Химическая картина мира формируется на основе четырех концептуальных систем химического знания:
• XVII в. - учения о составе вещества;
• XIX в. - структурной химии;
• XX в. - учения о химических процессах;
• середина XX в. - эволюционной химии.
В развитии химии происходит не смена, а строго закономерное, последовательное появление концептуальных систем. При этом вновь появляющаяся система опирается на предыдущую и включает ее в себя в преобразованном виде. Таким образом, появляется система химии – единая целостность всех химических знаний, которые появляются и существуют не отдельно друг от друга, а в тесной взаимосвязи, дополняют друг друга и объединяются в концептуальные системы знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии.
Концепции химических знаний разрабатывались на разных этапах их развития.
Один из первых этапов связан с концепцией состава вещества, основоположником которой считается англичанин Бойль (1627-1691). Ее главная идея заключается в том, что свойства и качества материальных тел зависят от того, из каких химических элементов они состоят. Логическим продолжением данной концепции явился закон постоянства состава вещества, суть которого в том, что в отличие от смесей и растворов любое индивидуальное химическое соединение обладает определенным и неизменным составом (основой этого закона явились исследования Пруста, Бертолле и Дальтона). В соответствии с этим вещество состоит из таких наименьших частиц, а именно молекул, которые и определяют его химические свойства. Однако необходимо иметь в виду, что концепция постоянства состава вещества относится только к низкомолекулярным соединениям, но не имеет четкого научного смысла для полимерных материалов в связи со спецификой механизма их образования.
|
|
Особенности энергетики химических превращений изучает химическая термодинамика, основой которой считаются несколько законов термохимии. Один из них – это закон Лавуазье (1743-1794) – Лапласа (1749-1827): тепловой эффект образования данного соединения равен, но противоположен по знаку тепловому эффекту его разложения. Другим является закон Гесса: тепловой эффект химической реакции не зависит от характера и последовательности отдельных ее стадий и определяется только начальными и конечными продуктами реакции и их физическим состоянием.
Очень важным концептуальным понятием в химии является «химическое равновесие », которое представляет собой состояние системы реагирующих веществ, при котором их концентрации не изменяются. Другими словами, химическое равновесие достигается в том случае, когда скорость прямой реакции становится равной скорости обратной реакции. Напротив, процесс изменения концентраций, вызванный нарушением равновесия, называется смещением или сдвигом равновесия. С химическим равновесием связаны закон Вант-Гоффа и принцип Ле-Шателье. Закон Вант-Гоффа определяет направление, в котором смещается равновесие при изменении температуры: если температура системы, находящейся в равновесии, изменяется, то при повышении температуры равновесие смещается в сторону процесса, идущего с поглощением тепловой энергии, а при понижении – в обратную сторону. Принцип Ле-Шателье является более общим, так как относится к значительно большим типам равновесных систем. В приложении к химическим процессам его можно сформулировать следующим образом: при изменении одного из условий, при котором система находится в состоянии химического равновесия (температура, давление или концентрация), равновесие смещается в направлении той реакции, которая противодействует произведенному изменению.
|
|
К началу 19 века накопилось много экспериментальных данных, которые касались реакционной способности разных химических соединений, но не могли быть объяснены с единых позиций. Одним из таких фактов явилось, например, установление (Гей-Люссак) существования разных (по своим химическим свойствам) органических веществ одного и того же состава (которые затем были названы изомерами). Для объяснения этого факта и вообще различной реакционности веществ было предложено (Берцелиус) рассматривать молекулу как упорядоченное множество разноименно заряженных атомов, которые связаны между собой электростатическим притяжением (в дальнейшем такая связь была названа ионной). Затем некоторые химики (например, Жерар и др.) стали считать, что молекула – это не простое суммарное множество атомов и радикалов, а единая и целостная система, главным свойством которой является взаимное влияние этих структурных элементов друг на друга.
В 1857 г. немецкий химик Ф.-А. Кекуле опубликовал свои наблюдения о свойствах некоторых элементов, которые могут заменять атомы водорода в ряде соединений, и ввел новый термин – сродство (количество атомов водорода, которое может заместить данный химический элемент). Число единиц сродства, присущее данному химическому элементу, он назвал валентностью. Основные положения теории валентности, сформулированные Кекуле, позволили предсказывать существование новых органических соединений и разрабатывать методы их синтеза.
|
|
Важнейшим достижением в развитии химических знаний явилось создание в 1869 г. Д.И. Менделеевым Периодической системы химических элементов. В ней все известные в то время элементы были расположены в определенном порядке: сначала – по мере возрастания атомной массы, а в дальнейшем (после открытия электрона и ядра атома) – по мере возрастания величины заряда ядра атома. Именно такая концепция позволила раскрыть физическую природу химического элемента, которая заключается в том, что химический элемент представляет собой совокупность атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра атома. Во времена Менделеева было известно 62 элемента, сейчас – 114.
Периодический закон Д.И. Менделеевагласит: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера).
Однако, несмотря на явный прогресс в развитии химии, ни одна из перечисленных теорий и концепций не смогла дать строгое научное обоснование основной причины различной реакционной способности разных соединений. На этот важнейший вопрос дала теория химического строения вещества, которую создал российский химик Бутлеров (1823-1886). В этой теории главное внимание было обращено не на пространственное расположение атомов в молекуле, а на распределение сил так называемого химического сродства между всеми атомами в молекуле (они были названы химическими связями). Было показано, что именно химические связи между атомами, обладающие определенной энергией и длиной, обусловливают разную реакционную способность веществ. Более того, такая концепция позволяет считать, что сама химическая реакция представляет собой перераспределение химических связей в реакционной системе (разрыв химических связей в молекулах исходных реагентов и образование новых химических связей в конечных продуктах). Кроме того, было установлено, что одна и та же химическая связь в зависимости от ее окружения (то есть другими атомами и связями), как правило, характеризуется разной прочностью, выражаемой величиной энергии связи.
В практическом отношении концепция химической связи позволила создать большое число методов синтеза различных веществ и материалов, а сама теория строения вещества Бутлерова явилась основой для создания нового раздела химии, а именно структурной химии. Основная концепция структурной химии состоит в том, что любое вещество состоит из совокупности молекул, обладающих определенной пространственной структурой. С позиций современного естествознания структура молекул низкомолекулярных соединений представляет собой строгую пространственно и энергетически упорядоченную квантовую систему, состоящую из атомных ядер и электронов. Вместе с тем так же, как и концепция постоянства состава, структурная химия полимеров имеет свою специфику. Связана она не только с особенностями механизма их образования, но и с физико-химическими и механическими свойствами высокомолекулярных соединений. Это такие свойства, как статистический характер конфигураций полимерных цепей, высокая эластичность, вязко-упругие свойства, возможность их стереорегулярного строения, способность образования совместных полимеров, возможность их сшивания и получения блок-полимеров.