ИСТОРИЯ И ФИЛОСОФИЯ ХИМИИ

реакционной способности молекулы всего соединения. Например, водород может быть анионом или катионом. Инвариантным остаётся только заряд ядра.

Вэтой связи необходимо отметить, что и понятие валентности, введенное в

химию для описания свойств вполне определенного объекта, изолированного атома химического элемента, с течением времени стало использоваться для отражения свойств другого объекта – связанного атома, находящегося в частице и изменившего свои свойства под влиянием других атомов этой единой квантово-механической системы.

У понятия «валентность» – длинная и трудная история. Его ввел английский химик Эд. Франкланд, образовав его от латинского valentia, что означает – сила. Исследуя сложные металлоорганические соединения, Франкланд сделал заключение, которое и стало ядром учения о валентности, что так называемые парные соединения суть производные неорганических тел, происходящие из последних замещением эквивалентов кислорода на радикалы углеводородов. Франкланд распространил это представление и на другие соединения. Под валентностью стали понимать способность атома присоединять или замещать определённое число других атомов или атомных групп с образованием химической связи. Количественной мерой валентности атома служит число атомов водорода или кислорода (эти элементы принято считать соответственно одновалентным и двухвалентным), которые элемент присоединяет, образуя гидрид ЭН или оксид ЭО. Валентность элемента может быть определена и по другим атомам с известной валентностью. Далее выяснилось, что в различных соединениях атомы одного и того же элемента могут проявлять различные валентности. Дальнейшее неформальное представление о валентности складывалось

врамках электронной теории. Начиная с 1870 гг. и по настоящее время под валентностью понимают чаще всего число химических связей, реализованных атомом при образовании соединений. Таким образом, валентность стала структурной характеристикой элемента.

Вконце XIX века было заявлено о существовании нецелочисленной или парциальной валентности. Ввёденное А. Вернером понятие координационного числа представляло валентность как целочисленную величину, как правило, намного превосходящую принятое число единиц сродства. Понятие стало расширяться и терять первоначальный смысл. Соединить все эти противоречивые представления и свести их в понятие валентности, сохранив его, помогла квантовая химия.

Таким образом, в отличие от натурфилософских учений, не давших разгадку тайны генезиса свойств, а следовательно, и для практики качественного преобразования вещества, учение о составе предложило химикам мощное средство

51

планирования и осуществления химических реакций, которыми обеспечивается получение целевых продуктов. Это послужило основанием для дальнейшего развития химической технологии и как совокупности новых методов, и как научной дисциплины. Именно в учении о составе – на уровне первой концептуальной системы химии – появилась технология основных неорганических продуктов, таких, как кислоты, щёлочи, соли, подчеркивает В. И. Кузнецов. Это учение и сейчас не потеряло важности. При производстве многих солей, интерметаллических соединений, комплексных соединений знание состава – главная забота химиков.

Но дальнейшее совершенствование технологии химических веществ осуществлялось уже другими путями. Химия и химическая технология вынуждены были обратиться к другим концепциям.

Вопросы для самоконтроля

1.Чем отличается трактовка химического элемента в работах Бойля, Лавуазье и Ломоносова?

2.Какую роль сыграло открытие основных стехеометрических законов в понимании химических элементов?

3.В чём смысл спора Пруста и Бертолле о химической организации вещества?

4.Какую роль в периодической системе элементов Д. И. Менделеева играет клетка?

5.Что внесла в понимание химического элемента квантовая химия?

6.Какова связь понятий «химический элемент» и «валентность»?

Семинарское занятие

1.Первая концептуальная химическая система – учение об элементах и их соединениях.

2.Корпускулярная философия Р. Бойля и первые классификации химических веществ. Р. Бойль о союзе химии и философии.

3.Концепция химических элементов А. Л. Лавуазье. Философские основания исследовательской программы Лавуазье.

4.Атомистика Дальтона и ее философские основания.

5.Развитие стехиометрии. Первые количественные законы химии.

6.Периодическая система элементов Д. И. Менделеева и её эвристические функции.

7.Создание и развитие учения о валентности. Решение проблемы химического соединения.

Дополнительные вопросы

52

1.Что имел в виду Р. Бойль, говоря, что «свойства тел не носят абсолютного характера, а зависят от взаимоотношений между материальными компонентами»? Каковы основные положения атомистики Р. Бойля?

2.Известный историк науки Т. Кун оспаривает точку зрения, согласно которой Бойль дал первое научное определение химического элемента как предела разложимости вещества и считает такую трактовку образцом исторических ошибок. Что имеет в виду Кун?

3.Чем эмпирическая, индуктивистская трактовка химического элемента отличается от гипотетико-дедуктивной? Какую трактовку элемента разделял Лавуазье?

4.Как, используя представления Пруста, можно различить индивидуальные химические вещества и смеси?

5.Почему в споре о постоянном и переменном составе химических соединений победу одержал Пруст?

6.Что означают термины «бертоллид» и «дальтонид»?

7.Что такое стехиометрия? Кто и когда ввёл это понятие?

8.Почему первые теоретические представления возникли на основе неорганической химии?

9.Можно ли сказать, что вся химия до начала Х1Х века была неорганической?

10.В чем состоит историческое значение 1-го Международного конгресса химиков, состоявшегося в г. Карлсруэ в 1860 г.?

11.Какие системы химических элементов предшествовали системе Д. И. Менделеева?

12.Как связано открытие периодического закона с написанием Менделеевым знаменитого учебника «Основы химии»?

13.В чём состоит значение открытия периодического закона Менделеева для дальнейшего развития физики и химии?

14.Могут ли со временем в периодической системе появиться новые группы элементов?

15.Нередко можно прочесть: «Д. И. Менделеев открыл периодический закон, расположив элементы по возрастанию их атомных весов». Можно ли таким образом изложить суть открытия Менделеева?

16.Какой зависимостью можно представить способ решения первой концептуальной системы химии?

17.Какие формы записи состава веществ существуют и как в них отражаются свойства веществ?

18.Какой вклад внесла квантовая химия в трактовку химического элемента?

19.Как менялось содержание понятия «валентность» в истории химии?

53

Канке В. А. История и философия химии. – М., 2011. Кедров Б. М. Атомистика Дальтона. М. – Л. 1949.

Кедров Б. М. Закон периодичности и химические элементы. – М., 1969. Коулсон Ч. А. Валентность. – М., 1965.

Крицман В. А. Антуан Лоран Лавуазье. Книга для чтения по неорганической химии. Ч. 1. – М., 1983.

Крицман В. А. Роберт Бойль, Джон Дальтон, Амадео Авогадро. Создатели атомномолекулярного учения в химии. – М., 1976.

Кузнецов В. И. Эволюция представлений об основных законах химии. – М., 1967. Кузнецов В. И. Общая химия: тенденции развития. – М., 1989.

Курашов В. И. История и философия химии. – М., 2009.

Лавуазье А. Л. О горении вообще // Успехи химии. – 1943. – Т. XII, вып. 5. Мартиросян А. А. Еще раз об открытии периодического закона // Исторический вестник РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2010. – № 3(32).

Менделеев Д. И. Периодический закон. Основные статьи. – М., 1960. Меншуткин Б. Н. Химия и пути ее развития. – М., – Л., 1937.

Найт Д. Дальтон и его критики / Философские проблемы современной химии. – М.,

1971.

Печенкин А. А. Методологические проблемы развития квантовой химии. – М., 1976. Погодин С. А. Антуан Лоран Лавуазье – основатель химии Нового времени // Успехи химии, – 1943. – Т. XII, вып. 5.

Развитие учения о валентности. – М., 1977.

Родный Н. И. Борьба конкурирующих теорий в истории химии/ Противоречия в развитии естествознания. – М., 1965.

Третьяков Ю. Д. Развитие неорганической химии как фундаментальной основы создания новых поколений функциональных материалов // Успехи химии. – 2004. – Т. 73, вып. 9.

Трифонов Д. Н, Трифонов В. Д. Как были открыты химические элементы. – М., 1980. Фигуровский Н. А. Открытие химических элементов и происхождение их названий – М., 1970.

Учение о периодичности. История и современность. – М., 1981. Фаерштейн М. Г. История учения о молекуле. – М., 1961.

Фигуровский Н. А. Открытие химических элементов и происхождение их названий. – М., 1970.

Фигуровский Н. А. Очерк общей истории химии. Развитие классической химии в XIX столетии. – М., 1979.

55

Химия с историко-философской точки зрения. – Казань, 2008.

Черемных Н. М., Клишина С. А. История и философия химии: учеб. пособие. – М., 2009.

Тема 4. Вторая концептуальная система химии. Закономерности развития структурной химии

Эволюция понятия структуры в химии. Атомистика Дальтона как первая теория строения. Возникновение структурных представлений в химии. Дуалистическая теория Я Берцелиуса. Унитарная теория Ш. Жерара. Структурные теории А. Кекуле и А. Купера. Стереохимия и новое понимание структуры.

Теория строения органических соединений А. М. Бутлерова: единство дискретности и непрерывности. Понятие химического строения.

Вторая концептуальная химическая система. Способ решения основной проблемы химии как выяснения зависимости свойств (реакционной способности) от структуры молекул.

Современные проблемы структурной химии. Квантовая химия и понятие структуры. Квантовая химия – новая концептуальная система?

Эволюция понятия структуры в химии

Первый этап в объяснении генезиса свойств веществ объединяет все концепции, сводившие этот генезис к составу вещества. Но уже в начале Х1Х века многие химики пришли к выводу о недостаточности только понятия состава для объяснения свойств веществ. Явления изомерии и полимерии требовали иных объяснений. Вводится новый фактор – структура или, как тогда было принято говорить, «конституция» тела.

Понятие «структура» является общенаучным. Под структурой понимается способ связи элементов системы друг с другом. Способ связи – это и порядок связи элементов, и пространственное их расположение, и характер, тип самой связи. Эта упорядоченность элементов является устойчивой, что позволяет определять иногда структуру как инвариантный аспект систем. В понимание структуры большой вклад внесла химия, история которой в значительной степени является историей структурной химии.

Самые первые структурные представления возникли в атомистике Дальтона. Без идей этого выдающегося химика невозможно писать историю структурной

56

химии, хотя Дальтон решал, казалось бы, другую задачу – объяснить открытые стехиометрические законы, используя идею о способах соединения «простых атомов» в «сложные».

Итак, накопленные эмпирические знания подталкивали к решению задачи – связать состав и строение вещества. Какое решение предложил Джон Дальтон? Прежде всего, Дальтон возвращается к старой идее об атомном строении материи. В работе «Новая система химической философии» Дальтон подчёркивает, что все тела «состоят из огромного числа малых частиц, или атомов материи, связанных вместе силой притяжения». Какими свойствами они обладают? Этих свойств четыре. Первое

– атомы одного и того же вещества полностью тождественны. Они одинаковы по весу, виду и т.д. Второе свойство – различные атомы способны соединяться между собой в различных соотношениях ( 1 атом А + 1 атом В = 1 двойному атому С) и т. д. Третье свойство – способность атомов соединяться в целочисленных отношениях объясняется абсолютной неделимостью простых атомов ни механическим, ни химическим путём. Попытку разрушить или создать атом водорода Дальтон сравнивает с попыткой разрушить одну из планет солнечной системы или создать новую планету. Четвёртое, и самое важное свойство атома, – атомный вес. Теория Дальтона основывалась на атомистике Ньютона и идее притяжения разнородных и отталкивания однородных частиц.

Сейчас кажется, что атомистика Дальтона и его методы определения атомных весов были настолько убедительными, что не могли вызывать никаких возражений. Но это не так. То, что нами воспринимается как неизбежность и необходимость в истории и логике науки, нередко было в самом начале результатом и проявлением идейно-исторической конъюнктуры, результатом интуитивного озарения и ценностного предпочтения. Дальтоновская атомистика вызвала в своё время массу возражений. Особенно показателен спор Дальтона с английским химиком Гемфри Дэви, который убеждал Дальтона, что наука должна изучать только то, что доступно непосредственному наблюдению и не конструировать гипотез, постулирующих существование ненаблюдаемых единиц. То есть надо искать законы, а не строить модели, был убеждён Дэви.

В дальнейшем на пути атомистики встала мощная фигура немецкого химикофизика Вильгельма Оствальда, который настаивал на том, чтобы химия по возможности избегала применения подобных гипотез. Противником атомистики был и австрийский физик и философ Эрнст Мах. Но в результате всё это лишь отсрочило разработки в тех областях химии, где атомная гипотеза была наиболее полезной, но,

57

отнюдь, не устранило её из химии полностью. В исторической перспективе Дальтон в споре с Дэви оказался победителем.

Своими атомными весами Дальтон заменил формальное понятие о соединительных весах, паях или эквивалентах, расширив его и придав ему физический смысл. Его работы подвели прочную теоретическую базу под закон постоянства состава химического тела.

Идея о соединении простых атомов в сложные развилась в идею о химической символике структурных формул, предвосхитившую некоторые более поздние представления о структуре сложных соединений. И хотя многие атомные веса Дальтоном занижались, некоторые формулы были определены неверно (вода, например, обозначалась как НО) и у атомистики Дальтона было немало противников, но главное было сделано: была решена загадка химической индивидуальности. Индивидуальность простого вещества определяется индивидуальностью атома, а сложного вещества – индивидуальностью «сложного атома». Химический элемент понимался уже не просто как индивидуальное, неразложимое далее вещество, а как совокупность атомов, одинаковых по своей природе и атомному весу и отличающихся от атомов других элементов.

Громадную работу проделал в этом направлении Якоб Берцелиус. Он критиковал Дальтона за грубо поставленные эксперименты, но считал, что атомная гипотеза обессмертит имя Дальтона. Он определил атомные веса сорока пяти элементов, установил процентный состав около двух тысяч соединений, разработал систему знаков для химических элементов, сохранившуюся до наших дней. Именно Берцелиус со всей определённостью указал на недостаточность фактора состава для объяснения свойств и бесконечного качественного разнообразия мира химических веществ.

Хотя Берцелиус не пользовался понятием структуры, тем не менее решаемые им задачи относятся к структурной химии. Вещества с одинаковым составом, но имеющие различные свойства, Берцелиус впервые назвал изомерами. Какова природа сродства, химической связи и каков порядок соположения атомов в частице – вот главные вопросы, которые он решает.

Ответы, которые Берцелиус дает, следующие: 1) все химические элементы можно расположить в ряд, где в направлении справа налево каждый последующий элемент будет более электроотрицательным, чем предыдущий, и, наоборот, в направлении слева направо каждый последующий элемент будет более электроположительным; 2) атом каждого элемента несёт оба заряда, но в зависимости от места элемента в ряду один из зарядов больше; 3) химические соединения

58

происходят за счёт частичной нейтрализации зарядов, но полная их компенсация вследствие неравенства зарядов невозможна; 4) из последнего следует, что частица каждого соединения также обладает каким-либо избыточным зарядом.

Таким образом, Берцелиус считал, что частица (молекула) химического соединения представляет собой не хаотическое нагромождение атомов, а определённую упорядоченность, заключавшуюся в объединении двух разноименно заряженных атомов или атомных группировок, способных к самостоятельному существованию. Теория Берцелиуса, получившая название дуалистической теории, была вскоре распространена на органические соединения, особенности которых объяснялись наличием в них сложных радикалов. Электрохимические идеи – жёсткое ядро в исследовательской программе Берцелиуса, выдержавшее критику эмпирическими данными. Именно это позволило перенести эту программу в органическую химию, в которой она превратилась в теорию сложных радикалов. В основе теории радикалов лежало важное обобщение: при химических реакциях группы атомов часто в неизменном виде переходят из молекул (частиц) исходных веществ в частицы веществ, образующих продукты реакции.

Для познания структуры химического вещества теория радикалов явилась важной с методологической точки зрения и представляет большой интерес в решении проблем диалектики частей молекулы и её структурной целостности. Именно в теории радикалов отразился тот факт, что части внутри целого существуют как определённое, самостоятельное объединение, сохраняющее свою структуру в целом ряде химических превращений. Переведённая путём реакции в новое химическое вещество эта организованная часть молекулы подчиняется структурной организации нового вещества и, с другой стороны, сохраняя структурную целостность, накладывает отпечаток на свойства нового вещества. Но факт самостоятельности структурной организации радикалов создателями теории радикалов был возведён в абсолют и явился одной из причин её краха. Принципиальным недостатком теории радикалов явилось также то, что эта теория совершенно не занималась исследованием структуры самих радикалов и вследствие этого не смогла объяснить, какое именно влияние оказывают они на структуру всей молекулы нового вещества. Кроме того, реакции металлепсии, т.е. замещения в радикалах атома водорода на хлор, без особых усилий изменяли радикалы, и мнение об их прочности повисло в воздухе.

Теорию радикалов сменила теория типов. Ее творцом был французский химик Ш. Жерар. В фундаментальном труде «Курс органической химии», вышедшем в свет в 1851 г., Жерар предлагает новый взгляд на структуру вещества, который

59

получил название теории типов. Он сосредоточил внимание на наиболее изменчивых частях молекулы и на причинах, от которых зависит эта изменчивость.

В отличие от дуалистической теории, которая рассматривала все химические вещества как двойные системы, аналогичные солям и оксидам, новая теория считала, что атомы расположены в каком-то определённом порядке и образуют унитарную молекулу. Они построены по типу водорода, хлористоводородной кислоты, воды и аммиака. Отличие молекулы как унитарной системы от множества самостоятельно существующих элементов, из которых она образована, состоит в том, что в системе атомы вступают во взаимодействие, приводящее к существенным изменениям их свойств. На основе своей теории Жерар предсказал и затем открыл много новых органических соединений (оксанилид, уксусный ангидрид и др.), открыл явление гомологии, создал классификацию органических соединений, уточнил и разграничил понятия атома, молекулы и эквивалента.

Теория типов отказывалась решать этот вопрос. Жерар призывал осмотрительнее относиться к рациональным формулам, отражающим структуру соединений. Считая эти формулы относительными, он предлагал выражать одно химическое соединение набором рациональных формул, то есть. развёрнутых формульных схем, каждая из Но оставалось неизвестным, в каком порядке расположены атомы в молекуле. которых полнее передавала бы особенности химических функций молекулы. Не пытаясь разгадать структуру получаемых органических веществ, сторонники теории типов придавали одному веществу десятки типических формул в зависимости от способа его получения и реакций, в которых оно участвовало. Это было настоящее «вавилонское столпотворение», как говорили многие историки химии. Число типических формул росло с каждым годом, и в конце концов это завело теорию типов в тупик. Используя терминологию И. Лакатоса, количество аномалий становилось катастрофическим и потенциал научноисследовательской программы Жерара оказался исчерпанным. Но такие её элементы, как системное (унитарное) представление молекулы, идеи о типах молекул, о взаимном влиянии атомов в молекуле, составили золотой запас структурной химии.

Но для синтеза требовалось располагать наглядной моделью молекулы и её структуры в виде пространственного сорасположения атомов и атомных групп. Этот шаг сделали шотландский химик Арчибальд Купер и немецкий химик Август Кекуле.

Купер отказался от теории типов и пришёл к выводу, что для объяснения всех особенностей органических веществ достаточно учитывать два свойства атомов:

избирательное сродство (связь атомов) и степень сродства (валентность).

Избирательное сродство углерода характеризуется по Куперу, во-первых,

60