원자론적 화학철학과 화학의 혁명

[dhleepaul]

원자의 구성

원자론(原子論)은 모든 물질 이 원자 로 구성되어 있다는 이론이다. 이 이론은 우리 주변에서 볼 수 있는 물질에 대해서는 들어맞는다. 그러나 엄격하게 말하면 플라스마 또는 굉장히 높은 압력을 받는 입자 들에는 들어맞지 않는다. 과학 분야 (물론 근대과학 이전의 고대 그리스 철학자들에 의해 이미 원자론이 주장된 바 있다.)에서 원자론을 최초로 제기한 이는 18~19세기의 영국의 화학자 존 돌턴 으로 알려져 있다.

현대 화학은 철저하게 원자론적이다. 모든 물질의 구성 요소. 철학의 다른 많은 문제와 마찬가지로 화학, 원자론에 대한 논의는 아리스토텔레스에서 시작됩니다. 개념의 일관성을 공격하고 설명에 이의를 제기했다. 아마도 물질의 불가분의 구성 요소에 대한 개념 위에 세워졌다고 합니다 위치와 움직임에 대해서만 변경할 수 있지만 변경할 수는 없다.

플라스마 램프(Plasma Lamp) 안에서 만들어지는 플라스마.

플라스마(영어: plasma)는 물리학이나 화학 분야에서 디바이 차폐(Debye sheath)를 만족하는 이온화된 기체를 말한다. 고체, 액체, 기체에 이어 4번째 상태로 원자핵과 자유전자가 따로따로 떠돌아다니는 상태이다. 자유 전하로 인해 플라스마는 높은 전기 전도도를 가지며, 전자기장에 대한 매우 큰 반응성을 갖는다. 우주에 존재하는 물질의 99%가 플라스마로 이루어져 있다(물론 암흑물질과 암흑에너지를 제외하고). 물리적으로, 플라스마는 전기전도도를 가지는 전하를 띤 입자들의 집합체로, 외부 전자기장에 집합적으로 반응한다. 플라스마는 일반적으로 중성 기체와 같은 집합체 또는 이온 빔의 형태를 취하지만, 티끌을 포함하기도 하며, 이러한 플라스마를 티끌 플라스마(dusty plasma)라 한다.[1]

플라스마는 윌리엄 크룩스에 의해 1879년에 방전관에서 처음으로 확인되었고, 당시 그는 이것을 발광물질이라고 칭했다. 영국의 물리학자 조지프 존 톰슨은 1897년에 크룩스 관(Crookes tube)으로 음극선에 대하여 연구하였고,[2] 1928년 어빙 랭뮤어는 "플라스마"라는 용어를 최초로 다음과 같이 정의하였다.

“

극소수의 전자가 존재하는 차폐(sheath) 영역의 전극 근처를 제외하고, 전리된 기체는 대략 같은 수의 전자와 이온을 포함하기 때문에 그 공간 합성 전하(resultant space charge)는 매우 작다. 플라스마라는 이름은 이온과 전자의 전하량이 균형을 이룬 이러한 영역을 묘사하기 위해 사용될 수 있다.[3]

”

- 정의 및 성질

모든 이온화된 기체를 플라스마라고 하지는 않는다. 플라스마는 이온화 된 기체 중 집단적인 움직임을 보이는 극성과 비극성 입자들로 이루어진 준중성(Quasi neutrality)의 기체를 특별히 부르는 말이다. 준중성이란 용어는 디바이 차폐와 연관되어 있다.[4]

여기서 집단적인 움직임이란 외부의 전자기장에 따른 플라스마 내부 입자들이 움직이면서 만드는 국소적인 전자기장에 따른 움직임도 포함한다. 이렇게 국소적으로 만들어진 전자기장은 다른 부분의 입자들에 영향을 미친다.

일반적으로 전기장은 역제곱 법칙을 따라 감소한다. 하지만 플라스마의 경우 감소 효과가 작아 비교적 먼 거리까지 전기장이 영향을 미친다. 이런 경우 국소적인 범위 내에서 상호작용뿐만 아니라 먼 거리에서의 상호작용도 일어난다. 위에서 말한 "집단적인 움직임"이란, 플라스마의 운동이 국소적인 상태뿐만 아니라 먼 거리의 상태까지 영향을 받는 운동이다.

물질의 원자 이론의 관점에서 확정 비율의 법칙을 해석하는 것은 다양한 원소의 원자 질량이 원소에 의존하는 명확한 비율을 갖는다는 것을 암시했다. 실제 질량은 알려지지 않았지만 상대적인 질량은 그 법칙에서 추론할 수 있었습니다. 1803년 존 달튼(John Dalton)은 가장 가벼운 원자인 수소의 (아직 알려지지 않은) 원자 질량을 원자 질량의 자연 단위로 사용할 것을 제안했습니다. 이것이 원자량 척도의 기초였습니다. [16]

기술적인 이유로 1898년 화학자 빌헬름 오스트발트(Wilhelm Ostwald)와 다른 사람들은 원자 질량 단위를 다음과 같이 재정의할 것을 제안했습니다. ⁠1/16⁠ 산소 원자의 질량. [4] 이 제안은 1903년 국제원자량위원회(ICAW)에 의해 공식적으로 채택되었습니다. 그것은 대략 수소 원자 1개의 질량이었지만 산소는 실험적 결정에 더 적합했습니다. 이 제안은 1912년 동위원소가 발견되기 전에 이루어졌습니다. [16] 물리학자 Jean Perrin은 1909년 원자 질량과 아보가드로 상수를 결정하기 위한 실험 중에 동일한 정의를 채택했습니다. [17] 이 정의는 1961년까지 변경되지 않았습니다. [18] [19] Perrin은 또한 "몰"을 32g의 산소만큼 많은 분자를 포함하는 화합물의 양으로 정의했습니다{산소:.O2). 그는 물리학자 아메데오 아보가드로를 기리기 위해 그 숫자를 아보가드로 수라고 불렀습니다.

1 아리스토텔레스와 보일의 원자론

아리스토텔레스 시대에 원자론자들은 물질이 근본적으로 원자로 구성되었습니다. 이 원자들은 나눌 수 없고 균일했습니다. 다양한 크기와 모양, 그리고 다음과 관련해서만 변경할 수 있습니다. 위치와 움직임이지만 본질적인 특성은 아닙니다. 아리스토텔레스는 거부했습니다 이 교리는 간단한 질문으로 비판을 시작합니다. 원자는 무엇으로 만들어졌습니까? 원자론자들은 그것들이 모두 균일한 문제. 그러나 왜 균일한 물질은 부분으로 나뉘어서는 안 됩니다 그들 자신은 더 나눌 수 있습니까? 원자가 다른 점 거시적 물질 또한 균일하지만 다음과 같이 나눌 수 있습니다. 더 작은 부분? 그는 원자론이 특정 크기를 다음과 같이 가정한다고 주장했습니다. 완전히 임시적인 방식으로 분할의 최종 지점을 주지 않고 이 가장 작은 크기에 대한 설명이나 원자가 왜 이렇게 작은 것인지에 대한 설명 크기.

일관성에 대한 질문과는 별개로, 아리스토텔레스는 그것이 원자가 있거나 없다고 가정하는 것은 불분명하고 확실히 부당합니다. 특정 속성. 원자가 어느 정도 따뜻함을 가져서는 안 되는 이유 그리고 관찰 가능한 물체와 같은 습도? 하지만 그렇다면 왜 안 되겠습니까? 차가운 원자의 따뜻함의 정도는 에 의해 변경되기 쉽습니다. 따뜻한 원자의 접근, 다음과 같은 가정과 모순됩니다. 원자는 위치와 운동만 바뀌나요? 반면에 원자는 따뜻함과 습도를 가지고 있지 않은데, 어떻게 정도가 변할 수 있습니까? 거시적 물질 사이의 따뜻함과 습도는 순전히 설명되어야 합니다. 위치와 움직임의 변화를 기반으로 합니까?

이러한 고려 사항과 유사한 고려 사항으로 인해 아리스토텔레스는 원자론자들은 실체에 대한 개념을 전혀 가지고 있지 않았습니다. 종류가 많습니다 세상에서 식별할 수 있는 물질들, 즉 살과 피와 뼈에 대해서의 것들 동물의 몸; 물, 바위, 모래 및 식물성 물질 해안 등 원자론은 분명히 수용할 수 있는 조항을 제시하지 않습니다. 이러한 물질의 다양한 특성과 예를 들어 흰색 고체 소금 및 무미의 경우 호환성 액체 상태의 물을 혼합하여 염수 또는 청동 조각상을 천천히 만듭니다. 녹색. 아리스토텔레스는 결합에 의해 오래된 물질을 파괴하는 새로운 물질 기본 항목의 상호 상호 작용 및 그에 따른 수정 접촉한 신체의 특징. 의 약점에도 불구하고 자신의 이론, 그는 이 문제에 대한 이해가 전혀 부족하다는 것을 보여줍니다. 원자론자들의 일부. 요소가 거의 없다는 그의 개념 다른 모든 물질이 조합에 의해 이들로부터 파생되고 다음에 의해 환원될 수 있는 화합물 분석은 화학 이론의 씨앗을 제공했습니다. 고대 원자론 아무것도 제공하지 않았습니다.

로버트 보일(1627-1691)은 종종 첫 번째 파괴로 인정됩니다 고대와 중세 전통과 현대 화학의 시작과 함께 실험적 접근 방식과 기계적 철학을 융합함으로써. 보일의 화학 이론은 물질의 다양성을 설명하려고 시도합니다. 모양과 크기의 변화 측면에서 요소를 포함하고, 현재 아원자 원자라고 불리는 것의 기계적 배열 또는 소체. Boyle의 유명한 실험 작업은 아리스토텔레스의 정통성에 대응하기 위해 원자에 대한 그의 이론은 그의 실험 작업에 거의 영향을 미치지 않았습니다. 찰머스 (1993, 2002) 보일의 원자 사이에 어떤 연관성도 전혀 없음을 문서화합니다. 압력의 영향에 대한 추측과 그의 실험 작업 가스. 이 분석은 Boyle의 화학 실험에도 동일하게 적용됩니다 그리고 화학 이론화는 주로 다음과 같은 욕구에 의해 주도되었습니다. 화학적 조합의 기계적 철학을 제공합니다(Chalmers 2009, Ch. 6). 앙투안 라부아지에(Antoine Lavoisier, 1743–1794) 못지않은 평론가 보일의 미립자 이론이 아무런 영향을 미치지 않는다는 것이 매우 분명했습니다. 화학 발전. 그가 다음 세기 말에 언급했듯이, “… 요소라는 용어가 다음과 같이 표현하는 것을 의미한다면, 물질이 구성되는 단순하고 나눌 수 없는 원자, 그것은 우리는 그들에 대해 전혀 알지 못할 가능성이 매우 높습니다"(1789, p. xxiv). 따라서 많은 주석가들은 보일의 경험적 근거를 고려합니다. 아리스토텔레스 화학자에 대한 비판은 자신의 비판보다 더 중요하다.

원자 이론

- 현대 화학의 원자 실재론

현대 교과서는 일반적으로 화학에 대한 논의를 찾습니다 19의 원자론일 존 달튼의 세기 작품 (1766–1844). 원소 최소값을 기계적 원자의 구조화된 별자리는 이번에는 Dalton의 이론이 단순히 각 요소가 특성을 갖는 특성 크기 및 질량의 가장 작은 부품 그 원소적인 종류에 속한다는 것. 라부아지에의 요소 이러한 특성 원자의 집합체로 간주됩니다. 돌턴 이 원자 가설이 상수의 법칙을 설명한다고 주장했습니다. 비율\-

Dalton의 이론

그는 원자가 화학 변화에서 살아남는다고 믿었다. 이는 요소가 실제로 존재한다는 주장을 뒷받침합니다. 화합물. 그는 같은 원소의 원자가 그들의 무게. 원자가 원자와 결합한다는 가정 하에 고정된 비율의 다른 요소, Dalton은 그 이유를 설명한다고 주장했습니다. 요소가 결합하면 고정된 비율로 결합합니다. 무게. 그는 또한 다중 비율의 법칙을 도입했습니다. 이에 따르면 동일한 별개의 화합물에 있는 요소 요소는 단순한 비율로 서 있습니다. 그는 이 원칙이 그의 원자 이론으로도 설명되었습니다.

Dalton의 이론은 화학 커뮤니티를 분열시켰고 그는 많은 지지자들, 상당수의 화학자들은 반원자론적 태도를 유지했습니다. 그 이유 중 하나는 경험적 Dalton의 원자 이론의 적용: 원자를 어떻게 추정해야 합니까? 원자가 그렇게 적은 양의 물질이었기 때문에 무게? 달토니안스 그렇게 작은 양은 측정할 수 없다고 주장했습니다. 물론, 기준 원자( 자연스러운 선택은 수소입니다. 이것은 여전히 문제를 남겼습니다. 화합물에서 서로 다른 원자의 무게 사이의 비율을 설정합니다. Dalton은 두 원소의 화합물이 하나만 알려져 있다면 동일한 비율로 결합한다고 가정해야 합니다. 따라서 그는 예를 들어, 물을 마치 그랬을 것처럼 이해했습니다. Berzelius가 공식에 따라 HO로 대표됩니다. 소개(Berzelius, 1813). 그러나 이 문제에 대한 Dalton의 대응 자의적인 것 같았습니다. 보다 자연스러운 해결책을 찾는 것이 시급해졌습니다 19세기 전반에는 점점 더 원소가 발견되고 있었고 더 많은 원소 구성이 발견되고 있었습니다. 그리고 더 많은 화학 물질이 정성적으로 결정되고 있었습니다 (Duhem 2002; Needham 2004; Chalmers 2005a, 2005b 및 2008).

Dalton의 동시대 사람들도 다른 반대 의견을 제기했습니다.

야곱 Berzelius(1779-1848)는 달톤 원자론이 아무런 것도 제공하지 않는다고 주장했습니다. 화학적 조합에 대한 설명, 원소가 어떻게 서로 결합되는지에 대한 설명 화합물을 형성합니다(Berzelius, 1815). 그의 원자는 본질적으로 변하지 않고, 그들은 아리스토텔레스와 같은 종류의 변형을 겪을 수 없습니다 조합이 일어나기 위해 필요하다고 생각했습니다. 다음과 같은 것이 부족합니다. 분자에 대한 현대적 아이디어, Dalton은 화학 물질을 설명해야 했습니다. 원자 패킹 측면에서 조합. 그는 자신의 원자에 다음과 같은 것을 부여했습니다. 상호 반발이 설명해야 하는 칼로리 분위기 원자가 효율적으로 함께 뭉치는 방법. 그러나 이에 설득된 사람은 거의 없었습니다 아이디어, 그리고 나중에 달토니안 원자론으로 알려지게 된 것은 포기되었습니다. 칼로리 껍질에 대한 아이디어.

화학자들이 다음을 깨달았을 때 상황은 더욱 복잡해졌습니다. 원소 구성은 일반적으로 구별하기에 충분하지 않았습니다 물질. Dalton은 동일한 요소가 때때로 제공한다는 것을 알고 있었습니다. 여러 화합물로 상승; 여러 질소 산화물이 있습니다. 본보기. 그러나 일정한 비율의 법칙을 감안할 때 이것들은 결합 비율을 지정하여 구별됩니다. 예를 들어 별개의 화학식으로 표시됩니다. N2O, NO 및 N2O3 다른 산화물의 경우 질소의. 그러나 더 많은 유기 화합물이 분리되고 분석한 결과, 원소 구성이 독특하지 않다는 것이 분명해졌습니다. 물질을 구별합니다. 동일한 원소를 가진 별개의 화합물 조성을 이성질체라고 합니다. 이 용어는 1832년 Berzelius는 동일한 조성의 유기 화합물, 그러나 다른 속성이 먼저 인식되었습니다. 나중에야 이성질체가 유비쿼터스이며 유기에만 국한되지 않는다는 것을 발견했습니다. 화합물.

이성질체는 다음과 같은 "물리적" 특성에서 근본적으로 다를 수 있습니다. 녹는점과 끓는점, 화학 물질의 패턴 반응성. 디메틸 에테르와 에틸 알코올의 경우, 조성식 C를 갖는2H6O는 공통적이지만 두 가지로 표시됩니다. 뚜렷한 구조식: (CH3)2O 및 C2H5오. 이 공식은 화학 물질의 패턴을 지배하는 다양한 작용기를 식별합니다 반응성. 구조식의 개념은 다음과 같이 개발되었습니다. 훨씬 더 유사한 다른 이성질체를 수용합니다. 이것은 광학 이성질체라고 하는 입체 이성질체의 하위 그룹이 있는 경우, 다음과 같은 많은 물리적 특성이 유사합니다. 녹는점과 끓는점, 그리고 (처음 발견되었을 때) 화학적 반응성에서도 비슷합니다. 파스퇴르는 타르타르산의 거울상 이성질체(서로의 입체이성질체)를 분리한 것으로 유명합니다 나트륨 암모늄 염의 용액을 제조하고 느린 증발에 의해 형성되는 상대적으로 큰 결정. 핀셋을 사용하여, 그는 수정을 두 더미로 모았고, 그 중 하나 구성원은 다른 쪽에 있는 모양의 거울 이미지인 모양 무더기. 광학 이성질체는 평면 편광의 평면을 회전시키는 특징 반대 방향으로, 석영 결정에서 처음 관찰된 현상 19 초에일 세기. 이러한 이성질체는 거울인 3차원 구조식으로 표현 그림 2에서 볼 수 있듯이 서로의 이미지.

그림 2. 타르타르산의 거울상 이성질체. D-타르타르산은 왼쪽과 오른쪽에 L-타르타르산이 있습니다. 점선 수직선 는 거울 평면을 나타냅니다. 단단한 쐐기는 채권이 나오는 것을 나타냅니다 평면의 파선 쐐기는 뒤에 있는 채권을 나타냅니다. 평면. 이러한 분자 구조는 서로의 거울 이미지입니다.

이러한 발견은 종종 다음과 같은 것으로 제시되지만 원자 또는 분자 가설에 의해 설명되며, 에 대한 회의론 원자론의 지위는 19세기 내내 지속되었습니다. 19일 하순 Ernst Mach, Georg Helm, Wilhelm Ostwald 및 피에르 뒤헴(Pierre Duhem)은 원자론을 이들에 대한 적절한 설명으로 않았습니다 현상에 대한 충분한 증거가 있다고 믿지도 않았습니다. 원자의 존재를 받아들입니다. 대신 그들은 비원자론적을 옹호했습니다 열역학에 기반한 화학 변화 이론(Helm 및 Ostwald, Deltete 2000 소개 참조).

원자론에 대한 Duhem의 반대는 특히 교훈적입니다. 에도 불구하고 일부 문헌에서 실증주의자로 표현됨(예: Fox 1971), 화학의 원자론에 대한 그의 반대는 원자의 관찰 불가능성. 대신, 그는 분자가 19세기 물리학에 따르면 이론적 불가능성, 원자가 어떻게 서로 붙어 있을 수 있는지에 대해서는 아무 말도 할 수 없었지만 줄 수 있습니다. 합리적인 것보다 안정적인 실체가 될 수 없는 많은 이유 기간. 그는 또한 원자가 개념이 원자의 결합력을 설명하는 것은 단순히 거시적인 것이었습니다 현미경 수준으로 투영된 특성화. 그는 그것을 보여주었습니다. 화학식은 원자에 의존하지 않고 해석될 수 있으며 원자가의 개념은 이를 기반으로 정의될 수 있습니다(Duhem 1892, 1902; 설명은 Needham 1996을 참조하십시오. 원자론자들은 만나지 못했습니다 이 도전, 그리고 그는 그들이 무엇을 말하지 않았다고 비판했습니다. 원자의 특징은 단순히 읽는 것 이상이었습니다 거시적 기준으로 정의된 속성(Needham 2004). 듀헴은 그랬다 원자 이론이 19세기에 개발되었음을 인정합니다 세기, 소용돌이 이론(Kragh 2002)이지만 다음과 같이 거부했습니다. 화학 현상을 설명하는 데 부적절합니다.

원자론에 대한 회의론자들은 마침내 초기에 확신을 갖게 되었습니다. 20일 신중한 실험과 이론에 의한 세기 브라운 운동, 입자의 변동에 대한 작업 유제. 운동 이론의 발전과 함께 다음과 같은 의심이 있었습니다. 이 움직임은 에멀젼 내의 보이지 않는 입자가 밀기 때문이었습니다. 눈에 보이는 입자. 그러나 첫 10년이 되어서야 20세기 아인슈타인의 이론적 분석과 페린의 실험 작업은 이러한 의심에 실체를 부여하고 다음을 제공했습니다. Perrin이 주장한 것으로 유명한 Avogadro의 숫자에 대한 추정치는 에 의해 내린 결정에 동의했기 때문에 실질적으로 정확합니다. 몇 가지 다른 독립적인 방법. 이것이 결정적인 주장이었습니다 대부분의 미세한 실체의 존재를 위해 여전히 원자 가설에 회의적이어서 그들의 견해를 바꾸기 위해(아인슈타인 1905; 페린 1913; 나이 1972; Maiocchi 1990).

그러나 확립하는 것은 이런 식으로 원자의 존재는 다음과 같이 제기된 많은 질문을 남겼습니다. 회의론자들은 답이 없습니다. 원자의 본질에 대한 이론 그들이 어떻게 결합하여 분자를 형성할 수 있는지 설명하십시오. 공식화. 그리고 오늘날까지도 설명하기에 적절한 순전히 미시적 이론을 사용할 수 있습니다. 화학 현상의 전체 범위. 이 문제는 다음에서 추구됩니다. 감소에 대해 논의하는 섹션 6.

2 화학 혁명

18세기 말까지 화학 물질에 대한 현대적 개념은 라부아지에의 작품. 현대적으로 보이는 요소 목록이 질량의 개념도 화학에 도입되었습니다. 이러한 발전에도 불구하고 화학자들은 다음에 대한 이론을 계속 발전시켰습니다. 우리가 더 이상 받아들이지 않는 두 가지 물질: 칼로리와 플로지스톤. 라부아지에는 플로지스톤을 거부한 것으로 유명하지만 칼로리는 받아들였습니다. 술래 칼로리의 개념이 마침내 등장하기까지는 60년이 더 걸릴 것입니다 열역학의 발달과 함께 포기되었습니다. - 열은 높은 곳에 낮은 곳으로 흐른다/열역학 0법칙.

- 칼로리

1761년 조셉 블랙은 시체를 가열하는 것이 항상 그런 것은 아니라는 것을 발견했습니다 온도를 높입니다. 특히, 그는 0°C는 동일한 온도에서 액체로 변환됩니다. 마찬가지로 다음을 위해 공급되어야 하는 기화의 잠열이 있습니다. 끓는점에서 액체 물을 증기로 변환 온도를 높입니다. 현대보다 조금 전의 일이었습니다. 블랙의 획기적인 발견에 대한 해석은 완전히 개발. 그는 열이 상태와 구별되어야 한다는 것을 보여주었습니다 몸의 따뜻함과 심지어 그 상태의 변화로부터. 하지만 열역학이 발달하기 전까지는 가열이 따뜻함의 특성이나 품질과 과정으로 구별됩니다. 전달된 물질과 관련이 없습니다.

블랙 자신은 가상의 행위에 관여하는 것을 경계했던 것 같습니다. 열 현상에 대한 설명(Fox 1971)이지만 그는 화학 물질로서의 물 융합 잠열의 해석 열 유체와 얼음의 결합을 포함하는 반응 새로운 물질 물. Lavoisier는 Black의 개념을 통합했습니다. 잠열을 열에 대한 그의 칼로리 이론으로 들어가고, 잠열을 이해합니다 온도를 높이지 않고 칼로리액으로 신체로 옮겨집니다. 그 몸과 화학적 결합으로 결합되어 기여하지 않습니다. 신체의 따뜻함 또는 온도. 따라서 라부아지에의 이론은 아리스토텔레스의 일부를 유지하며, 우리가 하나의 변형으로 동일한 물질의 상변화 다른 물질로.

Lavoisier의 원소 목록에 있는 "원소"의 칼로리 수치 열이나 불"(Lavoisier 1789, p. 175), "becom[ing] 몸에 고정 ... 혐오스러운 태도로 그들에게 행동하는 힘, 또는 신체에 축적되어 더 큰 힘 또는 더 적은 정도, 고체가 유체로, 그리고 유체가 변형되는 것 공중 탄력성에 전적으로 빚지고 있습니다"(1789, p. 183). 그 계속해서 '가스'를 "이 공기 형태의 상태"로 정의합니다. 충분한 칼로리 축적에 의해 생성된 신체." 아래의 수소, 칼로리로 형성된 이진 화합물의 목록은 다음과 같다고 합니다. 수소 가스를 산출합니다(1789, p. 198). 마찬가지로 바이너리 목록 인으로 형성된 화합물, 칼로리는 인 가스(1789, p. 204). 산소의 라부아지안 원소 염기는 라부아지안 원소 칼로리는 화합물 산소 가스를 형성합니다. 이 칼로리가 적은 산소 염기의 화합물은 산소입니다 액체(원칙적으로 Lavoisier에게만 알려져 있음). 우리가 부르는 것은 따라서 액체에서 기체 산소로의 상변화는 그에게 물질. 빛은 또한 그의 원소 목록에 포함되며 "산소와 큰 친화력을 갖기 위해... 그리고 기여합니다. 칼로리와 함께 가스 상태로 변화시킵니다"(1789, p. 185).

- 플로지스톤

거의 같은 시기의 또 다른 물질 개념은 플로지스톤입니다. 18세기 과정 이론의 기초가 되었습니다. 산화 및 환원이라고 불리게 되었습니다. 게오르그 에른스트 슈탈 (1660–1734)는 오래된 이론을 바탕으로 이론을 도입했습니다. 아이디어. 연금술사들은 금속이 수은 원리를 잃는다고 생각했습니다. 소성 및 물질이 슬래그, 녹 또는 가열에 의해 재, 그들은 유황 원리를 잃습니다. 요한 요아킴 베허 (1635-82)는 17세기 말에 이러한 아이디어를 수정했습니다. 금속의 소성이 일종의 연소라고 주장합니다 그가 가연성의 원리라고 부르는 것의 상실을 포함합니다. Stahl은 이후 이 원리의 이름을 '플로지스톤'으로 바꾸고 이론을 추가로 수정하여 플로지스톤이 화학 반응으로 한 물질에서 다른 물질로 전달되지만 결코 고립될 수 없다는 것.

예를 들어, 금속은 금속의 칼크스의 화합물로 생각되었습니다. 그리고 플로지스톤, 유황은 황산의 화합물로 생각되었습니다. 및 플로지스톤, 인은 인산과 플로지스톤. 남은 탄소와 같은 물질 연소 후 재가 거의 또는 전혀 없는 것은 플로지스톤이 풍부한 것으로 간주되었습니다. 나무의 도움으로 칼크스에서 금속을 준비하는 것 숯은 탄소에서 플로지스톤을 탄소로 옮기는 것으로 이해되었습니다. 금속.

탄소를 더 이상 단순히 플로지스톤의 공급원으로 간주하지 않습니다. 온기의 원천은 화학을 이해하는 데 한 걸음 더 나아간 것입니다 반응(Ladyman 2011은 그의 구조적 플로지스톤 화학의 현실주의적 해석). 플로지스톤 이론 반응에는 한 부분의 교체가 포함될 수 있다고 제안했습니다. 이전에는 모든 반응이 생각되었던 다른 물질과의 물질 단순한 연관 또는 해리입니다.

플로지스톤 이론은 Henry Cavendish에 의해 더욱 발전되었습니다 (1731–1810)와 조셉 프리슬리(1733–1804)는 둘 다 플로지스톤 자체의 특성을 더 잘 특성화하려고 시도했습니다. 1760년 이후에는 플로지스톤이 일반적으로 그들이 부르는 것과 동일시되었습니다 '가연성 공기'(수소), 그들은 성공적으로 금속을 무리아산(염산)과 반응시켜 포획합니다. 의 위에 생산 및 특성화에 대한 추가 실험 작업 이러한 "공기", 캐번디시와 프리스틀리는 우리가 무엇을 식별했는지 확인했습니다. 이제 산소를 '탈염 공기'라고 부르고 질소를 '플로지스톤 포화 공기.'

반응물과 생성물을 일상적으로 계량하게 되면서 금속이 칼스가 되면 무게가 증가한다는 것이 분명합니다. 그러나 플로지스톤 이론에 따르면 칼크스는 플로지스톤의 손실을 포함합니다. 물질의 손실과 관련된 과정이라는 생각은 체중 증가와 관련될 수 있다는 것은 우리에게 이상하게 보입니다, 플로지스턴 이론가들은 즉시 걱정하지 않았습니다. 일부 플로지스톤 이론가 '공중 부양' 속성에 기반한 제안된 설명 Priestly가 나중에 phlogiston의 것으로 언급한 것입니다. '마이너스 웨이트' 현상에 대한 또 다른 설명 거의 무중력 상태의 플로지스톤이 무겁고 응축된 상태로 몰려났다는 것입니다 Calx의 모공에서 나오는 공기. 최종 결과는 더 가벼운 제품이었습니다. 질량의 개념은 아직 중심적인 역할을 하지 않았기 때문에 화학, 이러한 설명은 상당히 합리적이라고 생각되었습니다.

그러나 1770년대 말까지 토르베른 올라프 버그만 (1735–1784)는 일련의 무게를 주의 깊게 측정했습니다. 금속과 칼크스. 그는 금속의 소성이 손실된 산소의 무게와 동일한 무게 증가로 이어졌습니다. 주변 공기. 이것은 위에 제시된 두 가지 설명을 배제했습니다. 그러나 흥미롭게도 그는 금속으로 인해 칼크스로 변형되어 무중력을 잃었습니다. 플로지스톤. 이 플로지스톤은 공기의 산소와 결합하여 형성됩니다. 생각할 수 있는 따뜻함, 이는 차례로 남은 것과 결합됩니다. 칼크스를 형성하기 위해 플로지스톤을 잃은 후 금속. 단순화된 Lavoisier 이 계획에서 플로지스톤을 제거하여 이 설명을 설명합니다. 이 순간은 많은 사람들이 화학 혁명이라고 부르는 것입니다.

현대 화학은 주로 원소가 아닌 미세 구조를 다룹니다 구성. 이 섹션에서는 역사와 결과를 살펴보겠습니다. 화학은 구조에 중점을 둡니다. 이 섹션의 전반부 화학이 관련된 과학에서 다음과 같은 과학으로 전환되는 과정을 설명합니다. 원소 구성에서 구조와 관련된 과학으로. 그만큼 후반부는 다음에 의해 제기된 개념적 퍼즐에 초점을 맞출 것입니다. 결합 및 분자 구조에 대한 현대적 설명.

-구조식

화학 물질의 분해로 구성된 물질 분석 그들의 기본 구성 요소로. 신중한 계량과 결합된 일정한 비율의 법칙을 적용함으로써 화학자들은 질량비로 물질을 특성화합니다. 다른 물질의 비교를 용이하게 합니다. 비록 이것들이 비율은 그램 단위의 중량 비율을 반영하며, 단순 숫자는 중량 비율을 용어로 재표현한 결과입니다. 화학적 등가물의. 예를 들어, 수식 'H2O'와 'H2S'는 그렇게 말합니다. 물에는 수소와 결합된 산소가 있습니다. 황화수소에는 수소와 결합된 유황이 있습니다. 그러나 무게로 측정하면 'H2O’ 산소 8g과 산소 1g의 비율을 결합하는 것에 해당합니다. 수소와 'H2S'는 16g에 해당합니다.  화합물의 가장 작은 단위에 해당하는 분자라고 합니다. 원자는 원소의 가장 작은 단위로 여겨졌습니다.

원자 간의 결합에 대한 Kekulé의 아이디어는 중요한 단계였습니다 이성질체를 이해하는 방향으로. 그러나 구조에 대한 그의 제시 이론에는 도식적 표현의 명확한 시스템이 부족했기 때문에 대부분의 현대 구조적 표현 시스템은 알렉산더에서 유래했습니다 Crum Brown(1838–1932)의 유기물 간의 이성질체에 관한 논문 산(1864 [1865]). 여기서 구조는 사이의 연결로 표시되었습니다. 원자(그림 3 참조).

그림 3. Crum Brown의 그래픽에서 에탄과 포름산에 대한 묘사 기보법. (1864 [1865], 232)

에드워드 프랭클랜드(1825–1899)는 크럼을 단순화하고 대중화했습니다. 브라운의 연속판에서 그의 강의 노트에 대한 표기법 화학 학생(Russell 1971; 리터 2001). 프랭클랜드는 또한 '본드'라는 용어를 최초로 도입했습니다. 원자 간의 연결(Ramberg 2003).

구조 이론 발전의 다음 단계는 제임스가 듀어(1842-1943)와 아우구스트 호프만(1818-1892)이 발전했습니다. Crum Brown의 공식과 밀접하게 일치하는 물리적 모델 (마이넬 2004). 듀어의 분자는 탄소 원자로 만들어졌습니다 한 쌍의 구리 중앙에 배치된 검은색 디스크로 표시됩니다 밴드. Hofmann의 모델에서 원자는 유색 당구공(검은색 탄소의 경우, 수소의 경우 흰색, 산소의 경우 빨간색 등) 채권으로 연결됩니다. 콘크리트 입체화로 실현되었음에도 불구하고 크로케 공과 커넥팅 암의 구조, 이러한 모델의 3차원성은 인위적이었습니다. 매체 자체 원자의 표현이 공간에 퍼지도록 강요했습니다. 하지만 그랬다 이것은 화학적 현실에 해당합니까?

케쿨레, 크럼 브라운, 프랭클랜드는 다음과 같은 경우 극도로 조심스러웠습니다. 이 질문에 답합니다. Kekulé는 화학적으로 추론할 수 있는 명백한 원자 배열 그가 "화학 구조"라고 부르는 특성과 원자의 진정한 공간 배열(Rocke 1984, 2010). 크럼 브라운 비슷한 구분을 하면서 그의 그래픽 공식에서 다음과 같이 경고했습니다. 그는 "육체적인 것을 나타내려는 것이 아니라 단지 원자의 화학적 위치"(Crum Brown, 1864, 232). Frankland는 "다음 사항을 주의 깊게 염두에 두어야 합니다. 이 그래픽 공식은 모양을 나타내지 않기 위한 것입니다. 분자나 구성 요소의 상대적 위치도 원자"(Biggs et al. 1976, 59).

이러한 주석을 해석하는 한 가지 방법은 일종의 반실재론: 구조 공식은 단지 이론적 도구일 뿐입니다. 화합물의 화학적 거동을 요약합니다. 아니면 단순히 불가지론자, 미시적 영역에 대한 명확한 헌신을 피하는 것 거의 말할 수 없습니다. 그러나 다른 의견은 현실주의자를 암시합니다. 해석, 그러나 구조 공식이 단지 나타내는 해석 공간 배열의 위상 구조:

화합물의 서로 다른 원자를 연결하는 선, 그리고 다른 방향으로 동등하게 끌릴 수 있습니다. 그들은 동일한 요소를 함께 연결하여 보여주기 위해서만 사용됩니다. 결합의 확실한 폐기: 따라서 질산의 공식 산소의 세 가지 구성 원자 중 두 개가 질소 단독으로 결합하고 세 번째 산소 원자는 결합됩니다. 질소와 수소 모두(Frankland, Biggs et al. 1976, 59; 또한 Hendry 2010b 참조).

특정 공간에서 원자를 함께 유지하는 것은 무엇입니까? 배치? 물론 답은 화학 결합입니다.

-화학 결합

구조 이론이 말에 널리 받아들여짐에 따라 19일 세기, 화학자들은 원자를 서로 연결하고 공간을 제한하는 것 이 원자 간의 관계. 즉, 그들은 시작했습니다 화학 결합을 조사합니다. 현대 이론적 설명 화학 결합은 양자역학적이지만 현대적이라 채권의 개념은 고전적 개념에 크게 빚지고 있습니다. GN Lewis가 개발한 채권 초기에 20일 세기.

고전적 화학 결합

GN Lewis(1875-1946)는 최초의 영향력 있는 화학 결합 이론(Lewis 1923; Kohler 1971, 1975 참조) 배경). 그의 이론은 화학 결합이 한 쌍이라고 말했습니다. 원자 간에 공유되는 전자. 루이스는 또한 무엇을 구분했습니다. 이온성 및 공유 화합물이라고 불리게 되었습니다. 현대 화학에서 놀랍도록 탄력적인 것으로 입증되었습니다.

이온성 화합물은 일반적으로 전하를 띤 이온으로 구성됩니다 중성 결정 격자로 배열됩니다. 중립성은 다음과 같은 경우 달성됩니다. 양전하를 띤 이온(양이온)은 정확히 올바른 수입니다. 음전하를 띤 이온(음이온)의 균형을 맞춥니다. 일반 소금의 결정, 예를 들어, 나트륨 양이온(Na)을 그만큼 많이 포함한다. 염소 음이온 (Cl+−). 고립된 것과 비교 원자, 나트륨 양이온은 전자를 잃었고 염소 음이온 전자를 얻었습니다.

반면에 공유 화합물은 개별 분자입니다 또는 무한정 반복되는 구조. 어느 경우든 루이스는 생각했다 그것들은 공유된 쌍에 의해 함께 결합된 원자로 형성됩니다. 전자. 수소 가스는 다음으로 구성된 분자로 구성되어 있다고 합니다. 하나의 공유 결합으로 함께 결합된 두 개의 수소 원자; 산소 두 개의 산소 원자와 이중 결합으로 구성된 분자의 기체; 메탄, 4개의 등가 탄소-수소로 구성된 분자 단일 결합 및 무기한 이산화규소(모래) 결정 SiO의 공유 결합 어레이 반복2 단위.

분자 구조에 대한 루이스의 설명의 중요한 부분은 다음과 같습니다. 결합의 방향성. 이온성 화합물에서 결합은 정전기이므로 방사형 대칭입니다. 따라서 개인 이온은 이웃 중 어느 하나와도 특별한 관계를 맺지 않습니다. 에서 반면에, 공유 결합 또는 비극성 결합에서 결합은 명확한 방향; 그들은 원자 중심 사이에 위치합니다.

공유 결합의 성질은 상당한 주제였습니다. 최근 화학 철학 문헌(Berson 2008; 헨드리 2008; Weisberg 2008). 화학 결합이 재생되는 동안 화학적 예측, 개입 및 설명에서 중심적인 역할, 정확하게 정의하기 어려운 개념입니다. 근본적인 고전적 역학과 양자 역학 사이에는 의견 차이가 존재합니다. 화학 결합의 개념, 심지어 다른 양자 사이에서도 기계 모델. 입문 교과서를 넘어 고급 치료법, 결합에 대한 많은 이론적 접근 방식을 발견하고, 그러나 유대감에 대한 정의나 직접적인 특성화는 거의 없습니다 자체. 어떤 사람들은 이러한 정의의 명확성 부족을 돌릴 수도 있습니다 모든 화학자들 사이에서 공유되는 공통 배경 지식에 대해 우리는 믿습니다. 이는 상태에 대한 불확실성 또는 양가감정을 반영합니다 화학 결합 자체의.

-Bonding의 구조적 개념과 과제

화학 결합에 관한 새로운 철학 문헌은 다음과 같이 시작됩니다. 화학 결합의 구조적 개념(Hendry 2008). 구조적 개념에서 화학 결합은 분자 이하이며, 개별 사이에 국한된 분자의 물질적 부분 원자 중심이며 분자를 함께 유지하는 역할을 합니다. 이것은 끝에서 발생한 화학 결합의 개념입니다. 19일 세기, 계속해서 실천을 알리고 있습니다. 합성 및 분석 화학. 그러나 구조적 개념은 본딩이 맞나요? 몇 가지 뚜렷한 문제가 제기되었습니다.

3. 화학결합의 철학성

첫 번째 문제는 양자역학의 존재론과 양자역학의 명백한 존재론 화학 결합. 전자는 원칙적으로 구별할 수 없습니다 (양자이론의 정체성과 개별성) 따라서 결합에 대한 양자역학적 설명은 다음에 의존할 수 없습니다. 특정 전자의 정체성. 구조를 해석하면 루이스와 같은 방식으로 유대감에 대한 개념, 여기서 유대감은 특정 원자에 의해 기증된 특정 전자 쌍으로 구성되며, 우리는 이 그림이 양자역학과 양립할 수 없음을 알 수 있습니다. A 관련 이의는 실험적, 이론적 모두 전자가 비편재화되어 있다는 증거가 있습니다. 전체 분자에 "번짐". 양자역학 전자 쌍이 사이 국한될 것이라고 기대하지 말라고 말합니다. 결합된 원자. 더욱이 멀리켄은 페어링이 공유 결합 형성에는 필요하지 않습니다. 수소의 전자 분자는 "두 개의 수소가 있을 때 더 단단히 결합됩니다. 핵은 각각 하나만 있을 때보다 뛰어다닐 수 있습니다. 두 가지 사실 전자는 짝을 이루게 됩니다 ... 대체로 부수적인 것 같습니다." (1931년, p. 360). 후대의 저자는 H2+ 이 주장을 뒷받침하는 이온.

결합의 구조적 개념을 옹호하는 사람들은 이에 반응합니다 G.N. 루이스의 특정 구조적 설명에 주목함으로써 도전 유일하게 가능한 것은 아닙니다. 구조적 개념에 대한 유대감 아분자 및 방향성이어야 하며 전자일 필요는 없습니다. 쌍. 양자 온톨로지의 도전에 구체적으로 대응하여, 그들은 채권이 원자 중심에 의해 개별화되어야 한다고 주장합니다 그들은 전자가 아니라 연결됩니다. 전자가 참여하는 한 육체적으로 유대감 속에서 그들은 개인으로서 그렇게 하지 않습니다. 모든 전자는 전체 분자와 연관되어 있지만 일부는 전자 밀도는 국소화될 수 있습니다. 의 이의제기에 탈지역화, 그들은 구조적 설명이 요구하는 모든 것이 다음과 같다고 주장합니다. 분자의 총 전자 밀도의 일부 채권과 관련된 기능을 담당하며 원자 사이에 직접 국한되어 있다고 가정할 필요가 없습니다. Lewis의 모델(Hendry 2008, 2010b)에서와 같습니다.

결합의 구조적 개념에 대한 두 번째 도전은 전산 화학, 양자역학의 적용 화학 현상에 대한 예측. 양자 작업을 활용 화학자 찰스 콜슨(Charles Coulson, 1910-1974), 와이즈버그(Weisberg, 2008)는 다음과 같이 주장했습니다. 화학 결합의 구조적 개념은 다음과 같이 견고하지 않습니다. 양자 화학. 이 주장은 양자의 역사를 살펴봅니다 분자 구조의 기계적 모델. 초기 양자에서 기계적 모델, 구조적 개념과 매우 유사한 것 유대감이 보존되었습니다. 전자 밀도는 대부분 원자 센터 사이에 국한되어 보유를 담당했습니다. 분자를 함께. 그러나 이러한 초기 모델은 경험적으로 에 있던 결합 에너지와 결합 길이에 대한 예측 실험과 질적 일치.

분자 구조의 후속 모델은 훨씬 더 나은 일치를 산출했습니다 전자 밀도가 "허용"되었을 때의 실험과 함께 원자 사이의 영역을 남겨두고 전체적으로 비편재화합니다. 분자. 모델이 더욱 개선됨에 따라 본딩이 보이게 되었습니다 아분자가 아닌 전체 분자 현상으로. Weisberg는 주장합니다 그러한 고려는 우리가 구조적 결합의 개념을 분자 전체의 개념으로 대체합니다. 한 가지 가능성은 유대감에 대한 에너지적 개념입니다. 결합은 분자의 에너지 안정화라고 말합니다. 엄밀히 말하면, 이 견해에 따르면 화학 결합은 그렇지 않습니다 존재하다; 유대감은 실재하지만 유대감은 그렇지 않습니다(Weisberg 2008; 또한 참조 Coulson 1952, 1960).

결합의 구조적 관점에 대한 도전은 철학 및 화학 문헌의 여러 응답. 그만큼 첫 번째 화학 실습에 호소합니다: 합성 및 분석 활동은 결합의 구조적 개념에 의존합니다. 발견된 화합물이 100,000,000개가 훨씬 넘거나 합성, 모두 공식적으로 특성화되었습니다. 어떻게 할 수 있습니까? 이 성공은 다음과 같은 중심 화학 개념이 다음과 같은 경우 설명됩니다. 결합의 구조적 개념은 실제 것을 골라내지 않습니다. 자연? 평생 동안 Linus Pauling (1901-1994)는 이 견해를 옹호했습니다.

또 다른 반대 의견은 Berson(2008)에서 나오며, 그는 매우 약하게 결합된 분자의 중요성. 예를 들어, 2-메틸렌사이클로펜탄-1,3-디일의 4가지 구조 이성질체. 가장 구조의 안정은 정상적인 결합에 해당하지 않습니다. 비정상적으로 안정적인 일중항 상태, 상태 때문에 상호 작용 전자가 스핀하는 곳. Berson은 이것이 "유대의 형성이 실제로 불안정한 분자." 즉, 에너지 개념 결합과 분자 전체의 안정화가 발생하기 때문에 분해됩니다. 떨어져.

마지막으로 "분자 내 원자" 프로그램(Bader 1991; 설명은 Gillespie and Popelier 2001, Chs. 6 &; 7 참조) 는 우리가 유대의 구조적 개념을 유지할 수 있음을 시사합니다 기능적으로 이해되지만 전자가 어떻게 되는지에 대한 루이스의 생각을 거부합니다. 이 관계를 깨닫습니다. 예를 들어, 베이더는 우리가 할 수 있다고 주장합니다. 토폴로지 특징의 관점에서 '본드 경로'를 정의합니다. 분자 전체의 전자 밀도. 이러한 결합 경로에는 물리적 위치, 일반적으로 고전적 공유 결합과 밀접하게 일치합니다. 채권. 더욱이 그들은 유대감을 형성한다는 생각을 부분적으로 입증합니다. 원자 사이의 전자 밀도 증가를 포함합니다. 결합 경로는 최대 전자 밀도의 축(결합 경로를 그것에 수직인 방향은 전자의 감소를 포함합니다 밀도). 이 접근 방식에는 많은 기술적 이점도 있습니다. 분자 전체의 전자 밀도는 양자의 존재론 내에 존재합니다. 역학, 따라서 어떤 양자역학 모델도 이를 배제할 수 없습니다. 더 전자 밀도는 다른 것보다 계산하기가 훨씬 쉽습니다. 양자역학적 특성, 경험적으로 측정할 수 있습니다. X선 회절 기술을 사용합니다.

그림 5. 채권이 너무 많습니까? 각 탄소 원자에서 60개의 결합 경로 C60 내부에 갇힌 Ar 원자에게.

불행히도 Bader의 접근 방식이 반드시 하루를 구하는 것은 아닙니다. 유대의 구조적 개념. 그의 비평가들은 그의 계정은 매우 관대하며 다음과 같은 곳에 채권 경로를 배치합니다. 화학적으로 의심스러운 것 같습니다. 예를 들어, 그의 계정에는 당신이 축구공 모양의 벅민스터 풀러렌 분자를 예로 들어 보겠습니다. (씨60) 그 안에 아르곤 원자를 가두면 60개의 결합이 있습니다. 그림 5에 표시된 탄소 원자와 아르곤 원자 사이 (Cerpa et al. 2008). 대부분의 화학자들은 이것이 믿기지 않는다고 생각할 것입니다 화학적 결합의 가장 기본적인 원리 중 하나는 아르곤이 결합을 형성하지 않는다는 사실(Bader 2009 참조 응답).

지역화되지 않은 계정에 대해 일반적으로 인정되는 문제는 화학자들이 전이 가능성이라고 부르는 것의 부족. 구조의 중심 우리가 본 바와 같이 view는 다음과 같은 공통적인 작용기의 발생입니다. 다른 물질. 예를 들어, 알코올은 다음과 같은 특징이 있습니다. 공통적으로 수산기 OH 그룹을 가집니다. 이는 3600 cm에서 적외선 흡수가 강하다–1 복용 중 OH 그룹의 명백한 신호로. 그러나 ab initio QM 치료는 단지 다른 수의 전자가 제기하는 다른 문제를 보고, 다음과 같은 분자 구조의 일부가 있음을 반영하지 못합니다. 한 분자에서 다른 분자로 전달할 수 있는 OH 그룹, 및 공통점을 가질 수 있습니다(Woody 2000, 2012).

또 다른 문제는 화학 물질의 원인에 대한 자세한 이해입니다 접합. 수년 동안 지배적인 견해는 Hellman-Feynman 정리는 본질적으로 양핵과 음전자 사이의 정전기 인력 구름(Feynman 1939). 그러나 원래 다음에 의해 제안된 대안 Hellman과 Rüdenberg가 개발한 이 프로그램은 최근 굴지. 이것은 양자역학적 아날로그를 강조합니다. 운동 에너지(Needham 2014). 현대 기록은 미묘한 양자역학적 특징의 수. 그러나 이러한 세부 사항 지배하는 가장 중요한 열역학적 원리를 모호하게 해서는 안 됩니다. 화학 반응에 의한 안정한 화합물의 형성. 앳킨스가 말했듯이 술래

있지만... 관련 물질은 더 낮은 수준으로 떨어졌습니다. 에너지, 이것이 반응이 일어나는 이유가 아닙니다. 전반적 우주의 에너지는 일정하게 유지된다. … 모든 것이 가지고 있습니다 처음에 국부적인 에너지가 분산된 것입니다. 그것이 화학적 변화의 원인입니다: 물리학에서와 마찬가지로 화학에서도, 자연 변화의 원동력은 혼란스럽고 목적이 없고, 에너지의 무방향 분산. (앳킨스 1994, p. 112)

이 모델과 다른 모든 유대감 모델이 직면한 어려움은 다음과 같습니다. 많은 화학자와 철학자들이 다원주의를 주장하도록 이끌었습니다. 양자 화학자 로알드 호프만(Roald Hoffmann)은 "결합은 에 의해 결합될 것입니다. 다른 기준이 아닌 일부 기준 ... 컨셉을 즐기고 과대 광고를 피하십시오"(Hoffmann 2009, 기타 인터넷 리소스).

 분자 구조 및 분자 모양

분자 구조에 관한 대부분의 철학 문헌은 그리고 기하학은 결합에 관한 것이며 중요한 것이 많이 있습니다 분자 구조 자체의 개념에 관한 질문. 이 첫 번째 문제는 분자 구조의 올바른 정의와 관련이 있습니다. 교과서에서는 일반적으로 분자의 구조를 평형으로 설명합니다 원자의 위치. 따라서 물의 구조는 다음과 같은 특징이 있습니다. 수소 원자와 산소 원자 사이의 104.5º 각도. 하지만 분자는 정적이지 않기 때문에 이것은 문제가 있는 개념입니다 엔터티. 원자는 끊임없이 움직이며 우리가 할 수 있는 방식으로 움직입니다 구부리고, 비틀고, 흔들고, 가위질하는 것으로 설명하십시오. 베이더 따라서 분자 구조를 다음과 같이 생각해야 한다고 주장합니다. 결합 경로의 토폴로지 또는 원자 간의 관계 지속적인 변환에 의해 보존됩니다(Bader 1991).

분자 구조에 관한 두 번째 문제는 훨씬 더 중요합니다 기본: 분자는 모양과 방향의 종류를 가지고 있습니까? 구조식이 나타내는 특징? 우리가 가진 역사를 감안할 때 지금까지 논의된 대답은 분명히 '예'인 것 같습니다. 실제로 X-ray를 포함한 간접 실험 기술의 수 결정학, 분광학 및 제품 분석은 수확을 제공합니다. 모양의 존재뿐만 아니라 특정 모양의 증거 특정 분자 종.

그럼에도 불구하고 양자역학은 다음과 같은 개념에 도전을 제기합니다.

분자 모양. 분자의 양자역학적 처리에서 종은 손으로 넣지 않으면 모양이 생기지 않는 것 같습니다. (울리 1978; 프리마스 1981; Sutcliffe &; Woolley, 2012).

이 긴장은 익숙한 화학 구조 이론 사이 분자의 양자역학적 설명은 다음에서 해결될 수 있습니다. 여러 가지 방법. 분자에 대한 제거론을 받아들일 수도 있습니다 구조: 양자역학은 보다 근본적인 이론입니다. 논쟁하고, 그 존재론은 분자 구조를 위한 자리가 없습니다. 따라서 분자 구조는 존재하지 않습니다. 철학자나 우리가 알고 있는 화학자는 이 옵션을 지지했습니다. 다른 가능한 반응은 기본 물리학에 다른 호소력을 만듭니다. 무언가가 파동함수 대칭을 깨고 분자의 원자 위치. 이것은 다른 사람과의 상호 작용일 수 있습니다. 분자 또는 측정 장치와의 상호 작용. 따라서 분자 모양은 부분적으로 상호 작용에 의해 구성되며 관계적이지 않습니다. 내재적 속성(Ramsey 1997).

관련 옵션은 일종의 실용주의입니다. 한스 프리마스는 다음과 같이 주장합니다. 엄밀히 말하면 분자에 대한 양자역학적 설명은 우주 전체에 대한 설명이 될 수 있습니다. 우리가 어떻게 그려도 일부 표적 분자 시스템 주변의 관심 경계, 현실, 시스템은 열려 있고 다른 모든 것과 상호 작용합니다. 우주. 따라서 특정 분자의 모양은 우주의 다른 모든 것과의 상호 작용의 결과입니다. 우리는 시스템을 다음과 같이 취급할 때 모양이 없는 분자의 역설을 얻으십시오. 닫힌 - 우주에서 단 하나의 메탄 분자만 말해보세요. 술래 실용적인 목적을 위해 개방형 시스템을 폐쇄된 것으로 취급하는 것은 괜찮지만 우리는 이것이 이상화라는 것을 항상 이해해야 합니다. 우리는 그렇게 해서는 안 됩니다 폐쇄된 개방형 시스템과 같은 우리의 이상화를 다음과 같이 취급하십시오. 진실. 따라서 양자역학 사이에는 비호환성이 없습니다 및 분자 모양(Primas 1981).

따라서 분자의 구조적 표현이 편재되어 있음에도 불구하고 분자 모양의 개념조차도 모호하지 않다는 것이 밝혀졌습니다. 많은 양자에서 이상화를 가리키는 Primas의 접근 방식 기계 모델은 많은 화학자들이 받아들입니다. 하지만 아무것도 없습니다 방법에 대한 철학 문헌의 합의처럼 분자 모양을 이해합니다.

미시본질주의: 물은 H인가? 2O?

구조에 대한 이 섹션의 마지막 부분에서는 철학자들이 가장 좋아하는 예: "물은 H2O.” 이 논문은 종종 다음과 같이 받아들여집니다.

논란의 여지가 없으며 의미론적 증거로 사용됩니다. 외부주의와 자연 종류에 대한 본질주의(Kripke 1980; Putnam 1975, 1990). 참조 이론에 대한 일반 논문 이후 그리고 의미론적 외부주의는 이 기사의 범위를 벗어납니다. 화학적 본질주의에 좁게 초점을 맞춥니다. 공통의 필수품을 가지고 있습니다 화학물질의 종류를 개별화하고 설명하기에 충분한 미세구조 그들의 일반적인 특징은 무엇입니까? 그렇다면 "존재 H2O"는 물을 개별화하기에 충분합니까?

본질주의 테제는 종종 "물 = H2O" 또는 "(전부) 물은 H2O”. 신원이 의미가 있고(Needham 2000) 술어가 무엇인지 이해하는 것이 중요합니다. 두 번째 공식(Needham 2010a)에 적용하면 명확하지 않습니다. 두 공식은 다음과 같은 종류의 논문을 표현합니다. 본질주의자들이 의도합니다. "H2O"는 모든 미세 구조에 대한 설명. 차라리 "H2O"는 다음을 설명하는 구성 공식입니다. 물을 만들기 위해 수소와 산소의 비율을 결합하는 것입니다.

표준 공식의 합리적인 의역은 다음과 같습니다. "물은 H2오 분자." 그러나 "H2O 분자" 특정 마이크로 엔터티를 설명하지만 결코 종류를 소진하지 않습니다. 물 속의 미립자 중 하나도 말하지 않습니다. 물에서 관련되는 미세구조. 설명 물의 미세 구조는 완전히 정교화하는 것을 포함합니다. 이 상호 연결된 구조에 대한 세부 정보와 방법 온도와 압력, 그리고 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지에 따라 달라집니다 (피니 2004).

다른 많은 물질과 마찬가지로 물도 단순히 개별 분자의 집합. 다음은 몇 가지 예입니다. 미세 구조의 복잡성: 물은 자체 이온화되어 수소 및 수산화물 이온이 H와 공존한다는 것을 의미합니다.2O 액체 상태의 물에 있는 분자, 지속적으로 재결합하여 형성 H2O 분자. 동시에 H2O 분자는 더 큰 고분자 종으로 결합합니다. 이것들을 언급하면 복잡성은 종종 발생하는 요인이기 때문에 현학적일 뿐만 아니라 물질의 가장 눈에 띄는 특성으로. 예를 들어 물의 전기 전도성은 다음과 같은 메커니즘 때문입니다. 양전하(수소 이온)는 고분자의 한 지점에 부착됩니다. 클러스터를 가로질러 조정된 전하 이동을 유도합니다. 클러스터, 먼 지점에서 수소 이온을 방출합니다. 효과는 그 전하는 한 지점에서 다른 지점으로 전송됩니다. 그것을 운반하기 위한 물질의 이동. 의 기초가 되는 수소 결합 클러스터의 형성은 또한 다른 많은 독특한 것의 근원이기도 합니다 높은 융점 및 끓는점을 포함한 물의 특성 및 녹을 때 밀도가 증가합니다. van Brakel이 주장했듯이(1986, 2000), 물은 실질적으로 그러한 대표적인 사례입니다 "비분자" 물질.

어쩌면 물은 단순히 H의 집합체가 아닐지도 모릅니다.2O 분자이지만 그것은 확실히 미세한 구조를 가지고 있으며 아마도 본질주의적 테제일 것입니다 "물은 모든 것이 있습니다. 미세 구조"를 사용하여 이를 저장할 정보를 기록합니다. 동어반복에서. 그러나 이 논문은 여전히 다음과 같은 생각을 지지합니다. "물"은 Putnam이 부르는 것을 특징으로 하는 술어입니다. 고정관념적인 특징. 이것은 거시적, 그러나 과학적으로 중요한 끓는점과 같은 특성, 비열, 잠열 등, 많은 부분이 미세 구조는 실제로 유추됩니다. 실제로 많은 기준 화학자들은 물질의 동일성과 순도를 결정하는 데 사용합니다. 미시적이지 않고 거시적입니다. 사실, 국제 표준에 대한 물과 같은 물질의 순도를 결정하는 것은 신중한 주의에 달려 있습니다. 삼중점과 같은 거시적 특성의 결정, 액체, 기체 및 고체상이 존재하는 온도 및 압력 동시에(Needham 2011).

물 H도 마찬가지입니다2O? 결국 이 질문에 대한 답은 이 문장을 어떻게 해석하느냐에 달려 있습니다. 많은 화학자들은 물이 H가 아니라는 사실에 놀랐습니다.2O, 하지만 아마도 이것은 그들이 "H2O"를 속임수로 (Weisberg 2005) 또는 우리가 하는 방식의 구성 공식으로 이 섹션의 서두에서 논의되었습니다. 물은 실제로 미세 구조와 거시적 특징이므로 그 자체로는 정당성을 제공할 수 없습니다. 미시본질주의를 위해.

이러한 이유로 미시적 본질주의적 주장은 근거가 있어야 합니다. 화학적 분류 및 설명에서: 시스템 IUPAC에서 개발한 명명법은 전적으로 미세 구조를 기반으로 하며, 화학적 및 분광학에 대한 이론적 설명도 마찬가지입니다. 물질의 거동(Hendry 2016 참조). 다른 한편으로는 H2O 콘텐츠가 용어 사용을 추적하지 못함 "물"은 일반 언어 사용자에 의해, 화학자에 대한 다른 관심사(Malt 1994). 다원주의는 하나이다 이러한 긴장에 대한 대응: Hasok Chang(2012)은 내부에서도 과학, 물과 H의 동일성2O는 열어 두어야 합니다. Julia Bursten(2014)은 다음과 같은 특별한 역할을 조화시키려고 노력합니다. 미시본질주의의 실패와 함께 화학의 미세 구조; 그리고 Joyce Havstad(2018)는 화학자들의 물질 개념 사용 생물학자들이 다양한 종을 사용하는 것만큼이나 지저분하고 통일되지 않은 것입니다 개념.