Тема 6. Специфика философии химии. Концептуальные системы химии и ступени исторического развития химии.

⇐ ПредыдущаяСтр 29 из 38Следующая ⇒

В философии науки химическая проблематика занимает более скромное место, нежели проблематика физики и математики. В физике и математике мы находим экстремальные познавательные ситуации, они ведут нас к границам того, что понимает человек. Физика пока зывает, насколько глубоко проникает человек в «тайны природы», на сколько подвластны ему мельчайшие частицы вещества, элементы мироздания, бесконечность Вселенной. Математика дает образцы строгости, точности, конструктивности научных рассуждений. Химия, опирающаяся на физику и математику, не несет в себе той романтики первопроходства, которой отмечены эти науки. Химия, однако, интересна своими масштабами, широкой вовлеченностью в материальное производство, экономику и быт. Глобальные проблемы со временности в той или иной степени завязаны на эту науку. Научное ми ровоззрение, не учитывающее химические знания, было бы неполным.

Физика описывает мельчайшие частицы вещества, которые почти до конца XIX в. были предметом химии, — атомы и молекулы. Физика объясняет также взаимодействия, которые ведут к образованию новых веществ, к химическим превращениям. Математика входит в химию через физику (ибо она уже давно язык физики, аппарат, позволяющий не только производить расчеты, но и формулировать центральные понятия этой науки) и непосредственно (например, в химической кинетики), обеспечивая понимание и объяснение химических закономерностей. В чем же спе цифика химии как науки?

Надо также рассмотреть тенденции, проявляющиеся в историческом развитии химии. Вопрос о предмете химии, как и всякий философский вопрос, имеет историческую ретроспективу. В «Логике» Гегеля, представляющей собой своеобразную историю становления абсолютной идеи, упоминаются три определения «объективности» — механизм, химизм и организм. Механизм — это такое соединение частей, при котором между ними от сутствует «духовная связь». Говоря о механизме, мы вспоминаем меха ническое (машинальное) поведение, механическое заучивание и восприятие. В механизме нет внутреннего единства, самодеятельности. Химизм означает такое единство, которое вытекает из природы частей. Химическое соединение имеет свою специфику и, в отличие от механического соединения, не сводится к комбинации и сложению частей. Химическая совокупность взаимодействует с другими совокупностями как единое целое. Организм представляет собой объединение составных частей, при ко тором реализуется цель, единство, имеющее телеологическую природу. Иными словами, организм — это то, в чем заключена жизнь или душа.

Не вникая в построения Гегеля, которые крайне трудно состыковать не только с современной наукой, но и с наукой того времени, отметим, что в его триаде «механизм, химизм и организм» заключена идея иерархии, идея развития от низшего (механизма) к высшему (организму). Эта идея была воспринята той концепцией предмета химии, которая высказана Ф. Энгельсом и которая оказала большое влияние на советскую и далее на российскую философию науки. Энгельс уже вводит понятие механической, физической, хи мической и биологической форм движения материи, имеющие своего материального носителя: механическое движение — это движение макроскопических тел, физическое — движение молекул (речь шла о тепловом движении, описываемом молекулярно-кинетической теорией), химическое — движение атомов и, биологическое — жизнь — способ существования белковых тел. Энгельс считал механичес кое движение низшим, а биологическое — высшим. Физическое и хими ческое движения занимали промежуточное положение между механическим и биологическим. Отношение высшей формы движения к низшей он характеризовал гегелевским термином «снятие»: низшая форма присутствует в высшей в снятом, подчиненном виде. Скажем, физическое движение — это тоже механическое движение, но подчиняющееся новым веро ятностным закономерностям.

Энгельс сознавал, что его классификация форм движения материи выражает лишь тенденцию, осуществляющуюся в природе. Кроме указанных форм движения он упоминал электрические и магнитные взаи модействия, не укладывающиеся в эту тенденцию. Однако даже эта ого ворка не позволяет его классификации справиться с той ситуацией, которая возникла в XX в. Уже в начале XX в. сложилась атомная физика, изучающая строение тех частиц материи, которые для Энгельса бы ли мельчайшими, — атомов. «Физика обновляет химию и отнимает у нее атом» — так озаглавлена последняя глава в одной из авторитетных книг по истории химии. В 1911 г. Э. Резерфорд выдвигает электронно-ядер ную модель атома, где атом предстает в виде планетарной системы. Но физика занялась не только строением атомов, но и строением молекул. В первые два десятилетия XX века формируется квантовая теория атома и химической связи. В 1925—1927 гг. возникает квантовая механика, фундаментальная физическая теория, объясняющая процессы, происходя щие в микромире. Один из создателей этой теории — П.А. Дирак писал: «Общая теория квантовой механики уже закончена... Решающие физические законы, необходимые для математической теории большей части физики и всей химии, известны полностью, и трудности заключаются в том, что точное содержание этих законов ведет к слишком сложным для решения уравнениям». А вот фраза из более поздней книги (первое английское издание — 1946 г), объясняющая, почему химия все же сохраняет свою самостоятельность как экспериментальная наука. «Квантовая механика сводит проблемы химии к задачам прикладной математики. Несмотря на это, химия, вследствие своей сложности, в значительной мере остается опытной наукой, подобно тому как понимание законов, управляющих движениями небесных тел, за последние три столетия не устранило необходимости непосредственных наблюдений».

В результате тех изменений, которые произошли в естествознании в первой трети XX в., ортодоксальные философы-марксисты оказались в трудном положении. С одной стороны, идеи Энгельса об иерархии форм движения материи казались им неоспоримыми. С другой стороны, они не могли не признать; то, что Энгельс называл химической формой движения, стало неотличимо оттого, что изучает физика. Во всяком случае «материальный носитель» химического движения — атом — стал объектом исследования физики, более того, физика вплотную подошла к тому, чтобы объяснить строение молекул и процессы соединения атомов и разложения молекул. Нельзя было не признать, что физика одерживает на этом пути новые победы.

Заметную роль в марксистских дебатах о формах движения материи и о классификации наук сыграл Б.М. Кедров (1903-1985), советский философ и историк, специалист по истории атомно-молекулярного учения, отдавший много сил изучению творческого наследия Д.И. Менделеева. Кедров выдвинул идею «химического клина» в физике. С его точки зрения, химия рассекает физику на две части — субатомную и молекулярную. Субатомная физика — это физика элементарных частиц, физика строения атомного ядра и электронной оболочки атома, молекулярная физика — это физика теплового движения молекул. «Химическая форма движения материи, — писал Кедров, — есть та форма движения, при которой происходит изменение внутренней структуры молекулы в результате движения составляющих ее атомов, но при которой не происходит коренного изменения (разрушения или взаимопревращения) атомов».

Развивая свои идеи, Кедров далее стал подразделять формы движения на «общие» и «частные»: «общие» не связаны с определенным субстратом или свойственными им видами материи, «частные» имеют своих материальных носителей. «Общие» — это механическая и квантово-механическая, кибернетическая и термодинамическая формы движения, «частные» — по сути дела, все остальные: химическая, субатомная, молекулярно-физическая и т.д. Оставляя в стороне эти усложнения, отметим, что Кедров, выделяя химическую форму движения, отстаивал иерархическое строение мира, где есть высшее и низшее. Он не допускал более высокий уровень материальных процессов, нежели электронные, ядерные и прочие физические процессы. Возражая тем, кто сводит химию к физике, он ссылается на сложные химические системы и взаимодействия. «Невозможность сведения химического процесса к движению физических частиц, — пишет он, — становится все очевиднее и ощутимее по мере увеличения, во-первых, числа электронов в атомной оболочке, во-вторых, числа атомов в молекуле и, в-третьих, числа молекул, участвующих в химическом процессе. Иными словами, переход количества в качество становится тем яснее и резче, чем в более значительной степени количество превышает ту границу, при достижении которой оно переходит в новое ка чество». Это, однако, опять философия: аргументация в пользу одного философского положения (иерархии форм движения) при помощи другого философского положения (закона перехода количественных изменений в качественные). Кедров здесь все же не столь прямолинеен; он ссылается на практику квантовой химии, которая учитывает доквантовые химические представления при расчете многоэлектронных систем. Например, он указывает, что расчеты энергии сложных молекул ведутся, исходя из подразделения электронов на «валентные» и «основные». «В принципе нельзя представить взаимодействие атомов просто как взаимодействие входящих в них электронов и ядер, подобно тому как нельзя представить человечество состоящим прямо из животных клеток».

Аналогия, разумеется, не может служить доказательством. Однако главное в другом. Кедров и его последователи деформируют суть кванто во-механического объяснения химической связи и химического взаимо действия. Квантовая механика — фундаментальная физическая теория, обеспечивающая понимание не только явлений микромира, но и ряда макроскопических эффектов (например, сверхпроводимости и сверхтекучести). Ее объектом служит абстрактная квантово-механическая система, а не просто микрочастицы — электрон, нейтрон, протон, атомное ядро и т.д. Квантово-механической системой, состояние которой представляет волновая функция, может быть и атом, и молекула. Другое де ло, что волновую функцию многоэлектронных атомов и молекул нельзя найти путем решения уравнения Шрёдингера. Эти волновые функции ищут путем приближенных методов, используя, например, множество более простых волновых функций.

Кедров подчеркивает роль представлений до квантовой химии в поиске волновых функций многоэлектронных молекул. Действительно, эти волновые функции нередко ищут, используя деление электронов атомов, составляющих молекулы, на «основные» и «валентные» и предполагая спа ривание (образование электронных пар) валентных электронов, принадле жащих атомам, составляющим молекулу. Однако квантовая механика молекулы не зациклена ни химических идеях. Кроме метода валентных схем, при котором волновую функцию молекулы представляют в виде ряда вол новых функций, соответствующих различным способам спаривания валентных электронов, составляющих молекулу атомов, квантовая механика применяет метод молекулярных орбиталей. коренящийся не в химии, а скорее в спектроскопии. Согласно этому методу, молекула рассматривается как единая электронно-ядерная система. Волновую функцию молекулы представляют в виде произведения одноэлектронных волновых функций, называемых молекулярными орбиталями. Здесь, правда, те, кто вслед за Кедровым отстаивает химическую форму движения материи, могли бы сказать, что и метод молекулярных орбиталей исполь зует традиционные химические понятия, например, этот метод применя ется в варианте МО ЛКАО, что означает: молекулярная орбиталь равна ли нейной комбинации атомных орбиталей (атомной орбиталью называют олноэлектронную волновую функцию атомов). Метод МО ЛКАО несет на себе печать доквантовой химии, а именно опирается на представление о молекуле как системе, состоящей из атомов. Но этот аргумент в поддерж ку химической формы движения исходит из узкого взгляда на метод моле кулярных орбиталей. Хотя исторически этот метол действительно строил ся на идее МО ЛКАО, он не сводится к этой идее. Начиная с середины XX в. метод молекулярных орбиталей «работает» в первую очередь как ме тод компьютерных расчетов. Он совершенствуется, основываясь на эф фективности этих расчетов. При этом возникают такие его разновидности, которые не только не отвечают химической интуиции, а скорее идут против нее.

Нельзя не согласиться с Кедровым, когда он замечает, что «никакая квантовая механика, даже с помощью самой современной электронно- вычислительной машины, не может описать химический про цесс, в котором задействовано порядка 10²² молекул, и котором участву ют не идеально чистые вещества, который протекает... в определенном сосуде и при определенных условиях, например, при помешивании и т.д.». Вместе с тем, чтобы применить квантовую механику, надо сформулировать задачу на языке этой теории, т.е. это должна быть задача из теории строения атомов и молекул, химической связи и элементарного химического акта. Вопрос о ходе реакции «при помешивании» в терминах квантовой механики не ставят и не ре шают. Отсюда не следует, что здесь действуют какие-то химические за коны, не сводимые к физическим. Физика не исчерпывается квантовой механикой, объяснение химических процессов следует искать также в термодинамике, статистической механике и кинетике. В самой физике существуют прикладные области (например, физика твердого тела), в которых, как и в химии, используются приближенные методы и многое достигается в результате использования не только квантовой механики, но и электродинамики, классической статистической механики. Однако это не означает, что физика не сводится к физике!

Концепция химической формы движения, разработанная Кедровым на базе идей Энгельса, была поддержана рядом отечественных философов, которые вносили в нее некоторые коррективы. Не останавливаясь на этих работах, заметим, что философские попытки проведения в природе разграничительных линий (пусть диалектических) оказывались до сих пор безуспешными. Кедров пишет, что границы между химией и физикой подобны границам между дружескими государствами: они не раз деляют, а соединяют эти науки. Этого мало: границы между физикой и химией относительны, подвижны, неопределенны. Всякие попытки как-то зафиксировать эти границы рано или поздно входят в противоре чие с теми идеями и методами, которые возникают в науке.

Вместе с тем, можно утверждать, что химию и физику отличают не фрагменты природы, которые изучают эти науки, а способы познания, способы исследования. Предмет химии, как я предмет любой другой на уки, — это не природа «до человека и без человека». Этот предмет формируется в ходе практической деятельности человека, включающей в се бя в качестве составной части научную деятельность. В результате предмет приобретает характер задачи, решаемой данной наукой. Эта задача модифицируется и развивается, но она сохраняется, поскольку дан ная наука сохраняется в структуре естествознания.

Химия известна своей глубокой связью с промышленностью, с техно логией. Эта связь более сильная, чем связь с промышленностью физики. Последнее следует хотя бы из того факта, что существует химическая про мышленность, но нет физической промышленности. Здесь нужны ого ворки и уточнения. Существует, например, промышленная электроника, радиопромышленность и т.д. Следовательно, такие области, как радиофи зика, квантовая электроника, не удалены от промышленных разработок. Все же вовлеченность в промышленность — это не то, что объединяет между собой различные области в физику как науку. В то же время «часто говорят, что химия является и наукой, и производством. А под термином «большая химия» обычно подразумевают ту область химической индуст рии, которая производит многотоннажную продукцию».

Отмечая взаимосвязь и в то же время дистанцированность физики и технологии, известный советский физик, основатель санкт-петербургско го Физтеха А.Ф. Иоффе назвал физику «техникой будущего». Физика имеет огромное прикладное значение, подчеркивает тем самым Иоффе, но она включает теоретические и даже абстрактные исследования, при кладное значение которых проявляется лишь в исторической перспективе.

Принцип «физика — техника будущего» был выдвинут Иоффе в 1936 г. в ответ на призывы, исходящие от советского руководства, соединить на уку и производство. Иоффе не возражал против приближения теории к практике, но призывал учитывать специфику физики как науки. Примерно в те же годы Н.Н. Семенов (1896—1986) основатель Института хими ческой физики, будущий Нобелевский лауреат, говорил о химии как о «науке и производстве». «Основным и наиболее характерным предметом химии как науки и как производства, — утверждал он, — являются про цессы получения из определенных веществ (сырья) новых веществ (продуктов), обладающих существенно новыми свойствами».

Семенов упомянул в качестве связующего звена, соединяющего хи мическую науку и химическое производство, вещество. Вещество (близкие понятия — «материя», «субстанция», «тело» и т.д.) — это природные объекты, вещи, взаимодействующие с человеком, удовлетворяющие его потребности, проявляющие по отношению к нему широкое разнообра зие свойств, среди которых есть полезные, вредные, нейтральные. Вещ ество — это сырье, продукт, полупродукт (промежуточный продукт) производства, а также окружающая человека среда, рассмотренная со стороны ее свойств и состава. Вещество бывает живое и неживое, веще ство — это то, из чего состоит человек (микрокосм), и космос в букваль ном смысле этого слова.

Однако выделив вещество в качестве предмета химии, мы попадаем примерно в ту же ситуацию, что и в случае химической формы движения. Вещество столь же изучает физика, сколь и химия. Книги по физике содержат главы «Тепловые свойства вещества», «Строение вещества» и т.д. В статье «Вещество», написанной для Большой советской энциклопедии, известный советский физик, послевоенный президент АН СССР, СИ. Вавилов утверждал, что вещество образуют частицы, обладающие отличной от куля массой покоя.

Однако химия и физика, познавая вещество, ставят разные акценты. Физику в основном интересуют общие свойства вещества, химию — индивидуаль ные и особенные. Физику вещество интересует с точки зрения его внут реннего строения. Выясняя внутреннее строение вещества, физика при ходит к весьма общим теориям — квантовая механика, квантовая теория Поля. Физика также рассматривает свойства макроскопического вещест ва — теплоемкость, магнетизм, магнитную восприимчивость и т.д. Эти свойства интересуют и химию. Но ее интересуют не эти свойства сами по себе, а скорее комплексы свойств (физических, химических, физико-хи мических, экологических), характеризующие некий химический инди вид — химический элемент или химическое соединение. В принципе, хи мия идет еще дальше в индивидуализации вещества. Ее, например, могут интересовать свойства осадка, полученного в такой-то реакции, прове денной в такой-то лаборатории при таких-то условиях, свойства железной руды, добываемой, скажем, близ Томска. При этом химию привлекают не только индивидуальные вещества, но и индивидуальные химические реакции (предмет химической кинетики). Минимальное описание кинетической системы включает установление необходимой и достаточной ин формации, позволяющей в каждый данный момент времени построить подобную же систему, имеющую идентичные свойства... При изучении каждой частной системы исследователь обычно начинает с попытки вы делить индивидуальные факторы, влияющие на скорость реакции.

Далее, химия и физика по-разному схематизируют ве щество. Физике свойственны глубокие абстракции и идеализации, пренебрегающие, по сути дела, почти всеми воспринимаемыми свойствами и оставляющие одно-два как существенные. Так, например, такие вещи, как брошенный камень, маятник, качающийся на длинной нити, плане та, совершающая орбитальное движение вокруг Солнца, рассматривают ся как материальные точки, т.е. за ними закрепляются только их масса и положение в пространстве и времени. Не менее известна другая идеализа ция — твердое тело (или абсолютно твердое). Здесь, кроме того, фиксиру ются размеры и форма тела. Черным телом (или абсолютно черным) на зывают тело, которое при любой температуре полностью поглощает падающее на него излучение (реальные черные тела, скажем сажа, не являются таковыми, ближе всего к черному телу приближается небольшое отверстие а замкнутой полости, стенки которой поглощают свет).

В свою очередь, химия стремится к более «мягким» идеализациям и схематизациям. Обычно химические идеализации удерживают множество свойств, из которых выделяется одно, которое служит базисом иде ализации, ее «визитной карточкой», идентификатором. По этому свой ству такая идеализация отличается от других идеализации. Тем не менее химические идеализации всегда открыты для уточнения, коррекции. При этом может пересматриваться свойство, составляющее базис идеа лизации. Важно, однако, чтобы сохранялась преемственность: каждый раз при таком пересмотре должно сохраняться большинство свойств, со ставляющих данную идеализацию.

Сказанное станет понятным, если рассмотреть несколько примеров. Начнем с обычной химической идеализации: кислота. Кислотой называют вещество, обладающее кислым вкусом (англ.acid происходит от лат. acidus — «кислый»), разрушающее такие металлы, как цинк и железо, но не действующее на медь и драгоценные металлы, нейтрализующее основания (щелочи). По предложению A. JI. Лавуазье (]743— 1794), теоретической ха рактеристикой кислоты служило содержание в веществе кислорода. По мере развития химии водных растворов становилось, однако, ясным, что более характерной составной частью кислот является водород. Так, напри мер, в конце XVIII в. К.Л. Берталле (1748—1822) показал, что соляная кис лота не содержит кислорода и что ей отвечает формула HCL. Через сто лет С. Аррениус (1859—1927) обобщил эти идеи, предположив, что водные растворы кислот содержат ионы водорода. Между тем эксперименты в неводных растворителях и даже многие реакции в водных системах требовали дальней ших обобщений. Одно из таких обобщений было выдвинуто Г. Льюисом (1875—1946), который определил кислоту как вещество, способное адаптировать пару электронов с образованием ковалентной связи.

Кислота выше определялась как вещество, имеющее кислый вкус, разрушающей цинк и железо и т.д. Но кислотой в смысле Льюиса может быть обычная вода. Та же вода может быть и основанием. Таким образом, вещество в том виде, как оно присутствует в химии, это продукт идеализации и схематизации действительности. Но эти идеализации и схематизации — не столь радикальные, как в физике.

Чтобы лучше уяснить специфику теоретического знания в химии, полез но обратиться к концепции естественного вида, за которой стоит большая философская традиция. « Естественные виды — классы предметов, обладающих с точки зрения современной науки общностью глубинных характеристик. Скажем, вид сумчатых, включающий в себя кенгуру, опоссума, сумчатую мышь (хотя исключающий обычную мышь), является естественным, а вид круглых предметов, включающий теннисный мяч, Земной шар и головку сыра — нет. Примерами естественных видов могут служить также золото, лимон, кислота».

Как известно, в химии большое место занимают классификации. Химия стремится к естественным классификациям, выражающим естественные виды. Однако проблематика естественного вида позволяет сказать больше о природе химического знания. Она не только подчеркивает значение классификаций, эта проблема проясняет природу химических понятий. Естественными видами в химии являются индивидуальные вещества: вода, серная кислота, царская водка и т.д., классы химических соедине ний — кислота, основание, металл и т.д. Естественные виды — это также «сложное вещество», «простое вещество», «химический элемент». В то же время к естественным видам не относятся идеализации, используемые в физике. Скажем, материальная точка, представляющая Землю на орбите, груз на длинной нити и камень, брошенный пол углом к горизонту, это не естественный, а искусственный вид. То же можно сказать про идеализацию «твердое тело». Это и физический маятник, и Земля, совершающая суточное движение, и твердый диск, катящийся по Земле.

Естественные виды не поддаются строгим теоретическим определениям. На это указывал еще И. Кант. Они определяются через совокупности признаков, причем эти совокупности открыты уточнению и изме нению. Объясняя концепцию естественного вида, можно было бы воспользо ваться приведенными выше примерами: «кислота», «металл», «химичес кий элемент». Обратимся, однако, к еще одному примеру, часто фигури рующему в современной философской литературе, — воде. Вода долгое время трактовалась как элементарное вещество. Как известно, у Аристотеля, чьи воззрения определили теоретическую базу средневековой хи мии, вода, наряду с воздухом, огнем и землей, была одним из четырех эле ментов. В алхимии список элементов был расширен до семи, но вода неизменно понималась как элемент. В период господства теории флогистона стали высказываться гипотезы, касающиеся сложного состава воды. Например, вода рассматривалась как соединение «дефлогистированного воздуха» с флогистоном. И, наконец, Лавуазье, отказавшийся от теории флогистона, установил двухэлементный состав — водород и кислород, который после уточнения атомных весов дал современную формулу.

Это открытие позволило по-новому оценить отношение воды к тому, что считается ее твердым и газообразным агрегатными состояниями — льдом и паром. Принципиальное родство этих веществ предполагалось и ранее, но высказывались и противоположные точки зрения, например, еще в 1734 г. шведский ученый М. Тривальд предполагал, что пар — это нагретый влажный воздух. Но не только пар, лед и жидкая вода составля ют естественный вид «вода». Сюда следует отнести морскую воду, речную воду, ключевую воду, талую воду, росу и т.д. Морская вода, скажем, замер зает при t =1, 9°С и имеет максимальную плотность при t =3, 5°С (пресная вода имеет максимальную плотность при 4°С). Абсолютно чистая вода, которую пока никто не получал в лабораторных условиях, согласно расчетам, обладает огромным поверхностным натяжением. Такая вода не кипит, даже если ее нагреть на несколько десятков градусов выше точки кипения, и не замерзает при температуре ниже 0°С.

Надо также учитывать, что формула Н₂О дает лишь состав воды, но не определяет ее структурную специфику. Согласно закону постоянства соста ва, состав — необходимая характеристика индивидуального вещества, называемого химическим соединением... Микроструктура воды не описана еще полностью. Ясно, однако, что мы имеем здесь дело с огромным много образием.

Любой данный образец чистой воды обнаруживает различные микроструктурные характеристики... если его испытывают на химическую идентичность... меняя условия, как это предусмотрено у Оствальда. Образцы воды в растворах обнаруживают также различные микроструктуры, да же когда выдерживается одна и та же температура и одно и то же давление».

Да, вода — это Н₂О. Но что такое жидкая вода? Уже В. Рентген в 1892 г. публикует статью «Строение жидкой воды», ставшую важным этапом в по нимании фазовых состояний этого вещества. Он исходит из того, что смесь молекул льда (Н₂О) и мономерных молекул Н₂О наилучшим образом объясняет свойства воды. В представлениях У. Брега Н₂О соответствующая водяно му пару, в жидком состоянии вода состоит из групп, имеющих четыре, пять иди шесть кислородных атомов. Для льда характерны шестичленные кольца бензольного типа. Структурные исследования волы продолжаются и сейчас.

Обычно в философской литературе химические примеры использу ются, чтобы пояснить важное для философов понятие естественного ви да. Здесь же, наоборот, понятие естественного вида используется, чтобы пояснить специфику химии. Для этой науки типичны понятия, выражающие естественные виды.

Концептуальные системы химии и ступени исторического развития в химии

Концептуальные системы химии названы по аналогии с концептуальными системами физики, рассмотренными Б. Гейзенбергом. Это следующие системы: 1) учение о химических элементах и составе вещества (сюда относятся периодическая система элементов Д.И. Менделеева и связанные с ней обобщения, концепции соединений постоянного и переменного соста ва, теория валентности), 2) структурная химия 3) учение о химическом процессе (кинетика и теория катализа) и 4) химия самоорганизации (концепция диссипативных систем И. Пригожина, теория реакции Белоусова—Жаботинского, эво люционный катализ, учение о химической эволюции).

Концептуальные системы последовательно формировались в ходе исторического развития химии. Хотя периодический закон был установлен Д.И. Менделеевым в 1869 г, учение о химических элементах в целом сложилось в начале XIX в. В первой половине XIX в. обозначились две концепции хи мического состава — концепция дальтонилов и концепция берташидов. В начале второй половины XIX в. формируется структурная химия, и учение о химических элементах развивается в контексте структурных представле ний. Решающие события в становлении химической кинетики произошли в последней трети XIX в. И наконец, химия самоорганизации заявила о себе в 1970-х гг. Каждая новая концептуальная система не отменяла и не поглощала предыдущую, а, так сказать, надстраивалась нал ней.

Формирование концептуальных систем химии может быть выражено следующим образом.

1. Возникновение структурной химии в русле развития учения о химических элементах. Триада (треугольник) " состав-свойство-структура": горизонтальная линия «состав—свойство» — это квинтэссенция того, к чему пришло учение о химических элементах в первой половине XIX в. Объяснение свойств, исходя из состава, стало центральной проблемой химии. Но как объяснить, исходя из состава, свойства изомеров и полимеров? Этот вопрос возник в органической химии в середине XIX в., и он привел к выходу на авансцену понятия структуры.

2. Триада (треугольник) " структура-функция-организация", символизирующий формирование кинетических теорий. Он указывает, что кинетика химических систем стала изучаться с целью объяснения функций этих систем, их реакционных способностей: подобно тому как состав химического вещества не всегда может объяснить его свойства и для этого объяснения требуется понятие структуры, структура вещества не всегда может объяснить его функцию, реакционную способность, и для этого объяснения требуется изучение организации, кинетики той реакционной системы, в которую включено данное вещество.

Остановимся на упомянутых понятиях. Под свойствами вещества подразумеваются характеристики, «закрепленные» за данным веществом. Разумеется, свойства проявляются во взаимодействии с другими объектами. Но это «стандартные» взаимодействия, которые неявно входят в содержание понятий «свойство». Реакционная способность характеризуется не только перечнем свойств вещества, но и способов его реагирования, скоростями возможных реак ций, их конечными и промежуточными продуктами. Если свойство веще ства вытекает из его структуры, т.е. детерминируется наличием в веществе тех или иных элементов и порядком связей атомов этих элементов в хими ческую частицу, то по-иному обстоит дело с реакционной способностью данного вещества. Вообще говоря, эта характеристика вещества не может быть выведена из структуры этого вещества. Структура системы — это совокупность ее элементов и порядок связей между ними. Организация системы — более емкая ее характеристик а, уместная, когда эта система одарена внутренней динамикой. Рас крыть организацию системы значит раскрыть, кроме структуры этой системы, ее «программу», т.е. выяснить схему ее реагирования в ответ на изменение ее граничных условий.

Выше было отмечено, что структурные теории возникли в химии в на чале второй половины XIX в. Химическая кинетика (теория химическо го процесса) сложилась с итоге следующего этапа развития химии, этапа, частично совпавшего с этапом, формирования структурных теорий. На чало химической кинетики обычно датируется 1880-ми гг. Были установлены понятия «элементарный акт», «порядок и механизм химической реакции», прослежена зависимость константы скорости от температуры и выдвинуто понятие энергии активации. Но взгляд на химическую кинетику как на новое направление в теоретико-химических исследовани ях возникает лишь в 30-х гг. XX в., когда создается теория элементарного акта химической реакции и, что самое главное, учение о сложных хими ческих реакциях, состоящих из множества последовательных, параллель ных и конкурирующих элементарных стадий. В 1930-х гг. Н.Н. Семенов, один из создателей теории цепных реакций (а цепные реакции — харак терный пример сложных химических процессов), поставил задачу «по вторить путь химии... в кинетическом аспекте», т.е. провести работу по классификации и систематизации химических реакций, подобную той работе, которая была проведена раньше с химическими соединениями.

Частично химическая кинетика — результат физикализации химии. Вы шеупомянутая теория элементарного акта химического процесса возникла на базе квантовой механики и строилась в рамках парадигм, заданных кван товой трактовкой простейших взаимодействий молекул. Однако теория элементарного акта — лишь часть химической кинетики. С выяснением физической природы элементарного акта центральной задачей химической кинетики становится задача изучения увязки элементарных актов в химическую реакцию. Эта задача уже не решалась на базе теоретической физи ки. Увязка элементарных актов (точнее элементарных стадий, основу которых составляют элементарные акты) химических процессов проводилась на базе химического опыта, эксперимента с привлечением идей физики и пу тем математической обработки экспериментальных данных.

Примечательно, что первые свои теоретические шаги химическая ки нетика делала на основе разработки структурных представлений химии. Лишь позднее стало осознаваться, что концептуальные ресурсы струк турной химии ограничены и требуются принципиально новые идеи. Так, одним из первых кинетических понятий стало понятие «механизм реак ции». Механизм реакции — это своего рода развертка структуры реагиру ющих веществ во времени. Выяснить механизм реакции и значит рас крыть совокупность элементарных стадий, составляющих реакцию, а также закон (кинетическое уравнение), связывающий эти стадии между собой. Первоначально механизм характеризовали еще проще — лишь че рез совокупность элементарных стадий. Постепенно, однако, химикам стало тесно в рамках даже полного понятия о механизме реакции. Ограниченность понятия «механизм» привела к формулированию новых понятий, выражающих природу реакционных систем, таких, как «динамика» химического превращения, «внутренняя кибернетика каталитической системы». Фактически эти понятия выражают то, что было очерчено выше как «организация химической системы».

Подобно тому, как кинетические теории возникли при объяснении функции — реакционной способности химического соединения, теории самоорганизации зародились при объ яснении поведения химических систем — изменения их целостных харак теристик. Организация реакционной системы — это внутреннее устройство этой системы плюс схема се реагирования на изменение граничных условий. Самоорганизация реакционной системы — это структурирование, отражающее внутренние ресурсы этой системы.

⇐ Предыдущая 24 25 26 27 282930 31 32 33 Следующая ⇒