شیمی و رهیافت آن

در حال حاضر در جهان بیش از یک میلیون ماده‌ی مختلف وجود دارد. در طول تمدن بشر از دیرباز شناسایی مواد مختلف مورد توجه بشر بوده است. علت این توجه به ویژه این بود که بشر متوجه شده بود که با سنتز مواد مختلف قادر است مواد جدیدی با ویژگی‌های جدید به دست آورد و بر حسب این ویژگی‌ها از آن مواد در ساخت مصنوعات جدید و رفع نیازهای خود بهره برد. در این راستا و پیرو انجام آزمایشات مختلف و تحلیل تحقیقات عملی و نظری خویش متوجه شد که بعضاً محصول فرایندهای مختلف شیمیایی محصولی واحد و مشترک است. این مسأله و تحلیل‌های صورت گرفته‌ی پیرو آن منجر به این نتیجه‌گیری شد که قاعدتاً همه‌ی مواد سنگ بناهای اولیه‌ی مشترکی دارند. بشر در این زمینه به فعالیت‌های علمی و عملی خویش جهت یافتن این سنگ بناهای اولیه که نام عنصر را به هرکدام از آنها داده بود ادامه داد و به نتایج درخشانی رسید. او این عناصر را شناسایی کرد و بر حسب خواص آنها، آنها را در جدولی به نظم کشید، جدولی که عمدتاً بر حسب خواص مشترک گروه‌های عناصر تنظیم شده بود. چنین جدولی، که نخستین بار توسط مندلیف، شیمی‌دان روسی، تنظیم شد از خود ویژگیِ تناوب یا دوره‌ای بودن را نشان می‌داد و به وضوح معلوم بود که تظاهر بیرونی ساختمان دوره‌ای درونی اتم‌ها می‌باشد. از این لحاظ اکنون این جدول عناصر به جدول تناوبی اشتهار پیدا کرده است. دانشمندان (عمدتاً فیزیک‌دانان و شیمی‌دانان) در طول چند صد ساله‌ی گذشته با انجام آزمایشات و تحقیقات گسترده به جزئیات مربوط به فرایند ترکیبی مواد مختلف از این عناصر پایه‌ای پی برده‌اند و هر روز با انجام آزمایش‌ها و سنتزهای جدیدتر، مواد جدیدتری را به صنعت عرضه می‌دارند. از این رو شیمی، امروزه عمدتاً یک علم آزمایشی تلقی می‌شود و محصولات آن عمدتاً مصرف مهندسی و صنعتی دارند. البته آن بخش از شیمی که بیشتر از این که در پی شناسایی محصولات یا تولید صنعتی محصولات باشد به مطالعه‌ی ساختمان مولکولی و اتمی مواد مختلف و بررسی تأثیر آنها در رفتار و خواص بیرونی و بزرگ-مقیاس آنها توجه نشان می‌دهد بیشتر به صورت شاخه‌ای از علم فیزیک (فیزیک اتمی و مولکولی) جلوه‌گر می‌شود، شاخه‌ای که اکنون فیزیک کوانتمی تقریباً کلاً آن را قبضه کرده است.
به این ترتیب متوجه شدیم که این بیش از یک میلیون ماده‌ی مختلف هیچ چیز نیستند جز ترکیب‌های متنوع برخی از مجموعِ کمی بیش از تنها یک‌صد عنصر. که البته شاید تنها در حدود نیمی از این عناصر بیش‌ترین شرکت را در ساختمان مولکولی بیشترین مواد موجود در جهان دارند. پس منطقی به نظر می‌رسید که یک محقق فیزیک یا شیمی قبل از این‌که تلاش کند به شناسایی بسیار جزئی این همه مواد به طور جداگانه بپردازد با جداسازی این سنگ-پایه‌های اولیه‌ی همه‌ی مواد، به شناسایی هر چه بیشتر هر کدام از این تعداد معدود عناصر بپردازد و سپس با گروه ‌بندی‌های علمی و سیستماتیک، شناسایی‌های انجام شده روی آنها را روی مولکول‌هایی که در آنها عنصر شناسایی شده به کار رفته است تعمیم دهد (یا لااقل در این زمینه تلاش نماید). این‌گونه بود که مطالعه و تحقیق روی جدول تناوبی و عناصر آن و احیاناً سعی در تکمیل آن، مورد توجه بیشتری برای دانشمندان قرار گرفت تا کارهای مربوط به مواد مختلف که اکنون بیشتر در حوزه‌ی مهندسی شیمی تعریف می‌شود. در این زمینه مثالی جهت روشن شدن موضوع می‌زنیم که طیف سنجی اتمی و مولکولی است:
در تلاش برای ارائه‌ راه‌های مختلف جهت شناسایی عناصر مختلف سعی گردید ویژگی‌های منحصر به فرد هر کدام از آنها در کنار ویژگی‌های مشترک گروهی‌اشان شناسایی شود. یکی از این ویژگی‌ها خواص طیفی عناصر است. هر عنصر به خاصر مشخصات ساختمان اتمی خود قادر به جذب طول موج‌های خاصی از طیف گسترده‌ی امواج الکترومغناطیسی می‌باشد. این باعث می‌شود که اگر با فراهم آوردن تمهیدات لازم آن عنصر را به صورت گازی شکلِ آن درآوریم و طیف پیوسته‌ای از امواج الکترومغناطیسی را از درون آن بگذرانیم اتم‌های گازی آن عنصر عمدتاً آن طول موج‌های مذکور مشخصه‌ی خود را از این طیف جذب کنند و بنابراین بقیه‌ی طول موج‌ها بدون جذب قابل توجهی از درون گاز رد شوند و در آن سو قابل آشکارسازی گردند. در این آشکار سازی به جای طیف پیوسته‌ی امواج الکترومغناطیسی واردِ شده درست در محل طول موج‌(های) جذب شده، خطوط تاریکی که نشانه‌ی غیبت انرژی (جذب شده‌ی) مربوط به آن طول موج(ها) می‌باشد را شاهد هستیم. چنین طیف جذبی‌ای دقیقاً خاص همین عنصر می‌باشد درست همان‌طور که نقش خطوط سرانگشت هر فرد مختص خود اوست و با هر فرد دیگری متفاوت است. جالب این است که این طیف جذبی عنصر نقشی هم‌چون فیلم نگاتیو طیف نشری آن عنصر را بازی می‌کند. در توضیح طیف نشری لازم است بگوییم که اگر اتم‌های گازی عنصر با گرم کردن ملتهب شوند و شروع به تابش امواج الکترومغناطیسی نمایند فیزیک ساختمان اتمی عنصر ایجاب می‌کند که این عنصر در این حال همان طول موج‌هایی را منتشر نماید که قبلاً توضیح دادیم در حالت جذبی قادر به جذب آنها بود. پس اگر طول موج‌های منتشر شده از این عنصر گازی ملتهب (توسط سیستم اپتیکی که عموماً در آن از منشور استفاده می‌شود) تفکیک شود درست در همان مکان‌هایی که مربوط به جذب طول موج بود اکنون شاهد نشر طول موج هستیم. این امر البته از نظر مکانیک کلاسیک امری تقریباً بدیهی به نظر می‌رسد زیرا اگر نوسانگری (مثلاً فنری) بر اثر خصوصیات ذاتی خود (مثلآ ضریب کشسانی) قادر به نوسان و تشدید نوسان در فرکانس خاصی باشد همین نوسانگر قادر به جذب نوسانی خارجی در همین نوسان است که آن را به تشدید وامی‌دارد و در واقع انرژیش را جذب می‌کند. پس طیف جذبی و نشری هر عنصر از ویژگی‌های اساسی و اختصاصی آن عنصر است که با مشاهده‌ی آن، صددرصد به وجود آن عنصر اطمینان حاصل می‌شود. اصولاً از همین راهِ تجزیه‌ی طیف نوری خورشید و ستارگان و سیاره‌های ملتهب و مقایسه‌ی الگوهای طیف نشری نور آنها با طیف نشری عناصر شناخته شده است که با اطمینان صددرصدی می‌فهمیم که جو ستارگان یا اجرام سماوی ملتهب از چه عناصری تشکیل شده است. حتی با بررسی شدن طول موج‌های طیف نشری و مقایسه با شدت طیف‌های مربوط به عناصر دیگر در همان ستاره می‌توانیم به درصد تقریبی فراوانی آن عنصر در ستاره پی ببریم.
علاوه بر طیف جذبی و نشری، عناصر ویژگی‌های منحصر به فرد دیگری نیز دارند که محققین آنها را لیست کرده‌اند و هم‌چنان به کمیت و کیفیت تحقیقاتشان در این رابطه می‌افزایند. ادامه‌ی ‌تحقیقات در زمینه‌ی به دست آوردن هرچه بیشتر ویژگی‌های عنصر، محققین دانشمند رشته‌های فیزیک و شیمی را به قلب هسته‌ی اتم‌های عناصر هدایت کرد. آنها با مطالعه‌ی قرائن بسیاری در رابطه با عنصر تحت مطالعه، به ویژه آنها که مربوط به تابش‌های الکترومغناطیسی هسته‌ای آن می‌شود، پی بردند که ویژه بودن هر عنصر عمدتاً به هسته‌ی آن مربوط می‌شود، هسته‌ای که در کلیه‌ی ترکیب‌های شیمیایی سازنده‌ی مواد مختلف دست نخورده باقی می‌ماند.
برای این که ترکیبی شیمیایی شکل بگیرد باید شرایط لازم فراهم شود. این که این شرایط از نظر کمی و کیفی چه هستند صددرصد تجربی است. این سخن به این معناست که ناشناخته‌های بسیار ریز و جزئی در رابطه با دنیای ریز مواد و در علم نظری شیمی هنوز آن‌قدر فراوان است که بر خلاف فیزیک کلاسیک نمی‌توانیم عملاً قوانین جهان شمولی برای ترکیب‌ها و تجزیه‌های شیمیایی وضع کنیم و عملاً تنها باید تجربه کنیم و شرایط تجربی را جهت تکرار و تقلید یادداشت نماییم. البته این واقعیت اصلاً به معنای تخطی دنیای شیمی یا مواد ریز در ابعاد کوچک-مقیاس از قوانین عام فیزیکی نیست بلکه به معنای جهل ما در شناسایی جزیی و دقیق ساختاری ترکیبات و شرایط محیطی آن در دنیای کوچک مقیاس است. مثالی دامنه‌ی وسیع این ناشناخته ماندگی دنیای کوچک-مقیاس را به خوبی نشان می‌دهد. این مثال اندازه‌ی الکترون است. با انجام آزمایش‌های اتمی توسط راترفورد بر مبنای تابش‌های هسته‌ای و نفوذپذیری آنها به داخل اتم و نیز با اندازه‌گیری‌هایی که منجر به برآورد وزن و سنگینی هسته در قیاس با اکترون شد چنین برداشت گردید که ابعاد الکترون در قیاس با کل اتم بسیار بسیار کوچک است و به بیانی بیشترین حجم اتم را فضای خالی تشکیل داده است. از طرفی آزمایش‌هایی وجود دارد که با این ایده که فضای خالی زیادی در اتم وجود دارد در تناقضند. به عبارت روشن‌تر از چند راه مختلف این‌گونه برداشت می‌شود که گرچه جرم الکترون در قیاس با هسته بسیار کمتر است اما ابعاد آن قابل قیاس با هسته است. حتی هم اکنون برای تقریب ذهن، در بسیاری از کتب متن فیزیک و اکتریسیته و مغناطیس آن‌گاه که از دوقطبی‌های ریز مولکولی صحبت می‌شود قطب منفی، تلویحاً هم‌ابعاد با قطب مثبت انگاشته می‌شود که آرام در کنار آن قرار گرفته است و دوقطبی را شکل می‌دهد نه همچون سیاره‌ی سریعی به دور هسته در چرخش باشد. همین‌طور مثلاً این که بار الکترونی اضافه‌ی تزریق شده به یک نارسانا، برخلاف مورد مربوط به یک رسانا، امکان توزیع بر روی سطح را ندارد (در حالی که اگر فضای بین الکترون و هسته واقعاً خالی می‌بود نباید چیزی مانع این توزیع می‌شد) نشان می‌دهد که این بدنه‌ی حجیم الکترون‌های قرار گرفته در کنار هسته‌هاست که مانع توزیع الکترون‌های اضافی تزریق شده بر روی سطح بر اثر نیروی دافعه‌ی بین خودشان است. اما این‌که چرا در رسانا امکان توزیع روی سطح وجود دارد به خاطر قابلیت اتم‌های (فلزی) رساناست که به خاطر پیوند ضعیف بین هسته و الکترون می‌توانند در حالی که از یک سو الکترون می‌گیرند از دیگر سو الکترون (دیگری) بدهند و به این ترتیب در واقع نه خود بارها که مابه‌ازای آنها بر روی سطح توزیع می‌شود. البته از طرق دیگری نیز در فیزیک، حجیم بودن الکترون نتیجه می‌شود. همین مثال کافی است نشان دهد که میزان آگاهی ما از دنیای اتمی و زیراتمی چفدر اندک است و آن‌چه هم که هست چقدر اختلافی است. بر همین مبنا می‌توان به قضاوت در مورد توجیهات کوانتمی زیراتمی پرداخت. به هرحال آن نظام‌های متقنی که در علم شیمی در مورد مواد و واکنش‌های آنها با یک‌دیگر حاصل شده است حکم غنائمی گرانبها از دنیایی از ناشناخته‌های زیر اتمی را دارد که همان‌ها خود کافی بوده‌اند و از چنان جذابیتی برخوردار بوده‌اند که در عرصه‌ی علم اصیل و زیبای شیمی تلاش‌های منطقی خود را در جهت کشف ناشناخته‌های بیشتر، گسترش دهیم.
سؤالی که در این‌جا مطرح می‌شود این است که با این حجم انبوه تجربیات عینی توجیه نشده چه باید کرد؟ آیا نباید آنها را نظم داد؟ پاسخ این است که قانونی که واحد نباشد و پرتبصره باشد و در هر موقعیت بنا بر مصالح، تغییر شکل دهد یا خود را با تعدیل خود، با شرایط وفق دهد حتماً اصلاً قانون نیست بلکه تظاهری از علم زدگی و عجول بودن بشرِ کنجکاو غیر منطقی است. در توضیح این مطلب لازم است گفته شود در مقابل حجم وسیعی از تجربیات و نتایج آزمایشگاهی غیر قابل انکار و رو به افزایش، سکوت و قبول جهل خودمان بر دنیای ساختمانی ریز آنها خیلی منطقی‌تر و کم‌زیان‌تر است از این‌که به هر طریق ضعیف و پرتناقضی سعی کنیم قوانین گاه غیر منطقی ولی حتی‌الامکان جهان شمول برای توجیه گروه‌های حتی‌الامکان بزرگی از این تجربیات وضع کنیم، زیرا گاه همان‌طور که تعمیرکاران می‌دانند تعمیر و اصلاح اشتباهاتمان پرهزینه‌تر و زیان‌بار تر از ساخت کلی است. راه منطقی این است که با دسته‌بندی منطقی‌ای نتایج تجربی شیمیایی و فیزیکی که هنوز نحت قوانین واحد محکمی قرار نگرفته‌اند دسته‌بندی شده و به عنوان واحدهای درسی به دانش‌پژوهان و محققین عرضه شوند و راه را برای علاقه‌مندان جهت یافتن حقایق فیزیکی درونی آنها باز گذارند تا هنگامی که بالاخره حقایق درونی ماده کم‌کم خود را نشان دهد. متأسفانه اکنون عکس این عمل غالباً رخ می‌دهد، یعنی عدم گرایش به منطق کلاسیک آن‌قدر گسترده شده است که عموماً دیگر حتی بدون ذکر موارد تجربی و مثال‌های عملی، نخست به بیان تعصب‌گونه‌ی همان قوانین متزلزل و پر تبصره و متناقض و متکثر پرداخته می‌شود و سپس سعی می‌شود مثال‌های عملی با آنها وفق داده شود و اگر در جایی مثالی با آن قوانین سرِ ناسازگاری گذاشت به وضع قانونی برای آن مثال پرداخته می‌شود. ذکر این موارد در این‌جا از آن‌جا لازم بود که این وضعیت اکنون متأسفانه برای شیمی و تحصیل آن شایع است و این امر چهره‌ی زیبای شیمی زیبا را کمی موشح کرده است. اکنون یک دانش‌آموز دبیرستانی ما بعد از آن‌که با خواندن مقدمات منطقی کلاسیک و زیبای علم ساختمان مواد شیمیایی جذب زیبایی شیمی می‌شود ناگهان با حجم وسیعی از الزامات مربوط به ساختمان الکترونی و اربیتال‌ها و چگونگی ترازهای انرژی و امثالهم روبرو می‌شود که گویا مجبور است بدون اثبات و به اجبار آنها را بپذبرد در حالی که برخی از آنها به نظرش غیرمنطقی یا متناقض می‌آیند. به این ترتیب راه چانه‌زنی و کشف و تحقیق علمی در شیمی به همین راحتی بر او بسته می‌شود. مسلماً هیچ قانون منطقی‌ای نمی‌تواند وجود داشته باشد که نتوان آن را به زبان ساده‌تر به گونه‌ای که قابل تحقیق و کشف در همان مراحل پایین باشد بیان کرد. اگر جز این باشد باید به خود قانون و روش متخذه شک کرد.
یکی از راه‌کارها یا یکی از استراتژی‌هایی که در علم شیمی هم‌چون علم فیزیک می‌تواند راهنمای ما در رفتن راه درست باشد یا به عبارتی مطمئنمان سازد که راهی که می‌پیماییم اشتباه نیست این است که تقریب‌های بزرگ-مقیاس (یا ماکروسکوپیک) و تقریب‌های کوچک-مقیاس (یا میکروسکوپیک) روی یک مسأله نهایتاً به یک نتیجه منتهی شوند. مثال عالی و کامل آن در فیزیک عبارت از مباحث گرما و ترمودینامیک در بزرگ-مقیاس و مباحث مکانیک آماری در کوچک-مقیاس است که در حالی که در مبادی خود این مباحث تقریباً به کلی جدا از هم به نظر می‌رسند اما وقتی روی یک موضوع از هر دو معبر وارد می‌شویم به یک نتیجه منتهی می‌شوند. مباحث شیمی و مواد نیز باید در همین طریق سیر کند تا بتوان به اعتبار نتایج متخذه اعتماد پیدا کرد. قالب‌هایی یا رهیافت‌هایی از فیزیک یا شیمی کوچک-مقیاس که به وضوح وسایل تقریب بزرگ-مقیاس را رد می‌کند و آنها را نامعتبر می‌داند مسلماً نمی‌تواند از نظر منطقی به همان نتایجی منجر شود که فیزیک یا شیمی بزرگ-مقیاس با همان وسایل رد شده به آنها می‌رسد. و این، اعتبارِ تقریب خارج از دید و دسترس کوچک-مقیاس ما را جداً زیر سؤال می‌برد. این، البته به این معنا نیست که در شیمی نمی‌توان از تقریب کوچک-مقیاس استفاده کرد بلکه به این معناست که این تقریبی که ما اتخاذ کرده‌ایم یک تقریب واقعی معتبر کوچک-مقیاس نیست و لازم است که دنبال تقریب واقعی بگردیم.