“Минералогический идеал” в химии

Для становления и утверждения “минералогического идеала” в химии, выражающегося в целенаправленной деятельности химиков (или физхимиков и т.п.) по синтезу аналогов природных минеральных тел, необходимо было, по крайней мере, установить химический состав природных тел и хотя бы сформировать гипотетические представления о возможности эволюционных процессов в неживой природе, т.е. представления о естественной истории и эволюции Земли и Вселенной.

Об этом подробнее сказано во второй части книги, здесь же дополнительно отметим, что становление и утверждение идеи развития природы в истории науки проистекало и в связи с деятельностью ученых по реализации “минералогического идеала”. Действительно, первичные исследования по искусственному синтезу (получению) минералов обосновывали возможность их образования в естественноисторических условиях, служили моделями малых этапов эволюции вещественных образований на Земле и других планетах; последнее, в свою очередь, стимулировало и направляло деятельность по искусственному получению минералов. Поскольку в геохимию идея развития и принцип историзма вошли достаточно определенно с начала ХХ в. (см. следующий раздел), то соответственно и качественный скачок в развитии исследовательской деятельности по реализации “минералогического идеала” произошел в ХХ в.

Первые продукты, приготовляемые как аналоги минеральным природным, были получены еще в первой половине XVIII в. В это время многие химики занимались изучением состава и свойств минеральных водных источников. В 1708 г. немецкий ученый Ф.Гофман дал первую химическую классификацию минеральных вод, а в 1735 г. приготовил первые искусственные минеральные воды. Работы в этом направлении привели в дальнейшем к возникновению бальнеологии и гидрохимии. Такие работы, однако, еще не были связаны с химическим синтезом новых веществ и соответственно не могут быть отнесены прямо к деятельности по реализации “минералогического идеала” как высшей и труднодостижимой цели.

Для того чтобы “минералогический идеал” вошел в химию, нужен был период аналитических химических исследований минералов, о котором достаточно подробно писалось выше. Поэтому закономерно, что более или менее заметные в сфере химической науки работы по синтезу минералов стали появляться с начала XIX в. К таким работам можно отнести труды И.Н.Фукса (1817), Ф.С.Бедана (1818), П.Бертье и Э.Митчерлиха (1827—1834), Ф.Вёлера, Ж.Эбельмана, А.С.Беккереля, Г.Розе, Гей-Люссака и др. (см., напр., [История, 1973, c. 89; Майер, 1989, c. 436]).

Кроме того, что также отмечено выше, для утверждения направления по искусственному синтезу минералов внутри института науки необходимы были и ориентации, задаваемые более или менее адекватными знаниями о путях естественных процессов минералообразования, совершающихся в неживой природе. Сведения о генезисе минералов в связи с их химическим составом и физическими условиями (температурой, давлением) появляются в работах ученых середины XIX в., среди них работы Д.И.Соколова, Г.Ф.Фольгера, В.Гайдингера (см.: [Соколов, 1825; Хайдингер, 1845; Фольгер, 1854]). Именно с этого времени отмечается разработка методов синтеза минералов на основании учета возможных условий их образования. Такой подход присутствует в работах Ж.Ж.Эбельмана, Ж.М.Дюрше, А.Добре, А.Сенарона [Майер, 1989, c. 436]. Этапной работой, обобщающей разнообразные аналитические и синтетические подходы в области взаимосвязей химии и минералогии, можно назвать монографию Р.Браунса “Химическая минералогия” (1914 г.), которая, по словам Ф.Левинсона-Лессинга, приведенным в предисловии к этой книге, “...не только представляет наиболее полное и научное сочинение по химической минералогии, интересное для минералогов, но и заслуживает внимание со стороны химика, петрографа и специалиста по рудным месторождениям” [Браунс, 1904].

Замечание об “интересе для химика” можно отнести, скорее всего, к тому, что в данной книге приведена специальная глава “Воспроизведение минералов” [там же, с. 229—276], в которой ряд рассуждений автора мы можем отнести к специально-методологическим. Так, он отмечает, что воспроизведение минералов, за исключением воспроизведения драгоценных минералов, имеет главным образом научные цели. Одна из таких целей — установление основных составляющих природных минералов путем синтеза их аналогов, т.е. можно сказать, что это решение научных задач идентификации методом “химического моделирования”. В этой связи Браунс замечает: “Нередко дело идет лишь о том, чтобы получить совершенно чистые кристаллические соединения (дело идет лишь о научной, а не практической задаче. — В.К.), определить точно их состав и этим установить, какие составные части в соответствующем минерале являются посторонними и несущественными” [Браунс, 1904, c. 229]. Нетрудно заметить здесь перенос методологического подхода аналитической химии, когда задачи идентификации, установления состава и структуры неизвестного соединения решаются в следующей последовательности: гипотетическая структура — синтез — идентификация.

Другой важнейшей научной задачей работ по искусственному синтезу минералов Браунс считает моделирование естественных путей генезиса (синтеза) минералов в природе. В связи с этим он замечает: “Когда, наконец, делается попытка объяснить происхождение минералов в природе, то следует стремиться воспроизвести, по возможности, те процессы, которые, по нашему предположению, привели к образованию этих минералов. Можно сказать, что данном случае говорится о технологической верификации естественнонаучных знаний.

Так, в качестве реактивов можно применять только те соединения, которые действительно встречались на Земле, и между ними в частном случае можно выбирать те, которые по нахождению минерала и по природе сопровождающих его минералов принимали участие в образовании соответствующего минерала” [Браунс, 1904, c. 213]. Приведенные рассуждения Браунса можно рассматривать как пример специально-научной методологии, развиваемой в рамках специальной научной литературы.

Отметим, что в целом в XIX в. работы по искусственному синтезу минералов сложились уже в заметное направление естественнонаучной и технологической деятельности (см., напр., [Браунс, 1904; Чирвинский, 1903]). В ХХ в. уже накопился достаточный объем научной информации о геохимических процессах образования минералов, указывающей на пути получения редких и драгоценных минералов на основании моделирования тектонических структур. Первые экспериментальные работы по синтезу алмазов из углеводородов были описаны в 1911 г. [Дерягин, 1977, c. 3]. Однако первый успешный синтез алмазов в искусственных условиях был проведен в 1954 г. почти одновременно в США и Швеции при давлении 50 000 бар и температуре 2000° С [Поллер, 1982], т.е. в условиях, близких к естественным условиям алмазообразования в земной коре [Яншин, 1984, c. 66]. Результатом подобных работ, моделирующих естественные геохимические процессы минералообразования, стали синтезы в искусственных условиях изумрудов, опалов и других минералов [там же, с. 66]. В силу сложившегося подхода исследовательские работы по синтезу редких минералов оказываются в прямой взаимосвязи с уровнем и достоверностью научных знаний о путях синтеза соответствующих минералов в природе. На этот счет существует много предположений и рабочих гипотез (см., например, об алмазах работы [Васильев, 1968, с. 373]), в том числе рассматриваются условия образования алмазов в космических телах — метеоритах [Вдовыкин, 1970].

Указанный путь моделирования природных условий синтеза оказался эффективным, так как позволил создать технологию получения минералов без детальных знаний механизмов минералообразования.

По этому пути на основе нитрида бора при сверхвысоких давлениях и высоких температурах (100 000 бар и 20000 C) удалось получить борсодержащее вещество, превосходящее по твердости алмаз — боразон [Поллер, 1982, c. 159], т.е., воспроизводя естественные условия синтеза минералов (“естественную технологию”), химия обрела возможности получать новые вещества с особыми свойствами. В результате такой работы по синтезу редких и драгоценных минералов сейчас в искусственных условиях (часто уже отклоняющихся от воспроизведения естественных) получают алмазы, сапфиры, рубины, гранаты, кварц и другие природные минералы (см., напр., [Безруков, 1976; Николаев, 1981; Поллер, 1982; Синтез, 1987; Элуэлл, 1981]). При этом наметилась тенденция поиска путей синтеза драгоценных минералов не по пути копирования исторически имевших место природных условий, которые, как правило, относятся к проблемам химии экстремальных состояний, а в условиях, которые уже планируются на основе общих физико-химических знаний. В частности, в настоящее время найдены пути синтеза алмазов при давлении 6000 бар и температуре 300° С [Наука, 1989, c. 27].

Исследования по искусственному синтезу минералов, движимые “минералогическим идеалом”, оказались пограничной предметной областью химии, минералогии и других наук. Они явились результатом развития многих разделов химии и геологии, изучающих процессы генезиса минералов в естественных условиях.

Результатом такого направления междисциплинарных исследований стало обогащение как минералогии (моделирование и критическая проверка знаний об условиях минералообразования в естественноисторических условиях эволюции Земли), так и химии (особенно химии экстремальных состояний).

В отношении моделирования естественных процессов между взаимодействием химии и биологии, с одной стороны, и химии и геологии — с другой, можно отметить “инверсную аналогию” в исторических тенденциях развития исследовательских направлений химического синтеза природных тел.

В органической химии вначале получали вещества, аналогичные продуктам биосинтеза живой природы в достаточно жестких условиях, не соответствующих ферментивным энергетически выгодным процессам в живых организмах, и лишь позднее стали приближаться к оптимальным условиям, реализуемым в живой клетке.

В неорганической химии, наоборот, вначале синтез минералов осуществлялся в экстремальных условиях, близких к естественным, и лишь позднее стали разрабатываться пути синтеза минералов в более мягких, чем природные аналоги, условиях. Однако первый и второй случаи связаны общей тенденцией развития науки и техники в направлении экономически и технически оптимальных результатов.