Основные теоретические проблемы химии.

1) проблема определения «химического элемента».

Итак, мы выяснили, что уже с древнейших времен свойства веществ связывали с элементами, из которых они состоят. Главной проблемой было определение понятия «химический элемент». В течении долгого времени в науке господствовала теория флогистона – считалось, что сложные тела состоят из соответствующего элемента и особого «невесомого тела» или флогистона. Исходя из подобного утверждения большинство ученых, в том числе Р. Бойль, определяли элемент как «простое тело», что зачастую приводило к ошибочным выводам – простые вещества принимались за сложные (медь, железо и другие металлы) и наоборот (окалина).

Впоследствии эта гипотеза была опровергнута французским химиком А. Лавуазье (1743-1794), который определил элемент как тело, не поддающееся дальнейшему разложению. Кроме того, он предпринимал попытки систематизировать открытые к тому времени химические элементы. По мере открытия новых элементов, описания их свойств и реакционных способностей, был накоплен огромный эмпирический материал. Однако вплоть до XIX в. какой-либо совершенной концептуальной систем создано не было, т.к. за системообразующий фактор брались внешние признаки элементов.

Заслуга в создании такой системы принадлежит Д. И. Менделееву (1834-1907), в основе которой лежит периодический закон – в качестве системообразующего фактора он выбрал атомную массу (атомный вес). В соответствии с ним он расположил химические элементы в систему и доказал, что их свойства находятся в периодической зависимости от атомного веса.

В дальнейшем было уточнено, что свойства химических элементов зависят от их атомного номера, который определяется зарядом ядра. Атомный вес определяется как среднее арифметическое величин масс изотопов (разновидности атомов, которые имеют одинаковый заряд ядра, но отличаются мо массе), из которых состоит элемент. Современная наука определяет химический элемент, как вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра, хотя и отличаются по своей массе (атомные веса не выражаются целыми числами). Кроме того, с точки зрения квантовой химии, причина периодичности химических свойств заключается в периодичности строения электронных оболочек.

2) проблема определения «химического соединения».

Главным вопросом при решении выше обозначенной проблемы являлось различение смеси и химического соединения, а также ответ на вопрос – обладает ли такое соединение переменным ил постоянным составом. В начале XIX в. возникли две точки зрения:

Первая теория: Ж. Пруст (1754-1826) – любое химическое соединение должно обладать вполне определенным и неизменным составом («закон постоянства состава»). Именно постоянство состава отличает химическое соединение от смеси.

Впоследствии этот закон был обоснован английским химиком Д. Дальтоном (1766-1844). Он утверждал, что всякое индивидуальное вещество – простое или сложное – состоит из мельчайших частиц – молекул, которые, в свою очередь, образованы из атомов. Именно молекулы являются наименьшими частицами, обладающими свойствами вещества.

Например, молекула такого простого вещества как кислород (О2) образована из двух атомов и характеризуется всеми свойствами, которые присущи этому веществу. Молекулы сложных веществ, или химических соединений, образованы из разных атомов и поэтому обладают свойствами, отличными от свойств составных частей. Так, например, вода Н2О представляет собой жидкость, а образована она из двух газов – водорода и кислорода.

Вторая теория: К. Бертолле (1748-1822) – считал, что существуют соединения переменного состава в виде сплавов и растворов. Впоследствии было установлено, что постоянство и непостоянство состава химического соединения являются внешней характеристикой. Дальнейший анализ подобных составов показал, что природа соединения или характер связи атомов в молекуле зависит от их химических связей, которые определяются обменным взаимодействием валентных электронов. В результате изменяется определение понятия «молекула» - это по-прежнему наименьшая частица вещества, которая определяет его свойства и может существовать самостоятельно; однако к молекулам теперь относятся и другие разнообразные квантовомеханические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры, макромолекулы).

3) проблема взаимодействия атомов в молекулах.

Как известно свойства любой системы определяются не только составом и строением элементов, из которых состоит система, но и характером взаимодействия между этими элементами. Применительно к химии такой первичной химической системой является молекула, поэтому именно структура молекулы рассматривается в качестве наименьшей единицы вещества.

Представления о структуре молекулы эволюционировали от весьма общих предположений отвлеченного характера и до гипотез, обоснованных с помощью систематических химических экспериментов. Например, по мнению известного шведского химика Й. Берцелиуса (1779-1848), структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или атомных групп. Французский химик Ш. Жерар (1816-1856) подчеркивал, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так что в результате возникает определенная целостность или система.

Однако подобные представления не содержали практических указаний, как применить их для синтеза новых химических соединений и получения веществ с заранее заданными свойствами. Впервые попытку раскрыть структуру молекулы и синтезировать новые веществ предпринял известный немецкий химик Ф. Кекуле (1829-1896). Он связал структуру с понятием валентности элемента, или числа единиц его сродства – комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем можно было управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами, а именно это составляет важнейшую задачу химической науки.

Дальнейший шаг в эволюции понятия химической структуры связан с теорией химического строения А. М. Бутлерова (1828-1886) – признавая, чтообразование новых молекул из атомов происходит за счет их химического сродства, он обращал особое внимание на степень напряжения, или энергии, с которой они связываются друг с другом.

Таким образом, эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей, или элементов, а с другой – установления характера физико-химического взаимодействия между ними. Последнее особенно важно для ясного понимания структуры с точки зрения системного подхода, где под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы.

4) проблема условий протекания химических реакций.

Взаимодействие различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К условиям протекания химических процессов относятся: 1) термодинамические факторы – зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий; 2) кинетические условия – наличие катализаторов и других добавок к реагентам, а также влияние растворителей, стенок реактора и иных условий.

Необходимо отметить решающую роль катализаторов в процессе перехода от химических систем к биологическим, т. е. на предбиотической стадии эволюции. Например, возникновение и эволюция жизни на Земле были бы невозможны без существования ферментов, служащих, по сути дела, живыми катализаторами.

Наиболее убедительно это продемонстрировано опытами по самоорганизации химических систем, которые наблюдали В. П. Белоусов и А. М. Жаботинский. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Однако, в отличие от самоорганизации открытых физических систем, в указанных химических реакциях важное значение приобретают каталитические процессы. Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. На этом основании некоторые ученые, например, напрямую связывают химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Другими словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем.

5) проблема химической формы движения.

Вследствие того, что атомный уровень вещества изучается как физикой, так и химией, встает вопрос – что же входит в понятие собственно химическая форма движения материи. На современном этапе развития естественнонаучных знаний принято считать, что к физической форме движения материи относится уровень элементарных частиц, ядерный и высший атомный. К химической форме – атомный, молекулярный и уровень полимеров или высокомолекулярных соединений. Здесь нужно различать следующее – если мы изучаем состав и строение атомов, то мы имеем дело с физической формой движения, а если мы исследуем свойства атомов в качестве химических элементов, то химическая форма движения.

В связи с этим иерархия структурных уровней химической формы движения выглядит следующим образом (по возрастанию): атомный, молекулярный, макромолекулярный и надмолекулярный уровни. Каждому из этих уровней соответствует собственная химическая частица, которая является материальным носителем соответствующих типов химического движения. Например, атомной форме соответствуют атомы, молекулярной – молекулы, макромолекулярной – ассоциаты (результат взаимодействия атомных и молекулярных частиц, существуют чаще всего в газообразном состоянии и в растворах), надмолекулярный – агрегаты (возникает также как и ассоциаты, но существуют в твердом и жидком состояниях, чаще всего в виде кристаллов). При этом между этими частицами происходит взаимодействие атомов, при котором сами атомы не изменяются – последнее происходит только с их электронными оболочками за счет перегруппировки валентных электронов. Кроме того, происходит изменение порядка их взаимосвязи в молекулах, радикалах, соединениях.

Таким образом, структурный уровень организации материи на микроуровне выглядит следующим образом (по усложнению): элементарные частицы, атомные частицы, молекулярные частицы, ассоциаты, агрегаты.

Биологические системы.