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.
2. Диалектика химических процессов и периодический закон
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.