Химические системы

Система химии. Основная двуединая проблема химии является системообразующим началом данной науки. Она возникла в глубокой древности и не потеряла своей актуальности в наши дни. Естественно, что в разные исторические эпохи данная задача решалась по-разному, так как способы ее решения зависят от уровня материальной и духовной культуры общества, а также внутренних закономерностей, присущих ходу научного познания. Достаточно сказать, что изготовление таких материалов, как, например, стекло и керамика, краски и душистые вещества, в древности осуществлялось совершенно иначе, чем в XVIII в. и позже.

Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего четыре способа решения. Речь при этом идет не о частных методах изучения превращений веществ — их множество, а о самых общих способах решения вопроса: от чего, от каких факторов зависят свойства веществ. А зависят они от четырех факторов:

1) от элементного и молекулярного состава вещества;

2) структуры молекул вещества;

3) термодинамических и кинетических (наличие катализаторов и ингибиторов, воздействие материала стенок сосудов и т.д.) условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции;

4) высоты химической организации вещества.

Поскольку способы решения основной проблемы химии появлялись последовательно, то в истории химии можно выделить четыре последовательно сменявших друг друга этапа. В то же время с каждым из названных способов решения основной проблемы химии связана собственная 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 естествознания в целом. Концептуальные системы химии можно представить наглядно в виде схемы [1,2]:

Середина XX века	4. Эволюционная химия
XX век	3. Учение о химических процессах
XIX век	2. Структурная химия
XVII век	1. Учение о составе вещества

 

Первый уровень химического знания. Учение о составе вещества. Первый по-настоящему действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился в XVII в. в работах английского ученого Р. Бойля. Его исследования показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких химических элементов эти тела составлены. У Бойля наименьшими частичками вещества оказывались неосязаемые органами чувств мельчайшие структуры — атомы, или, как он их называл, minima naturalia. Эти частицы могли связываться друг с другом, образуя более крупные соединения — кластеры, по терминологии Бойля. Связь частиц в кластерах была достаточно прочной, и поэтому кластеры сами были невидимыми глазу кирпичиками для построения реальных физических тел. В зависимости от объема и формы кластеров, от того, находились ли они в движении или покоились, зависели и свойства природных тел. Сегодня мы вместо термина «кластер» используем понятие «молекула».

В период с середины XVII в. до первой половины XIX в. учение о составе вещества представляло собой всю тогдашнюю химию, Оно существует и сегодня, представляя собой первую концептуальную систему химии. На этом уровне химического знания ученые решали и решают три важнейшие проблемы: химического элемента, химического соединения и задачу создания новых материалов с использованием вновь открытых химических элементов.

Концепция химического элемента. Концепция химического элемента появилась в химии как результат стремления человека обнаружить первоэлемент природы, Корни решения данной проблемы уходят в Древнюю Грецию, где возникли учения о первоэлементах природы. Там же возникла и атомистическая концепция природы, возрожденная в Новое время и химии Р. Бойлем. Именно он 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. Дело в том, что, сформулировав понятие химического элемента, химики еще не знали ни одного из них. Стремясь получить элементы в чистом виде, они пользовались считавшимся тогда универсальным методом прокаливания, и окалину принимали за чистый элемент. Так что известные тогда металлы — железо, медь, свинец — принимали за сложные тела, состоявшие из соответствующего элемента и флогистона. Однако именно флогистонная теория, ложная, по сути, оказалась двигателем многих исследований, приведших в итоге к истинным выводам. Этот вывод был сделан Д. И. Менделеевым, доказавшим, что свойства химического элемента зависят от места данного атома в периодической системе. Сам Менделеев определял это место по атомной массе, но в XX в. было выяснено, что порядковый номер элемента зависит не от атомной массы, а от заряда атомного ядра и количества электронов. В настоящее время известно, что атом представляет собой сложную квантовомеханическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

Выяснены особенности строения электронных орбиталей атомов всех элементов и особая роль внешнего электронного уровня атома, от количества электронов в котором зависит реакционная способность элемента — химическая активность вещества, учитывающая как разнообразие реакций, возможных для данного вещества, так и их скорость. Наиболее активными с химической точки зрения являются элементы, имеющие минимальную атомную массу и 6—7 электронов на внешнем электронном уровне (фтор, хлор, кислород). Это связано с тем, что они стремятся достроить свою электронную оболочку путем присоединения недостающего числа электронов. Также большой реакционной способностью отличаются металлы, обладающие большой атомной массой и имеющие 1—2 электрона на внешнем электроном уровне (барий, цезий), стремящиеся отдать их для его достройки.

Современный окружающий человека мир заполнен многочисленными соединениями, образованными элементами периодической системы Менделеева. Во времена самого Менделеева было известно всего 62 химических элемента. В 30-е гг. XX в. таблица Менделеева включала 88 элементов, а всего в ней было 92 клетки (элемент под номером 92 — это уран). Сегодня науке известно 110 химических элементов (элемент 109 получил название мейтнерий, 110-й элемент еще не имеет официального названия), и химиков продолжает волновать вопрос, сколько всего элементов в таблице Менделеева.

Предполагается, что на первоначальной стадии развития Земли существовали трансурановые элементы с порядковыми номерами до 106-го. Такие элементы имели небольшую продолжительность жизни по сравнению с возрастом Земли и поэтому полностью распались, не сохранившись до наших дней. Самым долгоживущим элементом из данной группы оказался плутоний-244 с периодом полураспада 82,2 млн. лет. В 1971 г. из минерала бастнезита удалось выделить некоторое количество атомов этого элемента. Но в основном все трансурановые элементы были получены искусственным путем. В 1940 г. был синтезирован нептуний, после этого были зарегистрированы еще 15 трансурановых элементов с номерами до 107-го.

Трансурановые элементы с атомными номерами до 100-го можно получить в ядерном реакторе путем бомбардировки ядер изотопа урана-238 нейтронами. Более тяжелые элементы получают только в ускорителях в очень незначительных количествах. Для этого уран бомбардируют ионами ксенона, гадолиния, самария, гафния или самого урана. В результате этого образуются очень тяжелые промежуточные ядра. Но такие реакции стали возможны лишь с 1971 г., когда появились новые мощные ускорители, способные разогнать тяжелые ионы до высоких энергий.

Современная теория позволяет с большой вероятностью рассчитать стабильность сверхтяжелых элементов и предсказать их физические и химические свойства. Поэтому химики предполагают, что элементы с порядковыми номерами между 114-м и 164-м должны обладать неожиданно высокой стабильностью. Считается, что и районе этих порядковых номеров в периодической системе должен существовать так называемый островок стабильности, на котором возможно получение изотопов с периодом полураспада 10⁸ лет. Верхняя граница стабильности должна приближаться к номеру 174. Если эти элементы будут получены, то их можно будет использовать в промышленном производстве и энергетике. Но для их синтеза нужны новые экспериментальные методы и технические средства.

Химическим элементом называют все атомы, имеющие одинаковый заряд ядра. Особой разновидностью химических элементов являются изотопы, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов (поэтому у них разная атомная масса), но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Термин «изотоп» был введен в 1910 г. Фредериком Содди, известным английским радиохимиком, лауреатом Нобелевской премии. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы.

Довольно широко используется метод меченых атомов, который позволяет проследить за перемещением химических соединений при физических, химических и биологических процессах. Для этого в исследуемое вещество вводятся радиоактивные изотопы определенных элементов, и ведется наблюдение за их продвижением. Так можно проследить за превращением веществ, как в доменной печи, так и к живом организме. Например, с помощью изотопа кислорода-18 стало возможным выяснение механизма дыхания живых организмов. В медицине с помощью радиоактивных изотопов лечат многие заболевания, в том числе онкологические. Кроме того, батареи небольшой мощности на изотопах плутония-238 и кюрия-224 применяются в приборах для стабилизации ритма сердца. В химической промышленности изотопы используются для облучения полиэтилена и других полимеров с целью повышения их термостойкости и прочности.

Таким образом, правильное использование радиоактивных изотопов приносит несомненную пользу человечеству.

Концепция химических соединений. Долгое время химики эмпирическим путем определяли, что относится к химическим соединениям, а что — к простым телам или смесям. Еще в начале XIX в. Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава, в соответствии с которым любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом — прочным притяжением составных частей (атомов) и тем самым отличается от смесей. Также Пруст установил, что всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет один и тот же состав.

Теоретическое обоснование закона Пруста было дано Дж. Дальтоном в законе кратных отношений. Согласно этому закону состав любого вещества можно представить как простую формулу, а эквивалентные составные части молекулы — атомы, обозначавшиеся соответствующими символами, могли замещаться на другие атомы.

После этого долго считали, что состав химического соединения может быть только постоянным. Но дальнейшее развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими постоянный состав, существуют еще и соединения переменного состава, или бертоллиды. В результате были переосмыслены представления о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частичку вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но в XX в. была понята сущность химической связи, которая стала пониматься как вид взаимодействия между атомами и атомно-молекулярными частицами, обусловленный совместным использованием их электронов. Существуют ковалентные полярные, ковалентные неполярные ионные, водородные и металлические химические связи, отличающиеся характером физического взаимодействия частиц между собой.

Поэтому теперь под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой — молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат.

Структурная химия. Многочисленные эксперименты по изучению свойств химических элементов в первой половине XIX в. привели ученых к убеждению; что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул. К этому времени мануфактурное производство сменилось фабричным, опирающимся на машинную технику и широкую сырьевую базу. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения. Качественное разнообразие данных веществ потрясающе велико — сотни тысяч химических соединений, состав которых, тем не менее, крайне однообразен, так как они состоят из нескольких элементов-органогенов. Это — углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор. Объяснение необычайно широкому разнообразию Органических соединений при столь бедном элементном составе было найдено в явлениях, получивших названия изомерии и полимерии. Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название структурной химии.

Структурная химия стала более высоким уровнем по отношению к учению о составе вещества. При этом химия из науки преимущественно аналитической превратилась в науку синтетическую. Главным достижением этого этапа развития химии стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.

Сам термин «структурная химия»; — понятие условное. В нем, прежде, всего, подразумевается такой уровень химических знаний, при котором, комбинируя атомы различных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соединения.

Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

Основы структурной химии были заложены еще Дж. Дальтоном, который показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Затем И. Берцелиус выдвинул идею, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами. Как позже показал химик Ш. Жерар, это утверждение было верно не всегда, поэтому еще в середине XIX в. структура молекул оставалась загадочной.

В 1857 г. немецкий химик А. Кекуле опубликовал свои наблюдения о свойствах некоторых элементов, могущих заменять атомы водорода в ряде соединений, и ввел новый термин — сродство. Он стал обозначать количество атомов водорода, которые может заместить данный химический элемент. Число единиц сродства, присущее данному химическому элементу, Кекуле назвал валентностью. При объединении атомов в молекулу происходило замыкание свободных единиц сродства.

Таким образом, понятие «структура молекулы» свелось к построению наглядных формульных схем, которые служили химикам руководством в их практической работе, показывали, какие исходные вещества нужно брать для получения конечного продукта.

Структурная химия позволяет наглядно демонстрировать валентность химических элементов как число единиц сродства, присущих атому: =С=; -О-; Н-. Комбинируя атомы различных химических элементов с их единицами сродства, можно создать структурные формулы любого химического соединения; А это означает, что химик в принципе может создавать план синтеза любого химического соединения — как уже известного, так и еще неоткрытого. То есть химик может прогнозировать получение неизвестного соединения и проверить свой прогноз синтезом.

К сожалению, схемы Кекуле не всегда можно было осуществить на практике. Часто придуманная химиками реакция, которая должна была привести к получению вещества с нужной структурной формулой, не происходила. Это было вызвано тем, что подобные формальные схемы не учитывали реакционной способности веществ; вступавших в химическую реакцию. Поэтому важнейшим шагом в развитии структурной химии стало создание теории химического строения органических соединений русским химиком А.М. Бутлеровым. Бутлеров вслед за Кекуле признавал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но при этом он указывал на то, с какой энергией (большей или меньшей) это сродство связывает вещества между собой. Иными словами, Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Эта теория позволила строить структурные формулы любого химического соединения, так как показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других. Кроме того, она указывала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекул.

В XX в. структурная химия получила дальнейшее развитие. В частности, было уточнено понятие структуры, под которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы. Также было введено понятие атомной структуры — устойчивой совокупности ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом, и молекулярной структуры — сочетания ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов.

На основе достижений структурной химии у исследователей появилась уверенность в положительном исходе экспериментов в области органического синтеза. Сам термин «органический синтез» появился в 1860—1880-е гг. и стал обозначать целую область науки, названную так в противоположность общему увлечению анализом природных веществ. Этот период в химии был назван триумфальным шествием органического синтеза. Химики гордо заявляли о своих ничем не сдерживаемых возможностях, обещая синтезировать из угля, воды и воздуха все самые сложные тела, вплоть до белков, гормонов и пр. И действительность, казалось, подтверждала эти заявления: за вторую половину XIX в. число органических соединений за счет вновь синтезированных возросло с полумиллиона до двух миллионов.

В это время появились всевозможные азокрасители для текстильной промышленности, различные препараты для фармации, искусственный шелк и т.д. До этого подобные материалы добывались в ограниченных количествах и с огромными затратами низко производительного, преимущественно сельскохозяйственного, труда.

Современная структурная химия достигла больших результатов. Синтез новых органических веществ позволяет получить полезные и ценные материалы, отсутствующие в природе. Так, ежегодно в мире синтезируют тысячи килограммов аскорбиновой кислоты (витамина С), множество новых лекарств, среди которых — безвредные антибиотики, лекарства против гипертонии, язвенной болезни и др.

Исследования в области современной структурной химии идут по двум перспективным направлениям [3-6]:

синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;

создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами кристаллической решетки для производства материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами.

Решение каждой из этих проблем имеет свои сложности. Так, для решения первой проблемы необходимо соблюдение таких условий выращивания кристаллов, которые исключали бы воздействие на процесс всех внешних факторов, в том числе и поля гравитации (земного поитяжения). Поэтому кристаллы с заданными свойствами выращиваются на орбитальных станциях в космосе. Решение второй проблемы затруднено тем, что, наряду с запрограммированными дефектами, практически всегда образуются и нежелательные нарушения.

Тем не менее, классическая структурная химия была ограничена рамками сведений только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии. Этих сведений недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения вещества. Так, согласно структурным теориям должны быть вполне осуществимы многие химические реакции, которые на практике не происходят. Большое количество реакций органического синтеза, основанных лишь на принципах структурной химии, имеют столь низкие выходы продукции и такие большие отходы в виде побочных продуктов, что не могут быть использованы в промышленности. К тому же подобный синтез требовал в качестве исходного сырья дефицитных активных реагентов и сельскохозяйственной продукции, в том числе и пищевой, что крайне невыгодно в экономическом отношении.

Поэтому изумление успехами структурной химии было недолгим. Интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики, приборостроения в первой половине XX в. выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получить высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов способ решения основной проблемы химии, основанный на учении о составе и структурных теориях, был явно недостаточен. Он не учитывал резких изменений свойств вещества в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость протекания химических процессов. Учет и использование этих факторов вывело химию на новый качественный уровень ее развития.

Известны две формы существования материи как объективной реальности: вещество и поле.

Вещество – материальное образование, состоящее из элементарных частиц, имеющих собственную массу или массу покоя. К элементарным частицам с конечной массой покоя (речь идет об относительном покое) относятся электроны и позитроны (лептоны), протоны и нейтроны (нуклоны), гипероны и другие тяжелые частицы (барионы). Промежуточные по массе частицы между лептонами и нуклонами называют мезонами. Мезоны и барионы именуются адронами. Все вещества в конечном итоге состоят из атомов, следовательно, из электронов, протонов, нейтронов.

В отличие от вещества поле – материальная среда, в которой осуществляется взаимодействие частиц. Полевая форма материи не является непосредственным объектом изучения химии и проявляется прежде всего энергетическими характеристиками, хотя и обладает массой.

Обычно химию определяют как науку о веществах и их превращениях, и это хорошая стартовая позиция. Но, разумеется, требует уточнения сущность терминов "вещество" и "превращение". Иногда, давая определение химии, говорят, что она изучает химические вещества. В этом случае к неполной ясности добавляется еще и тавтология, и выяснение сути дела откладывается до основательного обсуждения вопроса о том, что такое химическое вещество, а этому должно предшествовать описание аппарата структурных представлений. Тем не менее, именно такое первичное определение химии представляется оптимальным.

Чтобы продвинуться к более глубокому определению химии, нужно принять во внимание следующие обстоятельства.

1. Химические вещества состоят из атомов; материя, в которой выделение атомов теряет физический смысл (например, плазма), в качестве химического вещества обычно не рассматривается, хотя является, конечно, веществом в более широком смысле слова.

2. Химическим веществом в традиционном значении этого термина можно назвать только совокупность большого, практически бесконечного числа атомов; нередко, хотя и далеко не всегда, атомы объединены в молекулы; в последнем случае вещество – это множество молекул; вместе с тем, в современной химии все чаще изучаются процессы, в которых функционируют отдельные (единичные) молекулы или небольшие ансамбли молекул/атомов (сюда, в частности, относятся некоторые из так называемых "наноструктур"). Таким образом, химия имеет дело не только с химическими веществами, но и с другими химическими объектами, что следует учесть в более полном ее определении.

3. Химическое вещество – это гомогенная или микрогетерогенная фаза. Понятие фазы возникло в классической равновесной термодинамике и в рамках этой области физики (или физической химии) при последовательном феноменологическом подходе представляется достаточно ясным. Однако при рассмотрении структуры разнообразных атомно-молекулярных систем отнюдь не просто выделить среди них однофазные, в особенности в свете новейших данных, которые очень часто свидетельствуют о микрогетерогенности веществ, считающихся однофазными (таких, например, как жидкий глицерин). Таким образом, понятие фазы в свою очередь требует серьезного нетривиального анализа; но химию, разумеется, интересуют и гетерогенные системы. Такую систему тоже иногда называют веществом, но без эпитета "химическое" (к числу таких веществ относятся многие материалы). Некоторые разделы химии (например, химия поверхности или коллоидная химия) имеют дело с гетерогенными системами определенного типа и формируются именно по этому признаку.

4. Понятие фазы и, соответственно, химического вещества обычно относят к стабильному (равновесному) состоянию, но очень часто, особенно в последние годы предметом исследования становится нестабильное (неравновесное) или метастабильное состояние;

5. В современной химии важнейшую, а во многом и определяющую роль играют структурные представления. Всестороннее изучение структуры химических веществ и использование структурной информации – неотъемлемая, характернейшая черта химии наших дней.

В каждом разделе естествознания рассматриваются системы базисных индивидов, свойственные данной области науки. Обычно имеется две-три важнейшие системы и несколько второстепенных систем индивидов. Так, для физики одной из важнейших рассматриваемых систем является многообразие физических явлений, для биологии – многообразие биологических видов. В химии самые главные индивиды, составляющие круг ее интересов и круг ее компетенции, – это химические соединения и химические вещества. Если определить химическую реакцию как процесс, в результате которого одно химическое соединение превращается в другое (или некоторая совокупность соединений переходит в другую совокупность), то к числу важнейших систем базисных химических индивидов целесообразно причислить многообразие химических реакций.

Как уже было сказано выше, основные понятия химии в значительной мере имеют структурное содержание. Вместе с тем, для глубокого и всестороннего анализа необходимо обратиться к их термодинамическому и квантовохимическому аспектам. Здесь мы не ставим перед собой столь обширную задачу, и в приведенных ниже дефинициях сделан акцент на структурных представлениях, трактуемых в духе классической теории строения; при этом достаточно четкая картина получается лишь для соединений с локализованными атом-атомными взаимодействиями.

Приступая к определению химического вещества, следует начать с непростой проблемы его однородности (гомогенности), которая традиционно считается важным признаком химического индивида. Договоримся, что рассматривается объем, не меньший, чем V_о с линейными размерами, из которых ни один не меньше, чем а_о, и что в этом объеме вещество распределено равномерно и имеет – по всему этому объему – одинаковую структуру. Последнее означает, что при размещении шара радиусом R_о (шар однородности) в любом месте объема V_о можно считать содержимое этого шара постоянным по составу (х) и по строению (s). Характеристики x и s определяют индивидуальность данного химического вещества Х (х, s).

Для ясности сделаем несколько оговорок.

1. Конкретные числовые значения величии V_о, R_о можно выбирать по-разному; их диктует характер рассматриваемых задач и природа рассматриваемых веществ. Так, для веществ. состоящих из "небольших" молекул, обычнс подразумевается, что V_о» 10 А°, АО»50 А°, R_о» 10 – 15 А°. Примерно те же значения имеются в виду, когда речь идет о немолекулярных системах, представляющих собой или содержащих в себе каркас сопряженных химических связей. Для веществ, образованных "большими" молекулами (полимеры, биополимеры) или содержащих крупные характеристические структурные фрагменты, критические значения V_о, а_о, R_о следует увеличить.

2. Обычно речь идет об "объемных" химических веществах. Однако известны и "двумерные" (или даже "одномерные") вещества, специфика которых определяется их существованием лишь в тонких слоях (или объемах, вытянутых в одном измерении). Для таких веществ нужна соответствующая корректировка дефиниции.

3. В изложенном подходе к проблеме однородности мы пренебрегли поверхностными эффектами. Но в некоторых случаях именно они представляют особый интерес, и это снова потребует соответствующей модификации определения.

4. Описание состава и структуры вещества можно осуществить по-разному. Важно лишь выбрать какую-либо подходящую методику и последовательно ее придерживаться. Постоянство x и s (или его отсутствие) при разных положениях шара однородности должно быть установлено в рамках этой методики с той степенью точности, которую диктует поставленная задача.

5. Ясно, что среди множества разнообразных атомно-молекулярных систем будут встречаться и такие, гомогенность которых сомнительна. В этих случаях становится неопределенной и природа рассматриваемого объекта. Стоит ли считать его химическим веществом? Вполне возможно, что не удастся найти ясный ответ на этот вопрос. В таких ситуациях бесполезно пытаться устанавливать более жесткие критерии: наблюдаемая неопределенность есть следствие природы анализируемой системы, и изменить эту природу, меняя лишь способ описания, конечно же, невозможно.

Чтобы расширить и углубить представление о химическом веществе, обратимся к рис.1.

Рис.1. Диаграмма состав (х) – структура (s) –свойство (р). Величина, характеризующая свойство, откладывается по оси, перпендикулярной к плоскости чертежа, где представлено условное (схематическое) изображение диаграммы состав (х) – структура (s) – свойство (р) для некоторой гипотетической совокупности атомно-молекулярных систем.

 

Понятно, что и состав, и структура мало-мальски сложной системы не могут быть охарактеризованы одним параметром. В действительности каждая из этих двух характеристик определяется целым набором величин, и поверхность р(х, s) является многомерной. Далеко не всякое сочетание х и s представляет собой равновесную фазу.

Равновесной фазой мы называем вещество, структура которого, усредненная по колебаниям, соответствует минимуму потенциальной энергии. Понятно, что эта структура может быть метастабильной. В таком случае рассматриваемое вещество со временем самопроизвольно превратится в другое вещество (преодолевается энергетический барьер и возникает структура, соответствующая более низкому минимуму энергии). Однако очень часто этот процесс происходит столь медленно, что можно не принимать его во внимание); если ограничиться анализом равновесных веществ, то окажется, что функция р(х, s) имеет некоторую область определения.

Можно, однако, рассматривать и неравновесные системы, но лишь такие, скорость изменения которых невелика; тогда область определения расширится. В пределах той или иной области определения рассматриваемое свойство может меняться плавно или скачком; скачок в изменении свойства обычно сопровождается скачкообразным изменением структуры и соответствует фазовому переходу или химической реакции. Здесь не обсуждается вопрос о том, будет ли данное превращение происходить в действительности и при каких условиях: процесс может быть реализуемым или гипотетическим.

Таким образом, на диаграмме р(х, s) химическому веществу соответствует точка или область, в пределах которой нет скачкообразного изменения свойств. Узкий интервал вариаций состава вещества соответствует дальтониду, широкий интервал вариации состава характерен для бертоллидов. Примечательна возможность существования фаз с переменной структурой. Примером такой фазы может служить металлический сплав, степень упорядоченности которого зависит от способа получения, или органический кристалл, в котором конформация молекул постепенно меняется с изменением температуры.

Наличие нескольких равновесных или квазиравновесных, т.е. медленно меняющихся, фаз соответствует полиморфизму (в широком смысле слова); к числу полиморфов могут относиться твердые полиморфные модификации, расплав или разные по структуре и свойствам расплавы (заметим, что полиморфизм жидких фаз встречается достаточно часто, хотя на него не всегда обращают внимание).

Химическим соединением называется атомно-молекулярная система, обладающая следующими признаками:

1) система содержит большое число атомов ограниченного числа "сортов";

2) наблюдается постоянное, определяющее индивидуальность химического соединения распределение атомов по сортам (состав), причем каждому сорту атомов соответствует определенная координация (фиксирован вид координационного полиэдра и расположение в его вершинах атомов определенной природы); подразумевается также постоянство структурной формулы молекул, если система их содержит;

3) система может существовать в виде одной или нескольких воспроизводимых по составу и структуре равновесных (или квазиравновесных) фаз, т.е. в виде одного или нескольких химических веществ.

На диаграмме состав – структура – свойство (рис. 1) химическому соединению соответствует некоторая совокупность изолированных точек или ограниченных областей, т.е. некоторая совокупность веществ, сосуществующих на одной вертикали диаграммы р(х, s); не обязательно в эту совокупность входят все точки и области (т.е. все вешества), присутствующие на данной вертикали – они могут быть распределены между двумя или несколькими химическими соединениями.

Это определение не следует считать ни универсальным, ни очень точным, ни окончательным. К тому же оно требует многочисленных комментариев и дополнений; в рамках настоящей статьи дать их в полной мере не представляется возможным. Ограничимся лишь самыми необходимыми ремарками, наиболее существенными для рассматриваемого крута вопросов.

Весьма нетривиально по своему содержанию фигурирующее в первом пункте понятие сорта атома. Оно отнюдь не сводится к заряду атомного ядра (Z), т.е. к принадлежности атома к определенному химическому элементу. В относительно простых случаях достаточно полно (в дополнение к Z) сорт атома характеризуется его координацией, т.е. дается характеристика координационного полиэдра и указание природы атомов, располагающихся в его вершинах.

Приведем несколько простых примеров, иллюстрирующих сказанное выше. Две модификации ZnS – сфалерит и вюртцит – представляют собой одно химическое соединение (сульфид цинка), поскольку имеют одинаковый элементный состав, и координация атомов Zn и S (тетраэдр) в обоих минералах одинакова Вместе с тем, это разные вещества, так как они имеют различную кристаллическую структуру (сфалерит относится к кубической сингонии, вюртцит – к гексагональной). Лед и жидкая вода – это также разные вещества, образованные одним и тем же химическим соединением; при этом они – дальтониды. Сульфид Fe_xZn_1-xS со структурой сфалерита (0 < х < 0,2) дает пример бертоллида. Сплавы состава Cu₃Au, при комнатн