Философские проблемы конкретных научных дисциплин. Учебник для аспирантов нефилософских специальностей

3.3. Философские проблемы химии

Из миллионов органических соединений в построении живого участвует лишь несколько сотен, из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20, лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем, в самом общем виде выдвинутая А. П. Руденко в 1964 г., является общей теорией химической эволюции и биогенеза. Она решает вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур

иих причинной обусловленности, о высоте химической организации

ииерархии химических систем как следствии эволюции.

Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакции происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходят за счет постоянного притока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальные эволюционные преимущества получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций. Отсюда базисная реакция является не только источником энергии, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

Тем самым А. П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.

Практическим следствием теории саморазвития открытых каталитических систем является так называемая нестационарная технология, т. е. технология с меняющимися условиями реакции. Сегодня исследователи приходят к выводу, что стационарный режим, надежная стабилизация которого казалась залогом высокой эффективности

161

Глава 3. Философские проблемы конкретных научных дисциплин

промышленного процесса, является лишь частным случаем нестационарного режима. При этом обнаружено множество нестационарных режимов, способствующих интенсификации реакции.

Внастоящее время уже совершенно ясны перспективы создания

иразвития новой химии, на основе которой будут созданы малоотход-

ные, безотходные и энергосберегающие промышленные технологии.

Взаимосвязь химии с геологией. В своем развитии геология опиралась и опирается на различные естественные науки, а по мере накопления фактических материалов сама выступила родоначальницей некоторых естественных наук, которые сейчас уже не причисляются к наукам геологическим. Так, в вопросах строения и изменения вещества, изучения его свойств и законов движения геология тесно связана с физикой и химией и широко использует основные методы этих наук. Ярким выражением этой связи является возникновение геофизики и геохимии. Геофизика объединяет комплекс наук, рассматривающих физические свойства Земли и происходящие на ней физические процессы. Геохимия изучает химический состав Земли и законы распространения, распределения, сочетания и миграции химических элементов в земной коре. Без применения методики и выводов этих наук современная геология не может обойтись, но и их развитие оказалось возможным лишь на прочной геологической основе. Не менее тесная связь объединяет геологию с такими науками, как геодезия, которая изучает размеры и форму Земли, или физическая география, охватывающая обширный комплекс природных условий, определяющих географическую среду (рельеф, климат, почвы и др.). В вопросах происхождения и развития жизни на Земле геология тесно связана с биологическими науками, а для выяснения проблемы происхождения Земли, ее соотношения с другими небесными телами и положения во Вселенной она не может обойтись без выводов астрономии и достижений космонавтики.

Следовательно, вся огромная область естествознания тесно связана с геологией. Это особенно остро ощущается в наше время, когда единство окружающей нас природы, взаимосвязь всех природных процессов и явлений становятся все более очевидными. Вместе с тем специализация отдельных областей естествознания растет с каждым

162

3.3. Философские проблемы химии

годом, и человек не в состоянии охватить в деталях все достижения и методы различных областей науки, которые непрерывно накапливаются в процессе научного творчества и выдвигаются практикой. Это полностью приложимо и к геологии. Геология, с одной стороны, – это единая наука о Земле, с другой – это ряд наук, взаимно переплетающихся и тесно связанных между собой, изучающих разные стороны и результаты процесса развития и становления Земли, но преследую-

щих разные цели и пользующихся разными методами.

Взаимосвязь химии с экологией. Экологические проблемы в той или иной мере решались человечеством стихийно на протяжении всей естественной истории. Человек рано понял, что использовать природные богатства необходимо разумно, не нарушая продуктивность физических, химических, а также биологических природных механизмов и сохраняя тем самым основу своего существования.

В конце XIX в. российский философ и натуралист В. И. Вернадский высказал мысль о том, что техническая мощь человечества по своим масштабам сопоставима с естественными геологическими процессами и меняет весь лик нашей Земли, ее природу. Человечество росло численно, превращаясь в основного нарушителя природных равновесий, постепенно увеличивая добычу и переработку ископаемого сырья. До определенного периода времени природе удавалось залечивать свои раны, включать выбрасываемые промышленные отходы в естественные циклы, «переваривать» эти отходы по мере их образования. Однако настало время, когда скорость образования многих видов отходов превысила скорость их естественного уничтожения, а темпы потребления значительной части ресурсов превысили возможности их восполнения в природе.

В. И. Вернадский установил, что химическое состояние нашей планеты находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами. Именно поэтому во второй половине XX в. в экологии сложились экологические школы ботаников, химиков, зоологов, гидробиологов, почвоведов и др.

Среди современных проблем, стоящих перед мировым сообществом, особенно выделяется одна – проблема качества среды обитания. Она носит глобальный характер и волнует людей всех стран –

163

Глава 3. Философские проблемы конкретных научных дисциплин

больших и малых, развитых и развивающихся. Рост загрязнения среды проявляется наглядно и вызывает эмоциональную критику. К сожалению, такая критика бывает чаще всего малоаргументированной. И поэтому основные претензии населения обращены к химии.

Один из важных путей взаимодействия наук – взаимообмен методами и приемами исследования, т. е. применение методов одних наук в других. Особенно плодотворным оказалось применение методов физики и химии к изучению в биологии живого вещества, сущность и специфика которого одними только этими методами, однако, не была уловлена. Для этого нужны были свои собственные – биологические – методы и приемы их исследования.

Следует иметь в виду, что взаимодействие наук и их методов затрудняется неравномерностью развития различных научных областей и дисциплин. Методологический плюрализм (философская позиция, согласно которой существует множество различных равноправных, независимых и не сводимых друг к другу форм знания и методологий познания) – характерная особенность современной науки, благодаря которой создаются необходимые условия для более полного и глубокого раскрытия сущности, законов качественно различных явлений реальной действительности.

Взаимодействие наук имеет большое значение для производства, техники и технологии, которые сегодня все чаще становятся объектами применения комплекса многих (а не отдельных) наук.

Наиболее быстрого роста и важных открытий сейчас следует ожидать как раз на участках стыка, взаимопроникновения наук и взаимного обогащения их методами и приемами исследования. Этот процесс объединения усилий различных наук для решения важных практических задач получает все большее развитие. Это магистральный путь формирования единой науки будущего.

Является ли химия физикой? Проблема единства химической науки

Одной из важнейших философских проблем химии является проблема редукции химического знания к физическому. Еще мыслители Нового времени (Р. Декарт, Р. Бойль, И. Ньютон) объясняли химические

164

3.3. Философские проблемы химии

явления с помощью механики. М. Фарадей, проводивший исследования в обеих областях, химии и физике, отвергал разграничение физики и химии, утверждая, что подобное различие представляет лишь игру слов и обнаруживает скорее невежество, чем понимание дела. Многие химики оказались во власти таких представлений. Например, Д. И. Менделеев, известные физики ХХ в. В. Гейзенберг, П. Иордан, Дж. Франк и др. поддерживали тезис о возможности сведения любых химических процессов к фундаментальным физическим законам. История химии свидетельствует о трех этапах этой физикализации.

Первый этап – это проникновение физических идей в химию. Этот этап начался еще в XVIII в., и именно проникновением физических идей химия обязана своим превращением в одну из областей современного естествознания. Физической идеей, сыгравшей решающую роль в химии, стала ньютоновская идея силы тяготения. Фактически все концепции химического сродства, начиная с концепций, возникших в рамках теории флогистона, и кончая концепциями времен Менделеева, строились по образцу ньютоновской трактовки гравитационного взаимодействия. Химическое сродство трактовалось как притяжение между частицами веществ, аналогично всемирному тяготению. При этом химические явления не выводили из механики. Здесь была именно аналогия. Хотя законы химического сродства устанавливались исходя из химического эксперимента, в них была заложена физическая идея: считалось, что эти законы выражают степень

притяжения частиц одного вещества к другому.

Второй этап физикализации химии – этап проникновения в химию физических законов. Эти законы уже объясняют химические явления. Так, законы физической теории – термодинамики – оказались вовлечены в химическое исследование и дали жизнь физико-химиче- ской теории – химической термодинамике. Химическая термодинамика позволяет количественно выразить идею сродства. Исходя из начал термодинамики, Гельмгольц, Вант-Гофф и Гиббс развили метод термодинамических потенциалов, термодинамических величин, убыль которых, аналогично убыли потенциальной энергии в механике, указывает направление самопроизвольного протекания химических процессов (при достижении равновесия значение химического потенциала ста-

165

Глава 3. Философские проблемы конкретных научных дисциплин

новится минимальным). Химическая термодинамика и электрохимия составляют ядро особой дисциплины, называемой физической химией. Как та, так и другая теория возникает из физического объяснения хими-

ческих явлений. Как та, так и другая формируется в конце XIX в.

Третий этап физикализации химии – физическое описание и объяснение святая святых химии – химический связи и химического взаимодействия. К концу 20-х гг. XX в. складывается новая фундаментальная теория – квантовая механика (Бор, Гейзенберг, Шредингер, Дирак и др.). И почти сразу же начинается ее применение в химии.

Квантовая механика выполняет в отношении химии функции физической теории. Она дает идеи (резонанса, молекулярной орбитали т. д.), объясняет образование химических соединений, ход химических реакций. Кроме того, эта теория составляет теоретическую базу ряда центральных разделов химической науки, позволяет вести обсуждение вопросов, которые до этого обсуждались лишь в расчете на эмпирию, определяет перспективу теоретических расчетов и понятий.

Может сложиться ложное впечатление, что квантовая химия представляет собой чистую физику в квантово-механическом ее проявлении. Но следует отметить, что при попытках использования квантовой механики в химии оказывается невозможным вывести качественные понятия, необходимые для понимания и теоретического описания такой системы, как химическое соединение, и тем более описать его химические превращения.

В силу этого квантовая химия исторически сложилась не просто как некоторый раздел прикладной квантовой механики (как это ранее казалось многим и кажется сейчас некоторым), а как синтетическая научная дисциплина, органично соединяющая формализм кван- тово-механической теории с подходами и представлениями теории химического строения в ее классическом, бутлеровском варианте.

Если бы в принципе для расчета химических систем было бы достаточно прямого использования математического аппарата квантовой механики, то никакой новой научной дисциплины, каковой является квантовая химия, не образовалось бы.

Проблема редукции химии к физике довольно актуальна, но у сторонников этой позиции всегда были противники. Еще О. Конт, высту-

166

3.3. Философские проблемы химии

пая против подобных взглядов, утверждал, что в явлении химическом всегда есть нечто большее, чем в просто физическом явлении. Среди самих химиков против физикализации химии выступал В. Освальд, позже аналогичную позицию отстаивал Н. Н. Семенов.

Действительно ли химия и физика имеют дело с одним и тем же объектом изучения – атомами и молекулами? И да и нет.

Один и тот же атом выступает как конечная ступень развития объекта по отношению к своим исходным структурным элементам – в этом случае он является объектом изучения физики (атомной физики, физики электронной оболочки и т. д.). Атом может выступать исходной химической единицей по отношению к возникающим из него молекулярным структурам – в этом случае он является объектом химии. Специфика предмета химии в том, что она с самого начала имеет дело с очень сложной организацией вещества. Объектами изучения эволюционного катализа, например, выступают не просто атомы или молекулы, но целостные кинетические системы, сложность которых является не только структурной (статической), но и динамической (биосфера, геосфера и др.). Объектом химического исследования является наличие именно химической связи в веществе. Ни элементарная частица, ни атом, считающийся иногда «законным» объектом, этому критерию не удовлетворяют. С этой точки зрения периодическая система элементов Д. И. Менделеева, строго говоря, не является химической концепцией, поскольку сам по себе атом еще не является веществом.

Возникает и другой вопрос: присутствует ли физическое в «составе» химического, когда химическое уже возникло? Ответ может быть следующим: система не содержит в себе элементов, на основе которых она возникла, по той причине, что прежних элементов в новой целостности уже нет. В. А. Энгельгард, анализируя результаты химических процессов, утверждал, что возникает нечто новое, ранее не существовавшее, с новыми качествами. Как показал П. М. Зоркий, при образовании химических соединений валентные электроны (вследствие перекрывания электронных облаков) оказывают интенсивное влияние друг на друга. При этом они как бы обобществляются, т. е. принадлежат не одному какому-то атому, а всей образующейся мо-

167

Глава 3. Философские проблемы конкретных научных дисциплин

лекуле. В этом заключается причина особой целостности химических систем, а следовательно, и несводимости их свойств к свойствам составляющих их компонентов.

По мнению физико-химика Н. Н. Семенова, существует несколько основных принципов, из которых могут быть выведены химические закономерности, несводимые к законам физики:

–принцип электронного строения молекулярных систем;

–учение о взаимосвязи строения и свойств молекулярных систем;

–учение о реакционной способности химических соединений (проблема генезиса свойств вещества);

–концепция единства химических явлений.

Сущностью химического (Н. Н. Семенов) является химический

процесс, рассматриваемый в современной химии как кинетический

континуум множества вещей.

Проблема единства химии как науки. Один из выдающихся химиков ХХ в. Лайнус Полинг определил химию как науку о веществах – об их строении, свойствах и реакциях, в результате которых одни вещества превращаются в другие. Это определение до сих пор входит во все современные учебники. Однако сегодня химия – одна из самых дифференцированных областей знания и имеет примерно 2000 научных направлений. Если так, то можно ли говорить о химии как единой целостной фундаментальной науке, и если да, то что является основанием такого единства?

Решением этой проблемы занимались А. М. Бутлеров, Д. И. Менделеев, Н. Н. Семенов. В 1871 г. в «Основах химии» Д. И. Менделеев писал: «Отыскать единое неизменное и общее в изменяемом и частном составляет основную задачу познания». Таким «единым неизменным и общим», инвариантным ядром является то, что химия есть единство науки и производства. Или, другими словами, это двуединая проблема химии – теоретическая проблема генезиса свойств вещества, или проблема реакционной способности, и производственная проблема получения веществ с заданными свойствами. Но каждый исторический этап науки – это способ объяснения свойств вещества исходя из определенной исторической концепции или концептуальной системы.

168

3.3. Философские проблемы химии

Концептуальные химические системы как научно-исследовательская программа

Сам термин «концептуальная система» впервые был введен В. Гейзенбергом, у которого он обозначает относительно замкнутую систему теорий, объединенных некой общей концепцией, вследствие чего каждая концептуальная физическая система обладает некоторыми общими признаками. Кроме того, каждая новая концептуальная система выступает как решительное отрицание предыдущей. В связи с этим даже возникал вопрос о правомерности употребления понятия «концептуальная система» по отношению к группам химических теорий, поскольку они развиваются в исторической и логической связи друг с другом. Более того, в реальной познавательной практике элементы химического знания открыты различным видам внутринаучных

имежнаучных воздействий.

В1989 г. в свет вышла книга русского химика Владимира Ивановича Кузнецова «Общая химия: тенденции развития», в которой наиболее полно была изложена его теория концептуальных систем. Согласно автору, концептуальная система в химии – система взаимосвязанных теорий, объединенных общими фундаментальными принципами, понятиями, законами, методами и проблемами.

Выделяют четыре концептуальные системы: 1. Учение о составе.

2. Структурная химия.

3. Учение о химическом процессе.

4. Эволюционная химия.

Важно отметить, что в развитии химии происходит не смена, а последовательное появление концептуальных систем, которые дополняют друг друга. Несмотря на то, что эти системы появились в разное время, среди них нет иерархии, они вместе составляют единый механизм, который совершенствуется и обеспечивает развитие химии как науки.

Тогда история химии может быть представлена как последовательное возникновение, функционирование и развитие четырех кон-

цептуальных химических систем:

– учение о составе веществ (или «наука о химических элементах и их соединениях» – Д. И. Менделеев) и связанные с ним обобще-

169

Глава 3. Философские проблемы конкретных научных дисциплин

ния, концепции соединений постоянного и переменного состава, теория валентности;

–учение о структуре, или структурная химия, – это учение о строении органических и неорганических соединений, координационная теория, кристаллохимия и т. д.;

–учение о реакциях, или учение о химическом процессе (кинетика и теория катализа);

–учение о химической эволюции, или химия самоорганизации (концепция диссипативных систем И. Пригожина, теория реакции Белоусова–Жаботинского, эволюционный катализ).

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 начале второй половины XIX в. формируется структурная химия, и учение о химических элементах развивается в контексте структурных представлений. Становление химической кинетики происходит в последней трети XIX в. Химия самоорганизации формируется в 70-х гг. XX в.

Каждая из четырех концептуальных систем химии, возникнув на определенном этапе ее исторического развития, продолжает развиваться и в настоящее время, этот процесс можно сравнить с науч-

но-исследовательской программой (И. Лакатос).

Первая концептуальная система – учение о составе, или «наука о химических элементах и их соединениях» (Д. И. Менделеев), в своем нынешнем виде включает в себя учение о химических элементах, теории периодичности, теории валентности, в том числе квантовые модели, дающие новое обоснование понятию валентности, и т. п. Это учение, тем не менее, сохраняет свою целостность, поскольку решает основную проблему химии как проблему соотношения состава и свойств. Выделяют два основных направления развития первой концептуальной химической системы: 1) экспериментальные исследования зависимости свойств от состава; 2) квантово-химические исследования атома. Кроме того, учение о составе открыло пути практического синтеза новых химических соединений.

170