CC BY
179
УДК 541.6
О. С. Сироткин, Р. О. Сироткин
ЭВОЛЮЦИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ПОНЯТИЙ ХИМИИ, РАСКРЫВАЮЩИХ
ИНДИВИДУАЛЬНОСТЬ ЕЕ ПРЕДМЕТА, К НАЧАЛУ XXI ВЕКА
Ключевые слова: химия, проблемы, фундаментальные понятия, эволюция, химическое соединение (химическое вещество), химический элемент, химическая связь, химическая структура, химическое свойство, химическое превращение.
Показаны проблемы развития фундаментальных основ химии XX века. С опорой на единую теорию строения химических соединений, унитарную модель трех разновидностей химической связи и систему химических связей и соединений, объединяющую химические связи и базовые гомо- и гетероядерные химические соединения в единое целое, представлена эволюция фундаментальных понятий химии, раскрывающих индивидуальность предмета этой науки к началу XXI века.
Key words: chemistry, problems, fundamental notions, evolution, chemical compound (chemical substance), chemical element, chemical bond, chemical structure, chemical property, chemical transformation.
Problems in developing fundamental principles of chemistry in XX century were discussed. Evolution of chemistry's fundamental notions that reveal the individuality of this science in the beginning of XXI century was shown, based on the unified theory of chemical compounds' structure, the unitary model of the three types of chemical bond and the system of chemical bonds and compounds, which unites chemical bonds and basic homo- and heteronuclear compounds.
Современное состояние фундаментальных основ химии, отличающих эту важнейшую естественную науку от механики, физики, биологии, материаловедения и других дисциплин, представляется крайне неудовлетворительным [1-20]. Одной из основных причин этого является раздробленность химии на множество дисциплин, изучающих разные классы химических веществ без использования единых универсальных теоретических подходов. Это подтверждается как широко используемыми до сих пор, но устаревшими определениями этой науки и понятиями, не раскрывающими индивидуальность ее материального объекта исследования и предмета, так и заканчивая, по мнению д.х.н. Г.В. Лисичкина, устаревшими подходами при ее преподавании и систематизации по довоенной немецкой схеме [111]. Одним из вариантов решения означенных выше проблем может служить опора на единую модель химической связи и систему химических связей и соединений (СХСС), объединяющих базовые гомо-и гетероядерные бинарные химические вещества как основы общей и неорганической химии в рамках единой химической системы [5-11, 21-35]. В результате, показана практическая значимость, прогнозирующая способность и новизна положений этих научных подходов. Они позволяют по мнению авторов вывести химическое знание на качественно новый теоретический уровень, характеризуемый закладкой основ, необходимых для появления в этой науке двух фундаментальных признаков строгой естественной дисциплины: единой теории строения химических различных (органических, неорганических и т.д.) соединений и системы в виде «Химического треугольника»(СХСС), объединяющей их в единое целое [6, 11, 21-35]. Таким образом, химия, подобно атомной физике, характеризуемой наличием единой теории строения атома (планетарная модель Резерфорда-Бора) и системы атомов Менделеева, их объединяющей в единое целое, приобретает признаки строгой фундаментальной естественной науки. А поэтому особую актуальность сегодня в
химии представляет разработка единого научного подхода, обеспечивающего системную оценку комплексного влияния химического состава и типа химической связи на структуру и наиболее общие характеристические свойства ковалентных, металлических и ионных химических соединений и материалов на их основе [11,31]. И именно этот подход с опорой на современный химический фундамент и привел авторов к необходимости достаточно серьезной эволюционной переработки многих традиционных, но очевидно устаревших парадигм химии, включая систему фундаментальных понятий этой науки и т.д.
Итак, в настоящей статье начнем с ответа на первоочередной вопрос химии — о химическом смысле фундаментальных понятий, раскрывающих особенность предмета химии и его отличий от других естественных наук (физики и т.д.). Важность строгой и однозначной современной трактовки базовых химических понятий не вызывает сомнений в ее актуальности, являясь целью настоящей статьи.
В 1860 году в Карлсруэ (Германия) научным сообществом была принята двухуровневая модель строения вещества в виде атомно-молекулярного учения. А уже в 1861 г. А.М. Бутлеров впервые заложил основы теории химического строения вещества, тем самым показав фундаментальную разницу в строении атомарной (физической) и молекулярной (химической) разновидностей вещества, формирующих специфику предмета ядерной (атомной) физики и химии. Отметим, что борьба за становление индивидуальности и формирование фундаментальных отличий химии от физики началась именно в тот исторический период и продолжается по настоящее время [1-11]. Например, чего только стоит повторение в 2001 году давно устаревших догм (атомистика Дальтона и т.д.) одного из апологетов современной квантовой механики Р. Бейдера [7], пытающегося подменить теоретические основы химии физическими теориями, лишенными всякого химического смысла, например: «Химия изучает
свойства веществ и их превращения» (а что же тогда остается физике, биологии и т.д.? Ведь ядерное превращение одного атома в другой нельзя назвать химическим). Причем это определение как давно устаревшее еще в 1967 году справедливо критиковал д.х.н. В.И. Кузнецов [1]. Или еще одно нелепейшее и противоречащее сути атомно-молекулярного учения утверждение Р. Бейдера: «химия по существу есть исследование материи на атомном уровне»?!!! [7]. А ведь еще А.М. Бутлеров думал наоборот и различал индивидуальный атом и «химический атом», утверждая, что последний изменяет свое строение, входя в молекулу уже в качестве химического элемента ее структуры. И поэтому очевидно, что это либо заблуждение ввиду недостатка информации об исследуемом явлении, либо очередная попытка физического редукционизма [3-4] по отношению к химии. Отметим, что подобные попытки сведения химии к физике уже дважды благополучно проваливались в период становления индивидуальности химии [3, 4], однако и на рубеже XX и XXI веков этот исторический опыт так ничему и не научил некоторых ученых. Об этом говорит и активное противодействие этим попыткам истинных ученых химиков, которые в разные исторические периоды давали достойный ответ своим оппонентам. Например, в 1848 году французский химик Ш. Жерар в своем учебнике «Введение к изучению химии по унитарной системе» изложил основы «унитарной системы» химии, четко разграничив понятия «атом» и «молекула». А затем в 1889 году великий немецкий химик, Нобелевский лауреат и ученый-материалист, активно проповедовавший несовместимость научного и религиозного знания В. Оствальд, последовательно боровшийся за внедрение идей о химической индивидуальности, издал трехтомный учебник по химии, в котором понятие «атом» не упоминается ни разу! Этой же научной идеологии придерживался и выдающийся американский химик, дважды Нобелевский лауреат Л. По-линг, который в своем фундаментальной монографии «Природа химической связи» [2, 12], прямо говорил о важности сохранения приоритета химических подходов над физическими при изучении и изложении химии. Например, он утверждал [2, 12], что «... все же можно дать удовлетворительное и законченное изложение новых достижений (в химии. - прим. авторов) без использования высшей математики... Достигнутые успехи связаны в основном с использованием преимущественно химических соображений». И далее: «Основное значение квантовой механики для химии заключается во внедрении новых идей...». Уже в конце XX века немецкий ученый, профессор Г. Герц, понимая порочность и бесперспективность дальнейших попыток сведения химии к физике, вынужден был утверждать, что «Химию съела физика. ...Невольно положил начало этому Менделеев, построив зависимость свойств элементов от атомных масс, - в его время это было неизбежно, но физика и химия - две вполне самостоятельные стороны одной материи» [13]. Такое сложное и противоречивое отношение к химии со стороны физиков (например, Р. Фейнман:
«Теоретическая химия - это на самом деле физика» и т.д.) не позволяет химикам «почивать на лаврах», особенно вследствие неоспоримой практической значимости химии в жизнеобеспечении человечества (энергия, материалы, питание и т.д.) [1-15]. При этом и сегодня, в XXI веке, необходимо помнить, что с позиций последовательного научного материализма предмет различных естественных наук (химии, физики, биологии и т.д.) отличается «формой движения материи» (механическая, физическая, химическая и т.д.). Ведь эволюция двухуровневого взгляда на строение вещества (в виде атомно-молекулярного учения) в парадигму многоуровневой организации материи (поля, разновидности физических элементарных и атомных, химических, биологических и т.д. веществ и материальных тел) обеспечило [15], наконец, получение строгого объективного ответа на важнейший фундаментальный вопрос: чем химия отличается от физики? Химия и физика объективно отличаются друг от друга и других наук спецификой материальных объектов исследования, а не субъективными «хотелками» отдельных ученых или даже известных научных школ. То есть физика изучает особенности состава и типа связи элементов, структуру и свойства (включая особенности форм движения) полей, элементарных частиц, атомов и т.д., а химия - химических соединений элементов (химических веществ) [15]. А главным критерием, определяющим возможность отнесения той или иной разновидности вещества к химическому типу, является наличие в нем элементов, связанных любым типом химической связи [15, 25]. Ведь если прямо задать вопрос любому образованному человеку, обладающему элементарной научной логикой мышления, что является химическим веществом - атом или молекула (например, водорода или кислорода), то ответ будет очевиден. Атом - это разновидность физического, а не химического вещества. А учитывая при этом, что в химическом соединении атомы отсутствуют [8-11, 16, 17], превращаясь в химические элементы (ядра или атомные остовы), утверждение Р. Бейдера, что «химия по существу есть исследование материи на атомном уровне» [7] звучит, как минимум, некорректно. При этом, главным отличием химического взаимодействия от физического электромагнитного или гравитационного является наличие в нем (помимо кулоновской компоненты) близкодействующего обменного квантово-механического взаимодействия, характеризуемого свойством насыщения [20].
Именно в рамках идей Ш. Жерара (1848 г.) и В. Оствальда (1889 г.) и двух первых в истории попыток создания учебников химии, опирающихся не на атомистику Дальтона, а на молекулярный («химический» по А. Бутлерову, 1861 г.) уровень строения вещества, авторы настоящей статьи и создали современный учебник «Химия (Основы единой химии») [11]. И уже опираясь на фундаментальный, обоснованный выше вывод о том, что индивидуальное атомарное физическое вещество не является материальным объектом изучения химии, а химия начинается с биядерного соединения, химические
элементы которого связаны химическим (а не физическим) типом связи, и следует начинать формулировку современных базовых понятий химии, формирующих специфику ее предмета исследования.
Важность решения этой задачи раскрывается в словах Аристотеля: «Прежде чем начать обсуждение, необходимо договориться о понятиях». Несмотря на облегчение решения этой задачи в результате вывода такого фундаментального понятия как «индивидуальный атом» из сферы прямого интереса при формулировке понятий, раскрывающих специфику предмета химии, поставленная задача оказалась достаточно трудной. Ведь было необходимо сохранить все ценное из предыдущей парадигмы изложения химии и найти новую современную опору в виде единой химической теории, описывающей особенности строения и свойств не атомов, а химических веществ, и системы, объединяющих последние в единое целое [5-11]. Трудность решения поставленной задачи связана с тем, что по словам редактора перевода монографии [14] д.х.н. А.Н. Ша-мина «Оказывается мало быть хорошим специалистом, чтобы используя исторические примеры, дать определение современной системе основополагающих понятий. Мало быть профессиональным историком, чтобы отбросив все лишнее, показать только объединяющую логику развития науки. Наверное, здесь нужны особые качества, комплексно сочетающие глубину профессиональной подготовки, широту охвата всех направлений науки (и ее предмета) и умение выделить наиболее важное (фундаментальное) с последующим логичным философским его обобщением» [14].
Именно стараясь соответствовать вышерассмот-ренным современным идеям о химической индивидуальности объекта и предмета химии, а также пониманию сложности создания современной системы основополагающих химических понятий, авторы и постарались дать свой вариант решения поставленной в настоящей статье цели [11]. При этом авторы опирались на огромный массив дефиниций основных понятий химии, приводимых как в последнее время, так и в относительно более ранние годы прошлого столетия [1-23], отмечая, что достаточно часто в ранних источниках эти определения были более строгими и точными. Например, при всех достоинствах и огромном массиве данных в 5-томной «Химической энциклопедии» [20] отсутствует формулировка такого понятия, как химическое соединение или химическое вещество. А ведь это главное фундаментальное химическое понятие, формирующее индивидуальность предмета химии и его отличия от других естественных наук. Хотя относительно недавно даже в книге «Краткая химическая энциклопедия» [18] существовала статья «Соединение химическое», в которой и так называемые «простые вещества» подпадали под понятие химических соединений на основании такого строгого критерия, как наличие в их структуре химической связи между элементами. Парадоксально, но, как уже было сказано выше, в более поздней по времени современной 5-томной энциклопедии это понятие исчезло, причем в ней есть вещества взрывчатые,
отравляющие, простые, сложные [20], а собственно химических веществ нет! Кстати, из главных фундаментальных понятий химии там присутствуют [20] только химическая связь и реакции химические, а отсутствуют не только понятие «химическое соединение» или «химическое вещество», но также понятия химическое превращение, химическая структура, химическое строение, свойства химические (химическое свойство). И следовательно, проблема эволюционного развития фундаментальной индивидуальности химии сегодня, в XXI веке, снова обострилась.
Главным материальным объектом химии в соответствии с атомно-молекулярным учением и теорией химического строения вещества А.М. Бутлерова является не любое вещество (как трактуется в большинстве традиционных учебниках химии), а вещество в виде химического соединения элементов. Его часто называют также химическим веществом. При этом в XXI веке в рамках классических химических представлений очевидно, что молекула (моно-, олиго- и макромолекула), являющаяся и сегодня объектом исследования химии, представляет собой важнейшую, но все же разновидность химического соединения, так как металлические и ионные соединения не построены из молекул. Кроме того, предельно сшитые ковалентными связями трехмерные химические соединения (типа алмаза, оксида кремния и т.д.) также не построены из отдельных макромолекул, связанных слабым ван-дер-ваальсовым физическим взаимодействием (типа -[-СН2-]П- в полиэтилене), а являются еще одной разновидностью химического соединения, называемого полимерным телом. Понятно, что основным критерием отнесения вещества к химическому уровню организации материи в виде химического соединения (химического вещества) является наличие химической связи между образующими его элементами и химической структуры, определяющих специфические отличия этих веществ от веществ других уровней структурной организации материи (элементарных, атомных, биологических и т.д.).
В свою очередь, специфика предмета любой науки, включая химию, и ее фундаментальные отличия от других наук раскрываются через особенности состава и типа взаимодействия элементов, составляющих исследуемый в этой науке материальный объект, его строения (структуры) и свойств.
Приведем иерархию базовых химических понятий в виде схемы, раскрывающей смысл понятия «химия» и специфику ее предмета, а также дадим варианты их современных определений [11].
ХИМИЯ
4
1. ХИМИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ
(ХИМИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО) 4
2 . ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ И ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
2. 1. ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ +
(s-, p-, d- и f- химические элементы) 2.2.ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
(ковалентная, металлическая, ионная)
3. ХИМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА (ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ)
(молекулярная и немолекулярная металлическая, ионная и т.д.)
4
4. ХИМИЧЕСКОЕ СВОЙСТВО
(химическая реакция, химическое превращение и т.д.)
Начнем с главного фундаментального понятия химии - химического соединения (ХС), именуемого часто химическим веществом (ХВ). Следует отметить, что если понятие химическое соединение является базовым понятием современной химии, то понятие химическое вещество является несколько более широким по смыслу и содержанию. Под последнее подпадает не только индивидуальное химическое соединение, но и другие производные от последнего термина «надхимические» (надмолекулярные) образования. Это связано с тем, что понятие химическое соединение одновременно подпадает и под понятие вещества (индивидуального химического вещества), так как в отличие от полевой формы существования материи оно характеризуется массой (массой покоя). В свою очередь, если молекулярная разновидность химического соединения (химического вещества), типа оксида водорода (Н2О), образует ассоциат из большого количества этих молекул, связанных водородными связями в жидкость, называемую водой (Н2О)п, то последняя разновидность вещества также является химическим веществом, только последующего, второго (надмолекулярного), уровня структурной химической организации веществ. Это утверждение основывается на том факте, что структура надмолекулярных химических веществ определяется непосредственно первым базовым уровнем их организации, то есть химической структурой (состав и тип химической связи) ХС с сохранением индивидуальности молекул, образующих этот вторичный уровень организации химического вещества. В результате:
1. ХИМИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ - это индивидуальная вещественная форма существования материи, или разновидность вещества, построенная из не менее двух химических элементов, связанных обобществленными (валентными) электронами (ОЭ), то есть химической связью (ХСв).
Исходными базовыми разновидностями химических соединений в рамках единой модели химической связи элементов и системы, объединяющей их разновидности и химические соединения в единое целое (СХСС) [6, 11, 21-35], являются следующие два уровня их классификации.
По однородности химического состава и набору химических компонент связи (две или три) все химические соединения делятся на 2 класса: гомо- и гетероядерные.
Первые построены из элементов на основе одного вида элементов (простые вещества), а вторые — из элементов двух или более сортов элементов. В результате, Н2 и О2 являются гомоядерными соеди-
нениями, характеризуемые металло-ковалентным типом связи с преобладанием ковалентности, а Н2О - гетероядерное соединение, характеризуемое ме-талло-ионно-ковалентным типом с преобладанием ковалентности. Преобладание ковалентности связи определяет ее способность к образованию важнейшей разновидности химических соединений элементов, имеющих молекулярную структуру (молекула), характеризуемую конечным числом элементов (соответственно, 2 и 3 для вышеприведенных молекул), то есть постоянным составом. Это связано с тем, что в случае преимущественно ковалентной химической связи элементов (а все связи являются смешанными или промежуточными между двумя или тремя их основными разновидностями), она характеризуется свойством насыщаемости, которое отсутствует в металлических и ионных связях.
При этом оксид водорода (Н2О), как гетероядер-ный класс химических соединений, построен из двух различных химических элементов, то есть число сортов элементов в нем равно 2, хотя общее количество элементов в нем, как молекулярном соединении, равно 3. Однако в макромолекуле полиэтилена -[СН2 ]п-, несмотря на то, что число сортов элементов (С и Н) тоже равно 2, их общее количество п может достигать сотни тысяч единиц. Но при этом их количество (характеризуемое через степень полимеризации п) все равно, в отличие от металлических и ионных химических соединений, конечно.
В свою очередь, чистое железо ^еМ), как гомо-ядерное соединение (также построено из множества химического элементов одного сорта), характеризуется ковалентно-металлическим типом связи (с преобладанием металличности), которое не образует молекул. Поэтому структура железа представляет собой кристаллическую решетку, в которой число элементов стремится к бесконечности. В сплаве же или солях типа №С1 добавляется и ионная компонента связи между не менее двумя различными химическими элементами (причем в случае хлорида натрия ионная компонента является доминирующей, определяющей), а их количество также стремится к бесконечности. Таким образом, ионные соединения, также как и металлические соединениия, не образуют молекулярный тип химических структур.
По типу химической связи и признаку дискретности или непрерывности структуры все химические соединения делятся на 2 типа: молекулярные (дискретные) - дальтониды, и немолекулярныге (непрерывные) - бертоллиды, с металлическим или ионным типом связи элементов. Отдельное, промежуточное между ними, положение занимают трехмерные полимерные тела с ковалентным типом связи элементов, которые по типу связи родственны молекулярным (дальтонидным) соединениям, а по количеству элементов в их структуре характеризуются непрерывной бертоллидной структурой.
Принципиальное отличие молекулярных и особенно низкомолекулярных ковалентных соединений от немолекулярных металлических и ионных заключается в следующем. В молекулах изменение в количественном составе элементов ввиду свойства насыщаемости ковалентной связи приводит в боль-
шинстве случаев к значительному изменению их структуры и свойств (например, Н2О и Н2О2), а в немолекулярных этого не происходит, меняется только масса соединения.
2. Особенности состава и типа связи элементов ХС.
2.1. ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ (ХЭ) - это составная часть структуры химического соединения в виде атомного остова (или ядра).
2.2. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ (ХСв) - это об-менно-электростатическое взаимодействие химических элементов посредством обобществлен-ныых (валентныых) электронов в их химических соединениях.
Отметим, что химическая связь представляет собой составную часть структуры химического соединения в виде обобществленных (валентных) электронов, обеспечивающих повышение электронной плотности между ХЭ и образование химического соединения элементов. При этом в рамках единой модели понимается, что ХСв - это особая по механизму образования и обменно-электростатической природе последующего равновесия химических элементов связь не менее двух атомных остовов, осуществляемая посредством ОЭ. ХСв возникает и существует в веществах при эффективном перекрывании электронных оболочек исходных атомов, приводящем к обобществлению электронов, превращению атомов в химические элементы (ядра или атомные остовы) и образованию энергетически более устойчивого вещества качественно нового уровня (по сравнению с атомарным), называемого химическим (ХС или ХВ). Химическая связь характеризуется степенью обобществления электронов (СОЭ) Ф 0, а также двумя (гомомсвязь) или тремя (гетеросвязь) химическими компонентами связи (степенями ковалентности СК, металличности СМ, ионности СИ), определяющими характер локализа-ции-делокализации ОЭ, или уровень и характер распределения электронной плотности в межъядерном пространстве.
В рамках единой модели химической связи интегральной характеристикой, вскрывающей общий характер распределения (локализации-
делокализации) связывающих электронов (обобществленной электронной плотности) между атомными остовами или ядрами любого химического соединения, является степень обобществления электронов (СОЭ). СОЭ можно определить через количество атомных остовов (или ядер) в структуре химического соединения (п), локализующих при себе электронную плотность (обобществленные валентные электроны), возникающую при образовании соответствующей химической связи. По сути, степень обобществления электронов представляет собой характеристику химической связи, подобную валентности в методе валентных связей, но являющуюся более универсальной, которую можно применить для всех трех разновидностей химического взаимодействия элементов. Для предельных («формальных») типов химических связей (ионной, кова-лентной и металлической) п, соответственно, равны:
1, 2 и да, а СОЭ в них определяется следующим образом:
СОЭ = 100 - 100/п, %.
В результате СОЭ для предельных («формальных») связей: ионной связи СОЭ = 100 - 100/1 = 0% (СИ = 100%); ковалентной связи СОЭ = 100 - 100/2 = 50% (СК = 100%) и металлической связи СОЭ = 100 - 100/да = 100% (СМ = 100%).
Термин «формальных» типов химических связей говорит о том, что в реальных химических соединениях связи являются в подавляющем большинстве смешанными, а не предельными (100%). Кроме того, при СОЭ = 0 химическая связь на 100% должна превратиться в ее предельную - ионную разновидность. А это значит, что в этом случае, ОЭ должны полностью локализоваться на одном более электроотрицательном элементе, который в результате превращается в индивидуальный анион, химически уже не связанный посредством обменного взаимодействия с другим элементом, превращенным в проти-воион (катион). То есть в этом случае химическая связь прекращает свое существование, так как обобществленные электроны, фактически, уже не являются таковыми по существу ввиду их принадлежности только одному атомному остову (ядру). Таким образом, СОЭ Ф 0 является основным условием возникновения обменного взаимодействия элементов и образования химической связи. Тот же эффект прекращения существования химического взаимодействия наблюдается и при СОЭ = 100%, так как в этом случае химическая связь на 100% становится металлической и ОЭ, становясь полностью делокализованными в межъядерном пространстве, теряют свою связующую роль между элементами.
Приведем химический смысл понятий, раскрывающих специфику локализации - делокализа-ции обобществленных (валентных) электронов и, как следствие, уровень и характер распределения электронной плотности в межъядерном пространстве химически связанных элементов:
ковалентность ХСв - это способность (стремление) к равномерной (СОЭ—50%) и максимальной локализации обобществленных (валентных) электронов при гомо- или гетероядерном взаимодействии на оси Y, соединяющей центры химически связанных элементов (атомных остовов);
металличность ХСв - это способность (стремление) к смещению, или делокализации, ОЭ при гомо- или гетероядерном взаимодействии в направлении (ось X) перпендикулярном оси Y (СОЭ —^100%);
ионность ХСв - это способность (стремление) к смещению, или локализации, ОЭ при гетероядерном взаимодействии вдоль оси Y в сторону более электроотрицательного элемента (СОЭ —0%).
В результате, любая химическая связь является смешанной (промежуточной) между двумя (кова-лентной и металлической в случае гомосвязи) или тремя (ковалентной, металлической и ионной в случае гетеросвязи) ее разновидностями (компонентами). И поэтому любые химические связи отличаются друг от друга степенями ковалентности (СК) и
металлличности (СМ) (для гомосвязей) или Ск, См и, дополнительно, ионности (СИ) (для гетеросвязей), оцениваемыми в процентах (%) или в относительных единицах (от 0 до 1). Эти три составляющие любого типа химической связи будем называть ее компонентами, или химическими компонентами связи.
3. ХИМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА (ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ) ВЕЩЕСТВА - это пространственное взаимное расположение химических элементов и характер распределения между ними обобществленных электронов (электронной плотности).
4. ХИМИЧЕСКОЕ СВОЙСТВО - качество или признак, составляющий особенность химического вещества, отличающую его от веществ физического, биологического и других его разновидностей.
В результате, к специфическим свойствам ХС традиционно относят понятие химической реакции, характеризующее специфические свойства химических соединений (химических веществ), проявляемые ими (например, через химическую реакционную способность и т.д.) при контакте с другими веществами и определяемые особенностями их химического строения. При этом следует различать понятия химическая реакция и химическое превращение.
Причем, большинство так называемых физических (плотность, твердость, электро- и теплопроводность и т.д.) и механических свойств (твердость, пластичность, эластичность и высокоэластичность и т.д.) правильней относить не к просто физическим. а, как минимум, к физико-химическим свойствам. Это связано с тем, что, во-первых: свойство всегда является следствием структуры вещества; и, во-вторых, в подавляющем числе случаев именно особенности химической связи и структуры и определяют возможность и величину этих так называемых «физических» свойств (например, электропроводность и диэлектрические свойства вещества и т.д.) [11].
4.1. ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ - широкое понятие, характеризующее такое свойство химического соединения, как специфика реакции на естественное или искусственное изменение термодинамических условий окружающей среды, а также реакцию на контакт с подобными или отличными от него разновидностями химических веществ и другие факторы (механическое, физическое или биологическое воздействие). При этом химическая реакция не обязательно приводит к кардинальному изменению химической структуры вещества, то есть химическое превращение может не происходить, например, в случае прививки или модификации различных полимерных систем.
А так как химическое свойство соединения определяется особенностями его химической структуры, то к нему, помимо способности к химическому превращению, правомочно относить и такие свойства металлов и полимеров как электропроводность, диэлектрические, полупроводниковые свойства, способность к кристаллизации или аморфизации и т.д.
4.2. ХИМИЧЕСКОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ - это
более узкое понятие, характеризующее способность химического вещества или веществ к изменению его или их структуры вплоть до превращения в другое химическое соединение.
Традиционно под химическим превращением понимают процесс превращения одного или нескольких химических соединений (химических веществ) в другое (другие). Поэтому необходимо четко понимать, что физические превращения одних элементарных частиц, ядер или атомов в другие не являются химическими реакциями. Примерами подобных превращений являются бета-распад, при котором распадающееся ядро испускает электрон за счет превращения одного нейтрона ядра в протон и альфа-распад, при котором ядром выделяется а-частица (ядро гелия-4). В отличие от этих чисто физических превращений примером химического превращения может служить реакция горения метана с образованием углекислого газа и воды (1) или превращение молекул водорода и хлора в молекулу хлороводорода (2):
CH4 + 2O2 ^ CO2 + 2H2O (1)
H2 + Cl2 ^ 2HCl (2)
Отметим, что в рамках единой модели химического взаимодействия химическое превращение всегда сопровождается изменением соотношения компонент химических связей. Например, в уравнении (2) гомоядерные связи в двух исходных молекулярных веществах характеризуются, соответственно, следующими компонентами связи: СК = 53,2%, СМ = 46,8% (Н-Н) и СК = 73,8%, СМ = 26,2% (Cl-Cl), а в продукте реакции в виде гетероядерной молекулы (HCl): Ск = 57,1%, См = 32,8%, Си = 10,1%.
Еще более интересное химическое превращение происходит при протекании реакции (3)
2Na„ + Cl2 ^ 2NaCl. (3)
В ней немолекулярное соединение с преимущественно металлическим типом связи, №м (СК = 22,51%, СМ = 77,49%), взаимодействует с молекулярным веществом с преимущественно ковалент-ным типом связи, Cl2 (СК = 73,8%, СМ = 26,2%), при этом получается немолекулярное вещество с преимущественно ионным типом химической связи, NaCl (СК = 31,62%, СМ = 34,05%, СИ = 34,33%).
То есть, строго говоря, под собственно химическим превращением будем понимать взаимодействие двух или нескольких ХС друг с другом, кардинальное изменение химической структуры одного вещества (например, превращение графита в алмаз) или образование новых ХС из одного исходного (например, образование H2 и Cl2 из HCl) под действием различных факторов (изменение температуры, давления и т.д.).
При этом собственно химическое превращение предполагает, что при протекании химической реакции исходное или исходные, а также конечные продукты данного превращения являются химическими веществами. То есть собственно химическое
превращение всегда имеет внутриуровневый характер, протекающий на химическом уровне организации вещества, а промежуточные продукты реакции, как традиционно формулируют физики (в рамках термодинамики), не определяют суть данного процесса.
Таким образом, если превращение является ме-журовневым и исходные атомарные физические вещества превращаются в химические соединения, то это уже физико-химическое превращение, опровергающее наличие химических свойств у индивидуального атома ввиду отсутствия в нем химической структуры по А.М. Бутлерову. Поэтому попытки отнесения превращения индивидуальных атомов в их соединения к химическим превращениям не имеют никакого химического смысла.
Правильность развиваемого научного подхода подтверждается и словами академика СССР А.Н. Несмеянова: «Суть химического движения состоит в том, что из одних химических веществ в результате реакции получаются иные химические вещества, и эта суть ни к чему не может быть сведена и составляет специфический объект изучения химической науки».
В результате, логическая последовательность рассмотренных выше фундаментальных понятий химии позволяет сформулировать следующее современное определение этой науки. Химия - это наука и учебная дисциплина, изучающая влияние состава и типа связи элементов химических соединений (химических веществ) на их структуру и свойства. Или, в более узком традиционном виде: «Химия это наука о гомо- и гетероядерных химических соединениях элементов (химических веществах) и их превращениях». И следовательно, из этого современного материалистического определения химии логично вытекает фундаментальное отличие объекта и предмета исследования этой научной и учебной дисциплины от физики, биологии и других естественнонаучных дисциплин.
Литература
1. Кузнецов В.И. Эволюция представлений об основных законах химии. М.: Наука, 1967. 310 с.
2. Pauling L. The nature of the chemical bond and the structure of molecules and crystals. An introduction to modern structural chemistry. By Linus Pauling. 2nd edit.N.Y., Cornell, 1940. 450 pp.
3. Соловьев Ю.И. Курашов В.И. Химия на перекрестке наук: Исторический процесс развития взаимодействия естественнонаучных знаний. М: Наука, 1989. 192с.
4. Курашов В.И. Познание природы в интеллектуальных коллизиях научных знаний: Научная мысль России на пути в ХХ1 век. М.: Наука, 1995. 283 с.
5. Сироткин О.С. Химия на пороге XXI века (О месте химии в современном мире, индивидуальности и единстве её фундаментальных начал). Казань: изд-во КГТУ (КХТИ), 1998. 120 с.
6. Сироткин О.С., Сироткин Р.О. О концепции химического образования // Высшее образование в России. 2001, № 6, с. 137-139.
7. Бейдер Р. Атомы в молекулах: Квантовая теория. (Теоретические основы химии). М.: Мир, 2001. 532с.
8. Сироткин О.С. Химия на своем месте // Химия и жизнь. 2003, № 5, с. 26-29.
9. Сироткин О.С. Начала единой химии (Унитарность как основа формирования индивидуальности, раскрытия уникальности и фундаментальности химической науки). Казань: Фэн, 2003. 252 с.
10. Сироткин О.С. Эволюция теории строения химического вещества А.М. Бутлерова в унитарную теорию строения химических соединений (Основы единой химии). М.: ИНФРА-М, 2013. 272 с.
11. Сироткин О.С., Сироткин Р.О. Химия (Основы единой химии)- учебник. М.: КНОРУС, 2017. 364 с.
12. Паулинг Л. Природа химической связи. М.-Л.: Госкомиздат, 1947. 440 с.
13. Герц Г.Г. Хочу спорить и доказывать // Химия и жизнь. 1984, № 10, с. 22-25.
14. Азимов А. Краткая история химии. М.: Мир, 1983. 187с.
15. Сироткин О. С. Интегрально-дифференциальные основы унитарной концепции естествознания (Парадигма многоуровневой организации материи как естественная основа многообразия и единства природы объектов системы Мироздания). Казань: КГЭУ, 2011. 268 с.
16. Зоркий П.М. О фундаментальных понятиях химии // Соросовский образовательный журнал. 1996, № 9, с. 4756.
17. Зоркий П.М. Критический взгляд на основные понятия химии // Российский хим. журнал. 1996, т. 40, № 3, с. 525.
18. Краткая химическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1965. с. 951.
19. Крестов Г.А., Березин Б.Д. Основные понятия современной химии. Л.: Химия, 1986. 104 с.
20. Химическая энциклопедия / под. ред. И. Л. Кнунянца,
H. С. Зефирова, Н. Н. Кулова и др. М.: Сов. энц., 1988, т.
I. 624 с.; 1990, т. 2. 672 с.; т. 3. Бол. Росс. энц., т. 3, 1992. 640 с.; 1995, т. 4. 640 с.; М.: Бол. Росс. Энц., 1999, т. 5. 784 с.
21. Сироткин О.С. Основы инновационного материаловедения. Москва: ИНФРА-М, 2011. 158 с.
22. Сироткин О.С. Неорганические полимерные вещества и материалы (Безуглеродные макромолекулы и полимеры). Казань: КГЭУ, 2002. 288 с.
23. Сироткин О.С. Основы материаловедения (учебное пособие). М: КНОРУС, 2014. 264 с.
24. Сироткин О. С. Основы современного материаловедения (учебник). М: ИНФРА-М, 2015. 364с.
25. Сироткин Р.О., Сироткин О.С. О современном смысле понятия «химический элемент» и его разновидностях в соединениях с разным типом химической связи // Вестник технологического университета. 2015, № 6, с. 7-10.
26. Сироткин, Р.О. Сироткин О.С., Дебердеев Р.Я. Эффективность использования единой модели химической связи для описания трансформации структуры и свойств химических веществ при изменении их состава // // Вестник технол. ун-та. 2016, № 8, с. 24-31.
27. Сироткин Р.О. Сироткин О.С, Трансформация структуры и свойств гомо- и гетероядерных соединений при изменении их химического состава и связи элементов. Тез. докл. XX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, Т. 1, Фундаментальные проблемы химической науки. Екатеринбург: УО РАН, 2016, с. 322.
28. Сироткин О.С., Сироткин Р.О. Теоретические основы химии (Индивидуальность и единство). Казань: КГЭУ, 2004. 168 с.
29. Сироткин О.С., Сироткин Р.О., Трубачева А.М. Характеристики гомо- и гетероядерных связей тонкой электронно-ядерной структуры и их влияние на свой-
ства металлических и неметаллических материалов. Казань: КГЭУ, 2009. 304 с.
30. Сироткин О.С., Сироткин Р.О. Основы теоретического материаловедения (учебное пособие). Казань: КГЭУ, 2010. 300 с.
31. Сироткин Р.О. Электронно-ядерная, молекулярная и надмолекулярная структура полимерных материалов и их физико-механические свойства («Состав - тип связи - структура - свойства» в полимерах и металлах). Казань: КГЭУ, 2007. 240 с.
32. Сироткин Р.О., Сироткин О.С. Химическая связь. Казань: КГЭУ, 2010. 52 с.
33. Сироткин О.С., Сироткин Р.О. Фундаментальные основы нового этапа развития теории химического строе-
ния органических соединений А.М. Бутлерова // Вестник технологического университета. 2014, № 14, с. 3944.
34. Sirotkin O.S., Sirotkin R.O. Multilevel structure and properties of metals and polymers within the unified model of chemical bond // Journal of Materials Science and Engineering A, 2016, V. 6, № 2. рр. 71-74.
35. Sirotkin R.O., Ivshin I.V., Safin A.R., A.N. Tsvetkov A.N., Dolomanyuk L.V. Titanium chemical nature features, which determine its most important performance properties in linear engine-generator // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 2016, V. 11, № 16. рр. 9664-9666.
© О. С. Сироткин - д-р техн. наук, проф., академик Российской Академии Естествознания, зав. каф. «Материаловедение и технологии материалов» Казанского государственного энергетического университета, [email protected]; Р. О. Сироткин -канд. хим. наук, д-р философии (в области науки о полимерах), доц. каф. «Материаловедение и технологии материалов» Казанского государственного энергетического университета, доц. каф. «Технология пластических масс» КНИТУ, [email protected].
© O. S. Sirotkin - doctor of technical Sciences, Professor, academician of RAE, head of the chair "Materials Science and technology" of the Institute of electricity and electronics, Kazan state power engineering University, e-mail: [email protected]; R. O. Sirotkin -cand. of chem. Sci., PhD, associate professor of the chair "Materials Science and technology" of the Institute of electricity and electronics, Kazan state power engineering University, associate professor of the School of Plastics Technology of Kazan National Research Technological University, e-mail: [email protected].
