Предмет познания химической науки и ее проблемы кратко

Обновлено: 05.07.2024

Своеобразную программу исследования химических явлений впервые сформулировали и приняли ученые-химики на первом Международном съезде химиков в Карлсруэ в Германии в 1860 г. Они исходили из того, что:

все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном и самопроизвольном движении;

все молекулы состоят из атомов;

атомы и молекулы находятся в непрерывном движении;

1 Шиманович И.Е., Павлович М.Л., Тикавый В.Ф., Малашко П.М. Общая химия в формулах, определениях, схемах. — Минск: Университетское, 1996. — С. 6. 2 Кузьменко Н.Е., Еремин В.В. Химия. Ответы на вопросы. — М.: I Федеративная книготорговая компания, 1997. — С. 15.

• атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул 2 .

Этим подводился своего рода итог развитию представлений о веществе как состоящем из неделимых атомов и молекул. На данной концептуальной основе в середине XIX в. была разработана стройная атомно-молекулярная теория, которая впоследствии оказалась не в состоянии объяснить многие экспериментальные факты конца XIX — начала XX в. Картина прояснилась с открытием сложного строения атома, когда стали ясны причины связи атомов, взаимодействующих друг с другом. В частности, химические связи указывают на взаимодействие атомных электрических зарядов, носителями которых оказываются электроны и ядра атомов. Осуществляют химические связи между атомами электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. В зависимости от характера взаимодействия между этими электронами различают ковалентную, ионную и металлическую химические связи.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам. Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованное за счет полного смещения электрической пары к одному из атомов. Металлическая связь — это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующихся за счет притяжения электронов, но перемещающихся по кристаллу в свободном виде.

Химическая связь является таким взаимодействием, которое связывает отдельные атомы в более сложные образования: в молекулы, ионы, кристаллы, т.е. в те структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука. Химическую связь объясняют взаимодействием электрических полей, образующихся между электронами и ядрами атомов в процессе химических преобразований. Прочность химической связи зависит от энергии связи.

1 Кузъменко Н.Е., Еремин В.В. Указ. соч. С. 65.

Химическая кинетика объясняет качественные и количественные изменения в химических процессах и выявляет механизм реакции. Реакции проходят, как правило, ряд последовательных стадий, которые составляют полную реакцию. Скорость реакции зависит от условий протекания и природы веществ, вступивших в нее, а именно, от концентрации, температуры и присутствия катализаторов. Описывая химическую реакцию, ученые скрупулезно отмечают все условия ее протекания, поскольку в других условиях и при иных физических состояниях веществ эффект будет иным.

Таким образом, химическая наука изучает химические элементы, процессы химического взаимодействия различных веществ, проблемы получения новых веществ с заданными свойствами и множество других проблем, возникающих в процессе развития химических знаний.

“Химия – наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения”. Она изучает природу и свойства различных химических связей, энергетику химических реакций, реакционную способность веществ, свойства катализаторов и т.д. Основная проблема химии – получение веществ с необходимыми свойствами.

Своеобразную программу исследования химических явлений впервые сформулировали и приняли учёные химики на первом Международном съезде химиков в Карлсруэ в Германии в 1860 г. Они исходили из того, что:

- все вещества состоят из молекул

- все молекулы состоят из атомов

- атомы и молекулы находятся в непрерывном движении

- атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул.

Осуществляют химические связи между атомами электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. В зависимости от характера взаимодействия между этими электронами различают ковалентную, ионную, металлическую и водородную химические связи.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам.

Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованные за счёт полного смещения электрической пары к одному из атомов.

Металлическая связь – это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующаяся за счет притяжения электронов, но перемещающаяся по кристаллу в свободном виде.

Методы и концепции познания в химии

Химические знания до определённого времени накапливались эмпирически, пока не назрела необходимость в их классификации и систематизации, т.е. в теоретическом обобщении. Основоположником системного освоения химических знаний явился Д.И.Менделеев. Попытки объединения химических элементов в группы предпринимались и ранее, однако не были найдены определяющие причины изменений свойств химических веществ. Д.И. Менделеев исходил из принципа, что любое точное знание представляет систему. Такой подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодическую систему химических элементов. В его системе основной характеристикой элементов являются атомные веса. Периодический закон Д.И. Менделеева сформулирован в следующем виде: “ Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов”.

До системного подхода в химии Д.И. Менделеева учебники по химии были очень громоздкими и состояли из многих томов по несколько сот страниц. Учебник Д.И. Менделеева “ Основы химии”, выпущенный в 1868 – 1871 гг. и построенный на системных обобщениях логично излагал в одной книге стройную систему химических знаний того времени. С тех пор в химии эмпирический материал возрос неимоверно, появились новые отрасли химических знаний.

Учение о составе вещества

Первое научное определение химического элемента, когдаещё не было открыто ни одного из них, сформулировал английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие. Открытие французским химиком А.Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об “огненной материи” (флогистоне). Лавуазье впервые систематизировал химические элементы на базе имевшихся в XVIII в. знаний. Эта систематизация оказалась ошибочной и в дальнейшем была усовершенствована Д.И. Менделеевым. Система Менделеева определяла место элемента по атомной массе. В настоящее время место химического элемента определяют по заряду атомного ядра, который отражает индивидуальные свойства элемента. Например, элемент хлор имеет два изотопа (две разновидности), отличающиеся друг от друга по массе атома. Но оба они относятся к одному химическому элементу - хлору из –за одинакового заряда их ядер.

В периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930 – е гг. она заканчивалась ураном ( Z = 92 ). В 1999г. было сообщено, что путём физического синтеза атомных ядер открыт 114 - й элемент. Сейчас уже синтезированы элементы с номерами > 120.

В результате химических и физических открытий претерпело изменение классическое определение молекулы. Молекула понимается как наименьшая частица вещества, которая в состоянии определять его свойства и в то же время может существовать самостоятельно. Представления о классе молекул расширились, в него включают ионные системы, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образующиеся на основе водородных связей и представляющие собой уже макромолекулы. Они обладают молекулярным строением, хотя и не находятся в строго постоянном составе. На основе современных достижений химии появилась возможность замены металлов керамикой не только как более экономичным продуктом, но и во многих случаях и как более подходящим конструкционным материалом по сравнению с металлом. Более низкая плотность керамики (40%) даёт возможность снизить массу изготовляемых из неё предметов. Включение в производство керамики новых химических элементов: титана, бора, хрома, вольфрама и других позволяет получать материалы с заранее заданными специальными свойствами (огнеупорность, термостойкость, высокая твёрдость и т.д.)

Уровень структурной химии

Структурная химия представляет собой уровень развития химических знаний, на котором доминирует понятие “структура”, т.е. структура молекулы, макромолекулы, монокристалла. “Структура - это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула”.

С возникновением структурной химии у химической науки появились неизвестные ранее возможности целенаправленного качественного влияния на преобразование вещества. Ещё в 1857 г. немецкий химик Ф.А. Кекуле показал что углерод четырёхвалентен, и это даёт возможность присоединить к нему до четырёх элементов одновалентного водорода. Азот может присоединить до трёх одновалентных элементов, кислород – до двух. Эта схема Кекуле натолкнула исследователей на понимание механизма получения новых химических соединений. А.М. Бутлеров заметил, что в таких соединениях большую роль играет энергия, с которой вещества связываются между собой (энергия связи). В настоящее время под структурой молекулы понимается и пространственная, и электронная упорядоченность.

В 60 – 80-е гг. прошлого века появился термин “органический синтез”. Из аммиака и каменноугольной смолы были получены анилиновые красители – фуксин, анилиновая соль, ализарин, а позднее – взрывчатые вещества и лекарственные препараты – тринитротолуол, тринитрофенол, аспирин, салол и др. Структурная химия дала повод для оптимистических заявлений, что химики могут всё.

Структурная химия неорганических соединений ищет пути получения кристаллов для производства высокопрочных материалов с заданными свойствами, обладающих термостойкостью, сопротивлением агрессивной среде и другими качествами, предъявляемыми сегодняшним уровнем развития науки и техники. Решение этих вопросов наталкивается на различные препятствия. Выращивание, например, некоторых кристаллов требует исключения условий гравитации. Поэтому такие кристаллы выращивают в космосе, на орбитальных станциях.

- все вещества состоят из молекул

- все молекулы состоят из атомов

- атомы и молекулы находятся в непрерывном движении

- атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул.

Методы и концепции познания в химии

Учение о составе вещества

Уровень структурной химии

Рис. 8.1. Дмитрий Иванович Менделеев Рис. 8.2. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева

Периодический закон химических элементов Д.И. Менделеева

Химия — наука, изучающая свойства и превращения веществ, и сопровождающиеся изменением их состава и строения. Она изучает природу и свойства различных химических связей энергетику химических реакций, реакционную способность веществ, свойства катализаторов и т.д.

Своеобразную программу исследования химических явлений впервые сформулировали и приняли ученые химики на первом Международном съезде химиков в Карлсруэ в Германии в 1860 г. Они исходили из того, что:

все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном и самопроизвольном движении;

все молекулы состоят из атомов;

атомы и молекулы находятся в непрерывном движении;

атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул.

Осуществляют химические связи между атомами электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. В зависимости от характера взаимодействия между этими электронами различают ковалентную, ионную и металлическую химические связи.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам. Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованные за счет полного смещения электрической пары к одному из атомов.

Металлическая связь — это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующаяся за счет притяжения электронов, но перемещающаяся по кристаллу в свободном виде.

Химические знания до определенного времени накапливались эмпирически, пока не назрела необходимость в их классификации и систематизации, т.е. в теоретическом обобщении. Основоположником системного освоения химических знаний явился Дмитрий Иванович Менделеев (рис. 8.1 ).

В результате химических и физических открытий претерпело изменение классическое определение молекулы. Молекула понимается как наименьшая частица вещества, которая в состоянии определять его свойства и в то же время может существовать самостоятельно. Представления о классе молекул расширились, в него включают ионные системы, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образующиеся на основе водородных связей и представляющие собой уже макромолекулы . Они обладают молекулярным строением, хотя и не находятся в строго постоянном составе. На основе современных достижений химии появилась возможность замены металлов керамикой не только как более экономичным продуктом, но и во многих случаях и как более подходящим конструкционным материалом по сравнению с металлом. Более низкая плотность керамики (40%) дает возможность снизить массу изготовляемых из нее предметов. Включение в производство керамики новых химических элементов: титана, бора, хрома, вольфрама и других позволяет получать материалы с заранее заданными специальными свойствами (огнеупорность, термостойкость, высокая твердость и т.д.).

С возникновением структурной химии у химической науки появились неизвестные ранее возможности целенаправленного качественного влияния на преобразование вещества. Еще в 1857 г. немецкий химик Ф.А. Кекуле показало, что углерод четырехвалентен в органических соединениях, и это дает возможность присоединить к нему до четырех элементов одновалентного водорода. Азот может присоединить до трех одновалентных элементов, кислород — до двух. Эта схема Кекуле натолкнула исследователей на понимание механизма получения новых химических соединений. А.М. Бутлеров заметил, что в таких соединениях большую роль играет энергия, с которой вещества связываются между собой. В настоящее время на уровне структуры молекулы понимается и пространственная, и энергетическая упорядоченность.

Химические процессы представляют собой сложнейшее явление, как в живой, так и в неживой природе. Эти процессы изучает химия, физика, биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача — научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы; другие трудно остановить — реакция горения, взрывы, а часть из них трудно управляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов. Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.

Все химические реакции имеют свойство обратимости, происходит перераспределение химических связей. Обратимость удерживает равновесие между прямой и обратной реакциями. В действительности равновесие зависит от условий происхождения процесса и чистоты реагентов. Смещение равновесия в ту или другую стороны требует специальных способов управления реакциями. Например, реакция получения аммиака:

Все проблемы, связанные с такими сложными процессами, как, например, получение аммиака, решает химическая кинетика. Она устанавливает зависимость химических реакций от различных факторов: от строения и концентрации реагентов, наличия катализаторов, от строения и концентрации реакторов и т.д.

Эволюционная химия зародилась в 1950—1960 гг. Под эволюционными проблемами следует понимать проблемы самопроизвольного синтеза новых химических соединений (без участия человека). Эти соединения являются более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

Идея концептуального представления о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности, предложенная французским естествоиспытателем Луи Пастером в ХIX в., остается основополагающей и сегодня. Химики давно пытались понять, каким образом из неорганической безжизненной материи возникает органическая основа жизни на Земле. Какая лаборатория этого процесса — лаборатория, в которой без участия человека получаются новые химические соединения, более сложные, чем исходные вещества?

Современные химики считают, что на основе изучения химии организмов можно будет создать новое управление химическими процессами, а это позволит более экономично использовать имеющиеся в природе материалы и извлекать из них большую пользу. Для решения проблемы биокатализа и использования его результатов в промышленных масштабах химическая наука разработала ряд методов — изучение и использование приемов живой природы, применения отдельных ферментов для моделирования биокатализаторов, освоение механизмов живой природы, развитие исследований с целью применения принципов биокатализа в химических процессах и химической технологии.

Функциональный подход к объяснению предбиологической эволюции сосредоточен на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, выявлении законов, которым подчиняются такие процессы. Это в основном позиции физиков и математиков. Крайняя точка зрения здесь склоняется к тому, что живые системы могут быть смоделированы даже из металлических.

В 1987 г. Нобелевский лауреат Жан-Мари Лен , основатель супрамолекулярной химии , ввел понятие супрамолекулярной самоорганизации и самосборки для описания явлений упорядочения в системах высокомолекулярных соединений. Наиболее известным проявлением самосборки в живой природе является самосборка молекул нуклеиновых кислот, матричный синтез белков.

Таким образом, химическая наука на ее высшем эволюционном уровне углубляет представления о мире. Концепции эволюционной химии, в том числе о химической эволюции на Земле, о самоорганизации и самосовершенствовании химических процессов, о переходе от химической эволюции к биогенезу, являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной.

Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы.

Важнейшим разделом современного естествознания является химия. Она играет большую роль в решении наиболее актуальных и перспективных проблем современного общества. К их числу относят:

Синтез новых веществ и композиций, необходимых для решения технических задач будущего;
Увеличение эффективности искусственных удобрений для повышения уровня урожайности сельскохозяйственной продукции;
Синтез продуктов питания из несельскохозяйственного сырья;
Разработку и создание новых источников энергии;
Охрану окружающей среды;
Выяснение механизма важнейших биохимических процессов и их реализация в искусственных условиях;
Освоение огромных океанических источников сырья.

Все химические знания, приобретаемые за многие столетия и представленные в форме теорий, законов, методов, технологических прописей и т.д. объединяет одна-единственная непреходящая, – главная задача химии – задача получения веществ с необходимыми свойствами.

Существует множество определений химии. Ее называют, во-первых, наукой о химических элементах и их соединениях; во-вторых, наукой о веществах и их превращениях; в-третьих, наукой о процессах качественного превращения веществ. Они слишком кратки и не дают полного ответа. Определяя химию как науку, следует иметь в виду два обстоятельства: во-первых, химия – не просто сумма знаний о веществах, а высоко упорядоченная, постоянно развивающаяся система знаний, имеющих определенное социальное назначение. Во-вторых, специфика химии в том, что в отличие от других наук химия сама создает свой предмет исследования. Как никакая другая наука, она является одновременно и наукой, и производством. Химия всегда была нужна человеку в основном для того, чтобы получать из вещества природы вещества с необходимыми заданными свойствами. Это – производственная задача и, чтобы ее реализовать, надо уметь производить качественные превращения вещества. Другими словами, чтобы решить производственную задачу, химия должна решить теоретическую задачу генезиса (происхождения) свойств вещества. Таким образом, основанием химии является двуединая проблема: получение веществ с заранее заданными свойствами (производственная задача) и выявление способов управления свойствами вещества (научно - исследовательская деятельность). Это и есть основная проблема химии – она возникает в древности и не теряет своего значения в наше время, конечно, способы ее решения меняются в зависимости от эпох, развития материального производства и познания.

Исключительное значение для развития химии имело атомно-молекулярное учение, колыбелью которого является Древняя Греция. Атомистика древнегреческих материалистов отделена от нас 25-вековым периодом, однако философское учение о дискретном строении материи, развитое ими, невольно сливается в сознании с нашими сегодняшними представлениями.

Как же зародилась атомистика?

Все положения древнегреческой атомистики выглядят удивительно современно, и нам они, естественно, понятны. Ведь любой из нас, ссылаясь на опыт науки, может описать множество интересных экспериментов, подтверждающих справедливость любой из выдвинутых концепций. Но совершенно непонятны они были 20-25 веков назад, поскольку никаких экспериментальных доказательств, подтверждающих справедливость своих идей, древнегреческие атомисты представить не могли.

Итак, хотя атомистика древних греков и выглядит удивительно современно, ни одно из ее положений в то время не было доказано. Следовательно, атомистика, развитая Левкиппом, Демокритом и Эпикуром была и остается просто догадкой, смелым предположением, философской концепцией, не подкрепленной практикой. Это привело к тому, что одна из гениальных догадок человеческого разума постепенно была предана забвению.

История науки знает немало удивительных совпадений. Вот одно из них: возрождение древнегреческой атомистики совпадает по времени с открытием Р. Бойлем (1627 – 1691 г.г.) фундаментальной закономерности, описывающей изменения объема газа от его давления. Качественное объяснение фактов, наблюдаемых Р. Бойлем, может дать только атомистика: если газ имеет дискретное строение, т.е. состоит из атомов и пустоты, то легкость его сжатия обусловлена сближением атомов в результате уменьшения свободного пространства между ними.

Первая робкая попытка применения атомистики для объяснения количественно наблюдаемых явлений природы позволила сделать два очень важных вывода:

Превращение атомистики из философской гипотезы в научную концепцию позволило бы дать единственно правильную трактовку самым разнообразным явлениям природы.
Для превращения атомистики из философской гипотезы в научную концепцию, доказательства существования атомов необходимо было изучать газы, а не жидкие и не твердые вещества, чем до этого занимались химики.

Только в XVIII веке ученые вплотную занялись исследованием газов. Последовал каскад открытий простых веществ: водород, азот, кислород, хлор. А несколько позже химики установили те законы, которые принято называть основными законами химии.

Закон сохранения массы сформулирован М.В. Ломоносовым в 1748 году и А. Лавуазье в 1777 году. Он гласит: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

В 1801 году Ж. Пруст установил закон постоянства состава, согласно которому каждое химически чистое соединение независимо от способа его получения имеет вполне определенный состав.

Закон эквивалентов был сформулирован В. Рихтером в 1794 году. Он гласит: во всех химических реакциях взаимодействие различных веществ друг с другом происходит в соответствии с их эквивалентами, независимо от того, являются ли эти вещества простыми или сложными.

В 1803 году Д. Дальтон открыл закон кратких отношений, который представляет собой дальнейшее развитие закона эквивалентов, основанное на последовательном анализе ряда химических соединений, образующихся при взаимодействии друг с другом любых химических элементов. Вот его формулировка: если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то на одну и ту же массу одного из них приходятся такие массы другого, которые соотносятся между собой как простые целые числа.

Используя открытый им закон кратных отношений, закон эквивалентов и закон постоянства состава, Д. Дальтон создал новую версию атомистической теории. В ней атом из отвлеченной модели превратился в конкретное химическое понятие.

В серьезном противоречии с выводами атомистики Д. Дальтона оказался открытый Ж. Гей-Люссаком (в 1805 г.) закон объемных отношений, согласно которому объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу, а также к объему получающихся газообразных продуктов как простые целые числа. Для объяснения наблюдавшихся закономерностей соединения газов оказалось необходимым предположить, что любые газы, в том числе и простые, состоят не из атомов, а молекул. В равных объемах различных газов при одинаковой температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Это положение, высказанное в 1811 году А. Авогадро, вошло в химию как закон Авогадро. Однако в начале XIX века он не получили должного признания: даже крупные химики того времени отрицали возможность существования молекул, состоящих из нескольких одинаковых атомов. И только спустя полвека в сентябре 1860 года на I Международном съезде химиков в Германии, в г. Карлсруэ были окончательно приняты основные положения атомно-молекулярного учения:

Все вещества состоят из атомов.
Атомы каждого вида (элемента) одинаковы между собой, но отличаются от атомов другого вида (элемента).
При взаимодействии атомов образуются молекулы: гомоядерные (при взаимодействии атомов одного элемента) или гетероядерные (при взаимодействии атомов разных элементов).
При физических явлениях молекулы сохраняются, а при химических – разрушаются. При химических реакциях атомы в отличие от молекул сохраняются.
Химические реакции заключаются в образовании новых веществ из тех же самых, из которых состоят первоначальные вещества.

Дальнейшее развитие атомно-молекулярного учения стало возможным благодаря открытию Д.И. Менделеева в 1869 году периодического закона химических элементов и создания его табличного выражения – периодической системы. Оказалось, что периодичность изменения свойств химических элементов и их соединений, связаны с повторяющейся структурой электронных оболочек их атомов.

На рубеже XIX – XX веков в химии начали прослеживаться кризисные тенденции, поскольку подверглась сомнению истинность сложившейся атомно-молекулярной концепции, т.к. она не могла объяснить некоторые экспериментальные данные, полученные к концу XIX века. Открытие электрона, радиоактивность, по мнению многих химиков, разрушили основы объективного анализа химических процессов. Однако дальнейшее исследование сложного строения атома прояснило причину связи атомов друг с другом. Это – химическая связь, указывающая на действие электростатических сил между атомами. Это силы взаимодействия электрических зарядов, а их носители – электроны и ядра атомов. В образовании химической связи между атомами наиболее важны валентные электроны, которые расположены на внешней оболочке и связаны с ядром менее прочно. Различаются три основных типа химической связи: ковалентная, ионная и металлическая.

Химическая связь – это взаимодействие, связывающее отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы. Они являются теми структурными уровнями организации материи, которые изучает химия. Энергия связи является важнейшей характеристикой химической связи, определяющей ее прочность. Количественно она оценивается при помощи энергии, которая затрачивается на ее разрыв. Вопрос об энергетике различных химических процессов, о степени превращения веществ в химических реакциях связан с применением в химии законов термодинамики. Химическая кинетика выявляет механизм реакции, качественные и количественные изменения химических процессов. Стало очевидным, что химическая картина мира оказалась много сложнее, чем это представлялось в XIX веке. Позиции атомно-молекулярной теории продолжали усиливаться в XX веке.

Таковы общие представления о предмете химии как науки и о круге ее проблем.

Предмет и методы познания

химической науки.

Однако же все эти попытки изгнать философию из сферы исследования природы потерпели неудачу. Действительно, общая методология науки, или теория развития науки – темы не для частных наук, а для философии, но последняя не ограничивается рассмотрением только таких предметов. У философии есть собственный подход к изучению окружающей нас вселенной, одним из аспектов которого является опора на достижения естественных наук. Переводя современные научные открытия на универсальный язык всеобщих понятий, философы не просто изучают физику, химию, биологию, а выделяют целые научные концепции и методологические формы. Таким образом, философия занимается теорией науки в рамках собственных, более широких природоведческих исследований, о чем уже говорилось ранее. Понятно, что философия химии уделяет особое влияние предмету и методам познания химической науки.

Объектом исследования химии, как и других естественных наук, выступает материальный мир в многообразии его внутренних связей и постоянной динамике развития. Вместе с тем, химия выделяет собственную область изучения указанного объекта, которая, в целом и представляет предмет познания химической науки. Еще в 19 веке Ш.Жерар, формируя данный предмет, писал, что химия занимается последовательными преобразованиями материи, она вникает в происхождения тел, исследует их прошедшее и будущее. Таким образом можно сказать. Что химию интересует в материальном мире особый вид процессов, сутью которых является не простое физическое перемещение объектов, а полное изменение различных материй, их трансформация и взаимопереход, что представляет собой основу всякого химического превращения.

Следует уточнить, что в свете новых научных данных под химическим превращением вещества понимается такое превращение, при котором происходит изменеие строения вещества, его состава, свойств в соответствии с особыми химическими закономерностями. Химические превращения происходят на атомном уровне и осуществляются в процессе специфических взаимодействий определенных структур частиц вещества. Химические превращения сопровождаются возникновением или перераспределением химически связей. Уже этим химические превращения значительно отличаются от других видов превращением материи (ядерных, геологических, биологических).

Говоря о химии, как о науке в ее связи с философией, необходимо указать на основные методы познания, применяемые в химии. Еще Д.И,Менделеев в свое время подчеркивал, что изучать в научном смысле значит:

1) не только добросовестно изображать или просто описывать, но и узнавать отношение изучаемого к тому, что известно;

2) измерять все то, что может подлежать измерению;

3) определять место изучаемого в системе известного, пользуясь как качественными, так и количественными методами;

4) находить закон;

5) составлять гипотезы о причинной связи между изучаемыми явлениями;

6) проверять следствия гипотезы опытом;

7) составлять теорию изучаемого.

Все это с необходимостью требует как наличия правильных методов исследования, так и умения пользоваться ими. Методы, применяемые в современной химии, делятся на общенаучные и специальные.

Общенаучные методы, такие как индукция, дедукция, абстрагирование, анализ, синтез, моделирование и эксперимент являются основой создания теории и представляют собой базис н учного исследования. Специальные методы, такие как метод рентгено-структурного анализа, метод валентных связей, расчеты молеклярных орбит носят вспомагательный характер и используются в дополнении к общенаучным методам.

Следует особо отметить, что общенаучные методы имеют своим основанием философию, поскольку именно в рамках философии были впервые подняты проблемы, связанные с познанием, разработаны формальная, а затем и позитивно-диалектическая логика, что стало базой развивающейся рациональной теории познания. И наше время философская гносеология является главным источником создания объясняющих концепций, касающихся любой формы человеческого познания.

Теперь перейдем к характеристике общенаучных методов исследования, применяемых в химии.

1.Индукция. В данном случае познания движется от частного, единичного – общему. На основе изучения отдельных химических явлений, имеющихся суждений и фактов делаются обобщающие умозаключения, устанавливаются общие свойства, существенные и закономерные связи веществ. Индуктивный метод опирается на опыт, наблюдение, накопление и анализ отдельных фактов. Индуктивный метод является основой эмпирических знаний.

Примером успешного применения индукции в химии можно считать открытие закона сохранения массы веществ М.В.Ломоносовым в процессе проверки опытов Бойля с обжигом металлов, а также выведение эмпирических правил постоянства состава, паев Прустом и Рихтером. Правил, ставших сопутствующими теориями стехиометрии на основе атомных представлений. Обычно индуктивным способом возможно установить количественные и другие внешнеположенные характеристики наблюдаемых явлений и процессов, данных исследователю в непосредственном чувственном восприятии. Индукцию можно определить также как накопление фактов наблюдения, анализ и систематизацию фактов и, наконец, обобщение полученных результатов с целью выведения объективных закономерностей.

2. Дедукция. Это способ логического рассуждения, идущий от общего (например, химический закон, постулат, правило) – к частному, то есть к отдельным химическим фактам.

Как метод дедукции прямо противоположна индукции, поскольку опора делается на творческое мышление, рождающее идеи, предположения, гипотезы и даже теории, - все это затем может быть сопоставлено с фактами и проверено экспериментально, в то время как при индуктивном методе все делается в обратном порядке. Дедукция в химии как и в других естественных науках не просто дополняет индукцию, а играет роль основы теоретическимх исследований. Создание законов невозможно без дедуктивных открытий, поскольку из наблюдений за явлениями невозможно вывести их сущность. В качестве примера стоит запомнить, что правила Пруста и Рихтера стали соответствующими теориями стехиометрии лишь всвязи с первыми успехами развития атомно-молекулярной теории. Надо было найти мысленный ответ на вопрос, к примеру, в чем причина действия правила постоянного состава, но такой ответ не вытекает из наблюдений за химическими реакциями, как не вытекает он и из самого обнаруженного правила. После трудов Декарта и, в особенности, Канта и Гегеля, философия пришла к выводу, что любые теории, в том числе научные логически не выводятся из эмпирических фактов и закономерностей, не являются их индуктивным обобщением, а надстраиваются над эмпирическим знанием в качестве описания особого рода реальности, как сферы идеальных объектов с системой собственных взаимосвязей. Теоретический уровень характеризует зрелость науки, хотя нельзя забывать и то, что истинная теория невозможна без своей эмпирической почвы, как форма неотделима от содержания и наоборот.

Понятно, что роль дедукции все время растет по мере развития химии как науки. Если первые этапы становления научной химии были отмечены прежде всего торжеством индуктивного метода, то с появлением атомно-молекулярной теории, органической химии дедуктивный метод становится все более популярным и востребованным.

3.Анализ и синтез. В процессе познания химических веществ и процессов важное место занимают методы анализа и синтеза. Объекты научного интереса при аналитическом исследовании расчленяются, затем выделяются их составные части, связи и стороны – для более подробного изучения. Анализ позволяет отделить всеобщее от единичного, необходимое от случайного, главное от второстепенного. На таких принципах основан целый раздел химической науки – аналитическая химия, где определение состава химического вещества решается при помощи качественного и количественного метода анализа.

Вместе с тем, анализ это лишь начало процесса познания, поскольку знание отдельных частей предмета еще не дает знания о предмете в целом. В научно-теоретической мысли давно утвердилось понятие о том, что целое не может быть сведено к механической сумме своих частей. В процессе синтеза происходит практическое или мысленное соединение составных частей изучаемого объекта, его свойств и связей, расчлененных в результате анализа, в новом качественном виде. В результате предмет выступает как неразрывное диалектическое единство частей и целого. Проходя через анализ и синтез, предмет исследования с необходимостью изменяется, становясь более различенным по содержанию, что находится в тесной взаимосвязи с ростом различенности нашего понимания изучаемого предмета во всех его свойствах, связях и качествах.

4.Научная абстракция. Одной из характерных особенностей современных наук и, в частности, химии является широкое использование метода научной абстракции. Абстрагирование предполагает мысленное отвлечение от ряда второстепенных, несущественных свойств и связей, а также – сторон исследуемого предмета при выделении одного общего, существенного признака, свойства или отношения. Полученное в результате таких действий понятие называется абстракцией. В химии научными абстракциями выступают такие важные понятия как кислота, элемент, спирт, гомологический ряд, валентность, химическое строение. Метод научной абстракции особенно необходим при мысленном поиске сущностей и законов.

5.Модеолирование. В тесной связи с абстрагированием находится метод моделирования, который также широко используется в современной науке. Моделирование представляет собой особый вид эксперимента, нередко мысленного. В химии метод моделирования используется относительно давно. Например, химическая символика, первые формулы соединений Берцелиуса реально представляли собой знаковые модели, отражающие состав соединения, а также стехиометрические отношения между элементами. Развитие теории химического строения позволило создать модель молекулы в виде структурной формулы, выражающей уже и порядок связи атомов. В последние годы всвязи с постоянным развитием компьютерных технологий роль метода моделирования значительно возросла.

Остается подчеркнуть, что грамотность по части научной методологии должна быть составной частью профессиональной культуры современного специалиста-химика.

Читайте также: