Глава 2. Методы и концепции познания в химии
Химические знания до определенного времени накапливались эмпирически, пока не назрела необходимость в их классификации и систематизации, т.е. в теоретическом обобщении. Основоположником системного освоения химических знаний явился Д.И. Менделеев. Попытки объединения элементов в группы предпринимались и ранее, однако не были найдены определяющие причины изменений свойств химических веществ.
Д.И. Менделеев исходил из принципа, что любое точное знание представляет систему. Такой подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодическую систему химических элементов. В его системе основной характеристикой элементов являются их атомные веса. Периодический закон Д.И. Менделеева сформулирован в следующем виде: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов»1.
Это обобщение давало новые представления об элементах, но в силу того, что еще не было известно строение атома, физический смысл его был не вполне доступен пониманию. В современном представлении этот периодический закон формулируется следующим образом: «Строение и свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов и определяются периодически повторяющимися однотипными электронными конфигурациями их атомов»1. В своей книге «Элементы», опубликованной в 1993 г., Дж. Эмсли определяет свойства элементов более чем по 20 параметрам.
До системного подхода в химии Д.И. Менделеева учебники по химии были очень громоздкими и состояли из многих томов по несколько сот страниц. Учебник Д.И. Менделеева «Основы химии», выпущенный в 1868–1871 гг. и построенный на системных обобщениях, логично излагал в одной книге стройную систему знаний того времени.
Современная химическая наука опирается на ряд основных химических законов: закон сохранения массы (масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции); закон сохранения энергии (при любых взаимодействиях, имеющих место в изолированной системе, энергия этой системы остается постоянной и возможны лишь переходы из одного вида энергии в другой); закон постоянства состава (любое химически индивидуальное соединение имеет один и тот же количественный состав независимо от способа его получения); закон кратных отношений (если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящихся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа); закон объемных отношений (при одинаковых условиях объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов реакции как небольшие числа); закон Авогадро (в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул) и другие законы.
Современную картину химических знаний объясняют с позиций четырех концептуальных систем, которые схематично можно представить следующим образом.
О качественном росте знаний в химии при переходе от одной концептуальной системы к другой, более совершенной, и получении на их базе новых веществ можно судить на примере изготовления синтетического каучука.
Широкое развитие авто- и авиастроения потребовало производства каучука в гораздо больших масштабах, чем прежде. Назрела проблема получения искусственного каучука. В начале XX в. русский ученый С.В. Лебедев получил каучук на основе дивинила. Однако этот процесс оказался дорогим и трудоемким. В 1928 г. С.В. Лебедев открыл продуктивный метод получения сырья для производства каучука из этилового спирта. Этим было положено начало промышленному синтезу каучука. Но и такое производство тоже оказалось чрезвычайно дорогостоящим. Исходное сырье дивинил синтезировали из этилового спирта, который получали из пищевых продуктов, содержащих крахмал и сахар, причем только третья часть спирта имела выход, остальное шло в отходы. Во всей цепи по производству каучука было занято значительное количество людей.
Новые возможности получения исходного сырья дивинила для производства каучука представились с выходом химических знаний на уровень учения о химических процессах. Дивинил стали получать из нефти, отпала необходимость в использовании пищевого сырья. Такое производство существует и сегодня.
Более обнадеживающие перспективы получения синтетического каучука представляются на новом – эволюционном уровне развития химии. Имеются сведения о пиролизе нефтяного сырья в условиях плазмы при температуре в 4–5 тыс. градусов, когда реакция проходит в течение тысячных долей секунды. В этих условиях производительность возрастает многократно по сравнению с существующим способом. Один человек, обслуживающий небольшой реактор-плазмотрон, может заменить целый завод.