Концептуальные системы в химии

Введение 

Для человека одной из важнейших естественных наук является химия - наука о составе, внутреннем строении и превращении вещества, а также о механизмах этих превращений.

Она изучает природу и свойства различных химических связей, энергетику химических реакций, реакционную способность веществ, свойства катализаторов и т.д.

Химия всегда была нужна человечеству для того, чтобы получать из природных веществ материалы со свойствами, необходимыми для повседневной жизни и производства. Получение таких веществ - производственная задача, и, чтобы ее реализовать, надо уметь осуществлять качественные превращения вещества, т. е. из одних веществ получать другие. Чтобы этого добиться, химия должна справиться с теоретической проблемой генезиса (происхождения) свойств вещества.

Таким образом, основанием химии выступает двуединая проблема - получение веществ с заданными свойствами (на достижение ее направлена производственная деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию этой задачи направлена научно-исследовательская работа ученых).

Эта же проблема является одновременно и системообразующим началом химии.

Следует отметить важные особенности современной химии: 

1. В химии, прежде всего в физической химии, появляются многочисленные самостоятельные научные дисциплины (химическая термодинамика, химическая кинетика, электрохимия, термохимия, радиационная химия, фотохимия, плазмохимия, лазерная химия).
2. Химия активно интегрируется с остальными науками, результатом чего было появление биохимии, молекулярной биологии, космохимии, геохимии, биогеохимии. Первые изучают химические процессы в живых организмах, геохимия - закономерности поведения химических элементов в земной коре. Биогеохимия - это наука о процессах перемещения, распределения, рассеяния и концентрации химических элементов в биосфере при участии организмов. Основоположником биогеохимии является В. И. Вернадский. Космохимия изучает химический состав вещества во Вселенной, его распространенность и распределение по отдельным космическим телам.
3. В химии появляются принципиально новые методы исследования (рентгеновский структурный анализ, масс-спектроскопия, радиоспектроскопия и др.).

Химия способствовала интенсивному развитию некоторых направлений человеческой деятельности. Например, хирургии химия дала три главных средства, благодаря которым современные операции стали безболезненными и вообще возможными:  

1) введение в практику эфирного  наркоза, а затем и других наркотических  веществ;  

2) использование антисептических  средств для предупреждения инфекции;  

3) получение новых, не имеющихся  в природе аллопластических материалов-полимеров.       

 В химии весьма отчетливо  проявляется неравноценность отдельных  химических элементов. Подавляющее  большинство химических соединений (96% из более 8,5 тыс. известных в настоящее время) - это органические соединения. В их основе лежат 18 элементов (наибольшее распространение имеют всего 6 из них).

Это происходит в силу того, что, во-первых, химические связи прочны (энергоемки) и, во-вторых, они еще и лабильны. Углерод как никакой другой элемент отвечает всем этим требованиям энергоемкости и лабильности связей. Он совмещает в себе химические противоположности, реализуя их единство.           

 Однако подчеркнем, что материальная основа жизни не сводится ни к каким, даже самым сложным, химическим образованиям. Она не просто агрегат определенного химического состава, но одновременно и структура, имеющая функции и осуществляющая процессы. Поэтому невозможно дать жизни только функциональное определение.    

 В последнее время химия  все чаще предпринимает штурм  соседних с нею уровней структурной  организации природы. Например, химия  все более и более вторгается  в биологию, пытаясь объяснить  основы жизни.

В развитии химии происходит не смена, а строго закономерное, последовательное появление концептуальных систем. При этом вновь появляющаяся система опирается на предыдущую и включает ее в себя в преобразованном виде. Таким образом, появляется система химии - единая целостность всех химических знаний, которые появляются и существуют не отдельно друг от друга, а в тесной взаимосвязи, дополняют друг друга и объединяются в концептуальные системы знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии.  

  

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Концептуальные системы в химии

§1. Понятие о химическом элементе 

 Концепция химического элемента  появилась в химии в результате  стремления человека обнаружить  первоэлемент природы. Р. Бойль положил  начало современному представлению  о химическом элементе как  о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое. Но еще целый век после этого химики делали ошибки в выделении химических элементов: сформулировав понятие химического элемента, ученые еще не знали ни одного из них.    

 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 химических 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 атомные веса. Д. И. Менделеева сформулировал периодический закон в следующем виде:  

Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.

Это обобщение давало новые представления об элементах, но в силу того, что еще не было известно строение атома, физический смысл его был недоступен. В современном представлении этот периодический закон звучит следующим образом: 

Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера).    

 Простейшим химическим элементом  является водород (1H), состоящий из одного протона (ядра атома, имеющего положительный заряд) и одного электрона, имеющего отрицательный заряд.

Баланс взаимоотношений в атоме водорода, между протоном и электроном, можно описать тождеством

   

 Если учесть отношение масс 

 

 то мы получим первое представление о  балансе взаимоотношений между протонами и электронами в химических элементах.       

 

§2. Матрица Периодической системы элементов

Приводимая ниже структура приводится только для ознакомления и последующего осознания, что современные представления о тайнах Периодической системы химических элементов еще далеки от Истины.

                                    

рис. 1

 

Этот рисунок дает четкие представления о строго эволюционном формировании Периодической таблицы, в полном соответствии с законами сохранения  симметрии. Все оболочки, подоболочки оказываются здесь строго взаимосвязаны и взаимообусловлены. Каждый химический элемент занимает в этом многомерном и многоуровневом кубе строго определенную эволюционную нишу.

                                                                   

 

                                          рис. 2

 

 

 Были рассмотрены свойства  матрицы, отражающей свойства  подоболочек и оболочек Периодической системы химических элементов.

                                      

рис. 3

 

 

 Из этой матрицы непосредственно видно:   

1. Количественный состав подоболочек  и по горизонтали, и по вертикали  матрицы одинаковы.   

2.Группировки чисел, отражающие  состав подоболочек Периодической  системы  характеризуют группировки этих подоболочек, разные по структуре. Но это так и должно быть, т.к. матрица является отпечатком пространственной структуры (монадного кристалла) на плоскость.   

3. Главная диагональ матрицы  является суммой всех чисел  по горизонтали и по вертикали.

В связи с этим, приведенная матрица химических элементов заслуживает самого пристального изучения.

                                                   

 рис. 4  

Разве здесь не видно двойной спирали, в которой каждое число есть матрица строго определенной размерности?                  

                                                            

рис. 5

 

Из этой матрицы, используя многомерные весы,  можно непосредственно увидеть баланс взаимоотношений между подоболочками.                                  

                                               

рис. 6

 

В этих матричных весах неукоснительно соблюдаются правила матричного умножения вектора-столбца на вектор-строку. Данные весы отражают баланс взаимоотношений между оболочками и подоболочками на восходящем участке эволюции химических элементов.        

Здесь философским категориям восходящей и нисходящей спиралям нет места, ибо эти категории здесь имеют не философский, а чисто химический смысл.    

 Теперь мы можем записать  Периодическую систему в форме  матричных тождеств, отражающих  баланс взаимоотношений ее подоболочек и оболочек.

                                                 

рис. 7

 

 

   Нижеприведенный рисунок дает  более полное представление о  Периодической системе химических элементов.

                                                       рис. 8       

 Напомним, что здесь каждая клетка матрицы является двойственным числом, отражающим смысл взаимоотношения человека и общества. Этот рисунок более глубоко отражает сущность и собственно Периодической системы химических элементов, подтверждая справедливость высказывания, что в каждой самой элементарной частице содержится полная информация обо всей вселенной.     

    Приведенные выше матричные тождества несут в себе самые сокровенные тайны не только химических элементов, но и вообще самых сокровенных тайн мироздания. Эти матричные тождества составлены в полном соответствии с законами сохранения симметрии.          

 Эта матрица несет в себе информацию не только о проявленной Периодической системе химических элементов, но и о ее непроявленном, волновом   двойнике. 

 

     

 Периодическая система  химических элементов  еще раз утверждает справедливость принципа корпускулярно-волнового дуализма, принцип  единства прерывного и непрерывного.

И сегодня наукой уже установлено, что у Периодической таблицы химических элементов (вещественных) есть двойник - Периодическая система  химических элементов (волновых). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Современная картина химических знаний

Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего четыре способа решения вопроса. Свойства вещества зависят от четырех факторов:         

1) от элементного и молекулярного  состава вещества;        

2) от структуры молекул вещества;        

3) от термодинамических и кинетических  условий, в которых вещество находится в процессе   химической реакции;

         4) от уровня химической организации вещества. 
    Поскольку эти способы появлялись последовательно, мы можем в истории химии выделить четыре последовательно сменявших друг друга этапа ее развития. В то же время с каждым из названных способов решения основной проблемы химии связана своя концептуальная система знаний. Эти четыре концептуальных системы знания находятся в отношениях иерархии (субординации). В системе химии они являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистему всего естествознания в целом.

Современную картину химических знаний объясняют с позиций четырех концептуальных систем, каждую из которых полностью разработал один из лучших историков науки -  Кузнецов В.И. Они  схематично представлены на рис. 9. 

 

                                                                        

 рис. 9  

 На рисунке показано последовательное появление новых, концепций в химической науке, которые опирались на предыдущие достижения, сохраняя в себе все необходимое для дальнейшего развития.

Даже невооруженным взглядом в этих этапах видна симметрия этапов.