Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
учебник аспирантов.doc
Скачиваний:
161
Добавлен:
11.03.2016
Размер:
857.6 Кб
Скачать

1.6. Учение о химическом процессе как третья концептуальная система химии

Во второй половине 19 в. в химии сформировались предпосылки для перехода к новой предметной области – к более глубокому изучению механизма химических реакций. Парадокс в том, что химия, с самого начала имевшая дело с превращениями веществ, к этому времени еще крайне мало знала о закономерностях протекания химических процессов. В рамках первой и второй концептуальных систем вещества изучались преимущественно в своем дореакционном состоянии, реакции же рассматривались как способ преобразования веществ. Сами химические процессы, их универсальные механизмы, оставались вне поля зрения.

В рамках третьей концептуальной системы в химии важную роль начинает играть понятие времени. Как это часто бывает в науке, начать исследование объекта легче с описание его в статическом состоянии, и лишь накопив достаточное количество знаний об объекте, можно перейти к раскрытию его динамики. Это изучает химическая кинетика, в ней особенно важным становится фактор времени, она объясняет скорость протекания химических реакций. В формулы добавилась переменная времени.

Николай Николаевич Семенов, лауреат Нобелевской премии в области химии, в своей нобелевской лекции обосновывал важность развития учения о химическом процессе. В частности, он указал, что принципиальное различие предметов физики и химии лежит именно в качественной специфике химического процесса. «Химический процесс есть то основное явление, которое отличает химию от физики, делает первую более сложной наукой».1

Мощным стимулом формирования третьей концептуальной системы химии – учений о химическом процессе – стали внешние по отношению к самой науке факторы. В начале ХХ века потребности производства стремительно росли. Развитие энергетики, автомобильной промышленности, авиастроения, приборостроения породило потребность в большом количестве материалов с заданными свойствами: высокооктановое моторное топливо, особые смазки, специальные каучуки и пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Прежние знания в рамках структурных теорий не могли удовлетворить эту потребность. Производство, основанное на этих знаниях, было экономически малоэффективным: низкая производительность, использование дорогостоящего сырья растительного и животного происхождения, невозможность управлять процессами синтеза.

С 1880-х гг. формируется третья концептуальная система химии – учение о химическом процессе. Трансформируется понимание предмета химии, акцент смещается с изучения готового вещества на изучение процессов превращения веществ. Объектом изучения становится уже не только структура молекулы, а химическая организация кинематической системы в целом. Это еще более глубокий уровень познания химических явлений. Появилась возможность более эффективного управления химическими процессами. Сырьем для производства становится нефть, создаются поточные нефтехимические производства.

На уровне первой и второй концептуальных систем участниками химических реакций считались только сами реагирующие вещества. Но такая теоретическая модель процесса стала результатом абстрагирования от многих других важных факторов, влияющих на реакцию. На первых этапах познания такое абстрагирование от многообразия условий было оправдано. Это помогло понять суть взаимодействия реагентов, не отвлекаясь на объяснение влияния условий. Абстрагирование в науке помогает решать такие задачи. Но по мере накопления знаний для более полного и всестороннего объяснения процесса требуется ввести в модель дополнительные факторы. Требуется учесть влияние примесей, катализаторов, растворителей, стенок сосуда, а также физических факторов – температуры, давления, освещения, электрического тока и др. В итоге появилось представление о кинетической системе, состоящей из столь большого числа факторов, что учесть их взаимное воздействие и влияние на реакцию становится крайне сложной задачей. Развитие кинетических теорий в химии и стало поиском закономерностей взаимодействия множества факторов и их влияния на скорость и направление реакций. Причем развитие научных знаний шло в сторону учета все большего числа факторов. Любая теоретическая модель все равно остается абстракцией, она и должна отвлекаться от несущественных условий. Задачей же кинетических теорий был максимально полный учет существенных условий, наиболее адекватное отражение реальной кинетической системы.

Первые идеи по химической кинетике высказывались еще на рубеже 18-19 вв. Бертолле развивал идеи об обратимости реакций и о влиянии на скорость реакции масс реагентов. Но тогда эти идеи опережали свое время, лежали вне основного русла развития химии. Менделеев позднее поддержал эти идеи. В 1864-67 гг. К.М. Гульдберг и П. Вааге создали количественную теорию химического равновесия, согласно которой на это состояние влияют концентрации реагентов. В 1877 г. Г. Гельмгольц объявил об исследовании химической термодинамики, ввел понятие свободной энергии. Исследования в этой области продолжили Я. Г. Вант-Гофф, Ле Шателье, Дж. Гиббс. Благодаря им удалось понять, от чего зависит смещение равновесия в реакциях, и как им управлять. Термодинамика указывает направление процессов, но не их скорость, т.к. не оперирует понятием времени. Эту задачу выполняет химическая кинетика. В 1880-х гг. Вант-Гофф исследовал так называемые «возмущающие факторы» химических реакций: действие растворителей, автокатализ конечными продуктами, стеночный катализ, рекуперацию тепловой энергии реакции и др. Т.е. здесь уже фактически речь шла о кинетической системе. Но далеко не все ученые понимали необходимость таких исследований. Некоторые, наоборот, направляли усилия на отыскание «идеальных» реакций, в которых нет возмущающих воздействий, которые подчиняются более простым законам, например, простейшие газовые реакции (С. Аррениус, М. Полани и др.). Вант-Гофф же считал последние исключением, а сведение кинетики к описанию реакций «в чистом виде» – упрощением, задачей химии он видел познание реальных кинетических систем во всей их сложности.

Эту проблему затронул Н.Н. Семенов в своей Нобелевской лекции. Он указал на ограниченные возможности такого подхода, в рамках которого изучение бесконечного разнообразия свойств объекта подменяется изучением приближенных идеальных моделей (идеализированных объектов). В некоторых случаях, особенно на начальных этапах исследования, эта замена оправдана. Но дальнейшая логика исследования должна с необходимостью решать задачу обогащения модели, ее конкретизации, приближения к реальности. В современной химической кинетике эту задачу удается решать с помощью математического моделирования. Этот раздел физики является наиболее математизированным. Чем определяется возросшая роль математики в рамках третьей концептуальной системы? Кузнецов отмечает изменение характера экспериментального метода при переходе от классической науки к неклассической. В рамках классического периода наука выделяла в качестве объектов относительно простые системы, состоящие из небольшого числа элементов, процессов, переменных факторов. Классический эксперимент, поэтому, предполагал выделение из единой системы отдельного фактора, варьирование его при неизменности других факторов и выявление изменений в системе в целом. Но такая методология не подходит для исследования сложных систем, к которым относится большинство процессов в химическом производстве. Большое число действующих факторов делает невозможным или неэффективным их последовательный перебор и суммирование результатов. В решении подобных задач свою эффективность демонстрирует математическое моделирование. Оно позволяет оптимизировать эксперимент, варьировать сразу все основные независимые переменные, выявляя функциональные зависимости между ними с помощью методов математической статистики и теории вероятностей. Происходит отход от аддитивного и суммативного мышления к многофакторному и системному. Математическое моделирование также позволяет решить задачу переноса лабораторных результатов исследований на крупномасштабные процессы в промышленных реакторах, минуя долгое и дорогостоящее экспериментирование с установками все большего и большего размера.

Самым эффективным инструментом управления химическими реакциями в промышленном производстве стало использование катализаторов. Но эти успехи, во многом, стали результатом длительного и трудоемкого процесса эмпирического подбора катализаторов и оптимальных условий. Такого рода знания носят описательный характер. Функции теории при этом зачастую ограничиваются объяснением «пост фактум» открытого явления. Сложность и многогранность исследуемого объекта привели к тому, что отсутствует даже общепринятое определение сущности катализа, насчитывается более десятка теорий на этот счет.1 Возможности теоретического прогнозирования катализа пока остаются ограниченными, но в их развитии – будущее химии. Перспективность этого направления трудно переоценить и в свете потребностей производства, и в свете познания процессов предбиологической эволюции.

На примере истории учения о катализе можно увидеть некоторые характерные особенности роста и развития научного знания. Понятной становится роль парадигмы, или исследовательской программы, в рамках которых работает ученый. Так атомистика и стехиометрия в начале 19 века задавали направление исследований и способы интерпретации фактов. Явление катализа пытались объяснить на основе принципа дискретности химической организации вещества. Для выполнения этой задачи сложились два направления альтернативных теорий катализа – физические теории, рассматривавшие катализ нехимическим явлением, и химические теории, которые с помощью определенных допущений смогли «втиснуть» катализ в прокрустово ложе стехиометрических уравнений. Под давлением фактов позднее сложилось третье направление в учении о катализе, уже рассматривавшее его как внестехиометрическое явление. Произошел выход за пределы старой парадигмы. Но новые теории вобрали в себя рациональные идеи, которые содержались в предшествующих теориях.

Научные теории остаются действенны, пока выполняют объяснительные и эвристические функции, т.е. пока успешно справляются не только с объяснением уже имеющихся фактов, но и с прогнозированием новых. То, что одновременно могут существовать несколько альтернативных теорий, успешно объясняющих одни и те же явления, говорит, с одной стороны, о крайнем многообразии свойств изучаемых объектов, и, с другой стороны, о сложном и нелинейном характере роста и развития научного знания. Каждая из ныне существующих теорий катализа успешно объясняет определенный круг фактов, но утрачивает свои возможности, выходя за пределы этого круга. В истории науки существование таких теорий иногда заканчивалось при возникновении единой общей теории, в которую предшествующие входили в качестве частных случаев. Возможно, и в учении о катализе произойдет обобщение знаний. Некоторые ученые считают, что это невозможно в силу слишком большого различия каталитических явлений. Но большинство видят за этим разнообразием общую сущность.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.