Детерминизм и проблема единства химии как науки

Согласно представлениям В. И. Кузнецова, развитие химии можно представить себе в виде формирования концептуальных систем, опирающихся на прежние системы и приводящих к более высокому уровню нашего знания о химизме, то есть о химической природе какого-нибудь вещества, явления, процесса^[1]. Вслед за Гейзенбергом Кузнецов вводит понятие концептуальной системы как системы, которая соотносится с определенной материальной химической системой, различные элементы и стороны которой отражают теории, входящие в эту концептуальную систему.

В истории научной химии Кузнецов выделяет четыре концептуальные системы: 1) учение о составе; 2) учение о структуре; 3) учение о реакциях; 4) учение о химической эволюции. Отмечается, что в становлении четвертой концептуальной системы главную роль сыграла разработка общей теории химической эволюции и биогенеза, впервые предпринятая в теории эволюционного катализа. Появляются исследования конкретных проявлений зависимости реакционной способности от самых различных структурных факторов. Одним из них является следующее представление об иерархии концептуальных систем в химии:

• 1) атом химического элемента;
• 2) молекула химического соединения;
• 3) кинетическая система реагирующих веществ;
• 4) высокоорганизованная каталитическая система^[2].

Одной из основных философских проблем химии, которая представляет собой не только ее теоретический, но и исторический стержень, является инвариантное ядро химии, связывающее воедино понятие вещества и химического превращения. Эта проблема является предметом исследований многих философов и историков науки. Например, в работе В. И. Кузнецова и 3. А. Зайцевой «Химия и химическая технология. Эволюция взаимосвязей» отмечается, что эта проблема является основной в историческом развитии химии^[3]. Обращение к проблеме инвариантности ядра химии позволяет исследовать специфику понятий времени и пространства в химии. Химия предстает и как наука, и как производство (II. Н. Семёнов). Инвариантным ядром химии является двуединая проблема: 1) теоретическая проблема генезиса свойств вещества, или проблема реакционной способности; 2) производственная проблема получения веществ с заданными свойствами.

Исторически первым способом решения проблемы генезиса свойств вещества является натурфилософский. Изначально химия была областью практической деятельности человека. В Древнем мире были широко распространены металлы, и людям той эпохи были хорошо известны различные операции над ними. Однако возникает вопрос: каковы были познания древних о металле как о веществе? В древних языках отсутствует смысл термина «металл», который характерен для современного языка. Понятие «металл» возникло не из теоретического осмысления вещества, а из практических действий над ним. Люди обращали внимание на постоянство свойств отдельных металлов. Это наталкивало их на мысль о существовании целого ряда индивидуальных веществ со своими специфическими, присущими им свойствами. Первый наиболее удобный наглядный пример многообразия веществ связан с металлом, который поддается разнообразным видоизменениям и тем самым дает представление о превращении веществ.

Овладение процессом выплавки металлов из руд и выработка методов получения из металлов различных сплавов привели в конце концов к постановке научных вопросов о природе горения, о сущности процессов восстановления и окисления. Таким образом, ремесло рождало не только средства и методы удовлетворения жизненных потребностей человека, оно приводило к развитию активности разума. Считается, что вершиной натурфилософского античного теоретизирования о веществе являются атомистические идеи, которые предвосхищают будущее знание о химических элементах и их соединениях. Учение об атомах — это плод научной абстракции, порождение «чистой» мысли.

В атомистике содержатся истоки фундаментальных химических понятий, например, таких, как атом, элемент, соединение, структура. Античная химия не способна была синтезировать такие основные понятия химического знания, как атом и элемент. Античное мышление принципиально не могло соединить представления об атомах с процессом их взаимодействия и образованием химического соединения, поскольку свойства образуемого химического соединения не являются суммой свойств составляющих его компонентов.

Возникает противоречивая ситуация: с одной стороны, образование химического соединения требовало утраты индивидуальности атома, с другой стороны, атом (в античном понимании) не мог утратить эту индивидуальность, ибо он неизменен и вечен. В дальнейшем это противоречие приводит сначала к разобщению учения об элементах и учения об атомах, а затем — к проблемам сведения воедино теории и практики.

Отличительными чертами решения проблемы генезиса свойств вещества с натурфилософской позиции являются: 1) умозрительность, 2) логическая дедукция, 3) отвлеченный объект исследования — «первоматерия», «субстанция», которая обладает свойством всеобщности. Однако для успешной практической деятельности необходимо было учение о веществе с его спецификой качественных изменений.

Другой способ решения проблемы происхождения свойств вещества зародился во второй половине XVII в. в работах английского ученого Р. Бойля. В результате появляется новая концептуальная химическая система — учение о структуре. Как отмечает Р. В. Гарковенко, история химии за столетие со времени оформления атомно-молекулярной теории свидетельствует о том, что понятие «молекула» — это первая ступенька на пути выявления химией качественного многообразия дискретных форм вещества и раскрытия внутреннего механизма его превращений. В ходе развития химических исследований, вооруженных идеями атомно-молекулярного учения, еще в прошлом веке были открыты и другие виды химических частиц.

Необходимо отметить, что введение в начале XIX в. Дальтоном в химию представления о качественной разнородности атомов различных элементов, которое понималось как следствие глубинных внутренних различий атомов, проявляющихся в нетождественности их весов и размеров, привело к появлению нового взгляда на химические процессы. Корпускуляристская концепция Бойля и Ньютона, в рамках которой предполагалась изначальная качественная однородность мельчайших частиц, не могла соотнести между собой разошедшиеся еще в древности понятия атома и элемента. Считалось, что каждому элементу соответствует определенный вид атомов.

Атомистика XIX в. фактически предполагала наличие только двух основных уровней организации вещества — макротел и атомов. Молекула понималась как сложный атом. Поэтому идеи о делимости молекул многих простых тел оказались в основном невоспринятыми химиками-атомистами. Развитие химии, ее теоретическое обоснование, требовало изменений в методологической сфере и признания, что атом и молекула представляют собой качественно различные ступени организации вещества. Существование различных систем атомных весов в первой половине XIX в. приводило к возникновению путаницы и серьезных затруднений в практике химических исследований. Существовали разногласия и в определении формул соединений, которые стали задерживать развитие химии, накопленный эмпирический материал которой нуждался в обобщении и систематизации.

Ясность в вопрос о различии атомных, молекулярных и эквивалентных весов внес С. Канниццаро. После его исследований атомно-молекулярная теория приобрела законченный характер. Атом мыслился Канниццаро не как неделимый первичный объект материи, а как некая мельчайшая «элементарная частица». Признается, что преобразования в химии, совершенные Канниццаро, завершают период установления количественных законов, тем самым химическая атомистика достигает своего полного развития и целостности.

Развитие химии на основе атомного учения выявило, что для количественного объяснения многих свойств организации вещества «двухступенчатого», дискретного представления (атом макротело) было недостаточно^[4]. Появляются идеи, согласно которым наряду с атомами существует еще один вид частиц вещества — сложные микрочастицы, состоящие из двух или нескольких атомов. Вырабатывается представление о «трехступенчатой» организации вещества: атом — молекула — макротело, — в котором химические превращения вещества предстали как процессы образования молекул из атомов, как процессы перестройки молекул. Оформление учения о дискретном строении вещества в атомно-молекулярное учение является важным моментом в выработке и конкретизации своеобразия химической картины мира.

Только после введения понятия химического элемента и разработки основ химической атомистики стало возможным изучение зависимости свойств химических соединений от их состава.

В XIX в. возникает интерес к веществам животного и растительного происхождения, систематическое изучение которых и.

привело к появлению органической химии. В работах И. Берцелиуса, Ю. Либиха, Ж.-Б. Дюма и др. были разработаны методы анализа органических соединений и исследовано множество природных органических веществ. Накопление эмпирического материала требовало обобщений, направленных на выявление особенностей химической природы органического вещества, эта потребность нашла свое выражение в первых теориях органической химии. На основе этих теорий в первой половине XIX в. химиками была разработана удовлетворительная классификация органических соединений.

Исследования органических веществ привели к смене доминирующих химических принципов: от «принципа состава» к «принципу строения». Теория атомной структуры молекул, которая является основным объектом современной структурной химии, впервые была сформулирована А. М. Бутлеровым. В 1861 г. Бутлеров стремился показать, что понятие структуры не отвергает динамических представлений. Он вводит понятие структуры как такой упорядоченности системы, устойчивость которой результирует собой активность ее внутреннего бытия. С этой теории начинается новый период в развитии химии, характеризующийся тем, что из науки аналитической она превращается в науку синтетическую. Химия этого периода считается классической.

В XIX в. произошли существенные изменения в представлениях о веществе, которые были вызваны открытием электронов, открытием сложности атомов, их делимости, их превращений (радиоактивность). В результате этих изменений сложилось современное представление об атоме как сложной целостной системе, состоящей из более мелких частиц. Были раскрыты роль и значение электронов в химических процессах, в образовании химических связей между атомами в молекулах.

Важный вклад в выявление общих закономерностей развития химических наук был сделан Д. И. Менделеевым. Необходимо обратить внимание на то, что, согласно атомистической концепции Дальтона, разиокачественность элементов проявляется в различии их атомных весов, при этом проблема взаимосвязи между химическими свойствами элемента и его атомным весом продолжительное время не рассматривалась. На основании системного подхода Менделеев обнаружил функциональную зависимость между индивидуальными свойствами элементов и их атомными весами, которую он применил к развитию химии в целом.

Параллельно с развитием представлений о строении атома в физике происходили исследования в области электронной теории валентности и химической связи (В. Коссель, Дж. Льюис, И. Ленгмюр). Создание квантовой механики привело к возможности исследования сущности явлений, протекающих в атомах и молекулах. На новом уровне было выработано понятие «химическая связь» и осмыслена сущность периодического закона. Сходство основных физико-химических свойств атомов элементов разных групп связывалось со сходством их электронных конфигураций. Главным образом это касалось распределения электронов, но внешним атомным орбиталям, заполнение которых происходит в порядке возрастания их энергий и в соответствии с принципом Паули.

Как область теоретической физики возникла квантовая химия. Однако методологически она обогатила не только химию, но все естествознание глубокими представлениями об образовании химической связи. В химию были введены новые методы описания строения различных соединений и расчета распределения электронных зарядов атомов и связей. Развитие квантовой химии привело к расширению объектной базы структурных исследований, поскольку форма существования химических соединений теперь не связывается только с молекулами. Более того, понятийная система современной структурной химии включает не функциональные характеристики молекул (распределение электронной плотности, вероятности взаимного расположения ядер, поверхности потенциальной энергии ядер), а производные от них константы, образующие группы, геометрических (длины связей, валентные углы), электронных и прочих характеристик.

Объектами структурных исследований становятся молекулярный комплекс, макротело, монокристалл и др. Изменяются представления о химических частицах, которые стали пониматься как единые квантово-механические системы, что привело к возможности развития неорганической химии в рамках структурной химии. До этих изменений неорганическая химия развивалась в русле учения о составе вещества. Как отмечает В. И. Кузнецов, перевод неорганического синтеза на уровень структурных представлений позволяет получать неорганические материалы с заданными свойствами, потому что они синтезируются с желаемой структурой^[5].

Ф. Кекуле и А. Бутлеровым были введены динамические представления в структурную теорию. Это привело к пониманию структуры вещества не только как способного реагировать определенным образом, но и как способного проявляться в ходе реакции в неких промежуточных соединениях, что впоследствии привело к появлению понятия реакционной системы.

Развитие структурной химии, связанное с переходом от статики к динамике, от «принципа строения» к «принципу процесса», является третьим уровнем концептуальной системы химии — химической кинетики. В исследовательской литературе отмечается, что химия в рамках этой концептуальной схемы руководствовалась абстрактным представлением о механизмах химической реакции. Теоретически исследуется только одна временная характеристика — продолжительность процесса. Отпечатком этого представления является то, что уравнения кинетики формально аналогичны уравнениям классической динамики. Более того, различные химические состояния понимаются как совершенно равноправные, качественно однородные и неразличимые. Поэтому справедлива точка зрения, согласно которой в формально-кинетических теориях отсутствует различие между прошлым и будущим. Это различие принимается, но условно, в содержании формально-кинетических теорий временной асимметрии нет.

В результате открытий во многих областях химии возникло принципиально новое представление о строении и свойствах материи, которое характерно для современного этапа развития химической картины мира. В XX в. в химии присутствует особый теоретический фундамент — атомно-молекулярные представления, основанные на квантово-механической модели атома. Создание квантово-химических и физико-химических концепций привело к тому, что стала возможной количественная оценка реакционной способности веществ и описание количественной характеристики особенностей протекания их химических превращений. Это привело к усилению взаимодействия теории и эксперимента.

Особенностями современной химической картины мира являются следующие положения: дифференциация и интеграция химии, появление новых, главным образом, физико-химических и физических методов исследования, применение новейшей быстродействующей вычислительной техники для квантовохимических расчетов, появление идей развития и самоорганизации, эволюционной химии и др. Остановимся на этих особенностях подробнее.

Дифференциация главных разделов химии на отдельные во многом самостоятельные научные дисциплины основана на различии объектов и методов исследования. В связи с этой тенденцией химической науки появились отдельные ветви химии — неорганическая, физическая, органическая и др., каждая из которых приобрела признаки независимой науки. Основанием разделения различных направлений химии выступали как методы (например, лазерная химия, химия высоких давлений, комбинаторная химия), так и на объекты исследования (нефтехимия, химия полимеров и др.). Возникли направления, объекты изучения которых требовали разработки специфического теоретического аппарата (радиохимия, медицинская химия и др.).

В результате интеграции химии с другими науками возникли биохимия, биоорганическая химия и молекулярная биология, изучающие химические процессы в живых организмах; на границе химии и геологии развивается геохимия, исследующая закономерности поведения химических элементов в земной коре; в связи с постановкой задачи изучения особенностей элементного состава космических тел и различных соединений, содержащихся в этих объектах, возникла космохимия. Получила признание идея, согласно которой развитие жизни на Земле явилось фактором, приведшим к образованию органогенных пород (коралловые рифы, каменные угли и др.), существенно изменившим состав атмосферы и гидросферы, а также непосредственно влиявшим на ход многих геологических процессов. Эго послужило причиной, во-первых, возникновения особого раздела геохимии — биогеохимии, во-вторых, предложения В. Вернадским названия «биосфера» для оболочки Земли, в которой протекают биологические процессы.

Исследователями отмечается, что для развития химии как и всей науки XX в. характерны некоторые «внешние особенности», которые проявились в том, что в этот период исследования проводятся в рамках не единичной лаборатории, а институтами, большими группами исследователей.

Значимость информационного фактора привела к увеличению количества периодических изданий, конференций, проведение которых способствовало быстрому обмену информацией и прогрессу химической науки. В результате к концу XX в. химия, как и любая другая наука, представляла собой громадный конгломерат научно-исследовательских разработок и мощной индустрии, химической индустрии.

Появляются новые, главным образом, физико-химические и физические методы исследования (рентгеновский структурный анализ, масс-спектрометрия, методы радиоспектроскопии и др.). Это привело к распространению применения новейшей быстродействующей вычислительной техники для квантовохимических расчетов, выявления кинетических закономерностей, обработки спектроскопических данных, расчета структуры и свойств сложных молекул.

Широкое применение физико-математического аппарата привело к использованию методов моделирования в химии. Это привело к получению информации о процессах, происходящих в сложных объектах, и к распр (хтранению компьютерного воспроизведения химического процесса. Метод моделирования является очень продуктивным, поскольку обеспечивает прогнозирование эксперимента. Появляется возможность предсказать и оптимальные условия и способы проведения реакции, и свойства получаемого вещества. У химиков появилась возможность предсказания. Предсказательная способность химии привела к важной особенности современного этапа развития химии — к смещению акцента в химических исследованиях с синтеза просто вещества на синтез вещества с заранее заданным комплексом свойств.

В XX в. появляются химические разделы, которые выходят за рамки классической химии могут быть охарактеризованы как элементы неклассической химии. В 1930;х гг. в работах русского физика и химика Н. Н. Семёнова и американского химика С. Хиншелвуда были созданы основы теории разветвленных цепных реакций. Эта теория впоследствии получила экспериментальное подтверждение. Появляются работы в области химической кинетики, посвященные динамике элементарных химических процессов (Д. Ч. Поляни, Д. Р. Хершбаха и др.). Сформировались статистическая термодинамика и неравновесная термодинамика, что означало выход за рамки классической термодинамики и привело к появлению новых подходов к изучению принципиально новых систем и т. д. Во второй половине XX в. оформилась отдельная дисциплина — сунрамолекулярная химия (химия «за пределами молекулы»).

Одной из особенностей этого периода является изменение представления о времени. Если равновесная термодинамика описывает систему, находящуюся в состоянии покоя, то в ее категориальной сетке понятие времени отсутствует, как отмечает О. Т. Бенфи, оно лишь подразумевается^[6]. Второе начало термодинамики, напротив, постулирует необратимое возрастание энтропии при переходе от одного состояния к другому. Это требует введения критерия отличия их друг от друга. Энтропия требует введения стрелы времени в теоретическом описании.

Возникает понятие переходного состояния, появление в химии которого Ю. А. Жданов называет узловым понятием современной теоретической химии, поскольку в нем стирается грань между химической реакцией и химической частицей: оно одновременно и то, и другое, оно фиксирует своеобразную точку отсчета и в развитии временных представлений в химии^[7]. Только понятие переходного состояния вводит в химию «реальное время превращения вещества» (Ю. А. Жданов). Необходимо согласиться с широко распространенной точкой зрения в исследованиях, посвященных методологическим и философским проблемам химии, что только в теории переходного состояния действительно начинается теоретическое освоение времени: время больше не является независимым от процессов временного масштаба, оно становится внутренней характеристикой самого химического процесса, который отражает упорядоченность его элементов, где переходное состояние фиксирует качественные моменты химического процесса.

Необходимо отметить, что в современной химии фигурирует понятие причинности, которое не сводится только к динамическим и статическим законам, поскольку они объединяются и проявляют себя в более развитых и конкретных формах на уровне химических превращений. На основании работы Ю. А. Жданова можно обозначить следующие формы детерминации:

• 1. Термодинамический контроль химической реакции, согласно которому система клонится к устойчивому динамическому равновесию исходных и конечных продуктов.
• 2. Кинетический контроль реакции, который противостоит термодинамическому и приводит систему не к равновесию, а к накоплению наиболее быстро образующихся веществ.
• 3. Каталитический контроль, способный ускорять или замедлять процесс, не нарушая положения равновесия. Вся биохимия — это царство сложно построенных органических катализаторов — ферментов. Одной из разновидностей катализа являются автокаталитические реакции, при которых возникающий продукт содействует образованию себе подобных молекул.

Одной из особенностей химического объекта является то, что зачастую он представляет собой цепные реакции, которые возникают по механизму пусковой причинности, когда исходный, подчас кажущийся случайным толчок приводит в действие лавинообразный процесс синтеза или распада вещества (полимеризация малых молекул в высокомолекулярное соединение, взрыв порохового заряда).

На уровне каталитических и цепных процессов возникает проблема внутренних механизмов регулирования скорости и направленности химической реакции. Здесь, как пишет Ю. А. Жданов, происходит смыкание с явлениями, которые описываются в терминах кибернетики и теории управления: возникают обратные связи, автоколебательные изменения системы, перераспределение энергии между основной реакцией и регуляторными механизмами (сорбция, конформационные изменения, транспорт). Таким образом постепенно формируются свойства молекул как носителей информации.

Обнаружение специфики коллоидной частицы привело к тому, что многие философы и историки химии утверждают об «усложнении уровней внутренней организации» вещества по сравнению с различаемыми во второй половине XIX в. атомом и молекулой. Особенностью таких сложных видов организации вещества является то, что однозначно отнести их к физическим или химическим является затруднительным. К сложным видам организации вещества относят: 1) коллоидные частицы, 2) полученные в 50 —90-х гг. XX в. «топологические» молекулы (катенаны, ротаксаны), 3) супрамолекулы, 4) наносистемы и т. п. В 1980 — 1990 гг. выделение наносистем (наноразмер — это размер коллоидной частицы) в отдельную группу химических объектов привело к формированию особого направления исследований — нанохимии.

Усиление роли химии как одной из ведущих наук также сопровождается быстрым развитием фундаментальных, комплексных и прикладных исследований, ускоренной разработкой новых материалов с заданными свойствами и новых технологических процессов. Потребности общества привели к эволюции химической технологии, которая использует как существующие природные вещества, так и получает новые химические продукты, неизвестные природе. Более того, интенсивное химическое развитие, оказывающее воздействие на природные процессы, приводит к нарушению установившихся геохимических циклов и к появлению экологических проблем.

• [1] См.: Кузнецов В. И. Диалектика развития химии. От истории к теорииразвития химии. М.: Наука, 1973; Его же. Общая химия: тенденции развития.М.: Высшая школа, 1989.
• [2] См.: Кузнецов В. И. Диалектика развития химии. С. 239.
• [3] См.: Кузнецов В. И., Зайцева 3. А. Химия и химическая технология. Эволюция взаимосвязей. М.: Наука, 1984.
• [4] СмКривокорытова Р. В. Философский камень XX века. М.: Наука, 1969.С. 69−93.
• [5] См.: Кузнецов В. И. Общая химия: Тенденции развития. С. 100.
• [6] См.: Соловьёв Ю. И., Курашов И. И. Химия на перекрестке наук. Исторический процесс развития взаимодействия естественно-научных знаний. М.: Наука, 1989. С. 18.
• [7] См.: Жданов Ю. Л. Узловое понятие современной теоретической химии//Вопр. философии. 1977. № 1. С. 110.