ИСТОРИЯ И ФИЛОСОФИЯ ХИМИИ

производства, позволил использовать нефтяные углеводороды в качестве сырья химической промышленности. Без катализа не были бы возможны такие технологические процессы, как синтез углеводородов из водяного газа, многие реакции олефинов и ацетилена, синтез каучука, аммиака и многие другие.

Создание в 1920-х годах Н. Н. Семеновым, С. Н. Хиншельвудом и их сотрудниками теории цепных разветвленных реакций (и её дальнейшее развитие в течение 30 – 50-х годов) сразу же привлекло внимание технологов. Ни одна теория до этого не предоставляла химику таких широких практических возможностей, как теория цепных реакций. Были созданы методы, позволяющие инициировать реакции, ускорять их, замедлять и даже останавливать на любой желательной стадии.

Технологическим следствием исследований в области цепных реакций явилась разработка процессов синтеза полиэтилена, полистирола, поливинилового спирта, поливинилхлорида, полиакрилатов, усовершенствование процессов синтеза каучука и т.п. С этой теорией тесно связано развитие и таких разделов химической технологии, в основе которых лежат процессы пирогенетического разложения веществ, теплового взрыва, радиационной химии, термического крекинга нефтей, процессы горения в самом широком смысле, в том числе процессы «самораспространяющегося высокотемпературного синтеза», продуктами которого являются карбиды, силициды, бориды и другие соединения переходных металлов.

Вопросы для самоконтроля

1.Какую роль сыграла классическая механика в становлении химической кинетики?

2.Чем отличается химическая статика от химической динамики?

3.Можно ли говорить о химическом времени?

4.Чем отличаются кинетические теории первой половины XX века и современные кинетические теории?

5.Почему понятие «переходное состояние» было названо узловым понятием современной теоретической химии?

6.Переходное состояние: химическая частица или химический процесс?

7.Какова история каталитической химии и её роль в развитии химической кинетики?

Семинарское занятие

1.Исторические и научные предпосылки перехода к третьей концептуальной системе в химии. Влияние ньютоновской динамики.

2.Закон действующих масс и химическая термодинамика.

3.Теория абсолютных скоростей реакций (Г. Эйринг, М. Эванс, М. Поляни).

91

4. Учение о переходном состоянии и его философские основания. 5. Открытие времени в химии.

6. Роль катализа в учении о химическом процессе. Химия экстремальных состояний.

Дополнительные вопросы

1.Как повлияла физика на возникновение химической кинетики?

2.Почему до середины XIX в. количественное определение скоростей реакций не являлось предметом химических исследований?

3.Какие предпосылки химической кинетики существовали в рамках структурной химии?

4.Почему химическая статика в химии (учение о равновесиях) развивалась в кинетике раньше, чем химическая динамика?

5.Как можно сместить химическое равновесие и направление реакции?

6.Как повлияла термодинамика на развитие химической кинетики?

7.Почему невозможно протекание химических реакций, в элементарном акте которых происходит столкновение четырёх и более частиц?

8.Почему Н. Н. Семёнов назвал химический процесс мостом между физикой и биологией?

9.Ю. А. Жданов назвал понятие переходного состояния узловым понятием современной теоретической химии. Почему?

10.Чем является переходное состояние – химическим соединением или процессом?

11.Как можно обнаружить вещества-катализаторы?

12.Каково принципиальное различие между структурными и кинетическими теориями?

13.Почему химическая технология начала интенсивно развиваться только после создания химической кинетики?

Темы рефератов

1.Идея движения в химии.

2.Философия химии В. Оствальда.

3.Методологические основы химической термодинамики.

4.Работа Я. Г. Вант-Гоффа «Очерки по химической динамике» и её научное и философское значение.

5.Теория абсолютных скоростей реакций – триумф теоретического синтеза.

6.Переходное состояние: химическое соединение или химический процесс?

7.Системный подход и понятие химической системы.

92

8.Понятие времени в химической кинетике.

9.Каталитическая химия и её история.

10.Теория цепных реакций Н. Н.Семёнова и её методологическая основа.

Литература

Бенфи О. Т. Концепция времени в химии / Методологические проблемы современной химии. – М., 1967.

Вант-Гофф Я. Г. Очерки по химической динамике. – Л., 1936.

Гульдберг К. М. Исследование сил химического сродства. – Харьков, 1892. Данцев А. А. Философия и химия. – Ростов н /Д., 1991.

Жданов Ю. А. Узловое понятие современной теоретической химии // Вопросы философии, 1977. – № 1.

Зайцев О. С. Общая химия. Направление и скорость химических реакций. – М., 1983. Канке В. А. История и философия химии. – М., 2011.

Клишина С. А. Некоторые приложения структурного анализа к исследованию химических процессов /К вопросу о структуре и свойствах материи. – Саратов, 1966. Кондратьев В. Н. Очерк исторического развития кинетики химических реакций // Вопросы истории естествознания и техники, 1956, вып. 2.

Крицман В. А. Структурно-кинетические закономерности. Исторический очерк. – М.,

1974.

Кузнецов В. И. Развитие учения о катализе. – М., 1964.

Кузнецов В. И. Концептуальные системы химии. Структурные и кинетические теории // Вопросы философии, 1971. – № 1.

Кузнецов В. И., Зайцева З. А. Химия и химическая технология. Эволюция взаимосвязей. – М., 1984.

Курашов В. И. История и философия химии. – М., 2009.

Мартиросян А. А. Социальное и логическое в развитии химической кинетики / Философские и социальные проблемы современной химии и химической технологии,

– М., 1989.

Оствальд В. Эволюция основных проблем химии. – М., 1909.

Паничев С.А., Юффа А.Я. Химия. Основные понятия и термины. – М., 2000.

Родный Н. И. Основные черты развития химической кинетики в XIX веке / Развитие представлений в области кинетики, катализа и реакционной способности. – М., 1966. Розовский А. Я. Гетерогенный катализ: концепции и проблемы // Журнал ВХО им. Д.И. Менделеева, – 1996. – Т. 41, № 3.

Семенов Н. Н. О цепных реакциях в химии // Успехи химии, 1953. – Т. 22, вып. 5.

93

Семенов Н. Н. Развитие теории цепных реакций и теплового воспламенения. – М.,

1969.

Соловьёв Ю. И. Эволюция основных теоретических проблем химии. – М., 1971. Соловьёв Ю. И., Курашов В. И. Химия на перекрестке наук. Исторический процесс развития взаимодействия естественнонаучных знаний. – М., 1989.

Черемных Н. М. Время в химии: становление концепции // Философские исследования, 2001. – № 4.

Черемных Н. М., Клишина С. А. История и философия химии: учеб. пособие. – М., 2009.

Эмануэль Н. М. Некоторые методологические аспекты учения о химическом процессе // Вестник АН СССР, 1970. – № 6.

Эмануэль Н. М. Цепные реакции. – М., 1971.

Яблонский Г. С. О развитии основных понятий химической кинетики / Методологические и философские проблемы химии. – Новосибирск, 1981

Тема 6. ЧЕТВЕРТАЯ КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА ХИМИИ. ЭВОЛЮЦИОННАЯ ХИМИЯ

Исторические и теоретические предпосылки возникновения эволюционной химии. Проблема предбиологической эволюции (Дж. Бернал, В. И. Вернадский, М. Кальвин, А. И. Опарин). Исследования в области гетерогенного катализа: самосовершенствование катализаторов. Открытие периодических химических реакций. Теории самоорганизации: варианты подходов. Понятие самоорганизации. Синергетика Г. Хакена. Термодинамика необратимых процессов И. Пригожина. Аттрактор как самодетерминация будущим. Нелинейность, неустойчивость, бифуркация, переоткрытие времени – узловые моменты концепции Пригожина.

Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем А. П. Руденко. Самоорганизация химических систем как критерий химической эволюции.

Понятия «организация» и «самоорганизация» и их познавательные функции в химии.

Концепция времени в химии. Нестационарная кинетика и развитие представлений об эволюции химических систем. Перспективы практического использований теорий химической эволюции. Моделирование биокатализаторов.

94

“химической” эволюции, но он сознавал ограниченность научных знаний того времени. Вместе с тем Дарвин предполагал, что в будущем эволюционный принцип позволит показать, что законы жизни являются частью, или следствием некоторого общего закона.

Кроме М. Кальвина и другие ученые, такие как В. И. Вернадский, Дж. Бернал, Дж. Холдейн, А. И. Опарин пытались решить проблему происхождения жизни – общую проблему всего современного естествознания – эволюционным путём. Пионерской была работа А. И. Опарина, предложившего коацерватную теорию происхождения жизни, в которой впервые была рассмотрена конкретная физикохимическая модель этого сложного явления. Позднее многие учёные развивали идею прогрессивной химической эволюции, варьируя коацерватную модель с учетом результатов в области биохимии и молекулярной биологии. Из работ С. Миллера и других исследователей стало известно, что биоорганические молекулы могут образовываться в самых разнообразных смесях, содержащих комбинации водорода, воды, аммиака, азота, углекислого газа, метана и т.п. Однако возникал естественный вопрос: насколько проведённые модельные синтезы отражают реальный исторический процесс? Известный биохимик П. Мора называл их упражнениями по органической химии.

В химии идея эволюции возникла не сразу. Первоначально она растворялась в общих представлениях об изменениях, превращениях веществ. Античная натурфилософия не знала различий между процессами химическими и физическими, изменениями агрегатного состояния тел и химическими преобразованиями веществ. Стихийная диалектика древних включала в себя учение о всеобщем круговороте веществ на основе взаимных переходов, трансмутации первичных элементов, установленных еще Аристотелем. Эти натурфилософские представления были во многом заимствованы средневековыми алхимиками и затем включены в систему классического немецкого идеализма – даже Гегель полагал, что падающие с неба метеориты рождаются путём сгущения воздуха. Алхимики в своих поисках философского камня не только надеялись найти способ превращения неблагородных металлов в золото, но рассчитывали создать самодвижущуюся, циклически эволюционирующую химическую систему. Например, Роберт Бойль утверждал, что на основе непрерывной химической реакции ему удалось создать самодвижущуюся жидкость.

Несомненны заслуги немецкой классической диалектики в анализе взаимоотношений и взаимосвязей различных форм движения. Учение Шеллинга о единстве сил в природе, безусловно, сыграло положительную роль в развитии

96

теоретического естествознания. Он диалектически рассматривал химический процесс как взаимодействие положительных и отрицательных сил. Шеллинг чётко отграничил механическое перемещение как низшую форму движения материи от химического изменения, определил химический процесс как высшее единство, тотальность магнетизма и электричества.

Гегель сделал ещё один шаг в понимании химизма как процесса развития. В химическом движении он видел единство гравитации, света, магнетизма и электричества. Самое существенное то, что Гегель уже тогда понимал место химического процесса не только в неорганической истории Земли, но и в становлении биологической формы движения материи. Хотя химический процесс лишён самодвижения, обременён разрывами и угасает в своем продукте, но если бы он мог продолжаться сам собой, он и был бы жизнью, считал Гегель.

Однако влияние этих идей на представления о реальной химической эволюции в природе было незначительным. Эмпирическое естествознание Нового времени шло своим путём, обусловленным общей логикой развития науки. Прежде чем исследовать процесс развития, учёный должен был остановить движущийся объект, расчленить и анатомировать его в неподвижном, покоящемся состоянии. Этот общий для механистического естествознания подход в истории химической науки свёлся к периоду подробного, скрупулёзного выделения, исследования, синтеза отдельных веществ, которые рассматривались изолированно, вне эволюционной связи друг с другом. Кроме того, после триумфа органического синтеза вопрос о происхождении химических индивидов не возникал потому, что получение любого нового химического вещества действительно стало делом рук и разума человеческих: молекула нового химического соединения конструировалась по законам структурной химии из атомов и атомных групп. Недаром среди химиков популярно мнение, некогда высказанное Марселеном Бертло, о том, что химия сама создаёт для себя предмет. Другое дело – проблема происхождения жизни: живые организмы нельзя собрать, как здание из кирпичей; биолог должен установить эволюционные пути их возникновения.

В химии не могла быть поставлена задача объяснения происхождения объектов химической эволюции (химических видов) ещё и потому, что не были известны сами объекты, и не было никакой эволюционной систематики этих объектов, которая помогла бы выявить причины эволюции. Элементы периодической таблицы Менделеева первоначально тоже рассматривались как неизменные, не связанные друг с другом единой цепью происхождения. Лишь открытие радиоактивности коренным образом изменило понимание периодического закона, вскрыв его внутреннюю

97

эволюционную природу. Открытие изотопов как разновидностей элементов, равно как и обнаружение радиоактивности, сохранило основу менделеевского определения (место в системе определяет вид атомов), но подорвало разделявшееся Менделеевым дальтоновское истолкование элементов в духе их полной неизменности.

Исторический метод в химии возник, в первую очередь, в результате прогресса двух ветвей естествознания: геохимии и биохимии. Первая прослеживает действительную судьбу химических соединений в неживой, а вторая – в живой природе. В новейших геохимических гипотезах химическая эволюция связывается с образованием земной структуры из холодной твёрдой массы и её разогреванием радиоактивными процессами. Химические превращения, свойственные неорганической природе, являются объектом собственно геохимии и её многочисленных дочерних наук (гидрохимии, химии атмосферы, радиохимии и др.).

Высшие формы проявления химизма, связанные с функционированием живых систем, исследует ныне целый комплекс наук: биохимия, молекулярная биология, палеобиохимия. Биохимия, владея методами эволюционной биологии, обратила внимание ученых на актуальность проблемы химической эволюции и в общих чертах наметила пути её решения. Как отмечает В. И. Кузнецов, обращение биохимии к проблеме химической эволюции – это единственный для данной науки исключительный случай, когда она со всей последовательностью, от системы к системе, от свободных атомов до сложнейших органических комплексов, изучает абиотический химизм и в результате воссоздаёт, насколько это возможно, всю картину химической эволюции с длительностью в сотни миллиардов лет.

Включение в химическую науку принципа историзма явилось одним из решающих факторов поворота химических исследований к проблеме химической эволюции. Не менее важным было появление целой серии работ, указывающих на экспериментально установленные факты прогрессивной эволюции химических индивидов через их естественный отбор.

Во-первых, возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов. При искусственном выборе катализаторов учёные ориентировались на те из них, которые участвовали в естественной, осуществляемой самой природой эволюции от химических соединений к живым системам, тем самым принципы искусственного отбора всё более приближались к принципам естественного отбора. Выяснилось, что использование таких катализаторов приводит к тому, что химические системы начинают самопроизвольно изменяться в сторону химических систем с ещё более высокой степенью организации.

98

Во-вторых, в самой каталитической химии постепенно накапливается всё больше эмпирического материала, не укладывающегося в рамки классической кинетики о неизменности состава, энергетических параметров и специфичности действия катализаторов. Появляется большое число работ, результаты которых свидетельствуют о физических и химических изменениях катализаторов, о самоприспособлении их к требованиям базисной (основной) каталитической реакции. Первую брешь в традиционном взгляде на каталитические процессы пробила работа американских химиков А. Гуотми и Р. Каннингема, которые в 1958 – 1960 гг. открыли и детально исследовали совершенно необычное для каталитической химии явление

самосовершенствования катализаторов в реакциях, которые обычно приводили к их отравлению и дезактивации. Тем самым было установлено наличие реакций, способных «сами для себя» перестраивать катализатор в сторону повышения его активности. После этой пионерской работы американских химиков аналогичные выводы об изменениях катализаторов соответственно требованиям базисной реакции были сделаны в работах отечественных химиков Г. К. Борескова, А. Б. Шехтер и И. И. Третьякова, С. З. Рогинского, О. М. Полторака и др.

Наконец, приблизительно в те же годы стала накапливаться информация о колебательных химических реакциях, история исследования которых начинается еще в середине XIX века (Ф. Ф. Рунге, Р. Лизеганг). В 1898 г. В. Оствальд предложил объяснение «колец Лизеганга», которое базировалось на понятии о метастабильном состоянии – неравновесном состоянии, обладающем тем не менее некоторой устойчивостью. Однако эти исследования долгое время оттеснялись на периферию химической науки: химики видели в этих реакциях что-то нетипичное, экзотическое и, возможно, ошибочное. Например, в 1916 г. Дж. Т. Морган, экспериментируя с реакционной средой, содержащей пероксид водорода, муравьиную и серную кислоты, наблюдал периодическое образование ядовитого моноксида углерода. Но эти реакции не укладывались в общепризнанные рамки равновесной термодинамики, исключающей какое бы то ни было согласованное поведение участников реакции, сопровождающееся колебаниями концентраций промежуточных соединений.

В 80-х годах XX века, однако, в науке уже обозначилась позиция, ставящая колебательные химические реакции на передний край исследований.

Б. П. Белоусовым и позднее А. М. Жаботинским было изучено поведение химической реакции окисления лимонной кислоты броматом калия в присутствии катализатора – пары ионов трёх - и четырёхвалентного церия, получившей название «химические часы». Периодическое поведение этой реакции заключалось в самопроизвольном переходе её в режим концентрационных колебаний – реакционная

99

среда меняла свой цвет с красного на синий с периодом около минуты. В настоящее время химические осцилляторы рассматриваются как парадигмальные примеры сложных систем и входят в качестве базовых моделей в учебники по синергетике и нелинейной динамике, но на их признание понадобилось около тридцати лет – от первых работ Б. П. Белоусова в 50-е годы, так и не опубликованных при его жизни, до присуждения в 1980 году Ленинской премии за выяснение кинетики реакции Белоусова–Жаботинского и ее математическое моделирование группе исследователей (Белоусову – посмертно). В 1981 г. его статья, отвергнутая двумя журналами, была наконец-то опубликована.

Как говорил А. М. Бутлеров, факты, не укладывающиеся в рамки существующих теорий, особенно ценны для науки. Вновь открытые факты в области исследования каталитических, колебательных, периодических реакций потребовали пересмотра целого ряда принципов химической кинетики и замены их новыми. Эти принципы следующие:

-изменение природы и активности катализаторов в ходе реакции;

-направленность изменений каталитических систем в сторону повышения уровня химической организации;

-имманентный (внутренне присущий) характер этих изменений, обусловленный законами химической эволюции.

Эти принципы представляют собой нечто новое в самой теоретической химии. Совершенно очевидно, что именно здесь находятся истоки той новой концептуальной системы химии, которая получила название «эволюционной химии». Объектом её исследования выступают открытые самоорганизующиеся химические системы, находящиеся в состоянии, далёком от равновесного. Развитие таких систем протекает путём образования нарастающей упорядоченности, то есть в направлении систем, всё более и более организованных.

Понятие и теории самоорганизации

В самом широком смысле понятие самоорганизации выражает развитие систем от менее сложных к более сложным. Сразу возникает вопрос: что считать простым, а что сложным? Понятия простого и сложного относительны; смысл этих понятий может быть выявлен только при сопоставлении родственных объектов. Так, атом, является сложным по отношению к протону и электрону, но он прост в сравнении с молекулой. Клетка более сложна, чем белковые и другие молекулы, входящие в её состав, но является менее сложной, чем какой-либо орган, состоящий из клеток.

100