Химическая реакция как реализация химической формы движения: исторический контекст проблемы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Химическая реакция как реализация химической формы движения: исторический контекст проблемы

Носков Э.Г.

Евстегнеева М.В.

Правдина В.А.

Аннотации

В течение времени представления о химической реакции как реализации химической формы движения материи претерпели серьёзные изменения, обусловленные трансформацией представлений об атоме и молекуле. Отказавшись от чисто умозрительных рассуждений и перейдя к экспериментальным наблюдениям, учёные получили вывод, что химическая форма движения, в сущности, является электронным взаимодействием атомов и молекул. Такое толкование дает возможность объяснить механизм химической реакции, продемонстрировать кинетику химического процесса и самоорганизацию макромолекул, планировать сложный органический синтез, проводить квантово-химические расчёты и т.п. Делается вывод, что современная химия в своей практической части приобретает высокотехнологичный характер.

Ключевые слова: Химическая реакция, химическая форма движения материи, связь, взаимодействие.

Noskov E.G.1, Evstegneeva M.V.2, Pravdina V.A.3

1PhD in Philosophy, Samara State Technical University

2Master of Chemical sciences, Samara University

3Master of Chemical sciences, Samara University

CHEMICAL REACTION AS REALIZATION OF CHEMICAL MOTION FORM: HISTORICAL CONTEXT PROBLEMS

During the time the representation of chemical reaction as realization of chemical form of motion of matter was seriously suffered by the transformation of representations of atoms and molecules. Refusing the pure speculation and turning to the experimental observations, the scientists have received a conclusion, that a chemical form of motion properly is an electronic interaction of atoms and molecules. This interpretation makes it possible to explain the mechanism of a chemical reaction, to demonstrate the kinetics of chemical process and self-organization of macromolecules, to plan the complex organic synthesis, to carry out the quantum-chemical calculations. So, modern chemistry in the practical part purchased from hi-tech character.

Keywords: Chemical reaction, chemical form of motion of matter, connection, interaction. реакция химия синтез

Изучение взаимоотношений между веществами (химических реагентов), приводящих к возникновению разного рода продуктов, является основной задачей химии. Концепция химического учения, собственно, и делает акцент на изучении сущности химического процесса. Сама химическая реакция может быть записана в виде уравнения и эта запись непременно абстрагируется от конкретных условий и механизмов, скорости и иных факторов пространственно-временного континуума. Понятие "химическая реакция" относится к базовым понятиям химической теории и находится в связи с такими понятиями как "элемент" (абстрактное понятие, выражающееся через конкретное понятие - "атом") и "соединение" (менее абстрактное понятие, выражающееся через все концептуальные системы). Следует уточнить, что в свете современных научных представлений превращение вещества понимается в виде процесса, при котором происходит изменение строения вещества, его состава и свойств в соответствии с особыми химическими закономерностями. Названные выше превращения происходят на атомном уровне и осуществляются в процессе специфических взаимодействий определенных структур частиц вещества. Химические превращения сопровождаются возникновением или перераспределением химических связей. Уже этим данный тип превращений в существенной степени отличается от других типов превращения материи (биологических, физических и т.д.).

В начале XVII в. наука впервые заявила о себе как реальная сила в истории человечества. В этот период Ф. Бэкон выступил поборником экспериментального естествознания и создания новых принципов организации науки. А в 1633 г. Р. Декарт включил представление об атомах в развитую им концепцию об устройстве Вселенной и материи. Вслед за Р. Декартом Р. Бойль, основываясь на большем количестве экспериментов, рассуждает о "корпускулах" (данное понятие синонимично понятию "атом") и объясняет на их основе результаты некоторых химических экспериментов. Физико-химические свойства веществ, по мнению этого учёного, зависят от размера, формы и текстуры "корпускул". Далее учёный предпринимает попытку связать понятие о корпускулах с учением об элементах и признает, что последние состоят из малых и первичных соединений мельчайших частиц материи [1, C. 26-38].

XVIII в. в химии связан с произошедшей в ней научной революцией и работами французского учёного А. Лавуазье, разработавшему кислородную теорию горения. Данная теория позволила объяснить выделение в процессе горения энергии, а также кислородную теорию кислот. Этого учёного можно назвать первоисследователем тепловых эффектов реакций, сторонником принципа неуничтожаемости материи. Он предложил также классификацию известных к тому времени соединений, открыл закон сохранения массы вещества. Однако в то время в химии остро ощущалась нерешенность важной методологической проблемы - отсутствия номенклатуры как единого свода правил присвоения вновь открываемым веществам релевантного названия. Совместно с такими видными химиками, как К. Бертолле и А. Фуркруа, Лавуазье организовал номенклатурную комиссию Парижской Академии (1786 г.), и через год искомая номенклатура была опубликована [2]. Вслед за Лавуазье были открыты количественные стехиометрические законы: закон эквивалентов (И. Рихтер), закон постоянства состава (Ж. Пруст) и др. Вместе с тем, атомистические взгляды по-прежнему не имели прямых экспериментальных доказательств. Экспериментальное подтверждение атомной гипотезы нашёл английский химик Д. Дальтон. В начале XIX в. этот учёный открыл несколько новых эмпирических закономерностей: закон парциальных давлений, закон растворимости газов в жидкостях, закон кратных отношений. Основные положения разработанной в 1808 г. атомно-молекулярной теории Дальтона заключались в следующем: 1) Все вещества состоят из большого числа атомов (простых или сложных); 2) Атомы одного вещества полностью тождественны; простые атомы абсолютно неизменны и неделимы; 3) Атомы различных элементов способны соединяться между собой в определённых отношениях; 4) Важнейшей характеристикой атомов является атомный вес. В 1803 г. учёный предложил первый вариант ныне всем хорошо известной периодической таблицы химических элементов, куда были внесены относительные атомные веса отдельных изученных на тот момент элементов и соединений. Именно Дальтону принадлежит величайшая заслуга основателя атомной теории и одно из центральных мест в истории химии. Основные идеи Дальтона стали исходным пунктом для всего дальнейшего развития науки. Вклад атомистической теории в развитие химии Ф. Энгельс суммировал таким образом: "Новая атомистика отличается от всех прежних тем, что она…не утверждает, что материя только дискретна, а признаёт, что дискретные части различных ступеней…являются различными узловыми точками, которые обусловливают различные качественные формы существования всеобщей материи…" [3, C. 203].

К середине XIX в. в мышлении химиков понятие "молекула" полностью отделилось от понятия "атом", что способствовало формированию нового структурного подхода к изучению состава и строения веществ. Основная идея данного подхода заключалась в способе организации атомов в молекуле, что определяет свойства последней. Русский химик А.М. Бутлеров во взаимном влиянии атомов в молекуле видел проявление диалектических закономерностей, охватывающих как межмолекулярные, так и внутримолекулярные взаимодействия. Диалектические представления позволили А.М. Бутлерову объяснить явление изомерии и предсказать существование множества неизвестных органических соединений, которые были в дальнейшем получены на практике. Именно теория химического строения дала возможность понять химические свойства отдельных структурных фрагментов молекулы и объяснить значительно отличающиеся друг от друга реакционные способности атомов водорода, кислорода, хлора, а также некоторых взаимодействий - углерод-водород, кислород-водород, углерод-хлор и др. [4, C. 34-37].

Советский учёный Н.Н. Семёнов полагал, что наряду с осуществлением химического превращения должны осуществляться и другие задачи; в частности, определение структуры вещества и нахождение рациональных путей управления химическими процессами [5, C. 9-25]. Развитие нового взгляда на сущность химического соединения выдвинуло ряд кардинальных вопросов: 1) Какие атомы считать связанными, а какие - нет, и что из этого следует? 2) Какова природа сил, определяющих химическое взаимодействие? 3) Что происходит с химическими связями в процессе превращения? Необходимо отметить, что приведенные выше вопросы обсуждались почти два столетия, но ни один из них и поныне нельзя считать полностью решённым. Достаточно полная концепция, отвечающая на первый вопрос, появилась в 50-60-х гг. XIX столетия в виде "классической теории химического строения" органических молекул; её создателями были Ф.А. Кекуле (1857 г.), А.С. Купер (1858 г.), А.М. Бутлеров (1861 г.). Для неорганических, в частности, координационных соединений аналогичный подход был развит в работах А. Вернера (1893 г.). Однако далеко не всегда эмпирическая система, описанная в многотомных курсах органической и неорганической химии, даёт ясную и правильную картину ансамбля химических связей. Стоит отметить, что классическая теория строения веществ должна постоянно корректироваться; временами приходится оговаривать существование даже целых классов органических соединений, для которых классические представления неприменимы и недостаточны [6].

Основоположником учения о ведущей роли непрерывности по отношению к дискретности химической организации вещества был К.Л. Бертолле. Согласно его исследованиям, эффект химического действия веществ определяется двумя факторами: взаимным сродством этих веществ и массой реагентов. К примеру, в реакциях обмена одна часть вещества вытесняет другую благодаря большей массе и большей силе своего сродства. При отсутствии фактора массы все реакции были бы направлены в одну сторону (более сильные реагенты вытесняли бы более слабые составные части), однако учёный доказал, что химические реакции являются в принципе обратимыми. Одновременное протекание двух противоположных по направлению реакций (прямой и обратной) представляет собой обратимую химическую реакцию. Их единство и взаимодействие составляет одно из противоречий любого обратимого химического процесса [7, C. 31-64].

Формировавшаяся в течение полутора веков эмпирическая система воззрений на совокупность химических связей включала в себя не только характеристики статичного химического объекта, но и сведения о его поведении при разнообразных внешних воздействиях. Данная эмпирическая система необходима для научно обоснованного ответа на вопрос о том, какие атомы в химическом веществе следует считать связанными, а какие - нет. Для адекватного описания системы химических связей в молекуле и дальнейшего градиентного анализа распределения электронной плотности были созданы структурные формулы (т.н. "графы"), позволяющие суммировать имеющуюся о молекуле информацию и представить её в наглядном виде. При этом многие графы неорганических веществ (в твёрдом состоянии) оказались бы бесконечными в одном, двух или трёх измерениях, что соответствует цепочечным, слоистым и каркасным структурам. Поскольку химические формулы выражают экспериментальные знания и теоретическое понимание состава химических веществ, это позволило исследователям рассматриваемого периода основательно изучить явление изомерии (наличие у нескольких соединений одинакового элементного состава, но различной последовательности соединения атомов). В то же время благодаря работам Гей-Люссака (1815 г.), Либиха и Вёлера (1832 г) появилась теория радикалов, позволившая объяснить существование явления изомерии, однако ситуация осложнялась тем, что не было знания о соотнесении атомного веса и элемента. Несколько учёных приводили собственные модели для объяснения закономерностей связывания атомов в молекулах: так, Ф.А. Кекуле разработал представления о структуре молекулы в виде диаграмм, К. Браун - в виде графических обозначений и т.д. [8].

Ранее считалось, что органические вещества могут быть получены только из органической (живой материи), однако проведённые в 1824 г. и в 1828 г. немецким химиком Ф. Вёлером синтезы щавелевой кислоты из дициана и мочевины из циановокислого аммония, соответственно, показали ошибочность этого предположения. Я. Вант-Гоффом и Ж. Ле Белем в 1874 г. были сформулированы основные положения явления стереоизомерии (стереоизомеры - вещества, имеющие одинаковые состав и строение, но различное расположение атомов в пространстве). Английский химик Г. Льюис вывел представление об электронных эффектах (способность какой-либо группы атомов влиять на реакционную способность молекулы в целом, а также смещать свою, или, наоборот, "перетягивать" электронную плотность других атомов). На этой основе было доказано существование таких связей (помимо простых, двойных и тройных), как ковалентные, донорно-акцепторные, водородные. Немаловажную роль сыграло появление нескольких классификаций органических реакций (реакции замещения, присоединения, разложения, перегруппировки, синхронные реакции и др.), с помощью которых было показано поведение атомов в частности и молекул в целом в процессе химической реакции [9, C. 25-68].

В 1920-30-е годы на основе электростатической модели химической связи получила развитие новая пограничная дисциплина - "квантовая химия", разрабатывались модели атома Резерфорда-Бора, волновая функция Шредингера, было введено представление о том, что химическая межатомная связь в молекуле определяется увеличением электронной плотности между атомами. Также Л. Полингом была разработана модель валентных связей и концепция гибридных атомных орбиталей. Р. Малликен и Ф. Хунд создали модель молекулярных орбиталей, согласно которой электроны в молекуле обобществлены и находятся в поле всех составляющих молекулу ядер. Таким образом, в различные периоды прослеживаются логические цепочки развития двух взглядов на строение молекул: восприятия её как структурированного множества атомов и цельного образования [10, C. 214-216]. Ко времени всех этих открытий было известно, что почти каждая реакция (как органическая, так и неорганическая) состоит из отдельных стадий. Большая же часть органических реакций протекает через образование переходного состояния (т.е. исходные реагенты должны преодолеть энергетический барьер, чтобы состоялась реакция между ними). На промежуточном этапе химических превращений может существовать так называемое промежуточное состояние. В этом состоянии наиболее отчетливо находит свое проявление единство дискретного и непрерывного в химической форме движения материи. При изучении механизма реакции учитывается кинетика реакции, поскольку она определяет число и природу молекул, включающихся в скорость лимитирующую стадию. Отметим, что под кинетикой реакции понимают изменение скорости реакции при фиксированной температуре и контролируемых концентрациях реагентов [11].

С 70-х годов XX в. начался новый этап развития химической науки, связанный со становлением эволюционной химии (теории самоорганизации). Под эволюционными процессами в химии понимается самопроизвольный синтез новых химических соединений, более сложных и высокоорганизованных по сравнению с исходными веществами. В основе химических эволюционных теорий лежит исследование и создание таких условий, при которых происходит самосовершенствование катализаторов химических реакций. Одной из первых теорий саморазвития элементарных открытых каталитических систем стала теория А.П. Руденко (1964 г.). Подход, предложенный этим учёным, ориентировался на естественную эволюцию от неорганических химических структур к новым системам; его возникновению способствовал опыт моделирования биокатализаторов - ферментов [12, C. 193-195]. Можно заключить, что концепция самоорганизации и, в частности, эволюционная химия представляют собой высший уровень развития химического знания о химическом процессе. Понятно, что перспективы, открывшиеся для химической науки и создания новых технологий, пока ещё трудно оценить в полной мере. Хотя частично их потенциал уже используется в производстве новых материалов на основе самых высокоорганизованных химических систем и в целом ряде направлений научных исследований [13]. Впечатляющие достижения учёных в области исследования механизмов химической реакции, кинетики химических процессов, реакционной способности реагентов, химического сродства, структур различных продуктов реакций способствовали тому, что современная химия в научной (лабораторной) её части становится всё более и более технологичной, а современные промышленные технологии - всё более и более научными. Получившее широкое распространение понятия "высокие технологии", "тонкие технологии", "нанотехнологии" отражают эти тенденции.

В процессе химической реакции изменяется состав веществ, их структура, реакционная среда претерпевает энергетические изменения. Результатом химической реакции является превращение её энергии в теплоту, свет и т.д. Это происходит вследствие взаимосвязи и взаимопревращения форм движения материи. Понимание таких особенностей химической науки, как законы протекания химических реакций, кинетическая система, химическое сродство, реакционная способность и механизм реакции, а также пути исторического развития концепций химического строения способствует формированию целостного осмысления химической реакции как реализации химической формы движения на уровне электронных взаимодействий атомов и молекул.

Cписок литературы

1. Соловьёв Ю.И. История химии: развитие химии с древнейших времён до конца XIX в. / Ю.И. Соловьёв. - М.: Просвещение, 1983. - 368 с.

2. Hendry R. Antoine Lavoisier (1743-1794) / R. Hendry // Philosophy of Chemistry. - 2012. - V. 6. - P. 63-70.

3. Энгельс Ф. Диалектика природы / К. Маркс, Ф. Энгельс. Соч. Т.20. - М.: Изд-во политической литературы. - - С. 343-628.

4. Бутлеров А.М. Избранные работы по органической химии / А.М. Бутлеров. - М.: Изд-во Академии Наук СССР, 1951. - 694 с.

5. Периодический закон Д.И. Менделеева и его философское значение. Сборник статей. - М.: ОГИЗ - Госполитиздат, 1947. - 247 с.

6. Зоркий П.М. Критический взгляд на основные понятия химии / П.М. Зоркий // Журн. Рос. хим. общества им. Д.И. Менделеева. - 1996. - Т. 40. - №3. - С. 5-25.

7. Кузнецов В.И. Общая химия / В.И. Кузнецов. - М.: Наука, 1989. - 424 с.

8. Hendry R. The chemical bond / R. Hendry // Philosophy of Chemistry. - 2012. - V. 6. - P. 293-307.

9. Травень В.Ф. Органическая химия. Т.1 / В.Ф. Травень. - М.: ИКЦ "Академкнига", 2004. - 727 с.

10. Курашов В.И. История и философия химии / В.И. Курашов. - М.: КДУ, 2009. - 608 с.

11. Goodwin W. Mechanisms and chemical reactions / W. Goodwin // Philosophy of Chemistry. - 2012. - V. 6. - P. 309-327.

12. Руденко А.П. Теория саморазвития открытых каталитических систем / А.П. Руденко. - М.: Изд-во МГУ, 1969. - 276 с.

13. Baird D. Philosophy of Chemistry: Synthesis of a New Discipline / D. Baird, E. Scerri, L. McIntyre // Springer. - 2014. - V. 242. - P. 228-234.

Размещено на Allbest.ru