Чтение онлайн

Такое соотношение задается в виде математической функции, в которой в качестве аргумента выступает одно свойство, а функции — другое. Подобное уравнение аналогично математической модели какой-либо системы типа «черного ящика», где в качестве «входа» используется одно свойство, в качестве «выхода» — другое. Часто такие соотношения носят название корреляций. Они широко применяются для оценки свойств неизвестных соединений путем интерполяции в ряду сходных веществ. Фактически на этом же принципе были основаны известные предсказания Д. И. Менделеева о существовании нескольких не открытых еще элементов (галлий, скандий, германий). В этом смысле периодическая система химических элементов может рассматриваться как своего рода модель химических взаимосвязей.

Очень важное место среди методов моделирования занимают аддитивные модели. Хотя химическое соединение нельзя представить как сумму составляющих его элементов, тем не менее при выполнении определенных условий вполне можно составить схему расчета, согласно которой свойства сложного вещества составляются из вкладов входящих в него частей. Такие схемы с успехом используются для расчета рефракции (функции коэффициента преломления), диамагнетизма, энтропии и других явлений. Существуют и широко применяются на практике таблицы инкрементов — вкладов, которые вносят в общее свойство соединений определенные атомы или их группы. По существу перечисленные модели в значительной степени являются эмпирическими. Они лишь отчасти опираются на какие-нибудь теоретические соображения и сводятся к предположению о наличии простейших связей между свойствами химических соединений.

Наряду с этим широко используются модели, которые прямо строятся на основе определенных теоретических положений. Поскольку, однако, реальные химические системы очень далеки от идеальных объектов, которые описываются теорией, в теоретические уравнения вводятся поправки. Последние носят эмпирический характер, в результате чего вместо теоретического уравнения появляется другое, полуэмпирическое, связанное с первым по принципу подобия. Именно так используются, например, уравнения газов и растворов, в которые вместо реальной концентрации вещества вводится активность (концентрация умноженная на поправочный множитель). Аналогичным образом во многих формулах для расчета энергии связи электрона с ядрами используются «эффективные заряды» вместо их точного значения.

В целом совокупность этих методов, сводящаяся к составлению эмпирических уравнений, подобных теоретическим, может быть названа моделированием по методу подобия. К последнему типу моделей непосредственно примыкают чисто теоретические уравнения, опирающиеся на фундаментальную теорию Перечисленные методы могут рассматриваться как случаи системного моделирования. Здесь химические особенности системы задаются ее составом и положением в ряду сходных объектов. Структурные особенности каждой системы принимаются во внимание лишь частично.

Другую группу моделей составляют структурные модели. Их простейшими представителями являются знаковые модели типа химических формул. Кроме обычных строчных формул, отражающих состав и группировку атомов, в последнее время в связи с развитием методов автоматического накопления и поиска информации важное значение приобрело кодирование химических систем. Разнообразные методы кодирования, приспособленные для ввода данных о структуре веществ в электронно-вычислительную машину, могут рассматриваться как важное направление знакового моделирования в химических системах. Многие из существующих в настоящее время систем кодирования хорошо отражают отдельные детали структуры и функции химических соединений.

Вариантом знакового моделирования структуры являются структурные формулы. Ими могут быть и упомянутые выше графические изображения связей атомов (классические структурные формулы), и разнообразные варианты чертежей, отражающих пространственное расположение атомов или ионов. По существу такую же роль могут выполнять и пространственные модели сложных химических соединений (крупные молекулы белка, сложные кристаллы). Такие модели используются в настоящее время не только для демонстрации (в дидактических целях), но и для проверки отдельных возможных вариантов взаимного расположения частиц сложной конфигурации.

Геометрически подобные модели представляют собой варианты физического моделирования, которое не ограничивается отражением только пространственных отношений. Большое место в современных моделях химических систем принадлежит другим типам физического моделирования. Например, можно назвать электростатические модели. Хотя электростатическое взаимодействие нельзя полностью отождествлять с силами, вызывающими химическую связь, тем не менее во многих случаях химические соединения можно с успехом моделировать в виде системы тел с различными зарядами. Принимая во внимание размеры, силы взаимодействия, а также деформацию молекул, можно построить совершенные модели сложных химических объектов и рассчитать с большой точностью энергию связи и частоты колебаний молекул. Такие расчеты широко используются в настоящее время для оценки параметров малоизученных веществ.

Структурное моделирование непосредственно примыкает к фундаментальным теоретическим моделям, в которые вносятся эмпирические параметры. Такой эмпирический метод может рассматриваться как вариант моделирования.

Понятие структуры существовало давно. Уже корпускулярные представления базировались на структурных концепциях. Плодотворным оказалось применение этого понятия к изучению кристаллов. По существу пространственная структура кристаллической решетки была правильно угадана в трудах кристаллографов задолго до того, как была доказана реальность самих атомов. Однако все эти представления опирались на геометрические соображения и не давали экспериментального обоснования химическим превращениям.

Концепция химического строения возникла в результате изучения химических реакций и может рассматриваться как дальнейшее обобщение понятия об элементе и составе. Это теоретически более высокий уровень познания химических систем. В таком плане следует понимать и известное определение химии, данное Энгельсом:

«Химию можно назвать наукой о качественных изменениях тел, происходящих под влиянием изменения количественного состава» [87] .

Если в основе понятия химического состава лежит элемент и реакция соединения-разложения, то понятие о структуре опирается на идею химической связи и на реакцию замещения. Химическая связь представляет собой отношение между атомами в молекуле, которое может выражать прямую или опосредованную связь.

Установление химического строения в классической теории производится с помощью изучения реакций последовательного замещения одних атомов другими. Если в молекуле ряд одинаковых атомов занимают аналогичное структурное положение, их замещение приводит к образованию одного и того же вещества. Если их структурные положения различны, то при замещении образуется столько веществ, сколько различных положений имеют эти атомы. Такой путь является чисто химическим. Поэтому характер отношений атомов, их связи следует рассматривать как химическое строение. Вопрос о том, в какой степени это химическое строение отвечает пространственному расположению, решается с помощью дополнительных средств.

Теория химического строения, созданная А. М. Бутлеровым, Ф. Кекуле, А. Кольбе и др., лежит в основе современной химии. С помощью этой теории можно понять и объяснить взаимные переходы между отдельными веществами, их сходство и различие в рядах. По существу весь комплекс свойств, которыми обладает данное вещество, определяется его химическим строением. При этом учитывается как прямая связь, так и взаимное влияние опосредованно связанных между собой атомов.

Идея химического строения дополняется идеей пространственного строения (стереохимия). Последнее выясняется с помощью исследований отдельных химических реакций, а чаще различных физических свойств вещества. Так, классическая стереохимия органических соединений опирается на данные по изучению вращения плоскости поляризации света. Более детальные сведения о пространственной структуре получают при изучении поглощения рентгеновских лучей (рентгенография кристаллов), с помощью пучков электронов (электронография молекул) и рядом других оптических и магнитных методов.