Диалектика природы и естествознания - [28]
Рассмотрим кратко некоторые важнейшие типы эмпирических методов и моделей. Исходным моментом эмпирических классификаций является отмеченная ранее особенность химии — наличие сети пересекающихся рядов сходных объектов. На эти ряды опирается большинство эмпирически найденных соединений, которые не являются универсальными, а существуют в пределах группы соединений. Первоначальным эмпирическим описанием, которое можно рассматривать и как математическую модель, является эмпирическое уравнение, связывающее несколько разных свойств или одно и то же свойство в двух сходных рядах. Такие эмпирически открытые соотношения часто объясняются на основе периодической системы элементов (например, связываются температуры разложения и теплоты образования в ряду сульфатов в группе металлов или, наоборот, сравниваются теплоты образования ряда сульфатов и селенатов одних и тех же металлов).
Такое соотношение задается в виде математической функции, в которой в качестве аргумента выступает одно свойство, а функции — другое. Подобное уравнение аналогично математической модели какой-либо системы типа «черного ящика», где в качестве «входа» используется одно свойство, в качестве «выхода» — другое. Часто такие соотношения носят название корреляций. Они широко применяются для оценки свойств неизвестных соединений путем интерполяции в ряду сходных веществ. Фактически на этом же принципе были основаны известные предсказания Д. И. Менделеева о существовании нескольких не открытых еще элементов (галлий, скандий, германий). В этом смысле периодическая система химических элементов может рассматриваться как своего рода модель химических взаимосвязей.
Очень важное место среди методов моделирования занимают аддитивные модели. Хотя химическое соединение нельзя представить как сумму составляющих его элементов, тем не менее при выполнении определенных условий вполне можно составить схему расчета, согласно которой свойства сложного вещества составляются из вкладов входящих в него частей. Такие схемы с успехом используются для расчета рефракции (функции коэффициента преломления), диамагнетизма, энтропии и других явлений. Существуют и широко применяются на практике таблицы инкрементов — вкладов, которые вносят в общее свойство соединений определенные атомы или их группы. По существу перечисленные модели в значительной степени являются эмпирическими. Они лишь отчасти опираются на какие-нибудь теоретические соображения и сводятся к предположению о наличии простейших связей между свойствами химических соединений.
Наряду с этим широко используются модели, которые прямо строятся на основе определенных теоретических положений. Поскольку, однако, реальные химические системы очень далеки от идеальных объектов, которые описываются теорией, в теоретические уравнения вводятся поправки. Последние носят эмпирический характер, в результате чего вместо теоретического уравнения появляется другое, полуэмпирическое, связанное с первым по принципу подобия. Именно так используются, например, уравнения газов и растворов, в которые вместо реальной концентрации вещества вводится активность (концентрация умноженная на поправочный множитель). Аналогичным образом во многих формулах для расчета энергии связи электрона с ядрами используются «эффективные заряды» вместо их точного значения.
В целом совокупность этих методов, сводящаяся к составлению эмпирических уравнений, подобных теоретическим, может быть названа моделированием по методу подобия. К последнему типу моделей непосредственно примыкают чисто теоретические уравнения, опирающиеся на фундаментальную теорию Перечисленные методы могут рассматриваться как случаи системного моделирования. Здесь химические особенности системы задаются ее составом и положением в ряду сходных объектов. Структурные особенности каждой системы принимаются во внимание лишь частично.
Другую группу моделей составляют структурные модели. Их простейшими представителями являются знаковые модели типа химических формул. Кроме обычных строчных формул, отражающих состав и группировку атомов, в последнее время в связи с развитием методов автоматического накопления и поиска информации важное значение приобрело кодирование химических систем. Разнообразные методы кодирования, приспособленные для ввода данных о структуре веществ в электронно-вычислительную машину, могут рассматриваться как важное направление знакового моделирования в химических системах. Многие из существующих в настоящее время систем кодирования хорошо отражают отдельные детали структуры и функции химических соединений.
Вариантом знакового моделирования структуры являются структурные формулы. Ими могут быть и упомянутые выше графические изображения связей атомов (классические структурные формулы), и разнообразные варианты чертежей, отражающих пространственное расположение атомов или ионов. По существу такую же роль могут выполнять и пространственные модели сложных химических соединений (крупные молекулы белка, сложные кристаллы). Такие модели используются в настоящее время не только для демонстрации (в дидактических целях), но и для проверки отдельных возможных вариантов взаимного расположения частиц сложной конфигурации.
