1. Объект химии. Основные внутренние противоречия развития химии

1. Объект химии. Основные внутренние противоречия развития химии

Химия — одна из фундаментальных отраслей знаний. Ее развитию и структуре присущ ряд специфических особенностей. Прежде всего следует отметить тесную связь химии с практикой и производством на всех ступенях ее развития. Способность химиков как бы «самим создавать себе объект» — синтезировать вещества с безграничным разнообразием свойств — обусловила возрастающую роль химии в прогрессе человеческой цивилизации. Во многих случаях современные химические производства достигли такого совершенства, а получаемые вещества — такой сложности, что между наукой и промышленностью в значительной мере стирается существенное различие. Это отражается в современном языке: слово «химия» выражает не только отрасль знания, но и весь комплекс химических производств.

Потребности производства и практики были определяющими в формировании объекта химии[83] и во все периоды развития влияли на ее структуру. Химия издавна была тесно связана, с одной стороны, с медициной через фармацевтическое производство, с другой — с металлургией и горным делом. Однако относительная простота превращений неорганических веществ привела к тому, что первоначальные понятия химической науки были сформулированы на основе изучения превращения соединений металлов, их восстановления из руд, окисления при нагреве и образования сплавов.

Исходным понятием химии является «химический элемент». Первое научное определение его было дано в эпоху формирования основ современного естествознания — в середине XVII в. Р. Бойлем. Формирование понятия о химическом элементе проходило под непосредственным влиянием той эпохи, в которую складывалась основная концепция физической картины мира в целом. «Бойль делает из химии науку»[84], — отмечал Ф. Энгельс.

В дальнейшем в связи с общим развитием материального производства особенно сильно возрастал интерес к исследованию превращений органических веществ. Однако окончательное формирование органической химии как самостоятельной отрасли науки произошло лишь в первой половине XIX в. Бурное развитие капиталистической промышленности потребовало усовершенствования ряда производств, в которых использовались органические вещества (бродильные производства, изготовление красителей). Это подтверждает тезис материалистической диалектики о решающем влиянии производства на развитие науки. К возникновению органической химии как науки вполне приложимо высказывание Ф. Энгельса по поводу других отраслей знания. Об электричестве он писал, что о нем «мы узнали кое-что разумное только с тех пор, как была открыта его техническая применимость»[85].

Дальнейшее развитие отраслей химической промышленности еще более усилило воздействие проблем превращения веществ органической природы на формирование объекта химии. Хотя прогресс промышленности значительно продвинул развитие химии в целом, органические производства имели явный приоритет. В результате процесс дальнейшей дифференциации объекта химии пошел по пути выделения таких важных областей органической химии, как химия высокомолекулярных соединений и биоорганическая химия.

Наряду с этим происходили и интегративные процессы. Отдельные отрасли органической химии начали сливаться с неорганикой — появились такие направления, как элементоорганическая химия и химия координационных соединений. В двух последних отраслях химической науки проблематика, свойственная неорганической и органической химии, слилась. Присоединение сложных органических радикалов к различным элементам позволило выявить неизвестные ранее тончайшие особенности поведения многих элементов системы Менделеева, создать вещества, обладающие рядом уникальных свойств (катализаторы, лекарственные препараты).

Наряду с прогрессом указанных отраслей химии (в особенности химии высокомолекулярных соединений, во многом определившей направление развития материального производства) во второй половине XX в. особое значение приобрели материалы, способные функционировать в экстремальных условиях (при высоких температурах и давлениях, мощных излучениях, в космическом вакууме). Эти обстоятельства стимулировали прогресс химии неорганических соединений. В связи с этим возникли новые отрасли химической науки, изучающие свойства особых систем, такие, как химия плазмы, исследующая состояния вещества при высоких температурах, химия огнеупорных материалов, специальных сплавов. Эти системы, как правило, включают в себя неорганические вещества, однако чаще всего они не являются индивидуальными соединениями, а представляют собой сложные смеси или композиции. Исследование таких систем как новых объектов химии составляет важное направление современной химической науки.

Рассмотренные выше причины, вызвавшие развитие и дифференциацию объекта химии, не исчерпывают всех факторов, определяющих структуру этой науки. Последняя обусловливается воздействием наук о жизни и наук о Земле как непосредственно, так и через практические или промышленные запросы, сочетающиеся с влиянием внутренних факторов.

Внутренние факторы, стимулирующие процесс формирования химии, достаточно сложны. Они начали обнаруживаться тогда, когда химия достигла высокого уровня развития и накопила большой фактический материал. В их основе лежит взаимодействие химии с другими отраслями естествознания, прежде всего с физикой. Хотя исторически химия долгое время считалась отраслью, близкой к биологии, тем не менее именно введение физических понятий и исследование физических параметров формировало теорию химии.

В первую очередь это относится к исследованию двух основных механических параметров вещества — веса и объема. Исследование веса привело к формулировке и экспериментальному обоснованию понятия химического элемента. Действительно, после разработки основ механической картины мира понятие массы и веса открыло возможности для количественного изучения химических превращений. Исследования веса как меры количества материи позволяли прямо устанавливать факт протекания процесса разложения вещества. На основе этого и в результате открытия возможности экспериментального обнаружения газообразных состояний удалось проследить процесс разложения на составные части важнейших веществ природы. При этом были установлены реальные пределы такого разложения — химические элементы или «начала». К концу XVIII в. благодаря трудам М. В. Ломоносова, А. Лавуазье, Дж. Пристли был составлен список этих элементов, включавший несколько десятков наименований.

Химический элемент как эмпирический предел анализа получил теоретическое обоснование в атомистике Дж. Дальтона. Хотя атомистические представления появились в науке еще в эпоху античности, тем не менее только атомистика начала XIX в. позволила подойти к конкретной числовой характеристике веса атома. Он определялся экспериментально на основе химического анализа.

В отличие от веса другой важнейший физический параметр — объем был введен в химию позднее. Это связано со спецификой взаимодействия ньютонианской и картезианской традиций в естествознании. Атомистика Дальтона, построенная на использовании веса и массы, представляла собой продолжение ньютонианской традиции, оставляя в стороне факторы, связанные с объемными или вообще пространственными характеристиками вещества. Такое ограничение было исторически необходимым. Однако уже в первой половине XIX в. открылась возможность использования данных об объеме прежде всего для изучения газообразных тел. Эти данные оказались важными для формирования второго (после атома) фундаментального микроскопического понятия химии — понятия о молекуле.

Атомно-молекулярная теория составила базис теоретической концепции химии. На ее основе происходило дальнейшее развитие теоретических основ химии. Понятие о молекуле связано с пониманием природы химического взаимодействия. Подход к молекуле как системе взаимодействующих атомов, образующих единство, позволил точнее сформулировать еще одно важное понятие — химическое соединение. Дальнейшее развитие внутренней логики химии шло по пути выяснения соотношений между отдельными химическими соединениями и элементами. На этом пути обнаружилась особенность объекта химии, отличающая его от объекта других наук о природе, в том числе и биологии.

В первую очередь это удалось выяснить на примере органических соединений. Успехи органического синтеза, в том числе получение тех веществ, которые возникли в процессе жизнедеятельности организмов, поставили вопрос о классификации химических соединений. Действительно, если органические вещества могут быть синтезированы искусственно из неорганических, то принципы биологической классификации к ним неприменимы (например, нельзя делить вещества на растительные и животные). В частности, детальный анализ взаимных переходов и состава большого числа органических соединений показал, что система их отношений коренным образом отличается от таковой в живой природе.

Уже со времен К. Линнея между видами животных и растений обнаруживались упорядоченные иерархические связи. Объекты живой природы группировались в виды, роды, семейства, классы, типы, которые в той или иной степени отражали генезис живых организмов. Попытка же нахождения такого генетического порядка среди объектов химии — химических соединений — не давала конструктивных результатов. Хотя между химическими соединениями существовали тесные взаимосвязи, они не образовывали последовательные иерархические ступени, отношения между ними были иные. Эти отношения представляли собой более или менее развитые выражения сходства. При этом сходные соединения образовывали ряды, в которых соседние члены были очень близки друг другу, тогда как крайние могли сильно отличаться. Более того, каждый член ряда находился на пересечении нескольких рядов, построенных по разному принципу сходства.

Первоначально считали, что отношения, известные в биологии как гомологические, не имеют прямой связи с происхождением органических соединений, но в середине XIX в. примеры таких гомологических рядов химических структур были описаны в работах многих химиков-органиков. При этом члены гомологического ряда были связаны не только между собой, но обнаруживали параллелизм с аналогичными представителями других соседних рядов (например, ряду углеводородов соответствовали ряды спиртов, кислот). Таким образом, совокупности химических соединений образовывали не генеалогические древа, а скорее систему пересекающихся рядов, своеобразную сетку или таблицу. Эта особенность объекта химии требовала развития совершенно иного теоретического аппарата, отличного от того, которым пользовалась биология. Принцип развития (генетической таксономии) здесь был неприменим или по крайней мере преждевременен.

Для дальнейшего продвижения в области познания объекта химии необходимо было выработать новый концептуальный аппарат. Этим аппаратом стала структурная теория. Современное содержание понятия «структурная теория» (или «теория строения») многопланово. Оно включает широкий круг теоретических концепций и эмпирических описаний структурных особенностей вещества. Структурная теория охватывает проблемы многообразия химических превращений, тесного единства структуры и процесса, взаимосвязи данного вещества с исходными веществами и продуктами разложения и др.

Следует отметить, что решение этих проблем с помощью фундаментальных принципов строгой теории пока невозможно. Хотя в этой области, особенно в связи с применением электронно-вычислительной техники, достигнут большой прогресс, химикам в практической работе приходится часто прибегать к эмпирическим методам. Область эмпирических исследований в химии очень широка и по существу в настоящее время составляет основу теоретических концепций этой науки. Исследование природы эмпирических объектов в химии тесно связано с проблемой моделирования. Можно даже говорить в какой-то степени о единстве эмпирических соотношений и моделей в химии[86].

Рассмотрим кратко некоторые важнейшие типы эмпирических методов и моделей. Исходным моментом эмпирических классификаций является отмеченная ранее особенность химии — наличие сети пересекающихся рядов сходных объектов. На эти ряды опирается большинство эмпирически найденных соединений, которые не являются универсальными, а существуют в пределах группы соединений. Первоначальным эмпирическим описанием, которое можно рассматривать и как математическую модель, является эмпирическое уравнение, связывающее несколько разных свойств или одно и то же свойство в двух сходных рядах. Такие эмпирически открытые соотношения часто объясняются на основе периодической системы элементов (например, связываются температуры разложения и теплоты образования в ряду сульфатов в группе металлов или, наоборот, сравниваются теплоты образования ряда сульфатов и селенатов одних и тех же металлов).

Такое соотношение задается в виде математической функции, в которой в качестве аргумента выступает одно свойство, а функции — другое. Подобное уравнение аналогично математической модели какой-либо системы типа «черного ящика», где в качестве «входа» используется одно свойство, в качестве «выхода» — другое. Часто такие соотношения носят название корреляций. Они широко применяются для оценки свойств неизвестных соединений путем интерполяции в ряду сходных веществ. Фактически на этом же принципе были основаны известные предсказания Д. И. Менделеева о существовании нескольких не открытых еще элементов (галлий, скандий, германий). В этом смысле периодическая система химических элементов может рассматриваться как своего рода модель химических взаимосвязей.

Очень важное место среди методов моделирования занимают аддитивные модели. Хотя химическое соединение нельзя представить как сумму составляющих его элементов, тем не менее при выполнении определенных условий вполне можно составить схему расчета, согласно которой свойства сложного вещества составляются из вкладов входящих в него частей. Такие схемы с успехом используются для расчета рефракции (функции коэффициента преломления), диамагнетизма, энтропии и других явлений. Существуют и широко применяются на практике таблицы инкрементов — вкладов, которые вносят в общее свойство соединений определенные атомы или их группы. По существу перечисленные модели в значительной степени являются эмпирическими. Они лишь отчасти опираются на какие-нибудь теоретические соображения и сводятся к предположению о наличии простейших связей между свойствами химических соединений.

Наряду с этим широко используются модели, которые прямо строятся на основе определенных теоретических положений. Поскольку, однако, реальные химические системы очень далеки от идеальных объектов, которые описываются теорией, в теоретические уравнения вводятся поправки. Последние носят эмпирический характер, в результате чего вместо теоретического уравнения появляется другое, полуэмпирическое, связанное с первым по принципу подобия. Именно так используются, например, уравнения газов и растворов, в которые вместо реальной концентрации вещества вводится активность (концентрация умноженная на поправочный множитель). Аналогичным образом во многих формулах для расчета энергии связи электрона с ядрами используются «эффективные заряды» вместо их точного значения.

В целом совокупность этих методов, сводящаяся к составлению эмпирических уравнений, подобных теоретическим, может быть названа моделированием по методу подобия. К последнему типу моделей непосредственно примыкают чисто теоретические уравнения, опирающиеся на фундаментальную теорию Перечисленные методы могут рассматриваться как случаи системного моделирования. Здесь химические особенности системы задаются ее составом и положением в ряду сходных объектов. Структурные особенности каждой системы принимаются во внимание лишь частично.

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.