемая, характернейшая черта химии наших дней.