Химия как основа системно-структурно-функциональной методологии учебного и научного познания и преобразования действительности

УДК 530(091); 378.14

М. Ф. Каримов

Химия как основа системно-структурно-функциональной методологии учебного и научного познания и преобразования

действительности

Бирская государственная социально-педагогическая академия 452323, г. Бирск, ул. Интернациональная, 10; факс: (214) 2-64-55

Выделена роль выдающихся отечественных химиков в становлении и развитии системно-структурно-функциональной методологии науки. Определено методологическое значение широкодоступных отечественных научных журналов по химии. Установлена необходимость постоянного изучения классических и современных положений, методов и средств познания химической действительности в повышении уровня системно-структурно-функциональной методологической подготовки студентов, аспирантов и ученых.

Ключевые слова: методология научного познания и преобразования действительности, системно-структурно-функциональный подход к изучению материального мира, методы научного исследования объектов, процессов и явлений, периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева, теория химического строения органических соединений А. М. Бутлерова, функциональная зависимость скорости разветвленных химических цепных реакций от времени Н. Н. Семенова.

Рождение классической науки благодаря фундаментальным трудам Г. Галилея (1564-1642) 1 и И. Ньютона (1643-1727) 2 сопровождалось постановкой и разрешением вопросов методологии познания действительности.

Эти великие ученые положили начало обоснованию и применению универсального метода познания и преобразования объектов, процессов и явлений реальности с такими элементами-этапами, как постановка задачи, построение модели, разработка и исполнение алгоритма, анализ результатов решения задачи и формулирование выводов, возврат к предыдущим этапам при неудовлетворительном решении задачи 3.

Исходные положения и приемы системно-структурно-функционального подхода к изучению материального мира были зафиксированы в работах «Система растений» биолога К. Линнея (1707-1778) 4, «Изложение

системы мира» математика П. С. Лапласа (1749-1827) 5 и «Новая система химической философии» химика Дж. Дальтона (1766-1844) 6.

Выдающиеся отечественные химики Х1Х-ХХ вв. значительно развили системно-структурно-функциональную методологию современной науки на примере собственных фундаментальных исследований, представляющих в настоящее время классические достижения мировой культуры.

Прославленный деятель мировой и отечественной науки, выдающийся русский химик, выпускник Главного педагогического института Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), открывший во время работы над классическим учебником «Основы химии» 7 один из основных законов природы - периодическую зависимость свойств химических элементов от их атомного веса 8, исследовавший явление изоморфизма, раскрывающее отношения между кристаллической формой

" 9

и химическим составом соединений 9, осущес-

10

твивший систематическое изучение растворов 10, предложил российской общественности много ценных идей относительно коренного преобразования системы образования страны, включающей в себя начальные школы, средние и высшие учебные заведения 11.

Системно-структурно-функциональная методология науки благодаря работам Д. И. Менделеева получила в свою конструктивную часть следующие положения и методы:

1. Табличная форма представления системной модели объектов природы, сделавшая химию как единую и целостную науку, позволяет рассматривать элементы - предметы познания и преобразования во взаимосвязи и в зависимости от того, какое место они занимают в упорядоченном множестве.

2. Периодический закон - основная системная модель химической действительности, открывший возможность описывать и объяснять известные и предсказывать новые химические элементы, служит ориентиром для многих эмпирических наук в повышении своего теоретического уровня.

3. Периодическая система химических элементов, способствовавшая становлению

Дата поступления 09.02.07

Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. №№2

и развитию учения о строении атомов вещества, открытию и использованию атомной энергии, является достоверной основой информационного моделирования фрагментов реальности во всех естественно-математических и технических науках.

Великий русский химик, выпускник 1849 г., профессор с 1857 г. и ректор Казанского императорского университета с 1860 г. Александр Михайлович Бутлеров (1828—1886), впервые сформулировавший в 1861 г. положения теории химического строения органических веществ 12, получивший в 1863 г. первый третичный спирт — триметилкарбинол 13, написавший первое в истории науки и высшего образования учебное пособие «Введение к пол-

14

ному изучению органической химии» 14, осуществлял широкое и глубокое изучение студентами

естественных дисциплин через проектирование

15

и реализацию специальных курсов 15.

Совершенствование системно-структурно-функционального подхода к исследованию объектов, процессов и явлений действительности А. М. Бутлеровым сводится к следующим положениям и приемам:

1. Порядок связи элементов системы, установленный для соединения атомов друг с другом в молекуле в определенной последовательности в соответствии с их валентностью, важен при определении строения или структуры целого, образованного из различных частей.

2. Интегративные признаки системы, выявленные на свойствах вещества, зависящих не только от того, какие атомы и в каком количестве входят в состав его молекулы, но и от того, в каком порядке они между собой соединены, преимущественно зависят от ее структуры.

3. Функции системы, обнаруженные на основе того, что реакционная способность молекулы зависит от взаимного влияния атомов молекулы друг на друга, определяются прежде всего внутренними взаимодействиями образовавшими ее элементов.

Советский химик мирового значения, выпускник Самарского реального училища и физико-математического факультета Петроградского университета, профессор Московского государственного университета, дважды Герой Социалистического Труда и лауреат Государственных премий СССР, лауреат Нобелевской премии по химии 1956 г. за исследование механизма химических реакций Николай Николаевич Семенов (1896—1986), открывший в 1926 г.

16

разветвленные цепные химические реакции 16 и построивший общую теорию неразветвлен-ных, вырожденно-разветвленных и развет-

17

вленных цепных химических реакций 17, 60 Башкирский химический

всегда ратовал за синхронное и взаимосвязанное протекание процессов учебного и научного познаний действительности 18.

Обогащение Н. Н. Семеновым положений и приемов метода системно-структурно-функционального моделирования фрагментов действительности осуществилось по следующим направлениям:

1. Последовательный переход от макроскопического к микроскопическому уровню изучения реальных систем, демонстрируемый рассмотрением химических превращений с точки зрения молекулярной и атомной физики, способствует получению фундаментальных теоретических результатов, имеющих практическое значение.

2. Выявление критических условий функционирования или развития системы, обнаруживаемых при горении паров фосфора в кислороде, позволяет своевременно предсказать наличие порогов, после которых происходят скачкообразные изменения в поведении объектов или в развитии процессов различной природы.

3. Механизм или алгоритм функционирования сложной системы, показанный с помощью анализа разветвленных цепных химических реакций, когда один ведущий радикал вводит в реакцию три радикала, может быть достоверно найден при условии постепенного усложнения модельных представлений о ней.

В настоящее время последователи Д. И. Менделеева, А. М. Бутлерова, Н. Н. Семенова и других выдающихся химиков нашей страны в поиске научной истины осуществляют дальнейшее развитие системно-структурно-функциональной методологии познания и преобразования действительности, публикуя исходные положения и результаты своих исследований в отечественных химических журналах.

В табл. 1 приведена краткая информация о ряде научных химических журналов, содержание которых наиболее ярко отражает процесс развития отечественными учеными, работающими в высших учебных заведениях, академических и отраслевых институтах, системного подхода к изучению и изменению химической и технической действительности.

Химия является ведущей фундаментальной научной дисциплиной, где широко применяются, совершенствуются и развиваются различные методы изучения кристаллической, молекулярной, атомной, электронной и магнитной структур неорганических и органических веществ.

В отечественных химических научных журналах (табл. 2) наглядно и четко представляются постановка, ход и результаты исследований

Таблица 1

Представление в отечественных химических журналах состояния и развития системного подхода к познанию и преобразованию действительности

Название журнала Год основания Тематика научных статей

Журнал общей химии 1931 1. Основные закономерности в свойствах неорганических, элементоорга-нических и органических химических систем. 2. Взаимное влияние атомов с различной валентностью в простых и сложных молекулярных системах. 3. Физико-химические свойства синтетических аналогов природных неорганических и органических соединений.

Успехи химии 1932 1. Критический анализ опубликованных в научной литературе данных свойства неорганических и органических систем. 2. Обзоры по актуальным проблемам химии макромолекул и металлоор-ганических соединений. 3. Обобщение результатов экспериментальных и теоретических исследований супрамолекулярных каталитических систем.

Журнал неорганической химии 1956 1. Синтез и свойства неорганических соединений. Получение и исследование свойств простых и сложных неорганических систем. 2. Теоретическая неорганическая химия. Закономерности образования и самоорганизации молекулярных и кристаллических систем. 3. Физико-химический анализ неорганических систем. Фазовые равновесия в неорганических системах в субсолидусной области.

Журнал органической химии 1965 1. Освещение теоретических и экспериментальных проблем, связанных с исследованием различных систем органической химии. 2. Установление соотношений между физическими свойствами, реакционной способностью и строением органических соединений. 3. Постановка и разрешение основных проблем развития важнейших направлений органического синтеза.

Башкирский химический журнал 1994 1. Результаты экспериментальных и теоретических исследований по неорганической и органической химии многофазных систем. 2. Информационное моделирование образования и свойств молекулярных структур в нефтехимических системах. 3. Проблемы учебного и научного познания химической действительности в системе высшего образования.

Таблица 2

Отражение в отечественных журналах по химии прогресса структурного моделирования объектов реальности

Название журнала Год основания Тематика научных статей

Журнал физической химии 1930 1. Физическая химия растворов. Состав, структура и свойства растворителей, текучих и твердых растворов. 2. Строение вещества и квантовая химия. Структурные исследования посредством спектроскопии и резонансных явлений. 3. Физическая химия поверхностных явлений. Формирование и свойства приповерхностных слоев тонких и массивных тел.

Кристаллография 1956 1. Структурные исследования строения кристаллов посредством рентгеновских лучей, электронографии и нейтронографии 2. Методы оптической спектроскопии, ядерного магнитного и электронного парамагнитного резонансов в кристаллохимии. 3. Законы взаимного расположения атомов в пространстве и химической связи между ними в кристаллах.

Высокомолекулярные соединения 1959 1. Междисциплинарные вопросы теоретических и экспериментальных исследований в области структуры полимеров. 2. Информационное моделирование реакций синтеза высокомолекулярных соединений и образования их структур. 3. Характеристика свойств полимерных веществ, обусловленных большими размерами и цепным строением макромолекул.

Журнал структурной химии 1960 1. Исследование по пространственному строению химических соединений на уровне эмпирии и теории познания реальности. 2. Изучение электронной структуры химических систем на основе положений и методов квантовой химии. 3. Применение физических методов исследования в области кристаллохимии и молекулярного строения жидкостей.

Координационная химия 1975 1. Синтез, структурное и спектральное исследования строения химических комплексов с лигандами или кластерами. 2. Электронный парамагнитный и ядерный магнитный резонансы в изучении структуры и свойств различных веществ. 3. Электронное, атомное и молекулярное строение химических систем, выявленное различными методами.

по дифракции рентгеновских лучей для определения структур кристаллических решеток веществ и распределения электронной плотности в них, по дифракции электронов для характеристики поверхностных явлений объемных или пленочных тел, по масс-спектрометрии для получения информации о составляющих и строении молекул, по ядерному магнитному резонансу для выяснения структуры органических молекул, по инфракрасной спектроскопии для обнаружения функциональных групп и характерных связей между атомами в молекулах, по поглощению электромагнитного излучения из видимой и ультрафиолетовой части спектра для определения атомного и молекулярного строения химических систем.

Эмпирически или теоретически установленные функциональные зависимости, имеющие место в гомогенных или гетерогенных химических системах при эндотермических или экзотермических реакциях в соответствии с законами сохранения массы и энергии, постоянства состава, кратных отношений, протекания изохорного, изобарного и изотермического процессов, описываются, объясняются и предсказываются наиболее полно в научных статьях

приведенных в табл. 3 отечественных химических журналов.

Применение функциональной методологии в учебном и научном познании химической действительности позволяет усилить межпредметные связи между химией, физикой и высшей математикой, обладающей аналитическими и численными методами решения задач по установлению функциональных зависимостей между детерминированными и случайными величинами.

Каждый вышеприведенный научный журнал по химии наряду с другими источниками научно-технической информации представлен в глобальной компьютерной сети Internet и имеет разную степень свободного доступа к опубликованным в них статьям 20.

Как показывает наш педагогический опыт, накопленный в течение последних тридцати лет в ряде вузов Урала, в процессе обучения студентов высших учебных заведений естественно-математическим и техническим дисциплинам освоение ими положений и приемов системно-структурно-функциональной методологии научного познания и преобразования действительности происходит наиболее

Название журнала Год основания Тематика научных статей

Журнал прикладной химии 1928 1. Обзоры, посвященные изучению различных химических процессов и их интенсификации для развития производства товаров. 2. Приложения химии к производству топлива, полимерных материалов, волокнистых веществ, минеральных удобрений и т. д. 3. Вопросы по оптимальной химизации народного хозяйства и развитию химической промышленности с учетом требований экологии.

Журнал аналитической химии 1946 1. Оригинальные исследования по теории и методике химического анализа неорганических и органических веществ. 2. Проблемы качественного и количественного анализа состава, структуры и функций природных и искусственных материалов. 3. Метрологические вопросы аналитической химии и планирование химического эксперимента в различных условиях.

Кинетика и катализ 1960 1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований в области гомогенной и гетерогенной кинетики и катализа. 2. Механизмы и кинетика некаталитических процессов в газовой, жидкой и твердой фазах химических систем. 3. Компьютерное моделирование и квантово-химические аналитические и численные расчеты в области катализа и кинетики.

Нефтехимия 1961 1. Обзоры теоретических и экспериментальных исследований, посвященных разрешению современных проблем нефтехимии. 2. Моделирование процесса глубокой переработки нефти посредством крекинга, гидрокрекинга и каталитического риформинга. 3. Исследование катализаторов нефтехимических процессов в виде гидрирования, изомеризации, окисления и т.д.

Теоретические основы химической технологии 1967 1. Моделирование нелинейных процессов и турбулентных течений в массообменных аппаратах химической технологии. 2. Теория и методы расчета химических реакторов, функционирующих на основе сложных явлений тепло- и массообмена. 3. Исследование совмещенных химических процессов, проектирование и эксплуатация многофункциональных реакторов.

Таблица 3

Освещение в отечественных химических журналах элементов функционального подхода к естественным и искусственным объектам и процессам

эффективно, после изучения соответствующих тем таких предметов, как «Концепции современного естествознания», «Общая и неорганическая химия», «Строение молекул и основы квантовой химии», «Аналитическая химия», «Физическая химия», «Коллоидная химия», «Прикладная химия», «Неорганический синтез», «Органический синтез», «Химия высокомолекулярных соединений», «Химия окружающей среды», «Основы минералогии и кристаллохимии», «История и методология химии».

Анализируя и обобщая приведенный выше материал о химии как основе системно-структурно-функциональной методологии учебного и научного познания и преобразования действительности, можно сформулировать следующие выводы:

Современная химия, получившая развитие в трудах отечественных ученых, предоставляет исследователям конструктивные положения и способы системно-структурно-функциональной методологии научного познания и преобразования объектов, процессов и явлений окружающего нас мира.

Отечественные научные журналы по химии, публикующие статьи по актуальным вопросам изучения и изменения химической и технической действительности, оперативно доводят до своих молодых и опытных читателей достоверную информацию о повышении качества системно-структурно-функционального моделирования фрагментов природы и технологий.

Учебное и научное системно-структурно-функциональное познание и преобразование действительности, спроектированное и реализованное с учетом классических и современных достижений теоретической и прикладной химии, обладает дидактической эффективностью и творческой ориентированностью в развитии материальной и духовной культуры человечества.

Литература

1. Галилей Г. Избранные труды: В 2-х тт. Т.1. Звездный вестник. Послание к Инголи. Диалог о двух системах мира.— 640 с. Т.2. Механика. О телах пребывающих в воде. Беседы и математические доказательства.— М.: Наука, 1964.

2. Ньютон И. Математические начала натуральной философии.— М.: Наука, 1989.— 687 с.

3. Каримов М. Ф. // Баш. хим. ж.- 2005.- Т. 12, №4.- С. 30.

4. Linne C. Systema vegetabilium secundum classes, ordines, genera, species: cum characteribus et differentiis.— Gottingae et Gothae: Typis et impensis Jo. Christ. Dieterich, 1774.— 844 p.

5. Laplace P. S. Exposition du systeme du monde: Vol. 1—2.— Paris: l"Institut National de France; l"Bureau des Longitude; Imprimerie du Cercle Social, 1796.

6. Dalton J. A new system of chemical philosophy: Vol. 1—2.— Manchester: Printed by S. Russell for R. Bickerstaff, 1808—1827.

7. Менделеев Д. И. Основы химии: В 2-х частях.— СПб.: Тип. тов-ва «Общественная польза», 1869.— 816 с.; 1871.— 951 с.

8. Менделеев Д. И. Соотношение свойств с атомным весом элементов // Ж. Русского химического общества.— 1869.— Т.1.— Вып. 9 и 10.— С. 60.

9. Менделеев Д. И. Изоморфизм в связи с другими отношениями кристаллической формы к составу. Диссертация представлена при окончании курса в Главном педагогическом институте студентом Д. Менделеевым.— СПб.: Тип. И. И. Глазунова и Компании, 1856.— 234 с.

10. Менделеев Д. И. Рассуждение о соединении спирта с водой, представленное в физико-математический факультет Императорского Санкт-Петербургского университета Д. Менделеевым для получения степени доктора химии.— СПб.: Тип. «Общественная польза», 1865.— 120 с.

11. Менделеев Д. И. Сочинения. Т. 13. Народное просвещение и высшее образование. 1. Народное образование в России. 2. Химия — Преподавание в высшей школе.— Л.-М.: Изд-во АН СССР, 1952.— 386 с.

12. Butlerov A. M. Ueber die chemische constitution des substanzen // Zeitschrift fur Chemie.— 1861.— Bd. 4.— Р. 549—551.

13. Бутлеров А. М. Сочинения. Т. 1. Теоретические и экспериментальные работы по химии.— М.: Изд-во АН СССР, 1953.— 640 с.

14. Бутлеров А. М. Сочинения. Т. 2. Введение к полному изучению органической химии.— М.: Изд-во АН СССР, 1953.— 624 с.

15. Бутлеров А. М. Альдегиды, кетоны и нитропро-изводные жирного ряда. Специальный курс органической химии, читанный в С. Петербургском университете в 1874 году профессором А. М. Бутлеровым.— СПб.: Лит. А. Иконникова, 1875.— 414 с.

16. Семенов Н. Н. Современное учение о скоростях газовых химических реакций. — М.-Л.: Государственное изд-во, 1929.— 126 с.

17. Семенов Н. Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности.— М.: Изд-во АН СССР, 1954.— 350 с.

18. Семенов Н. Н. Наука и общество: Статьи и речи.— М.: Наука, 1973.— 479 с.

19. Каримов М. Ф. // Баш. хим. ж.— 2006.— Т. 13, №4.— С. 51.

20. Каримов М. Ф. // Баш. хим. ж.— 2006.— Т. 13, №2.— С. 108.