Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет ограниченное и строго определенное число способов решения. Речь идет при этом не о частных методах изучения свойств вещества, - их превеликое множество, - а о самих общих способах решения проблемы качественного разнообразия и качественных превращений вещества, а в конечном итоге - о генезисе свойств вещества.
Забегая вперед можно сказать, что речь идет о зависимости свойств вещества всего лишь от четырех факторов:
· от его элементного и молекулярного состава;
· от структуры;
· от кинетических факторов, в том числе - природы сореагентов;
· от высоты его химической организации.
Первый способ решения проблемы генезиса свойств вещества появился в древней натурфилософии. Этот способ решения проблемы качественного разнообразия вещества можно изобразить поэтому общей схемой: субстанция акциденция
Отличительными чертами этого способа являются:
· умозрительность, приобретающая большую силу абстракции, но лишенная каких бы то ни было эмпирических основ;
· логическая дедукция, претендующая на всеобщность объяснения, но вовсе не опирающаяся на критерий практики;
· выбор совершенно отвлеченного объекта - “первоматерии”, или “субстанции”, наделенной всеобщностью, вместо вещества с его спецификой качественных изменений, - словом, все то, что характеризует натурфилософию, в недрах которой этот способ возник и развивался.
Уже отсюда легко понять, что это была лишь первая попытка объяснения природы тел, и что она, по существу, ничего не могла дать производственной практике.
Второй способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился во второй половине XVII века в работах английского ученого Р.Бойля. Преобразования в области производства, происшедшие в эпоху Возрождения, наряду с прогрессивными изменениями в экономической и политической жизни, вызвали коренные преобразования и в области естествознания. Одним из таких преобразований явилось низвержение первого бесполезного для практики способа решения проблемы генезиса свойств и появление нового способа с принципиально новым - экспериментальным - подходом к изучению природы.
Способ решения извечной проблемы причинной обусловленности свойств, или качественного разнообразия тел, стал выражаться, таким образом, посредством новой схемы: состав свойства
Этот способ положил начало экспериментальной химии, определив ее как науку о составе веществили “науку о химических элементах и их соединениях” (Д. И. Менделеев), которая и стала первым уровнем научных химических знаний. И не смотря на то, что наука о составе являлась преимущественно аналитической, она вместе с тем заложила основы представлений о законах соединения элементов в “сложные тела”, позволивших осуществлять уверенные действия по получению новых веществ. На этом уровне развития химии появилась химическая технология основных неорганических веществ.
Третий способ решения основной проблемы химии был вызван переходом от мануфактурной стадии капитализма с ее ручной техникой и ограниченным кругом предметов труда к фабричной системе капиталистического производства, опирающейся на машинную технику и новую сырьевую базу. Появился новый способ решения проблемы генезиса свойств не только в зависимости от состава, но и от структуры:
· структура функция (реакционная способность)
· состав свойства
Этот способ стимулировал возникновение целого ряда теорий в высокой степени общности и абстракции, необыкновенной эвристичности и практической ценности; эти теории положили начало второй концептуальной системе - структурной химии. Поднявшись на новый, более высокий (по отношению к науке о составе) уровень знаний, химия превратилась из науки преимущественно аналитической в науку главным образом синтетическую. Период становления структурной химии историки называют “триумфальным маршем органического синтеза”. На те требования развития производства, которые вызвали этот способ, химия уже в 1870-1890-х годах ответила получением всевозможных азокрасителей для текстильной промышленности, самых различных препаратов для фармации, искусственного шелка для производственных и бытовых нужд. На этом уровне развития химии возникла технология органических веществ.[6]
Химия изучает окружающий нас мир объединяемым понятием материи (mater rerum - мать вещей), существующей вне и независимо от сознания человека. “...материя есть то, что, действуя на наши органы чувств, производит ощущение; материя есть объективная реальность, данная нам в ощущении...” Материя существует в форме вещества и поля. Частицы обеих форм материи обладают массой, энергией и характеризуются диалектическим единством корпускулярных и волновых свойств.[7]
Понятием “поля” оперирует физика. Поскольку химическую науку мы определяем как науку о вещах и их превращениях, то понятие вещей является фундаментальным понятием этой науки.
Употребление термина “вещество” в химии вполне правомерно, т.к. оно указывает на основную задачу, поставленную перед химией, производством и обществом, а именно на проблему получения веществ и материалов с требуемыми характеристиками. Эта проблема движет развитием как химической промышленности, так и химической науки. Промышленность решает ее непосредственно, перерабатывая природные вещества в форму, доступную человеческому потреблению. Химическая наука относится к проблеме получения необходимых веществ с требуемыми характеристиками как к объекту исследования, и ее в конечном итоге интересуют законы природы, управляющие свойствами и превращениями вещества в его наиболее широком понимании.
Химия нужна человеку прежде всего для получения из природных веществ по возможности всех необходимых материалов - металлов, керамики, стекла, топлива и т.д. Для этого химия должна разрешить свою основную проблему: из каких химических элементов состоят вещества и каким образом следует осуществлять взаимные превращения веществ для получения необходимых материалов. Отсюда вытекают задачи химии - получение веществ с заданными свойствами и выявление путей управления свойствами вещества. На достижение первой из них направлена производственная деятельность человека, а второй - его познавательная деятельность.
Учение о строении вещества
На протяжении многих веков в сознании человека господствовали натурфилософские представления об атомах, как мельчайших, неделимых, простейших по составу и неизменных “кирпичиках” вещества. Сначала химическая атомистика, как и атомное учение вообще, основывалась на представлениях о существовании лишь одного вида мельчайших частиц вещества - атомов, из которых образуются все тела окружающего мира. На протяжении всей истории развития естествознания, правда, не раз высказывались мысли о том, что, помимо атомов, существуют и другие, более сложные частицы. Такие идеи развивались в работах Гассенди (который ввел и сам термин “молекула”), Бернулли, Ньютона, Бойля, Ломоносова и других. Но достаточно убедительного естественнонаучного обоснования эти взгляды не имели. Дальтон, с именем которого связано утверждение атомного учения в химии, тоже говорил об атомах и молекулах, но не придавал значения их качественному различию, считая молекулы просто сложными атомами, а различия между ними лишь количественными. Развитие химии на базе идей атомизма доставляло между тем все больше и больше фактов, показывающих, что предположение о существовании только одного вида частиц вещества - атомов совершенно недостаточно для объяснения многих химических явлений.
Первоначально атомное учение предполагало существование только одного вида мельчайших частиц - атомов, из которых образуются все тела окружающего мира. Но уже в самом начале развития химии на основе атомного учения оказалось, что для строго количественного объяснения многих свойств представлений о “двухступенчатой” (атом - макротело) дискретной организации вещества явно недостаточно. Все более четким становилось предположение о существовании наряду с атомами еще одного вида частиц вещества - молекул - сложных микрочастиц, состоящих из двух или нескольких атомов.[8]
Четкое разграничение понятий атома и молекулы было закреплено в 1860 г. на Международном съезде химиков в Карлсруэ. На основе достижений химии в учении о веществе утвердилось, таким образом, представление о существовании двух видов микрочастиц - атомов и молекул. Соответственно сложилось и представление о “трехступенчатой” организации вещества: атом - молекула - макротело. Все вещества (жидкие, твердые, газообразные тела) стали представлять состоящими из молекул, которые, в свою очередь, образованы путем химического соединения из неделимых, неизменных атомов. Общие представления о веществе поднялись на качественно новую ступень. Учение о дискретном строении вещества стало благодаря успехам химии уже не атомным, а атомно-молекулярным. Это был большой шаг, скачок в развитии химического и вообще естественнонаучного мышления, в выработке и конкретизации научной картины мира. Химические превращения вещества стали трактоваться как процессы образования молекул из атомов, как процессы перестройки молекул.