Роль химии в формировании научного мировоззрения

только одного вида частиц вещества - атомов совершенно недостаточно для

объяснения многих химических явлений.

Первоначально атомное учение предполагало существование только одного

вида мельчайших частиц - атомов, из которых образуются все тела окружающего

мира. Но уже в самом начале развития химии на основе атомного учения

оказалось, что для строго количественного объяснения многих свойств

представлений о «двухступенчатой» (атом - макротело) дискретной организации

вещества явно недостаточно. Все более четким становилось предположение о

существовании наряду с атомами еще одного вида частиц вещества - молекул -

сложных микрочастиц, состоящих из двух или нескольких атомов.[8]

Четкое разграничение понятий атома и молекулы было закреплено в 1860 г.

на Международном съезде химиков в Карлсруэ. На основе достижений химии в

учении о веществе утвердилось, таким образом, представление о существовании

двух видов микрочастиц - атомов и молекул. Соответственно сложилось и

представление о «трехступенчатой» организации вещества: атом - молекула -

макротело. Все вещества (жидкие, твердые, газообразные тела) стали

представлять состоящими из молекул, которые, в свою очередь, образованы

путем химического соединения из неделимых, неизменных атомов. Общие

представления о веществе поднялись на качественно новую ступень. Учение о

дискретном строении вещества стало благодаря успехам химии уже не атомным,

а атомно-молекулярным. Это был большой шаг, скачок в развитии химического и

вообще естественнонаучного мышления, в выработке и конкретизации научной

картины мира. Химические превращения вещества стали трактоваться как

процессы образования молекул из атомов, как процессы перестройки молекул.

Коренная ломка сложившихся в XIX в. воззрений на вещество была вызвана

открытием электронов, открытием сложности атомов, их делимости, их

превращений (радиоактивность). Атом в XX в. предстал как сложная целостная

система из более мелких частиц. Было раскрыто и участие электронов в

химических процессах, в образовании химических связей между атомами в

молекулах.

Но открытием более мелких, чем атомы, частиц вещества (атомных ядер,

«элементарных частиц»), открытием сложности и делимости атомов, их

изменчивости не исчерпываются последние десятилетия изменения в химической

атомистике и в общих представлениях о дискретном строении вещества. История

химии за столетие со времени оформления атомно-молекулярной теории

свидетельствует о том, что молекулы - это была лишь первая ступенька на

пути выявления химией качественного многообразия дискретных форм вещества и

раскрытия внутреннего механизма его превращений. В ходе развития химических

исследований, вооруженных идеями атомно-молекулярного учения, еще в прошлом

веке были открыты и другие виды химических частиц.[2]

Уникальным и принципиально новым явлением в развитии атомистических

представлений были труды М. В. Ломоносова, осуществившего дедуктивный или

даже своеобразный гипотетико-дедуктивный синтез этих представлений с

учением о химических элементах в рамках логистики. Концептуальной основой

такого синтеза явились:

корпускулярные представления о строении вещества;

кинетическая теория теплоты;

закон сохранения вещества и движения.

В суждениях о химическом составе тел, их свойствах и превращениях

Ломоносов использовал корпускулярную теорию для объяснения фазового

перехода твердых тел в жидкость и обратно, взаимодействия разных жидкостей

при разных температурах и , наконец, Воздействия теплоты на физические и

химические явления. Решение всех этих задач он осуществлял с единых позиций

своей «корпускулярной философии», сущность которой можно свести к следующим

положениям [6]:

1. все тела вне зависимости от агрегатного состояния имеют дискретное

строение, они состоят из «корпускул»,т. е. молекул, которые в свою

очередь, составлены из «элементов», или атомов;

1. корпускулы могут быть однородными, или простыми, когда они состоят

из одних тех же элементов, и разнородными, или сложными, когда они

представляют собой соединение разных элементов;

1. «теплота не зависит от сосредоточения постоянной материи, а есть

некое состояние тела» [9] и далее - теплота твердого тела «состоит

во внутреннем вращательном движении (частиц) связанной материи»[9],

теплота жидкостей и газов обусловлена как вращательным, так и

линейным движением их частиц; «корпускулы от большой степени теплоты

отделяются друг от друга и даже рассеиваются».[9]

1. явление перехода из одного агрегатного состояния в другое, так же и

растворение, сопровождаются поглощением или выделением теплоты и

обусловлены перемещением корпускул;

1. химические превращения тел обусловлены «изменениями, происходящими в

смешанном теле»[9], т. е. изменением элементарного состава.

Рассматривая историю возникновения развития понятия молекулы, нельзя не

обратить внимание на то обстоятельство, что по данному вопросу в химии

переплетались и боролись две точки зрения. Первую можно назвать

аналитической: она рассматривала молекулу как элементарную единицу состава

тела. Вторая признавала за молекулой самостоятельное существование в

качестве реальной структурно - кинетической единицы материи.[10]

3 Периодическая система и закон Д. И. Менделеева

и его значение

Имя и труды Менделеева пользуются мировой славой. Периодический закон,

открытый Менделеевым, сопутствует каждому химику любой страны на всем

протяжении его деятельности. Этот закон является могучим обобщением и

орудием анализа огромнейшего арсенала химических знаний, накопленного

человечеством и сильно обогащающегося с каждым годом.

Периодический закон послужил и продолжает служить путеводной звездой

для тысяч новых исследований и творческих исканий в области химических,

физических, геологических, технических и других наук.

Периодический закон принадлежит к числу тех законов природы, открытие

которых влечет за собой многочисленные и разнообразные следствия и

приложения и творческое развитие их вширь и вглубь.

Д. И. Менделеев обратил внимание на то, что у всех элементов, при всем

их различии, есть нечто общее; это - их масса, выраженная в атомном весе.

Каждый элемент обладает своим атомным весом; например, у хлора он равен

35,5, у натрия - 23,0 и т.д. Значит, заключил Менделеев, все элементы можно

сравнивать между собой по их атомному весу. А так как все элементы

обладали общим свойством - атомным весом, Менделеев расположил в один ряд в

порядке возрастания атомного веса у элементов. Первое место занял самый

легкий элемент - водород, за ним шел немного более тяжелый - литий, потом

еще более тяжелые элементы и так до самых тяжелых, которыми заканчивался

весь ряд. Когда после этого Менделеев посмотрел, как расположились

отдельные элементы в общем ряду, то обнаружил замечательное явление.

Оказалось, что элементы с одинаковыми химическими свойствами повторяются

периодически, через 7 или 17 мест. Так, например, после щелочного металла

лития через 7 элементов снова появляется щелочной металл натрий, а еще

через 7 элементов - тоже щелочной металл калий; затем период становится

длиннее: щелочной металл рубидий стоит на 18-м месте после калия, цезий -

на 18-м месте после рубидия. Та же правильность обнаружилась и у других

элементов, например, у галоидов: на 8-м месте после фтора стоит хлор, на 8-

м после хлора - бром, на 18-м месте после брома - йод. Заметив это,

Менделеев разделил весь ряд элементов на части (периоды) и поместил один

период под другим - так, чтобы химически сходные элементы попали в один

вертикальный столбец и стояли друг под другом; в результате получилась

таблица, в которой элементы располагались в порядке возрастания их атомного

веса, причем элементы с одинаковыми свойствами периодически повторялись на

одном и том же месте от начала или от конца каждого периода.[11]

Таким образом, в пределах каждого периода химический характер элементов

из резко выраженного металлического постепенно превращается в такой же

резко выраженный неметаллический, а затем скачком, через недеятельный газ,

снова возвращается к резко выраженному металлу, которым начинается новый

период. Соответственно этому, по мере роста атомных весов, наивысшая

валентность по кислороду последовательно увеличивается в пределах каждого

периода: она равна 1 у щелочного металла, 2 - у щелочно-земельного металла

и т.д. до галоида, у которого она равна 7. После этого она внезапно падает

до нуля у недеятельного газа, который вообще неспособен к химическому

соединению, а затем снова начинает расти от 1 до 2, до 3 и т.д. до 7, после

чего снова падает до 0. Таким образом, в то время как атомные веса растут

непрерывно, валентность сначала увеличивается от 0 до 7, а затем падает до

своего исходного значения; такое изменение совершается периодически,

несколько раз на протяжении всей менделеевской системы; подобно этому и

соответственно этому периодически несколько раз совершается переход от

металлических свойств элементов к противоположным им неметаллическим

свойствам; после недеятельного газа металлические свойства появляются

снова, а затем вновь также постепенно происходит переход к неметаллическим

свойствам.

Вот как определяет смысл периодического закона сам Менделеев в своей

замечательной книге «Основы химии»: «...Если все элементы расположить в

порядке по величине их атомного веса, то получится периодическое повторение

свойств. Это выражается законом периодичности: свойства простых тел, также

формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической

зависимости (или, выражаясь алгебраически, образуют периодическую функцию)

от величины атомных весов элементов».

Исходя из того, что свойства элементов меняются так же закономерно, как

и атомные веса, Менделеев наперед вычислил предполагаемые свойства не

открытых еще элементов; он предсказал, таким образом, не только то, что

должны быть открыты новые элементы, но и то, какими свойствами они будут

обладать. Более того, он предсказал даже и то, каким способом, вероятнее

всего, будут открыты эти никем еще доселе не виданные и даже не ожидаемые

элементы. Эти предсказания были сделаны в 1871 г. В то время, пожалуй,

никто из химиков не отнесся серьезно к открытию Менделеева. «Поживем,

увидим», - говорили скептики.

Вскоре последовали новые замечательные подтверждения предсказаний

Менделеева. Были открыты элементы скандий и германий, наперед описанные

Менделеевым. Оправдывались все предложенные Менделеевым изменения атомных

весов. Теперь периодический закон полностью был доказан; более того, он

совершил триумфальное шествие в мировой науке. Имя великого ученого,

открывшего этот закон, было заслуженно вписано в один ряд с именами

величайших ученых мира всех веков.

Далее, Менделеев показал, что качественная химическая характеристика

каждого элемента зависит от количественной характеристики его важнейшего

свойства - атомного веса; постепенное нарастание атомного веса в ряду

элементов каждый раз приводит к качественному изменению, обусловливая

переход от одного элемента к другому, причем этот переход происходит не

плавно, не постепенно, а резким скачком, путем перерыва постепенности. На

этот по существу диалектический характер изменений свойств элементов,

расположенных согласно периодическому закону, много раз обращал внимание

сам Менделеев.

Все богатство диалектических связей и переходов, скачков и

противоречий, заключенных в периодической системе, было открыто

Менделеевым, хотя сам Менделеев не был сознательным диалектиком-

материалистом, а применял диалектику бессознательно, стихийно. Тем не

менее, именно фактическое применение диалектического метода позволило

Менделееву открыть периодический закон, построить систему элементов и

сделать свои замечательные предсказания, обессмертившие его имя. Менделеев

исходил из убеждения, что количественные изменения свойств растут строго

закономерно, каждый раз обусловливая собой качественные изменения элементов

(т.е. «переходя» в качество).

Периодический закон вместе с построенной на его базе системой

Менделеева является фундаментальным законом природы, которому подчиняются

строение, свойства и поведение атомов и элементов, их рождение, их жизнь,

их гибель. Поэтому-то смысл отдельных физических открытий, касающихся

атомов, становится понятным только после того, как эти открытия приводятся

в связь с законом Менделеева, освещаются им, как прожектором.[11]

4. Химическая связь и строение молекул вещества.

Атомистические воззрения возникли первоначально на Древнем Востоке, в

античных Греции и Риме. Первоначально атомное учение предполагало

существование только одного вида частиц - атомов, из которых образуются все

тела окружающего мира. Учение об атомах является учением о прерывистом

дискретном строении материи. Это учение выступало как материалистическое

учение. Поэтому борьба вокруг него отражала прежде всего борьбу между

материализмом и идеализмом в науке. При этом материалистическое течение

здесь исходит из тезиса, согласно которому атомы материальны, существуют

объективно и познаваемы. Идеалистическая позиция выражается в отрицании

реальности атомов, в объявлении их средством систематизации опытных данных,

отрицании их познаваемости.[7]

Английский ученый Дальтон, введя в химию в начале ХIХ века понятие об

атомах, в сущности применил к учению о веществе старые атомистические

воззрения, возникшие еще в древней - индийской и греческой - философии за

много лет до нашей эры. Согласно атомному учению, вещество дискретно, т. е.

состоит из мельчайших невидимых и неделимых частиц - атомов. Все свойства

вещества зависят от расположения, взаимодействия, перемещения атомов.[8]

Атомистика Дальтона основывалась на обширном эмпирическом и

теоретическом материале, накопленном в науке к началу XIX века. Назначение

ее состояло в том, что при помощи представлений об атомах разных элементов

и о простейших способах их объединения в молекулы объяснить дискретность

химических отношений, скачкообразность перехода от одного соединения с

неизменным составом к другому соединению с иным также постоянным составом.

Сущность атомистики Дальтона можно выразить в следующих положениях:

8. все вещества состоят из громадного числа чрезвычайно малых частиц

или атомов;

9. одним из свойств атомов является их полное тождество в одном и том

же простом веществе, т.е. все атомы одного и того же химического

элемента тождественны друг другу;

10. важнейшим свойством атомов, наличие которого объясняет все

стехиометрические отношения, является атомная масса;

11. атомы разных элементов способны соединяться друг с другом по закону

наибольшей простоты (один атом А с одним, двумя, тремя или четырьмя

атомами В) и образовывать «сложные атомы» (так Дальтон называл

молекулы);

12. атомная прерывность строения вещества служит основой дискретности

всех химических отношений.[6]

Центральным узловым пунктом в системе атомно-молекулярной химической

теории стало также понятие о молекуле. Более чем двухвековой период

формирования представлений о молекулах как индивидуальных формах

дискретности вещества, их составе и строении, сопровождался непрерывной

борьбой между метафизическим и диалектическими методами мышления. На основе

его или в тесной связи с ним сформировались и другие важнейшие химические

принципы и понятия (например, химическое соединение, химическое строение,

валентность, химическая связь и т. д.). Наименьшая частица вещества

(химического соединения ), сохраняющая его основные свойства, - вот чем

считалась молекула. Такое определение основывается на представлении о том,

что молекула - универсальная микроформа существования химического

соединения атома и что все сложные вещества (химические соединения) как

макротела состоят из молекул. Этот принцип универсальности молекулярной

формы вещества - один из важнейших в атомно молекулярной химической теории,

где исследование химических превращений вещества выступало как исследование

изменений молекул.[2]

Вместе с понятием о молекуле как сложном, целостном образовании,

качественно отличным от атомов, в химию и в теоретическое мышление химиков

вошел и новый принцип подхода к изучению вещества Это структурный принцип -

положение о том, что свойства вещества зависят не только от элементарного

состава, но и от строения, т. е. от того, какова организация,

упорядоченность взаимодействия элементарных частей в системе целого. В

старой атомистике свойства вещества ставились в зависимость лишь от его

состава - природы и количественного соотношения образующих его элементов

(атомов). Чем отчетливее осознавалась в химии необходимость качественного

различения атомов и молекул, тем яснее становилось и значение существования

устойчивой упорядоченности отношений атомов в системе молекулы как единого

целого, упорядоченности, особой для каждого вида молекул.[2]

Структурный принцип получил самое яркое выражение в разработанной А. М.

Бутлеровым теории химического строения, Основанной на представлении о связи

свойств каждого вида вещества с существованием устойчивого порядка

химических взаимодействий атомов в молекулах данного вида. Принцип

структурного подхода занял с тех пор прочное место в арсенале

познавательных средств химика и методов химического научного мышления.

Поскольку организация вещества в атомно-молекулярной теории

представлялась трехступенчатой: атом-молекула-макротело, то логически

последовательное поведение структурного подхода предполагало бы, с одной

стороны, исследование того, как свойства вещества зависят от внутреннего

строения его молекул, а с другой - раскрытие зависимости свойств вещества

от структуры самих макротел, от взаимодействий молекул в массе вещества.[2]

Пока в химии еще не сложилось четкое различие атомов и молекул и

понятие о химическом строении, химические превращения рассматривались

преимущественно как изменения состава, изменение количественного и

качественного соотношения атомов в составе вещества.

Другой известный русский ученый В. В. Марковников отмечал, что

закономерность о взаимном влиянии атомов в молекуле нельзя вывести на

основе положений механики, а процесс надо рассматривать глубже. «Во

взаимном влиянии атомов в молекуле мы видим проявление одного из законов

диалектики, закона всеобщей взаимосвязи предметов и явлений природы. В

сфере химических отношений этот закон выступает в своеобразных,

специфических формах; с одной стороны, он охватывает межмолекулярные

взаимодействия, с другой - отношения атомов внутри молекулы.»[10]

Такое диалектическое понимание молекулы позволило Бутлерову объяснить

явление изомерии и предсказать существование неизвестных органических

Страницы: 1, 2, 3