ХИМИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

Развитие представлений о химическом веществе имеет длительную историю. Со времен Древней Греции известны два подхода к объяснению свойств вещества, которые можно охарактеризовать как «элементаризм» и «атомизм». В ранней греческой философии сформировалось понятие об элементе («стихии», «первоначале») – некой первичной субстанции, которая лежит в основе всего разнообразия окружающего мира. Фактически понятие элемента впервые оформилось в утверждении Фалеса из Милета о том, что первоначалом, из которого возникло все сущее, является вода. В V в. до н. э. Эмпедокл из Агригента высказал идею о неизменности (непревращаемости) первоначал.
При этом он придерживался представлений об ограниченном числе элементов-стихий и относил к ним огонь, воду, воздух и землю. В учении Эмпедокла отчетливо выражена мысль о том, что причиной наблюдаемого многообразия вещей является неодинаковое содержание в них каждого из элементов; по сути, это натурфилософское положение явилось предпосылкой последующей химической идеи о зависимости свойств химического вещества от состава. В наиболее последовательной форме элементаристский подход был сформулирован Аристотелем: любое реальное вещество можно рассматривать как композицию (смесь) небольшого числа элементов, а свойства этого вещества – как проявление «сущности», или «природы» элементов, образующих данное вещество; в этом виде он получил распространение в эллинистический период и средние века. В процессе развития химии античные философские представления об элементах-субстанциях были преобразованы в естественнонаучную концепцию «химического элементаризма», в схематическом виде сформулированную английским естествоиспытателем Р. Бойлем («Химик-скептик», 1661 г.). Основные положения этой концепции заключаются в следующем: Химические вещества состоят из неизменных химических элементов, каждый из которых обладает индивидуальным и постоянным набором свойств. Каждому химическому веществу соответствует свой элементный состав, задаваемый совокупностью определенных химических элементов. В отличие от аристотелевских элементов-субстанций, в рамках «химического элементаризма» под химическим элементом подразумевалась не идеальная сущность, а вполне реальная структурная единица химического вещества, обусловливающая проявление определенной совокупности свойств вещества. Многовековой опыт, накопленный химиками-практиками, показывал, что многие химические вещества подвергаются разложению при различных воздействиях на них. Из концепции «химического элементаризма» следовало, что, поскольку сами химические элементы неизменяемы, то процесс разложения в конце концов должен привести к простым химическим веществам, содержащим в своем составе лишь один химический элемент. Так сформировалось операционное определение: Химический элемент – это простое химическое вещество, не поддающееся разложению при внешних условиях.
В V в. до н. э . возник атомизм, выдвинувший оригинальную идею о дискретности вещества. Основная идея античного атомизма (Левкипп, Демокрит, Эпикур) состояла в том, что любое вещество построено из мельчайших неделимых и неизменных частиц – атомов (от греческого atomos – неделимый). Предполагалось, что существует небольшое число разновидностей атомов, отличающихся друг от друга весом (например, «легкие» и «тяжелые») и геометрической формой (например, «гладкие» и «угловатые»). Разнообразие свойств веществ объяснялось различиями в пространственной организации атомов. Долгое время атомизм являлся чисто умозрительной доктриной, поскольку из-за отсутствия экспериментальных средств наблюдения было невозможно установить связь между свойствами некоторого вещества и определенной пространственной конфигурацией или способом движения атомов, составляющих это вещество. И тем не менее в натурфилософских представлениях уже угадывались основные модели объяснения, первоначальные идеи будущих теорий. В химии атомизм появился тогда, когда учение о химических элементах было уже общепринятым, поэтому понятия «атом» и «химический элемент» были взаимно адаптированы и согласованы. Атомы стали рассматриваться как реальные представители химических элементов, а их важнейшими признаками считались те, которые придают атомам индивидуальность, т. е . позволяют отличать различные типы атомов друг от друга и сохраняются неизменными в химических процессах. Результатом согласования атомов и элементов явилось создание классического атомно-молекулярного учения. Основу атомно-молекулярных представлений в химии составили стехиометрические законы, установленные на рубеже XVIII–XIX веков: закон постоянства состава (Ж. Л. Пруст, 1799 г.) и закон кратных отношений (Д. Дальтон, 1803 г.) . Принято считать, что именно Дальтон «открыл» атомы. На самом деле Дальтон открыл, как можно было применить для детального объяснения химических законов постоянства состава и кратных отношений атомистическую картину вещества, созданную Демокритом: ему удалось объединить атомистические представления с новыми химическими воззрениями, а именно, с точным определением понятия элемента Лавуазье. Этот историко-научный факт наглядно демонстрирует, как умозрительный способ объяснения, содержащийся в натурфилософском представлении, на деле начинает приносить пользу в качестве объяснения и предсказания новых химических явлений. Постоянство элементного состава химических веществ давало основание полагать, что химические свойства этих веществ могут быть выведены из их элементного состава, поэтому вещества с постоянным составом были выбраны в качестве базисных объектов. На этом этапе было получено следующее определение:
Химическое вещество – это вещество, строго подчиняющееся закону постоянства состава. В результате работ С. Канниццаро (1826– 1910) и других ученых атомно-молекулярное учение в химии превратилось в согласованную непротиворечивую систему понятий, которой на 1-м Международном съезде химиков (Карлсруэ, 1860 г.) был придан конвенциональный характер. В этой системе основные понятия сформулированы следующим образом: Атом – неделимая химическая частица, характеризуемая неизменной атомной массой и некоторым набором целочисленных валентностей. Молекула – наименьшая частица химического вещества, характеризуемая определенным атомным составом, который может быть изменен только в результате химических превращений. Химический элемент – определенный тип (сорт) атомов, каждому из которых присвоен индивидуальный символ: Н – водород, О–кислород,N –азотит.д. В классической атомно-молекулярной теории принято следующее определение: Химическое вещество – это совокупность большого, практически бесконечного числа атомов; как правило, атомы объединены в молекулы; в последнем случае вещество – это множество (аддитивная совокупность) одинаковых молекул.
Различают простое вещество (состоящее только из одного химического элемента) и сложное вещество (состоящее из нескольких химических элементов). Если рассматривать химическое вещество как совокупность огромного числа молекул, то возникает важный вопрос: как соотносятся свойства отдельных молекул со свойствами образованного ими вещества. Поскольку химические свойства индивидуальных молекул были недоступны для экспериментального изучения, то завершал классическую атомно-молекулярную теорию химии следующий постулат: Химические свойства вещества и составляющих его молекул одинаковы. Через несколько десятилетий после утверждения в химии атомно-молекулярного учения, когда были найдены экспериментальные средства для изучения свойств реальных атомов и молекул, обнаружилось, что представление о веществе как аддитивной совокупности одинаковых молекул в большинстве случаев является весьма приблизительным. Свойства реальных атомов и молекул оказались вовсе не такими, как они выглядели с точки зрения химии. Несмотря на это, казалось бы, явное противоречие теории и опыта, классическая система понятий химии полностью сохранила свое научное значение. С позиций химии «атом» и «молекула» – идеальные понятия, которые позволяют эффективно сконструировать систему законов теоретической химии. Например, реальные молекулы в оксиде железа обнаружить невозможно, однако вполне допустимо теоретически рассматривать оксид железа полученным в результате мысленного процесса объединения идеальных молекул. Таким образом, понятие химического вещества имеет различный смысл в зависимости от того, на каком уровне химического знания – эмпирическом или теоретическом – оно используется. Химическое вещество в эмпирическом смысле – эмпирический (абстрактный) объект, за которым стоит реальный объект, доступный наблюдению и исследованию. Химическое вещество в теоретическом смысле – идеальный (идеализированный) объект, подчиняющийся теоретическим законам химии.
Более адекватным теоретическому уровню химических представлений является понятие химического соединения. Химическое соединение – однородное вещество постоянного или переменного состава, образованное из атомов одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия объединены в частицы (молекулы, комплексы, кристаллы). Это понятие не является синонимом термина «сложное вещество». Химические соединения образуются в результате химического взаимодействия между простыми веществами (элементами). Понятия химического соединения и химического вещества имеют разное содержание; превращение одного химического соединения в другое всегда является химической реакцией. Химия начинается с химического соединения, а не с электрона или атома, которым бесполезно приписывать химические свойства в силу отсутствия у них химического строения (А. М . Бутлеров). После того, как атомно-молекулярные представления получили признание среди химиков, проблема химического строения вещества была сформулирована в виде проблемы химического строения молекул и перешла в плоскость структурных теорий. Основным понятием структурных теорий является понятие химической структуры, выражающее относительное пространственное расположение атомов в молекуле. С этой точки зрения понятие молекулы обозначает совокупность последовательно соединенных атомов, ансамбль химических связей. Связи действуют между атомами (как различными, так и одинаковыми) и обеспечивают определенное единство молекулы; каждый атом может образовывать лишь целое число химических связей. Химические связи подразделяются на простые (одинарные) и кратные (двойные, тройные). Дальнейшее развитие представлений о химических соединениях (молекулах) осуществлялось в рамках квантовой химии. Квантовая химия как химическая дисциплина связана генетически и логически с некоторыми разделами структурной химии. Объектами изучения квантовой химии являются микроскопические структуры, состоящие из ядер и электронов. Фундаментальное отличие квантовой химии от классической состоит в использовании особого способа описания реальности – квантово-механического.
Смысл квантово-механических и химических понятий принципиально различен. На квантово-химическом уровне химическое соединение определяется как совокупность двух и более атомных ядер (атомных остовов), связанных обобществленными (валентными) электронами. Квантовая химия позволяет получить описание лишь отдельных атомов и молекул, изолированных от окружающей среды. Химику же всегда приходится иметь дело с макроскопическими порциями вещества, содержащими огромные количества атомов и молекул, взаимодействующих как между собой, так и с окружающей средой. Поэтому одной из основных задач квантовой химии является установление взаимосвязей, соответствия между квантово-механическими и химическими понятиями, придание квантово-механическим понятиям химического смысла. В современной теоретической химии все химические вещества разделены на классы веществ (соединений), характеризующихся специфическими типами строения и особенностями химических свойств, которые обусловлены этими типами строения. Основными классами веществ выступают неорганические и органические вещества. Элементная база неорганических соединений охватывает все известные химические элементы. Напротив, органические соединения могут содержать в своем составе лишь небольшое число элементов, так называемых органогенов (C, H, O, N, S). Подавляющее большинство органических веществ имеет молекулярный тип строения, сохраняющийся даже в твердом состоянии (молекулярные кристаллы). Напротив, широкий набор химических элементов, способных образовывать неорганические вещества, задает и большое разнообразие типов строения этих веществ. Среди неорганических веществ можно встретить вещества с молекулярным строением (вода, аммиак, углекислый газ и т. д .), ионные кристаллы (хлористый натрий и др.), ковалентные кристаллы (алмаз, кварц и т. д.), металлические кристаллы (металлы и сплавы) и др. Внутри каждого из этих классов можно выделить подклассы, например, неорганические соединения разделяются на окислы, соли, кислоты, основания. Органические соединения – наиболее многочисленная группа химических веществ, поэтому в органической химии используется множество классификационных схем. В самом общем виде в составе органических соединений выделяют углеводороды (насыщенные, ненасыщенные), ароматические органические соединения и другие. Н. М . Черемных