Концептуальные системы химии

1. Донаучный период (Парацельз);

2. Химия как наука о составе (Авогадро, Берцелиуса, Менделеева);

3. Структурная химия. В этот период происходит осознание зависимости свойств вещества не только от состава, но и от строения (структуры) молекул. Атомы в молекуле объединяются химическими связями и имеют определённое закономерное расположение в пространстве. Первая научно-обоснованная теория химического строения была создана Бутлеровым в 1861 г, далее была развита Вант-Гофом, Л. Полингом и др.

4. Учение о химическом процессе. В этот период происходит понимание, что для получения веществ с заранее заданными свойствами необходимо уметь управлять химическими процессами, при этом нужно знать ответ на следующие вопросы: идёт ли интересующий нас процесс самопроизвольно, если да, то при каких условиях? каков механизм этого процесса? как влияют условия протекания процесса на его скорость? можно ли провести данный процесс до конца? В попытках найти ответы на эти вопросы возникает химическая термодинамика.

5. Эволюционная химия. Начинает формироваться во 2 половине 20 в. Предметов её изучения становятся сложные природные соединения, биологически активные вещества и материалы, различные надмолекулярные образования. Химическое научное сообщество принимает концепцию универсального эволюционизма. К высокоорганизованным системам относятся все живые системы.

6. Супрамолекулярная химия (надмолекулярная). Представляет собой новое направление развития химии, специфика которого заключается в рассмотрении систем из атомных и молекулярных частиц, связанных в единое целое нековалентными взаимодействиями. Это химия молекулярных ансамблей, образованных межмолекулярными связями. Супрамолекулярные объекты возникают путём самоорганизации из комплементарных, т.е. имеющих геометрическое и электронное соответствие фрагменту. Межмолекулярные связи слабее, чем ковалентные, поэтому супрамолекулярные образование термодинамически и кинетечески менее устойчивы.

Тенденция физиколизации химии

1. Роль физических идей в химии.

Вплоть до 20 века научным сообществом не осознавалось проблемы специфики химических процессов. Законы физики и химии наделялись одинаковым статусом строгости и общности. По существу химию не отделяли от физики, т.е. предметы физики и химии не различались.

Законы физики выражают необходимые причинные связи динамические или статистические. Большинство законов физики может быть представлено просто математической зависимостью и действие этих законов не имеет исключения.

В отличие от законов физики важнейшие законы химии имеют ограниченную сферу применения. Так закон постоянства состава выполняется только для молекулярной формы вещества и при этом не строг. Если принимать во внимание колебания изотопного состава элемента. Закон действующих масс выполняется только в тех случаях, когда уравнение реакции отвечает элементарной стадии процесса.

Универсальность и растущее разнообразие физических методов исследования способствует постоянному возрастанию роли физических представлений в химии. Главную трудность при анализе химических явлений, исходя из фундаментальных законов физики, составляют описания, объяснения и предсказание химической индивидуальности элементов и их соединений. Индивидуальность – это совокупность свойств объекта, позволяющая отличать его от любых других объектов. В физике есть принцип неразличимости тождественных частиц. В соответствии с этим принципом, состояние системы тождественных частиц не меняется при перестановке их местами. Тождественные частицы обладают одинаковыми характеристиками. В химии такие частицы не рассматриваются. Одинаковые атомы в химических соединениях имеют разное распределение электронной плотности, по-разному деформированы, в зависимости от природы соседних атомов, даже несвязанные друг с другом атомы часто обладают свойствами взаимного влияния. Химические превращения представляют собой более сложную и более высокую форму движения материи по сравнению с физическими процессами. Высшие формы движения включают в себя более простые. Химическим изменениям всегда сопутствуют те или иные физические процессы, обратное утверждение – неверно. Те или иные физические процессы имеют место всегда и везде. Химические процессы как более сложные возникли во Вселенной на определённой стадии её эволюции, когда в результате термоядерных реакций образовались химические элементы. В настоящее время химические элементы и их соединения составляют незначительную часть общей массы вещества Вселенной. Химические превращения в масштабе Вселенной – это явление относительно редкое. Это свидетельствует в пользу того, что химическая форма движения материи представляет собой более высокую ступень развития в природе, чем физические процессы.

2. Редукционистские тенденции во взаимосвязях химии и физики.

Изучение сравнения объектов в физике и химии в их структуре показывает, что атомные и молекулярные частицы, их ассоцианты и агрегаты, изучаемые в химии, состоят из элементарных частиц. Это, однако, не означает, что значение свойств частиц достаточно для объяснения химических явлений. Квантовая химия является продуктом развития квантовой механики. Химическая термодинамика представляет собой приложение начал термодинамики к исследования физико-химических систем. Химическая кинетика обосновывает свои законы, опираясь на статистическую физику, квантовую механику и термодинамику. Эти и ряд других теорий в совокупности создают физическую химию. И в первом приближении создаётся впечатление, что они целиком выводятся из постулатов и законов физики, но химия в отличие от физики мало интересуется изолированными атомами, она имеет дело с системами взаимодействующих атомов. Однако, атомы внутри молекул отличаются от изолированных атомов, имеющих сферическую форму. Поверхность, отделяющая атомы в молекуле друг от друга, деформированы в зависимости от природы соединённых атомов. Пространственное распределение электронной плотности в молекулах делят на «бассейны». Каждый «бассейн» содержит одно атомное ядро. Вместо атомов, когда речь идёт о химических соединениях, более корректно говорить о «бассейнах». В реально практике химического исследования, неизбежным становится отход от теоретической строгости упрощения, доступность которых определяется химической интуицией. Более глубокий анализ данных квантово-механических расчётов требует появление в химическом языке новых понятий. Последнее формулируются в рамках упрощающих модельных подходов. Квантовая химия реализуется в разных методах и включает различные упрощающие допущения, которые не выводятся дедуктивно из физики, а подсказаны опытом и интуицией химика. Специфика химии подтверждается также своеобразием её эмпирических методов. Любое исследование в химии, в конечном счёте, использует опытные данные. О неэмпирических методах можно говорить лишь в относительном смысле. В целом, предмет химии составляет описание, объяснение и предсказание, превращение одних электронно-ядерных систем в другие. Чисто физические модели таких систем в применении к задачам химии в общем случае не отвечают требованиям точности, полноты и универсальности. Физические модели дополняются и конкретизируются в химии, опираясь на опытные данные и интуицию. В настоящее время преобладающей тенденцией является не диверсификация физики и химии, а их сближение – интеграция. В экспериментальных и прикладных исследованиях физика и химия выступают как равноправные партнёры. На теоретическом уровне определённый приоритет принадлежит физике. Именно она является источником наиболее фундаментальных, объясняющих и эвристических идей и концепций, которые находят применение в химии. Применительно к отдельным конкретным вопросам химии можно считать оправданной и плодотворной редукционистскую установку на осмысление данных вопросов с позиции методов и представлений в физике, однако, говорить о редукции основных понятий и законов химии к физике в настоящее время достаточных оснований нет. В целом же проблема физического редукционизма по отношению к химии в современной науке остаётся актуальной и требует своего дальнейшего исследования.