Философские проблемы конкретных научных дисциплин. Учебник для аспирантов нефилософских специальностей

3.3. Философские проблемы химии

вило усилия химиков на отыскание элементов среди других веществ. Предметом химии становятся, таким образом, химические элементы и их соединения. Бойль впервые предоставил химии реальный способ решения ее основной проблемы: свойства вещества начинают рассматриваться в зависимости от его состава.

Научный этап в химии начинается именно с представлений Бойля, главные достижения его учения заключаются в следующем:

–формулировка новой цели химии – изучение состава вещества и зависимости свойств вещества от его состава;

–предложение программы поиска и изучения реальных химических элементов;

–введение в химию индуктивного метода.

Второй этап. В химической картине природы появляется пер-

вая гипотеза. Развитие химической практики, обусловленное потребностями производства, привело к накоплению множества фактов, которые нуждались в теоретическом осмыслении. Химическая эмпирия ждала своей теоретической системы, и она появилась в работах И. Бехера и Г. Шталя, получив название теории флогистона. Согласно этой теории тела содержат некоторое материальное горючее начало – флогистон, который они теряют при горении. В современной химии флогистонная теория оценивается по-разному. Ю. И. Соловьев считает ее переходной формой знания, которая возникает на пути становления науки, и хотя не является, строго говоря, научной теорией, обладает некоторыми ее признаками. Так, теория флогистона обладала систематизирующей функцией, объясняющей и предсказательной силой, что сближало ее с научной теорией и придало химии вид науки1.

Третий этап. Появляется первая научная химическая теория, автором которой стал А. Лавуазье. Развивая представления Бойля об элементах, Лавуазье связал их с представлением о последнем пределе, достигаемом анализом. Вместе с тем он высказал догадку о том, что неделимость химических элементов относительна: «...мы не можем уверять, что считаемое нами сегодня простым является таковым в дей-

1Соловьев Ю. И. История химии. Развитие химии с древнейших времен до конца XIX в. М.: Просвещение, 1983.

151

Глава 3. Философские проблемы конкретных научных дисциплин

ствительности»1. Величайшим достижением Лавуазье была кислородная теория горения, ему удалось показать, что горение представляет собой процесс соединения тела с кислородом. Замену флогистонной теории теорией Лавуазье называют химической революцией, желая этим подчеркнуть переворот во взглядах на мир химических явлений, связанный с созданием кислородной теории. Было открыто несколько фундаментальных законов: закон эквивалентов и закон постоянства состава – стехиометрические законы, описывающие количественные соотношения между составными частями в химических соединениях, а также закон сохранения массы. Переходный период в истории химии – от Бойля до Лавуазье – завершился в самом конце XVIII в. формирова-

нием первой научной химической картины природы.

Становление классической химической картины природы.

Первая научная картина природы начала интенсивно развиваться. В 1803 г. Дж. Дальтон создал атомистическую теорию (химическую атомистику), превратив понятие атома из философской категории в химическую. Атомистические представления, как отмечал Б. М. Кедров, стали неотъемлемым элементом химического мышления – способности химиков при непосредственном наблюдении какого-либо химического процесса мысленно создавать картину движения и сцепления атомов.

Продолжением учения Дальтона было создание А. Авогадро молекулярного учения. Природный мир предстал перед химиками-иссле- дователями в многообразии превращений атомов и молекул как двух основных форм химической организации вещества. Основная проблема химии начинает и теоретически, и практически решаться на новом уровне: свойства и реакционная способность вещества рассматриваются уже не только в зависимости от его состава, но в первую очередь от его структуры. Это превратило химию из аналитической науки в синтетическую, а ее способность синтезировать вещества была использована производством. Научная и производственная практика приводила как к открытию новых объектов и процессов химической реальности, так и к их теоретическому осмыслению. Это были годы

1 Цит. по: Джуа М. Указ. соч. С. 142.

152

3.3. Философские проблемы химии

изучения роли электрических сил в химическом процессе, возникновения первых представлений о кинетике химических реакций и учения о валентности, становления органической химии и ее теорий.

В 60-х гг. XIX в. сформировалась химическая картина природы, характерная для классического естествознания. Ей присущи развитый концептуальный аппарат, теоретический фундамент в виде атомно-мо- лекулярного учения, теория химического строения. Конец XIX в. сопровождался все большей теоретизацией химии. Открывались основные законы химической кинетики – той отрасли химической науки, которая вносила в химию идею развития, подтверждая тем самым, как утверждал В. И. Вернадский, что «время есть одно из основных проявлений вещества, неотделимое от него его содержание»1. В конце XIX в. происходят события, которые вновь влекут перестройку химической картины мира. Открывается явление радиоактивности, электрона – носителя единицы валентности. К началу 30-х гг. XX в. (время создания квантовой химии) сложилась химическая картина природы, характерная для неклассического периода развития естествознания. Это период становления третьей концептуальной системы химии – химической кинетики.

Вторая половина XX в. – время становления эволюционной химии. О концептуальных химических системах будет сказано ниже.

Взаимосвязь химии с физикой, биологией, геологией, экологией

Взаимосвязь химии с физикой. Помимо процессов дифференциации самой химической науки, в настоящее время идут и интеграционные процессы химии с другими отраслями естествознания. Особенно интенсивно развиваются взаимосвязи между физикой и химией. Этот процесс сопровождается возникновением все новых смежных физико-химических отраслей знания.

История взаимодействия химии и физики полна примеров обмена идеями, объектами и методами исследования. На разных этапах своего развития физика снабжала химию понятиями и теоретическими концепциями, оказавшими сильное воздействие на развитие

1Вернадский В. И. Проблема времени в современной науке // Философские мысли натуралиста. М.: Наука, 1988. С. 229.

153

Глава 3. Философские проблемы конкретных научных дисциплин

химии. При этом чем больше усложнялись химические исследования, тем больше аппаратура и методы расчетов физики проникали в химию. Необходимость измерения тепловых эффектов реакции, развитие спектрального и рентгеноструктурного анализа, изучение изотопов и радиоактивных химических элементов, кристаллических решеток вещества, молекулярных структур потребовали создания и привели к использованию сложнейших физических приборов – спектроскопов, масс-спектрографов, дифракционных решеток, электронных микроскопов и т. д.

Развитие современной науки подтвердило глубокую связь между физикой и химией. Связь эта носит генетический характер, т. е. образование атомов химических элементов, соединение их в молекулы вещества произошли на определенном этапе развития неорганического мира. Также эта связь основывается на общности строения конкретных видов материи, в том числе и молекул веществ, состоящих в конечном счете из одних и тех же химических элементов, атомов и элементарных частиц. Возникновение химической формулы движения в природе вызвало дальнейшее развитие представлений об электромагнитном взаимодействии, изучаемом физикой. На основе периодического закона ныне осуществляется прогресс не только в химии, но и в ядерной физике, на границе которой возникли такие смешанные физико-хими- ческие теории, как химия изотопов, радиационная химия.

Физика и химия изучают практически одни и те же объекты, но только каждая из них видит в этих объектах свою сторону, свой предмет изучения. Так, молекула является предметом изучения не только химии, но и молекулярной физики. Если первая изучает ее с точки зрения закономерностей образования, состава, химических свойств, связей, условий ее диссоциации на составляющие атомы, то последняя статистически изучает поведение масс молекул, обусловливающее тепловые явления, различные агрегатные состояния, переходы из газообразной в жидкую и твердую фазы и обратно – явления, не связанные с изменением состава молекул и их внутреннего химического строения. Сопровождение каждой химической реакции механическим перемещением масс молекул реагентов, выделение или поглощение тепла за счет разрыва или образования связей в новых

154

3.3. Философские проблемы химии

молекулах убедительно свидетельствуют о тесной связи химических

ифизических явлений. Так, энергетика химических процессов тесно связана с законами термодинамики.

Свозникновением теории относительности, квантовой механики

иучения об элементарных частицах раскрылись еще более глубокие связи между физикой и химией. Оказалось, что ключ к объяснению существа свойств химических соединений, самого механизма превращения веществ лежит в строении атома, в квантово-механических процессах его элементарных частиц и особенно электронов внешней оболочки. Именно новейшая физика блестяще решила такие вопросы химии, как природа химической связи, особенности химического строения молекул органических и неорганических соединений и т. д.

В области соприкосновения физики и химии возник и успешно развивается сравнительно молодой из основных разделов химии – физическая химия, – которая оформилась в конце XIX в. в результате успешных попыток количественного изучения физических свойств химических веществ и смесей, теоретического объяснения молекулярных структур. Экспериментальной и теоретической базой для этого послужили работы Д. И. Менделеева (открытие периодического закона), Вант-Гоффа (термодинамика химических процессов), С. Аррениуса (теория электролитической диссоциации) и т. д. Предметом ее изучения стали общетеоретические вопросы, касающиеся строения

исвойств молекул химических соединений, процессов превращения веществ в связи со взаимной обусловленностью их физическими свойствами, изучение условий протекания химических реакций и совершающихся при этом физических явлений. Ныне это разносторонне разветвленная наука, тесно связывающая физику и химию.

Внутри физической химии к настоящему времени выделились и вполне сложились в качестве самостоятельных разделов, обладающих своими особыми методами и объектами исследования, электрохимия, учение о растворах, фотохимия, кристаллохимия. В начале XX в. выделилась также в самостоятельную науку выросшая в недрах физической химии коллоидная химия (предшественница нанохимии). Со второй половины XX в. в связи с интенсивной разработкой проблем ядерной энергии возникли и получили большое развитие

155

Глава 3. Философские проблемы конкретных научных дисциплин

новейшие отрасли физической химии – химия высоких энергий, радиационная химия (предметом ее изучения являются реакции, протекающие под действием ионизирующего излучения), химия изотопов.

Вообще физическая химия рассматривается сейчас как наиболее широкий общетеоретический фундамент всей химической науки. Многие ее учения и теории имеют большое значение для развития неорганической и особенно органической химии. С возникновением физической химии изучение вещества стало осуществляться не только традиционными химическими методами исследования, не только с точки зрения его состава и свойств, но и со стороны структуры, термодинамики и кинетики химического процесса, а также со стороны зависимости последнего от воздействия явлений, присущих другим формам движения (световое и радиационное облучение, световое и тепловое воздействие и т. д.).

Впервой половине XX в. возникает пограничная между химией

иновыми разделами физики (квантовая механика, электронная теория атомов и молекул) наука, которую стали позднее называть химической физикой. Она широко применила теоретические и экспериментальные методы новейшей физики к исследованию строения химических элементов и соединений, особенно механизма реакций. Химическая физика изучает взаимосвязь и взаимопереход химической и субатомной форм движения материи. Постоянно расширяющиеся связи химии и физики привели целый ряд ученых к идее координации и субординации этих наук.

Таким образом, химия XX в. предстает перед нами как весьма многообразная и разветвленная система знаний, которая находится в процессе интенсивного развития. В основной своей массе развитие химии идет в виде узкоориентированных прикладных исследований, но вместе с ними сегодня развиваются и концептуальные направления фундаментального характера, которые и определяют статус и положение этой науки в системе современного естествознания. К числу таких концептуальных направлений развития современной химии следует отнести: проблему химического элемента, исследование структуры химических соединений, учение о химических процессах и эволюционную химию.

156

3.3. Философские проблемы химии

Взаимосвязь химии с биологией. Химия и биология долгое время шли каждая своим собственным путем, хотя давней мечтой химиков было создание в лабораторных условиях живого организма.

Сама по себе эта идея возникла еще в период алхимии и вплоть до XVI в. была одной из главных целевых установок. Однако к XVII в. среди ученых утвердилось убеждение в неосуществимости и, следовательно, ложности идеалов алхимии. Такой переоценке способствовали те положительные знания, которые были накоплены в результате развития самой алхимии. В результате были дискредитированы такие направления алхимии, как поиски философского камня и универсального растворителя. Третий же идеал алхимии – эликсир долголетия – не потерял своей популярности благодаря применению химических препаратов для сохранения здоровья и лечения болезней.

Тем не менее «биологические идеалы» ранних этапов становления химического знания определили устойчивую традицию обращения химиков к проблемам биологии, хотя тогда же сложились представления о непроходимой грани между живым и неживым. Процесс взаимодействия химии и биологии значительно усилился в начале XIX в., когда в составе химии образовались две самостоятельные научные дисциплины – неорганическая и органическая химия. Применительно к вопросу взаимодействия химии и биологии наибольший интерес представляет органическая химия.

Органическая природа предоставила химикам-органикам прекрасные образцы своего творения – вещества растительного и животного происхождения – для подражания и воспроизведения подобных веществ в химических лабораториях. Так для химиков возник «биологический идеал», оказавший большое влияние на развитие органической химии, особенно на первоначальном этапе ее становления.

Резкое укрепление взаимосвязи химии с биологией произошло в результате создания А. М. Бутлеровым теории химического строения органических соединений. Руководимые этой теорией химики-орга- ники вступили в соревнование со своей «соперницей» – природой. Последующие поколения химиков проявили большую изобретательность, труд, фантазию и творческий поиск в направленном синтезе вещества. Их замыслом было не только подражать природе – они хо-

157

Глава 3. Философские проблемы конкретных научных дисциплин

тели превзойти ее. И сегодня мы можем уверенно заявить, что во многих случаях это удалось.

Лишь постепенное развитие науки XIX в., приведшее к раскрытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке, среди которых вопросы о характере химических процессов в живых тканях, об обусловленности биологических функций химическими реакциями.

Действительно, если посмотреть на обмен веществ в организме с чисто химической точки зрения, как это сделал А. И. Опарин, мы увидим совокупность большого числа сравнительно простых и однообразных химических реакций, которые сочетаются между собой во времени, протекают не случайно, а в строгой последовательности, в результате чего образуются длинные цепи реакций. И этот порядок закономерно направлен к постоянному самосохранению и самовоспроизведению всей живой системы в целом в данных условиях окружающей среды.

Таким образом, такие специфические свойства живого, как рост, размножение, подвижность, возбудимость, способность реагировать на изменения внешней среды, связаны с определенными комплексами химических превращений.

Поэтому химии среди наук, изучающих жизнь, принадлежит основная роль. Именно химией выявлена важнейшая роль хлорофилла как химической основы фотосинтеза, гемоглобина как основы процесса дыхания, установлена химическая природа передачи нервного возбуждения, определена структура нуклеиновых кислот и т. д. Но главное заключалось в том, что объективно в самой основе биологических процессов, функций живого лежат химические механизмы. Все функции и процессы, происходящие в живом организме оказывается возможным изложить на языке химии, в виде конкретных химических процессов.

Конечно, было бы неверным сводить явления жизни к химическим процессам. Это было бы грубым механистическим упрощением. И ярким свидетельством этого выступает специфика химических процессов в живых системах по сравнению с неживыми. Изучение этой специфики раскрывает единство и взаимосвязь химической и биоло-

158

3.3. Философские проблемы химии

гической форм движения материи. Об этом же говорят и другие науки, возникшие на стыке биологии, химии и физики: биохимия – наука об обмене веществ и химических процессов в живых организмах; биоорганическая химия – наука о строении, функциях и путях синтеза соединений, составляющих живые организмы; физико-химическая биология как наука о функционировании сложных систем передачи информации и регулировании биологических процессов на молекулярном уровне; а также биофизика, биофизическая химия и радиационная биология.

Сейчас для химии особенно важным становится применение биологических принципов, в которых сконцентрирован опыт приспособления живых организмов к условиям Земли в течение многих миллионов лет, опыт создания наиболее совершенных механизмов и процессов. Об этом следует поговорить подробнее.

Еще в XIX в. ученые поняли, что основой исключительной эффективности биологических процессов является биокатализ. Поэтому химики ставят своей целью создать новую химию, основанную на каталитическом опыте живой природы. Появится новое управление химическими процессами, где начнут применяться принципы синтеза себе подобных молекул, по принципу ферментов будут созданы катализаторы с таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут существующие в нашей промышленности.

Тот факт, что катализ играл решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим, т. е. на предбиологической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет образования новых и удаления использованных химических реагентов. Однако, в отличие от самоорганизации открытых физических систем, в данных химических реакциях большое значение приобретают каталитические процессы.

Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Именно на этом основании некоторые ученые напрямую связывают химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Иными словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процес-

159

Глава 3. Философские проблемы конкретных научных дисциплин

сами самоорганизации каталитических систем. Здесь, однако, следует помнить, что переход к простейшим формам жизни предполагает также особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. Такие элементы

вхимии получили название органогенов.

Врезультате такого подхода появилась информация об отборе химических элементов и структур, который оказался подобен биологической эволюции. В настоящее время химической наукой открыто 118 химических элементов. Большинство из них попадает в живые организмы и участвует в их жизнедеятельности. Однако основу жизнедеятельности организмов обеспечивает только шесть химических эле- ментов-органогенов. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их суммарная весовая доля в структуре живого организма составляет 97,4 %. За ними по степени важности следуют 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биологических систем. Это натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель. Их весовая доля в организме составляет 1,6 %. Кроме того, есть еще 20 элементов, которые участвуют в построении и функционировании отдельных узкоспецифичных биосистем и весовая доля которых составляет около 1 %. Все остальные элементы в построении биосистем практически не участвуют.

Общая картина химического мира также весьма убедительно свидетельствует об отборе элементов. В настоящее время химической науке известно около 70 млн химических соединений. Из них подавляющее большинство (99 %) составляют органические соединения, которые образованы на основе все тех же 6–18 элементов. А из остальных 95–100 химических элементов природа создала всего лишь около 500 тыс. неорганических соединений. Из органогенов на Земле наиболее распространены кислород и водород. Степень распространенности углерода, азота, фосфора и серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и в общем невелика – около 0,24 весовых процента. В космосе безраздельно господствуют только два элемента – водород и гелий, а остальные элементы можно рассматривать только как добавки к ним.

160