Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

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»
Проведен анализ методики химических исследований и особенностей логики языка химии. Свойства любого вещества в химии определяют по результатам взаимодействий с другими веществами. Использование логики отношений приводит к тому, что в общем случае целостное описание химических свойств вещества достигается наборами различных терминов, включая антонимы. В зависимости от природы реагентов, относительно которых устанавливаются химические свойства, вещества могут быть и кислотами, и основаниям; и окислителями, и восстановителями, то есть проявляют химическую двойственность. Эта двойственность установлена в химии задолго до открытия дуализма "волна-частица", для понимания которого Н. Бор предложил принцип дополнительности. Химия имеет все атрибуты фундаментальной науки: методологию, язык, обширные области практического применения. Свойства вещества исследуются методами и химии, и физики, и других естественных наук, что соответствует принципу дополнительности.
принцип дополнительности
логика отношений
язык химии
методика исследований
редукция
физика
химия
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.

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 + 5Na2SO4 + K2SO4 + 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.


Библиографическая ссылка

Ананьева Е.А., Наговицына О.А., Сергиевский В.В. О ВЗАИМОСВЯЗИ ХИМИИ И ФИЗИКИ: ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 3. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=13807 (дата обращения: 16.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074