Основные химические постулаты и положения единой теории строения химических соединений (ЕТСХС)

«...людскому уму мало одних частностей. Необходимы сперва систематические обобщения...

Если еще нет развития всех или хоть большей части этих обобщений, знания еще не наука, не сила, а рабство перед изучаемым»

«Высшая цель науки составляет... постижение неизменяющегося среди переменного»

Д.И. Менделеев

«Химия - это особый мир, где господствуют свои «молекулярные» законы...»

Р. Хофман (Гофман)

Завершая данную главу учебника, необходимо обобщить основные положения по теории унитарной (единой) химии как уникальной (лат. unicus - единственный в своем роде) и самостоятельной естественной науки, характеризуемой комплексом специфических признаков, формирующих её фундаментальность (индивидуальную основу) и отличия от других наук. Данная теория сегодня представляется авторам как эволюционное развитие теории химического строения вещества А.М. Бутлерова в единую теорию строения химических соединений {ЕТСХС).

Началом или точкой отсчета любой строгой науки являются её постулаты [3, 4], сформулированные во второй главе в разделе 2.7. Химия в мире Земли и в жизнеобеспечении человечества.

Первый химический постулат: химическая вещественная форма существования материи является индивидуальной (то есть, химическое вещество рассматривается как замкнутая система). И, следовательно, химическое вещество (молекулярное и немолекулярное) характеризуется фундаментальными отличиями от веществ физического и биологического уровней.

Второй химический постулат: химическое соединение (химическое вещество) является главным фундаментальным материальным объектом и понятием химии и основой химического уровня существования и превращения вещества на Земле. Следствием этого постулата является вывод о том, что именно гомо- и гетероядерное химическое соединение (химическое вещество) и формирует фундаментальную индивидуальность предмета химии - и как науки, и как учебной дисциплины. Из данного постулата следует, что химия начинается с химического вещества - химического соединения, специфика структуры и свойств которого и определяет фундаментальные ее отличия от физики, биологии и т.д.

Третий химический постулат: в условиях Земли химическое соединение является наиболее естественным и распространенным видом вещественной материи, а его превращение - одной из наиболее распространенных и важнейших форм движения материи на Земле.

Дальнейшее развитие единых теоретических начал химии и установление её фундаментальных отличий от физики следует ожидать через раскрытие индивидуальности следующих пяти основополагающих фундаментальных понятий химии: химическое соединение (химическое вещество), химическая связь, химическое строение (химическая структура), химическая реакция (химическое превращение) и химическое свойство (химическая реакционная способность и т.д.). Выше в предыдущих главах авторы изложили свой вгляд и дали ответы на все эти вопросы, включая создание единой модели химической связи и системы (СХСС), объединяющей базовые химические соединения в виде «Химического треугольника».

Обобщив все изложенное в главах 1-7 настоящего учебника, сформулируем основные положения единой теории строения химических соединений.

Основополагающие фундаментальные положения химии (как и любой другой естественной науки) должны раскрывать причинно-следственные связи, определяющие:

• (1) - возникновение и устойчивое существование соответствующего конкретного уровня организации вещества (в данном случае химического);
• (2) - специфику, природу и тип его структурной организации (химической структуры);
• (3) - особенности его свойств (химических и физико-химических).

Приведем варианты формулировок этих трех основных положений

единой теории строения химических соединений (ЕТСХС), сформулированных авторами настоящей работы [3,4,6,10-14].

В результате первое фундаментальное положение ЕТСХС, определяющее принципиальную возможность образования и существования химического соединения, может быть сформулировано следующим образом: «Образование химического соединения как качественно новой по сравнению с атомом объективно существующей индивидуальной вещественной формы материи и его стабильное существование определяется возможностью эффективного перекрывания электронных оболочек индивидуальных атомов, приводящего к появлению обобществленных электронов (ОЭ) и устойчивому обмену этими электронами между ними. Это ведет, соответственно, к химическому связыванию атомов через обменно- электростатическое взаимодействие и превращению их в химические элементы с опорой на особый вид «несиловых» взаимодействий (по выражению В.А. Фока), выраженных принципом антисимметрии Паули и волновых функций обобществленных электронов. Сокращенный вариант данной дефиниции: «Образование химического соединения определяется возможностью устойчивого обмена электронами и их обобществлением между инди в иду ал ь н ым и am омам и ».

Следствием данного химического связывания индивидуальных атомов является межуровневое преобразование (по существу прямое физикохимическое превращение) вещества физического атомарного уровня (физического соединения элементарных частиц) в вещество химического уровня (химическое соединение элементов). В результате этого образуются обобществленные электроны, а атом теряет свою индивидуальность, превращаясь в химический элемент в виде ядра или чаще атомного остова, который входит в структуру химического соединения.

В рамках единой модели химической связи интегральной характеристикой, вскрывающей общий характер распределения (локализации- делокализации) связывающих электронов (обобществленной электронной плотности) между атомными остовами или ядрами любого химического соединения, является степень обобществления электронов (СОЭ). СОЭ можно определить через количество атомных остовов (или ядер) в структуре химического соединения (п), локализующих при себе электронную плотность (обобществленные валентные электроны), возникающую при образовании соответствующей химической связи. И по сути, степень обобществления электронов представляет собой характеристику химической связи, подобную валентности в методе валентных связей, но являющуюся более универсальной, которую можно применить для всех трех разновидностей химического взаимодействия элементов. Так, для трех предельных («формальных») типов химических связей (ионной, ковалентной и металлической) п соответственно равны: 1, 2 и оо, а СОЭ в них определяется следующим образом:

Термин «формальных» типов химических связей говорит о том, что в реальных химических соединениях связи являются в подавляющем большинстве смешанными, а не «формально» предельными - 100%. Например, при СОЭ = 0 химическая связь на 100% должна превратиться в ее предельную - ионную разновидность. А это значит, что в этом случае, ОЭ должны полностью локализоваться на одном более электроотрицательном элементе, который в результате превращается в индивидуальный анион, химически уже не связанный посредством обменного взаимодействия с другим элементом, превращенным в противоион (катион). То есть в этом случае химическая связь прекращает свое существование, так как обобществленные электроны, фактически, уже не являются таковыми по существу ввиду их принадлежности только одному атомному остову (ядру). Тот же эффект по прекращению существования химического взаимодействия наблюдается и при СОЭ = 100%, так как в этом случае химическая связь на 100% становится металлической и ОЭ, становясь полностью делокализованными в межъядерное пространство, теряют свою связующую роль между элементами.

Таким образом, СОЭ ф 0 является основным условием возникновения обменного взаимодействия элементов и образования химической связи.

При этом степень ковалентности любой химической связи также не может быть равно нулю (Ск ^ 0%). Математическое выражение этого положения как главного фундаментального условия возникновения и существования химического вещества определяется через степень обобществления электронов (СОЭ) и представляет собой следующий вид:

Это первое фундаментальное положение химии, раскрывающее условия образования химического соединения элементов из физических соединений элементарных частиц в виде индивидуальных атомов в процессе межуровневого физико-химического превращения веществ и его суть более полно раскрывается в рамках данных по единой теории и модели химической связи, рассмотренных в 3 и 4 главах настоящего учебника.

Взаимосвязь строения химических соединений с их составом и типом химической связи определяет второе фундаментальное положение ЕТСХС, которое можно представить следующим образом: «Структура химического соединения {химического вещества) в первую очередь определяется его составом (,гомо- и гетероядерный), элементной природой (.v-, р-, d-, /-), разновидностью элемента {атомный остов различного типа), их количеством и пространственным расположением, степенью обобществления электронов, характером их локализации-делокализации или типом химической связи между ними». Сокращённый вариант формулировки данного положения. «Структура химического соединения {вещества) определяется составом и типом химической связи между элементами его образующими».

Данное положение может быть выражено уже через специфику трех разновидностей химической связи (определяющих особенности локализации - делокализации ОЭ в межъядерном пространстве), которые могут преобладать в конкретных гомо- и гетеросоединениях элементов, задающих отличия в их химической структуре.

Это второе фундаментальное положение химии, раскрывающее суть причинно-следственной связи «состав - разновидность или преобладающая компонента химической связи - тип химической структуры», которое наиболее полно раскрывается в рамках теорий химической связи и системы химических связей и соединений (СХСС) в виде «Химического треугольника», рассмотренной в 3, 4, 5 и 6 главах настоящего учебника. В том числе, и с использованием, составляющей части СХСС, в виде программы для ЭВМ «Система гомоядерных веществ» (так называемых «простых» веществ) [15].

В результате, все индивидуальные гомо- и гетероядерные химические соединения (ХС) элементов по особенностям химической структуры делятся на следующие основные разновидности. Это химические соединения молекулярной (ковалентной) и немолекулярной (металлической и ионной) химической структуры. В свою очередь, молекулярные ХС делятся на моно - (низко-), олиго - (средне-), макро- (высоко-) молекулярные и полимерные тела. А затем, олиго- и макромолекулярные химические соединения делятся на линейные - одномерные (типа макромолекул серы), разветвленные, или плоскосетчатые - двумерные, (типа графена) или объемносетчатые - трехмерные полимерные тела (типа монокристаллов алмаза, оксида кремния или сшитых органических смол).

Третье фундаментальное положение ЕТСХС, характеризующее взаимосвязь свойств химических соединений с их структурой (химическим строением) можно представить в следующем виде: «Свойства химического соединения (химического вещества) определяются его структурой (химическим строением)». Фактически вышеприведенное третье положение является результатом современного развития основных положений теории химического строения А.М.Бутлерова, утверждающих, в частности, что «свойства молекулы определяются ... её химическим строением».

Справедливость и суть данного положения подтверждается и раскрывается практическими достижениями А.М. Бутлерова в развитии теории химического строения вещества, представленными выше в разделе 8.1, а также достижениями за 155-летнее развитие органической (молекулярной) химии, включая химию высокомолекулярных соединений и данными, приведенными в 5, 6 и 7 главах настоящего учебника.

Главным результатом настоящей теории следует считать выработку единого теоретического подхода для объединения на фундаментальной химической основе внешне «абсолютно различных» и, казалось бы, несовместимых теорий химической связи (ММО, МВС, ионной теории, зонной теории и т.д.) и соединений на их основе. Это позволило затем определить границы применимости этих теорий в рамках универсальной модели, системы химических связей и соединений (СХСС) и единой теории строения химических соединений (ЕТСХС).

Концентрированным выражением химических идей и важнейшей химической информации в этой теории (ЕТСХС) и фундаментальной основой современной общей и неорганической химии следует считать единую систему химических связей и соединений (СХСС), в виде «Химического треугольника». Последний вариант этой системы приведен в 5 главе на рисунке 5.5 настоящего учебника. Причем вынесение отдельных классов гомо- (простых веществ) и гетероядерных неорганических соединений элементов (оксидов, карбидов, нитридов и т.д.) из СХСС (рис. 5.5) и представление их в виде периодических систем (табл. 4.8, 6.1, 6.3-6.6, 6.7-6.9) показывает возможность наполнения Периодической системы Д.И. Менделеева современным химическим содержанием. То есть, вместо атомов как физической разновидности вещества в ее «клеточках» размещаются соответствующие химические связи и химические вещества на их основе. А это позволяет и сегодня, в XXI веке, и дальше развивать идеи Д.И. Менделеева, подтверждая правильность и перспективность его утверждений, что «Свойства простых тел (гомоядерных соединений элементов, прим, авторов учебника), также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов». Но это развитие сегодня очевидно опирается на обязательный симбиоз с идеями теории химического строения вещества А.М. Бутлерова, раскрывающими химическую индивидуальность объекта и предмета химии в отличие от физики и других естественных наук.

А далее сегодня уже созрела необходимость развития не только единой номенклатуры химических соединений, но и международной системы химических (а не физических) величин и характеристик вещества, и не существует препятствий для создания последней. Эти величины вначале могут быть выбраны, например, из различных справочников физико-химических величин и отделены от физических величин в отдельную систему (справочник), опирающуюся на химический уровень строения вещества. А то ведь как-то даже несовременно начинать знакомство с традиционной программой по дисциплине «Химия», в которой часть 1 «Основные понятия химии»(раздел «Теоретические основы химии») начинается с «Международной системы физических величин»! А что, химических величин и химических фундаментальных понятий в начале XXI века уже и не существует?

Да, конечно же, они есть, но этим необходимо системно заниматься. Например, к типичным химическим величинам и характеристикам, без всякого сомнения, можно отнести характеристики химической связи, включая металлические, ковалентные и ионные радиусы, степень обобществления электронов (СОЭ), электроотрицательность химических элементов, степени ковалентности (Ск), металличности (См), ионности (Си) и порядок химической связи, тип химической связи и тип химической структуры, молярную массу и молекулярную массу, число элементов (степень полимеризации в ВМС) структуры химического соединения, координационное число элемента химической структуры, химический потенциал, химическую реакционную способность, константу скорости и константу равновесия химической реакции, химическое сродство и т.д. и т.п. А новая научная и инновационная методология изложения и изучения химии, развиваемая в настоящем учебнике, как раз и подвела фундамент под возможность решение упомянутой выше очередной проблемы развития этой важнейшей науки и учебной дисциплины.

При этом авторами не подвергается сомнению тезис о плодотворности сотрудничества химии с другими науками (и прежде всего с физикой, биологией и т.д.) в пограничных областях при условии сохранения и возможности развития фундаментальной индивидуальности каждой из них в своей предметной области.

Особо следует подчеркнуть важность и необходимость дальнейшей работы по наполнению основных разделов химии конкретной эмпирической химической информацией, накопленной и собранной в традиционных учебниках и учебных пособиях по химии [16-21], в соответствии с концептуально новой методологией изложения этой науки и учебной дисциплины. Эта методология опирается прежде всего на теорию единой (унитарной) химии и на необходимость раскрытия в этой дисциплине индивидуальности и фундаментальных особенностей изучаемого материального объекта (химического соединения элементов) и предмета исследования этой науки в отличие от других наук, т.е. на раскрытие химического смысла изучаемых явлений.