• РЕГИСТРАЦИЯ

УРОК ТРЕТИЙ : ЧТО ТАКОЕ «ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВА»

Елена Устинова
21 декабря 2018 г. 10:48 0 368

  

       В начале первого урока была приведена цитата, в которой, В.И.Кузнецов, как оказалось, сформулировал по сути постулат, а именно:

вполне точного и всегда себе равного, постоянного , во всех случаях пригодного определения химического соединения понятия быть не может, поскольку оно развивается, отражая ход познания.

Это сказано в 1973г., а в 1996г. проф. МГУ д.х.н. П.М.Зоркий пишет о том, что

путем оговорок можно сформулировать довольно точные определения, но они будут очень узкими или частными , а потому ценность таких определений невелика, и более того, при догматическом подходе, они могут навредить, поскольку создают превратное представление о сущности того или иного термина, используемого в химической практике.

     Здесь не так определенно, но все-таки утверждается то же самое - невозможность точного общего определения химического соединения.

  В то же время, профессор предлагает не столько определение понятия, сколько, по его же словам, схему, которая содержит три признака, характеризующих химическое соединение как атомно-молекулярную систему.

Эти признаки изложены в общем виде, поэтому  П.М.Зоркий предлагает каждому преподавателю или исследователю по - своему детализировать эту схему, насытив именно теми примерами, которые покажутся ему наиболее важными и подходящими.

Он также предупреждает , что, скорее всего, при этом потребуется уточнение, развитие, видоизменение всей концепции. Подробне по ссылке.

http://chempatlaw.pro/d/871724... стр.99-100.

   Сам подход детализации при характеристике химического соединения , конечно, на практике полезен и даже необходим, о чем еще будет идти речь.

 А сейчас обращаем внимание на то, что к этому времени, т.е. к 1996г. уже два десятилетия как была известна другая концепция , созданная В.И.Кузнецовым. (1)

 Следует подчеркнуть, что В.И.Кузнецов  не только сформулировал приведеный ранее   постулат о невозможности общего понятия химического соединения, пригодного на все времена и для всяких новых систем, не являющихся механическими смесями, он задается вопросом:

какой подход следует использовать при создании новых типов химических соединений - расширять определение или создавать новые частные.

Ответом послужило введение, по словам автора,

«несколько необычного для химической и философской литературы выражения - химическая организация вещества не столько в качестве нового термина, уточняющего наши взгляды, сколько в качестве нового понятия , представляющего наиболее общую и одновременно наиболее точную характеристику вещества».(1,С.51).

    Была предложена новая концепция, открывающая возможности для теоретического и практического осмысления огромного и разнообразного экспериментального химического материала с единой позиции.

Чтобы понять суть концепции, важно сначала показать, на чем она основана.

В.И.Кузнецов, как в свое время Н.С.Курнаков в знаменитом докладе  " Соединение и химический  индивид", опирается в первую очередь на логику.

Н.С.Курнаков рассматривал эти понятия с позиции логической структуры и способов образования понятий, принятых в то время в теории познания.

    Спустя полвека (1960–1970г.г.) В.И.Кузнецов опирается на логические основы метода системного анализа, который именно в это время получил свое развитие.

     В рамках этого метода появились разработанные специалистами, изучающими вопросы логики и общие методологические вопросы науки и техники, такие понятия, как «организация», «структура», «система».

Оба подхода отечественных ученых - блестящий образец применения логики в качестве средства получения нового знания, его расширения и углубления.

В системном анализе как общенаучном методе были сформулированы следующие определения:

система – множество связанных между собой элементов, обладающих упорядоченностью, внутренней целостностью, относительной устойчивостью и автономным поведением;

структура – устойчивое единство элементов, их отношений к целостности системы; при этом подчеркивается, что структура раскрывает сущность системы;

организация - понятие более богатое, чем понятие структуры, включающее упорядоченность устойчивых свойств и отношений, т. е. понятие структуры, а также упорядоченность неустойчивых отношений, которые могут исчезать и вновь появляться.

    Величайшая заслуга В.И.Кузнецова в том, что он первым использовал достижения логики как науки , т.е. понятийный аппарат метода системного анализа, применительно к химическим понятиям, вложив в них глубокое химическое и физическое содержание.

Используя общие понятия, В.И.Кузнецов применительно к химии формулирует новые понятия  - химическая рганизация вещества и химические системы.

«Химическая организация вещества - это упорядоченность отношений между взаимодействующими атомами и (или) атомными агрегатами, образующая единую систему двух типов - устойчивую, которая относится к химическому соединению, и неустойчивую – реакционную, в том числе – переходное состояние».

   В. И. Кузнецов показал, что с помощью понятия химической организации вещества стало возможным объединить:

все виды химических соединений, отражающие структурную упорядоченность устойчивых отношений;

кинетические системы, в частности переходное состояние, которые характеризуются упорядоченностью неустойчивых свойств и отношений.

   Мы не будем рассматривать неустойчивые реакционные химические системы, поскольку наша задача - критерии отличия химических систем с устойчивой упорядоченностью, т.е. характеризующихся структурой, от механических смесей.

     Теперь, опираясь на общее определение системы  и на достижения квантовой химии и физики, В.И.Кузнецов дает определение химической системы как целостной , относительно устойчивой единой квантово-механической системы взаимодействующих атомов.

   Известно, что физики характеризуют квантово-механическую систему как несепарабельную, что подразумевает неразрывность связи любой части системы со всей системой, невозможность разделить систему на части даже мысленно, в теории.

Поведение и свойства отдельных частей системы определяются системой в целом и они не могут рассматриваться независимо, т. е. поведение и свойства отдельных частей системы коррелируют между собой.

(http://rusnauka.narod.ru/lib/a... ).

     Неразделимость (целостность) системы может быть доказана методами структурного анализа, а это уже не что иное, как непосредственное доказательство отличия такой системы от механической смеси.

http://files.lib.sfu-kras.ru/e...

      Таким образом, уже во второй половине прошлого столетия был предложен и обоснован единый критерий отличия самых различных химических систем от механической смеси, имеющий глубокое химическое и физическое содержание.

     Неразделимость, унитарность (целостность, составляющее единое целое) для химических систем разного типа - молекул, кристаллов, комплексов и агрегатов, кластеров и мицелл,состоящих из атомов, оказалась обусловленной тем, что все они представляют собой единые квантово-механические системы.

    Напомним, что в середине ХIХ века французский химик Ш.Жерар предложил унитарное учение, которое в то время было учением о молекуле как неделимой частице, единственном носителе свойств унитарной системы.

   Провозглашенная Жераром унитарность молекулы, по словам В. И. Кузнецова, в связи с развитием квантовомеханической теории нашла свой аналог в целостности квантовых систем взаимодействующих атомов (ядер, электронов), к которым относятся и системы немолекулярного строения.

Квантовая химия показала, что

«Система взаимодействующих ядер и электронов может быть представлена не только молекулой, на другими едиными квантовомеханическими системами: ионами,сложными радикалами, молекулярными комплексами, монокристаллами, поверхностными соединениями и т. д. В соответствии с этим любая из перечисленных систем принимается за химическую систему». [1. C. 293].

Учение В.И.Кузнецова позволяет расширить представления об унитарных (неделимых), системах на основе общего критерия - образование единой квантово-механической системы.

Какую красивую и обоснованную концепцию предложил В.И.Кузнецов , развивая представления о химических системах.

Достижения квантовой химии, логические основы системно-структурного анализа как общего метода познания, достижения химической науки - все было использовано при создании нового унитарного учения, которое вполне можно называть учением В.И.Кузнецова.

В то же время новые представления об унитарных химических системах потребовали пересмотра взглядов и на понятие химическая структура, и это  оказалось совсем непростой задачей.

В.И.Кузнецов подчеркивает, что квантово- механических представлений , т.е. знания числа и свойств ядер и электронов, не достаточно для определения структуры химической частицы. (1.стр.202).

Он приводит общеметодологическое определение понятия структуры как устойчивого единства элементов, их отношений и целостности системы, и рассуждает о затруднениях, которые возникают при определении понятия химической структуры, пригодного для любой химической системы.

   В химии по традиции со времен Бутлерова структуру молекул именуют как химическое строение вещества, хотя правильнее было бы говорить о химическом строении молекул или о структуре молекулярных систем.

   Обнаружение соединений немолекулярного типа потребовало новых подходов к рассмотрению вопроса о химическом строении и химической структуре с учетом существования молекулярных и немолекулярных химических систем.

В работах В.И.Кузнецова [2,3] показано, что понятие структуры в химии вызывает массу вопросов, недоумений, а иногда и неудобств.

Во-первых, разные химики вкладывают в него неодинаковое содержание: одни под химической структурой понимают порядок пространственного расположения атомов в молекуле, другие – закономерности, относящиеся к «расположению сил сродства по химическим связям» или – «электронное строение» частиц.

Кроме того, говоря о структуре вещества, химики имеют в виду в одних случаях строение молекул, в других – структуру макротел, что не одно то же.

[2. C. 88–97; 3. C. 98–99].

Авторы [ 2 ] указывают на ряд проблем, стоящих перед современной структурной химии, в частности, необходимости  разработки структурных теорий химии твердого тела, рассмотрение этих проблем  является самостоятельной темой.

  А сейчас вернемся  к практическому и одновременно общеметодологическому подходу П.М.Зоркого [4-6 ], который подчеркивая основополагающую роль понятия «структура» в химии и указывая на то, что основная задача для химиков состоит в уяснении сущности многоуровнего и многоликого понятия структуры,  утверждает ,что дать универсальное определение химической структуре крайне затруднительно и более того, он полагает, что без такой дефиниции можно обойтись.

   Согласно концепции В.И.Кузнецова и рекомендациям П.М.Зоркого отсутствие

  точной формулировки понятия химической структуры может быть компенсировано применением общего определения структуры из системного анализа и принципов усложнения вещества, позволяющих оценить организацию вещества в целом, а не только строение отдельных элементов (атомов, молекул, кристаллов, фаз) и типов химических связей.

      Установление структуры вообще, в том числе структуры химической системы, – это описание отношений и связей между элементами в целостном виде, устойчивое единство которых определяется их упорядоченностью.

Упорядоченность – это главная характеристика любой структуры, обозначающая степень взаимной согласованности ее элементов.

Упорядоченность любой системы организуется по определенным законам или принципам

Такие  общие положения системного анализа, вполне доступны для понимания даже школьникам.

Что касается принципов и законов образования, строения и развития химических систем, то они нашли отражение прежде всего в трудах отечественных химиков (Ю.А.Жданова, Б.Ф.Ормона,Г.Б.Бокия,В.И.Кузнецова, З.И.Шептуновой, П.М.Зоркого,В.Б.Алесковского и др.)

И они также доступны для восприятия учащихся в школе.

К указанным принципам, в частности, относятся:

– два типа строения вещества – дискретное и непрерывное и, соответственно, молекулярное и немолекулярное;

– два пути усложнения вещества – образование обособленных,индивидуальных молекулярных структур и повторение сложных структурно-химических единиц, не способных к самостоятельному существованию;

– представления о закрытых и открытых структурных образованиях, согласно которым молекула и другие дискретные химические частицы являются закрытыми, т. е. конечными структурными образованиями, а вещества, в частности кристаллические, образованные из связанных между собой структурно-химических единиц, являются открытыми, т. е. способными к бесконечному развитию;

– представления о макро- и микросистемах: бесконечное повторение первого типа структур (молекул как микросистем) и второго типа (несамостоятельных структурно-химических единиц), а также их агрегация ведут к образованию макротела;

в первом случае макротело состоит из дискретных частиц, а во втором макротело – это непрерывное структурное образование;

– непрерывное строение большинства немолекулярных веществ представляет собой пространственные структуры, в которых атомы связаны в группы бесконечной протяженности в одном, двух или трех направлениях;

– трехмерное строение многих твердых соединений, связанное с такими представлениями, как периодичность или ее отсутствие, степень упорядоченности, ближний и дальний порядок и др.;

– принцип множественности уровней строения вещества;

– возможность совместного проявления двух различных типов строения, а также чередование форм усложнения вещества друг с другом, что значительно усложняет изучение строения таких веществ.

    Можно сказать, что принципы конечности и бесконечности размеров частиц, замкнутости и открытости, дискретности и непрерывности строения лежат в основе разделения веществ на молекулярные и немолекулярные

В то же время между молекулярными и немолекулярными единицами непроходимой границы не существует. Они связаны многочисленными переходами, которые часто затрудняют решение вопроса о строении вещества.

Без знания и применения указанных принципов невозможно получить достаточно последовательных  и непротиворечивых  представлений о строении вещества.

В тех случаях, когда эти принципы используются осознанно, представления о структурах различных систем выглядят значительно яснее и понятнее.

Авторы [2. C. 99] отмечают, что концепция структурных уровней проникла внутрь химической науки, а химия в картине структурных уровней вещества играет роль связующего звена между физическим строением атома и строением макроскопических структур.

Здесь уместно рассмотреть в качестве примера представления о строении макромолекулы полимера, взятые из «Энциклопедии полимеров» М. Советская энциклопедия, 1977г. том3, стр.550-554, или посмотреть на сайте  http://chempatlaw.pro/d/871724... (приложение 6, стр.178).

 Возможно, несколько сложнее будет восприниматься в качестве примера общий подход к характеристике некоторых структурных аспектов трехмерных конденсированных фаз (кристаллов, квазикристаллов, жидких кристаллов, жидкостей), предложенный и апробированный П. М. Зорким [6.C. 281–28 или на сайте 

http://chempatlaw.pro/d/871724... ,стр.105-109].

Общая характеристика структур конденсированных систем основана на представлениях о трехмерном строении веществ и о степени упорядоченности (периодичность или ее отсутствие, ближний порядок, дальний порядок, отсутствие порядка).

При этом подчеркивается, что упорядоченность в этих трех измерениях может быть достигнута разными путями, и в принципе каждому из трех измерений может соответствовать собственная форма упорядоченности:

– кристаллическая (наличие периодических трансляций, дальний порядок);

– квазикристаллическая (отсутствие периодической трансляции, дальний порядок);

– неупорядоченность (отсутствие порядка).

П. М. Зоркий утверждает, что логическая систематика, т.е. классификация химических систем, может быть построена только на базе структурных представлений и что подобный подход облегчает совместное сравнительное обсуждение упорядоченных и неупорядоченных структур.

Сама же химическая структура теперь предстает во взаимосвязи различных ее сторон: здесь связываются воедино и пространственные, и энергетические, и электронные факторы.

Иерархия структурных уровней может быть представлена и химическими, и физическими, и смешанными типами.

 Например,строение кристаллохимических соединений представляет собой сочетание кристаллографических (физических) и химических структурных единиц

 [А.Уэллс, Струкурная неоргаическая химия.М. «Мир», 1987г. Т.1,Стр.22].

Надмолекулярная структура полимера – это физическая структура, которая представляет собой различные виды и многоступенчатые формы упорядочения во взаимном расположении макромолекулы – главной подсистемы, характеризующейся химической структурой.

Как видно, основополагающие принципы построения химических веществ,т. е. принципы организации упорядоченности, включают взаимодействие различных структурных уровней (физических и химических).

Знание указаных  принципов - это  основа осознаного  толкования результатов эксперимента и исследования структуры нового объекта с помощью аналитических химических и физических методов.

Н. А. Будрейко в работе «Философские вопросы химии», написанной практически по следам первой публикации В.И.Кузнецова о химической организации вещества

(Кузнецов В. И. Эволюция представлений об основных законах химии. М.: Наука, 1967.)

отмечает, что « на сегодня (1970г) представления В.И.Кузнецова являются наиболее приемлемыми и могут быть взяты за основу для дальнейшего уточнения и развития». [7. C. 41].

Н. С. Будрейко подчеркивает, что развитие учения о химической организации вещества позволяет совместить противоречивые представления о дискретном и непрерывном строении вещества, учитывая при этом то, что наши знания о характере химической организации вещества все время уточняются и углубляются.

   Другой отечественный химик В. Б. Алесковский в публикациях , предназначенных для учебного процесса [ 8,9], что особенно важно, использует понятие

«единая квантово-механическая система» в качестве критерия химического соединения, особенно в отношении таких своеобразных веществ, как поверхностные, сорбционные, контактные соединения, соединения включения и др."

В. Б. Алесковский указывает, что такой критерий, как наличие общей электронной структуры, дает этим соединениям «право гражданства» среди химических соединений.

 Важно отметить, что В. Б. Алесковский не только применяет указанное понятие, но и приводит интересный экспериментальный материал по исследованию электронных конфигураций различных типов соединений (аморфных, кристаллических) и, в частности, электронное строение твердого вещества, содержащего примеси.

 В частности,эти исследования показывают, что исходное – чистое – вещество и вещество, полученное добавлением в него примесей, это разные твердые химические соединения, поскольку им отвечают разные конфигурации электронов.

( http://chempatlaw.pro/d/871724... Стр.111-140).

Понятие «химическая организация вещества» было новым в химии, а, как известно, запас привычных терминов, традиционных для конкретной науки, часто не может быть вытеснен из умов ученых даже под воздействием убедительных доказательств.

К сожалению, новые идеи не сразу входят в научный оборот, а потому они могут

длительное время вообще не оказывать влияния на развитие данной области знаний.

Но еще печальнее то, что предложенные В.И.Кузнецовым понятия, без указания его авторства, получили в современных публикациях искаженное толкование.

Но этот вопрос, а также другие ошибочные представления о химических соединениях - тема отдельного урока.

ЛИТЕРАТУРА

1 В. И..Кузнецов Диалектика развития химии. М.: Наука, 1973.

2. В. И.Кузнецов А. А. Печенкин Формирование мировоззрения учащихся при изучении химии. М.: Просвещение, 1978.

3. В. И Кузнецов. Общая химия (тенденции развития). М.:Высш. шк., 1989.

4. П. М Зоркий. О фундаментальных понятиях химии // СОЖ.

1996. № 9.

5. П.М.Зоркий. Критический взгляд на основные понятия химии

Методологические проблемы химии. 1996. Т. XI, № 3. С. 7–25.

6.П.М.Зоркий. Структурные аспекты современной химии Координац. химия. 1995. № 4. С. 281–289.

7. Н. А. Будрейко. Философские вопросы химии. М.: Высш. шк.,1970. С. 41, 242–243.

8.Алесковский В. Б. Химия надмолекулярных соединений: Учеб. пособие.Л.: Изд-во ЛГУ, 1990.

9. Алесковский В. Б. Химия твердых веществ. М.: Высш. шк., 1978.

Ваш комментарий сохранен и будет опубликован сразу после вашей авторизации.

0 новых комментариев

    Загрузка...
    Елена Устинова 18 июля 2018 г. 07:47

    УРОК ВТОРОЙ: ЧТО ТАКОЕ ХИМИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ

    Итак, Н.С.Курнаков доказал существование химических соединений переменного состава, но общие критерии понятия химическое соединение не были определены.Грань между химическими соединениями и механическими смесями становилась неопределенной, поскольку соединения переменного состава не подчинялись законам стехиометрии, которые позволяли ли бы разграничить химическое соед...
    566
    Елена Устинова 24 марта 2018 г. 11:00

    УЧЕНЫЕ-ХИМИКИ СПОРЯТ, А УЧИТЕЛЯМ-ХИМИКАМ НАДО УЧИТЬ

    УРОК ПЕРВЫЙ: ЧТО ТАКОЕ ХИМИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ«Понятие химического соединения было всегда чрезвычайно подвижным. Оно отражало в своем развитии все ступени прогресса знаний о химическом взаимодействии атомов, составляющих молекулу или иной агрегат. Нам хотелось бы иметь точное и для всех случаев пригодное определение химического соединения. Оно необходимо педаго...
    2827
    Елена Устинова 18 февраля 2018 г. 23:15

    Осторожно, популяризация фундаментальной науки!

    В Интернете в нескольких вариантах опубликовано сообщение о предсказании и открытии новой химии «запрещенных» химических соединений:1. https://postnauka.ru/video/31703 - Интернет-журнал «ПостНаука» (лекция);2. https://www.gazeta.ru/science/2013/12/20_a_5811369.shtml (материалы, подготовленные отделом науки «Газеты.Ru» и МГУ в рамках сотрудничества с «Фестивалем науки»...
    3909
    Служба поддержи

    Яндекс.Метрика