Диалектика природы и естествознания - [29]

Геометрически подобные модели представляют собой варианты физического моделирования, которое не ограничивается отражением только пространственных отношений. Большое место в современных моделях химических систем принадлежит другим типам физического моделирования. Например, можно назвать электростатические модели. Хотя электростатическое взаимодействие нельзя полностью отождествлять с силами, вызывающими химическую связь, тем не менее во многих случаях химические соединения можно с успехом моделировать в виде системы тел с различными зарядами. Принимая во внимание размеры, силы взаимодействия, а также деформацию молекул, можно построить совершенные модели сложных химических объектов и рассчитать с большой точностью энергию связи и частоты колебаний молекул. Такие расчеты широко используются в настоящее время для оценки параметров малоизученных веществ.

Структурное моделирование непосредственно примыкает к фундаментальным теоретическим моделям, в которые вносятся эмпирические параметры. Такой эмпирический метод может рассматриваться как вариант моделирования.

2. Диалектика химических процессов и периодический закон

Понятие структуры существовало давно. Уже корпускулярные представления базировались на структурных концепциях. Плодотворным оказалось применение этого понятия к изучению кристаллов. По существу пространственная структура кристаллической решетки была правильно угадана в трудах кристаллографов задолго до того, как была доказана реальность самих атомов. Однако все эти представления опирались на геометрические соображения и не давали экспериментального обоснования химическим превращениям.

Концепция химического строения возникла в результате изучения химических реакций и может рассматриваться как дальнейшее обобщение понятия об элементе и составе. Это теоретически более высокий уровень познания химических систем. В таком плане следует понимать и известное определение химии, данное Энгельсом:

«Химию можно назвать наукой о качественных изменениях тел, происходящих под влиянием изменения количественного состава»[87].

Если в основе понятия химического состава лежит элемент и реакция соединения-разложения, то понятие о структуре опирается на идею химической связи и на реакцию замещения. Химическая связь представляет собой отношение между атомами в молекуле, которое может выражать прямую или опосредованную связь.

Установление химического строения в классической теории производится с помощью изучения реакций последовательного замещения одних атомов другими. Если в молекуле ряд одинаковых атомов занимают аналогичное структурное положение, их замещение приводит к образованию одного и того же вещества. Если их структурные положения различны, то при замещении образуется столько веществ, сколько различных положений имеют эти атомы. Такой путь является чисто химическим. Поэтому характер отношений атомов, их связи следует рассматривать как химическое строение. Вопрос о том, в какой степени это химическое строение отвечает пространственному расположению, решается с помощью дополнительных средств.

Теория химического строения, созданная А. М. Бутлеровым, Ф. Кекуле, А. Кольбе и др., лежит в основе современной химии. С помощью этой теории можно понять и объяснить взаимные переходы между отдельными веществами, их сходство и различие в рядах. По существу весь комплекс свойств, которыми обладает данное вещество, определяется его химическим строением. При этом учитывается как прямая связь, так и взаимное влияние опосредованно связанных между собой атомов.

Идея химического строения дополняется идеей пространственного строения (стереохимия). Последнее выясняется с помощью исследований отдельных химических реакций, а чаще различных физических свойств вещества. Так, классическая стереохимия органических соединений опирается на данные по изучению вращения плоскости поляризации света. Более детальные сведения о пространственной структуре получают при изучении поглощения рентгеновских лучей (рентгенография кристаллов), с помощью пучков электронов (электронография молекул) и рядом других оптических и магнитных методов.

Однако классическое учение о химическом строении не исчерпывало всего объема взаимодействия атомов. Химическая связь обладает большим разнообразием. Образно говоря, ребра графа структуры как бы окрашены. Кроме того, в большинстве случаев связи носят подвижный характер, перемещаются в молекуле (например, осциллируют двойные связи в бензольном кольце). Эти особенности уже не могут быть выражены классическими представлениями о химическом строении. Для этого необходимо использовать представление об электронном строении. Последнее было введено в результате разработки электронной теории строения атомов, опирающейся на физические принципы квантовой механики.

Введение электронных представлений тесно связано с развитием другой важной концепции химии — периодической системы химических элементов. Разработка этой системы Д. И. Менделеевым по времени почти совпадает с возникновением теории химического строения. Периодическую систему можно рассматривать как следствие изучения той особенности сходства химических систем, которая выражается в пересекающихся рядах.