Им не хватало теоретической основы, которая помогла бы исследователям осмыслить и оценить результат их эксперимента.
Знаменитый немецкий химик Ф. Вёлер так характеризовал ситуацию в органической химии, представлявшей собой множественность несистематизированных и не связанных между собой фактов: «Органическая химия может сейчас кого угодно свести с ума. Она представляется мне дремучим лесом, полным удивительных вещей, безграничной чащей, из которой нельзя выбраться, куда не осмеливаешься проникнуть». В письме к Ю. Либиху он писал: «Я полностью согласен с тобой, что для того, чтобы в естествознании понять факты, надо уже иметь в голове определённую идею» [11].
Положение в органической химии стало изменяться после 1861 года, когда А. М. Бутлеров, утвердив свою теорию химического строения и руководствуясь ею, занялся получением изомера бутилового спирта. Для этого он воспользовался реакцией, в которой не смогли разобраться его австрийские коллеги. Бутлеров понял, что сначала фосген превращается в кетон (ацетон), затем образуется металлоорганическое соединение, на следующем этапе металлоорганическая группа замещается атомом водорода с образованием изобутилового спирта.
Теория помогла Бутлерову понять процесс превращений фосгена и привести этот процесс к определённой цели выделить в качестве продукта изобутиловый спирт, то есть целенаправленно синтезировать изомер.
На этом примере видно значение теории в познании не только химии, но и окружающего мира вообще. Чем глубже человек познаёт природу с помощью теорий, тем бо́льшие возможности познания открываются перед ним.
В процессе усвоения школьниками учебного предмета теория является важным компонентом знаний. Она помогает ученику понять и объяснить явления окружающей его действительности, то есть сформировать ЗНАНИЕ и МЫШЛЕНИЕ. Этому придавали большое значение наши крупнейшие учёные-педагоги и методисты. Поэтому развитие методики учебных предметов шло в сторону введения теорий и приближения их к началу изучения учебного предмета.
Однако надо помнить, что всякая теория имеет ограничения, она применима в определённых рамках. Например, в химии теория валентных связей не может объяснить существование многих молекул, таких как O2, NO, NO2, HNO3 и др. Если предположить, что в молекуле кислорода две связи О=О, то нельзя объяснить существование двух неспаренных электронов в этой молекуле, следовательно, проявление реальных парамагнитных свойств кислорода. Зато это явление (парамагнетизм) объясняется другой теорией теорией молекулярных орбиталей. Но в рамках этой теории нельзя определить число связей между атомами кислорода, а только возникновение четырёх связывающих и четырёх разрыхляющих орбиталей. На этих орбиталях находятся восемь связывающих и шесть разрыхляющих электронов. Два связывающих электрона не спарены, так как находятся на двух энергетически равноценных молекулярных орбиталях. Это и приводит к парамагнетизму молекулы. В связи с такими представлениями невозможно наглядно изобразить структурную формулу кислорода.
Точно так же невозможно в рамках теории валентных связей объяснить возникновение химических связей в молекуле азотной кислоты. Принято считать, что азот в этой молекуле четырёхвалентный. Но это утверждение вызывает неустранимое противоречие.
В самом деле, проанализируем предлагаемые в некоторых учебниках [34] модели (а, б) химических связей в молекуле HNO3:
Модель а показывает, что атом азота имеет три σ-связи и одну делокализованную π-связь, то есть является условно четырёхвалентным. Но обратим внимание на атом кислорода. Каждый из них имеет одну σ-связь и половину π-связи. Таким образом, кислород в азотной кислоте получается полуторавалентным, а это нонсенс.
Не лучше дело обстоит и с так называемой семиполярной связью (модель б). Согласно этой модели, азот образует четыре ковалентные связи и одну ионную. Так чему же тогда равна его валентность: четырём или пяти? Но самое главное заключается в том, что такая формула не отражает реальности. Атом азота имеет настолько высокую энергию ионизации (1402 кДж/моль), что сродства к электрону кислорода (141,8 кДж/моль) недостаточно для отнятия пятого электрона от атома азота. Поэтому представленная формулой б молекула азотной кислоты существовать не может.