Главная » Статьи » Наука и образование
12.12.2017 рейтинг 5.0 (2) | просмотров 131 | комментарии (0)
Химические науки
 
О ВЗАИМОСВЯЗИ ХИМИИ И ФИЗИКИ: ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ
Ананьева Е.А. 1, Наговицына О.А. 1, Сергиевский В.В. 1
1. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
 

Введение

В настоящее время происходит сокращение объема фундаментальных естественнонаучных дисциплин в содержании и школьного, и высшего образования. Ситуация обостряется тем, что в классификациях естественных наук многие авторы не выделяют химию в качестве самостоятельной науки, ее редуцируют ("сводят") к физике [4]. Вместе с тем, еще в 1899 г. Д.И. Менделеев в предисловии к "Истории химии" Э. Мейера писал, что химия "выработала и продолжает развивать свой кругозор, который идет в параллель с чисто механическим и обещает его пополнить, хотя и доныне еще многие желают всю химию подчинить чисто механическим представлениям. Но, если науки об организмах приводят к пониманию индивидуальных особенностей, а науки физико-механического содержания стараются совершенно устранить это понятие об индивидуализме, то химия, уже своим учением о самостоятельности химических элементов, очевидно, занимает срединное положение, оправдывающее тот интерес, который она представляет для философской мысли".

Химики высказывают по этому вопросу полярные мнения. Например, утверждается [3], что "сущность химии как фундаментальной науки заключена в теоретических представлениях, имеющих не только неэмпирический, но в не меньшей степени полуэмпирический и эмпирический характер". Авторы учебного пособия [2] считают химию отдельной наукой, поскольку она имеет "своеобразный, уникальный предмет изучения - колоссальное разнообразие веществ" и, более того, "сама создает свой предмет. ... Физика изучает законы природы, биология - законы жизни, все это существует и без нас. А химики изучают то, что сделали, придумали, синтезировали и изучили сами". В то же время, основные законы химии (Периодический закон, закон сохранения и закон действующих масс) названы авторами "проекцией" законов физики на химические явления". Согласиться с такой трактовкой нельзя: материальный мир, состоящий из химических веществ, существует объективно. Его исследование методами химии является необходимым условием выживания человечества.

Отдельные науки отличаются, прежде всего, методами исследования и наличием проблемно-ориентированных языков. Рассмотрим особенности методов классической химии.

Методология химических исследований.

Свойства и строение вещества в химии устанавливают по результатам превращений. Например, строение карбидов урана UC2 и европия EuC2 можно установить по продуктам их взаимодействия с водой. При гидролизе этих соединений кристаллические исходные реагенты превращаются в аморфные и наблюдается выделение газообразных компонентов. По плотности газов относительно воздуха определяют молекулярную массу газов. Установлено, что при гидролизе карбида урана выделяется этилен С2Н4, а при гидролизе карбида европия - ацетилен С2Н2. Понятно, что в исходных карбидах атомы металлов занимают места, по которым при гидролизе к фрагментам С=С и С≡С присоединились атомы водорода. Следовательно, степени окисления урана и европия в карбидах равны +4 и +2, соответственно, а реакции гидролиза записываются в виде

UC2 (тв) + 4Н2О (ж.) = U(OH)4 (тв) + С2Н4 (газ)

EuC2 (тв) + 2Н2О (ж.) = Eu(OH)2 (тв) + С2Н2 (газ)

Разнообразие признаков, свидетельствующих о происходящих в системе химических превращениях, с использованием соответствующей базы справочных данных, позволяет расшифровать продукты превращения. В химическом опыте «вулкан» мы можем наблюдать изменение цвета соединений хрома и это свидетельствует об изменении его степени окисления, выделение газообразных веществ, паров воды, тепла.

Этот метод исследования нобелевский лауреат в области физики Р. Фейнман охарактеризовал следующим образом [9]: "Чтобы узнать, как расположены атомы в какой-нибудь невероятно сложной молекуле, химик смотрит, что будет, если смешать два разных вещества. Да физик нипочем не поверит, что химик, описывая расположение атомов, понимает, о чем говорит. Но вот ... появился физический метод, который позволяет разглядывать молекулу ... и описывать расположение атомов не по цвету раствора, а по измерению расстояний между атомами. И что же? Оказалось, что химики почти никогда не ошибаются".

Особенности языка и логики химии. Обычно под языком химии понимают химические символы элементов, формулы соединений, уравнения реакций, номенклатуры названий. С позиций семиотики (науки о знаковых системах) вещества можно рассматривать как знаки, химические значения (свойства) которых устанавливают по результатам превращений в тех или иных химических системах [7]. При этом свойства того или иного вещества устанавливают относительно других веществ. Естественно, что в этой логике отношений многие вещества проявляют свойства, которые отражаются в химической терминологии терминами, которые являются антонимами.

В химии широко представлены кислотно-основные взаимодействия, рассмотрение которых проводят с различных позиций. В терминологии нобелевского лауреата С. Аррениуса кислоты - вещества, при электролитической диссоциации которых в водных растворах отщепляются протоны, а основания - вещества, продуцирующие при диссоциации ионы гидроксила. Были выделены гидроксиды металлов, которые проявляют свойства и кислот, и оснований. Например, относительно кислоты в реакции

Al(OH)3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O

гидроксид алюминия проявляет свойства основания, а относительно основания в реакции

Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4]

проявляет свойства кислоты. Это явление кислотно-основной двойственности в химии (амфотерность) в школьном курсе химии рассматривается как исключение. Однако оно является скорее правилом, чем исключением.

Рассмотрим кислотно-основные взаимодействия в различных средах на основе представлений Бренстеда-Лоури. Здесь кислота рассматривается как вещество, состоящее из молекул или ионов - доноров протонов, а основание - как вещество, состоящее из молекул или ионов - акцепторов протонов. Установлено, например, что в различных растворителях молекулы воды проявляют химическую двойственность. Так, при взаимодействии в жидком аммиаке

NH3 (ж) + Н2О (ж) = NH4+(раствор) + ОН- (раствор)

вода проявляется свойства сильной кислоты, а в жидком фтороводороде

HF (ж) + Н2О (ж) = H3O+ (раствор) + F- (раствор)

она проявляет свойства сильного основания.

Не менее интересны результаты качественного определения структуры ассоциатов, которые образуются в жидкой воде. Согласно оценкам, сделанным по различным экспериментальным данным, число водородных связей, приходящихся на молекулу воды, больше двух. Можно полагать, что в воде существует какое-то количество тримеров воды.

В структуре тримера (рис.1) молекула воды (1) согласно представлениям Бренстеда-Лоури является основанием, молекула (3) - кислотой, а молекула (2) - и кислотой, и основанием.

Рис.1. Структурная формула тримера воды

Бифункциональность присуща структуре многих веществ, в частности, аминокислот. В том, что эти соединения существуют не только в молекулярной форме HO(O)C-CH2-NH2, но и в виде цвиттерионов -O(O)C-CH2-NH3, можно убедиться на примере простейшей аминокислоты - глицина

Проявление веществами противоположных свойств характерно не только для кислотно-основных, но и для других химических свойств. Так, электролитическая диссоциация веществ во многом определяется природой растворителя. Например, хлороводород в воде является сильным электролитом, в этиловом спирте - слабым электролитом, а в бензоле - неэлектролитом.

Многие вещества проявляют противоположные свойства в окислительно-восстановительных реакциях. Например, пероксид водорода в водных растворах, содержащих иодид-ионы, в реакции

2KI + H2O2 + H2SO4 = I2 + K2SO4 + 2H2O

принимает электроны, то есть является окислителем. В системах H2O2 с перманганатом калия протекает реакция

5 H2O2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + K2SO4 + 5O2 + 8Н2О,

то есть пероксид водорода является восстановителем.

Продукты окислительно-восстановительных реакций зависят от водородного показателя среды, что иллюстрируется следующими уравнениями

2KMnO4 + 5Na2SO3 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 5Na2SO+ K2SO+ 2H2O

2KMnO4 + 3Na2SO3 + H2O = 2MnO2 ↓ + 3Na2SO4 + 2KOH

2KMnO4 + Na2SO3 + 2KOH = 2K2MnO4 + Na2SO3 + H2O

В этих реакциях образующиеся продукты превращения легко распознаются по цвету раствора и образованию осадка MnO2.

Приведенные примеры свидетельствуют о том, что утверждения типа (либо..., либо...), характерные для формальной логики, в логике отношений, свойственной химии, сменяют утверждениями типа (и ..., и ...), содержащими термины - антонимы. Эту особенность логики химии обычно не доводят до сведения школьников и студентов. В результате для многих людей химия остается трудной для понимания наукой. Понятно, что закон исключенного третьего формальной логики в химии можно использовать лишь для полностью охарактеризованных химических систем. Например, без указания реагента, относительно которого устанавливается свойство, некорректен, например, следующий вопрос: является ли гидроксид цинка Zn(OH)2 кислотой или основанием?

Принцип дополнительности. Открытие дуализма «волна-частица» в квантовой физике потребовало для его объяснения больших усилий выдающихся физиков. В 1927 г. нобелевский лауреат Н. Бор сформулировал принцип дополнительности, согласно которому, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных.

Тейяр де Шарден [10] утверждал, что какой-либо феномен, точно установленный хотя бы в одном месте, в силу фундаментального единства мира имеет повсеместные корни и всеобщее содержание. Действительно, необходимость использования для целостного описания химических свойств вещества набора различных, в том числе и противоположных терминов, установлена в химии еще в XIX веке.

История науки свидетельствует о том, что многие открытия химиков стимулировали развитие и становление новых разделов физики. Ряд явлений, например, высокотемпературная сверхпроводимость до настоящего времен не имеет общепринятого теоретического объяснения. Не до конца выявлена природа химической связи в металлокластерах, первый представитель которых Ta6Cl14.7H2O был получен в 1907 г. Между тем, в перспективе ожидается открытие порядка 109 индивидуальных соединений этого класса [1]. В [8] отмечено, что "структурная химия кластеров соединяет новизну строительных принципов и совершенство геометрических форм молекул и ионов, содержащих неслыханные для прочих классов веществ, фрагменты: полиэдры из атомов металла, скрепленные связями металл-металл".

Известно, что для адекватной фиксации знания в языковой реальности необходимо множество языков. Ю.М. Лотман подчеркнул [5]: «Минимальной работающей структурой является наличие двух языков и их неспособность, каждого в отдельности, охватить внешний мир. Сама эта неспособность есть не недостаток, а условие существования, именно она диктует необходимость другого (другой личности, другого языка, другой культуры). Представления об оптимальной модели с одним предельно совершенным языком заменяется образом структуры с минимально двумя, а фактически с открытым списком разных языков, взаимно необходимых друг другу в силу неспособности каждого в отдельности выразить мир. Языки эти как накладываются друг на друга, по-разному отражая одно и то же, так и располагаются «в одной плоскости», образуя в ней внутренние границы. Их взаимная непереводимость (или ограниченная переводимость) является источником адекватности внеязыкового объекта его отражению в мире языков».

Рассмотрение химии с позиций семиотики свидетельствует о том, что эта наука имеет свои методы исследования вещества как специфической знаковой системы, а также проблемно ориентированный язык и прагматику. Нобелевский лауреат Н.Н. Семенов подчеркнул, что "химические превращения, то есть процессы получения из определенных веществ (сырья) новых веществ (продуктов), обладающих существенно новыми свойствами, являются основным и наиболее характерным предметом химии и как науки, и как производства" [6].

Таким образом, свойства вещества исследуются методами и химии, и физики, что соответствует принципу дополнительности и необходимости использования для познания мира и фиксации результатов в языковой реальности нескольких языков.

Рецензенты:

Щербаков В.В., д.х.н., профессор, декан факультета естественных наук, ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», г.Москва.

Борман В.Д., д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва.

Голубев А.М., д.х.н., профессор, зав. кафедрой химии, МГТУ им. Н.Э. Баумана, г.Москва.


Пристатейные списки литературы
1. Губин С.П. Химия кластеров. Основы классификации и строение. – М.: Наука, 1987.

 

2. Еремин В.В., Борщевский А.Я. Основы общей и физической химии. – Долгопрудный: Издательский дом "Интеллект", 2012.

3. Корольков Д.В. Теоретическая химия - суверенная дисциплина // Российский химический журнал. – 1996. – Т. 40, № 3. – С. 26-38.

4. Курашов В.И., Соловьев Ю.И. О проблеме "сведения" химии к физике // Вопросы философии. – 1984. – № 9. – С. 89-98.

5. Лотман Ю.М. Культура и взрыв. – М.: Гнозис, 1992.

6. Семенов Н.Н. В кн.: Наука и общество. – М.: Наука, 1973. – С. 76.

7. Сергиевский В.В., Наговицына О.А., Ананьева Е.А. Язык химии: системно-семиотический подход // Образование и наука без границ: тезисы докл. международной конференции (Германия, г. Мюнхен, 17-22 ноября 2013 г.). – г. Мюнхен, Германия, 2013. – с.18.

8. Словохотов Ю.Л., Стручков Ю.Т. Архитектура кластеров // Журн. ВХО им. Д.И. Менделеева. – 1987. – Т. 32, № 1. – С. 25-33.

9. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэнде М. Фейнмановские лекции по физике. – М.: Мир, 1967. – С. 34.

10. де Шарден П.Т. Феномен человека. – М.: Прогресс, 1965.




Источник: http://www.science-education.ru/117-13807

Оценка:
Автор публикации: Ананьева Е.А., Наговицына О.А.,...


Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]



Категория: Наука и образование | Добавил: antares (30.12.2014) | Автор: Ананьева Е.А., Наговицына О.А.,... E Просмотров: 131 | Рейтинг: 5.0/2
%