Полная версия

Главная arrow Философия arrow История, философия и методология естественных наук

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

ГЛАВА 13. Онтология, этика, эстетика

Основная цель данной главы состоит в разносторонней характеристике химии, в том числе в контексте онтологии, этики и эстетики. В результате изучения материала данной главы студент должен:

знать

  • • четыре концепции динамики химических реакций;
  • • способы обогащения философии химии философскими идеями;
  • • различие субстанциальной и научной этики;
  • • концепции взаимосвязи физики и химии;

уметь

  • • давать динамическое объяснение пространственных и временны́х эффектов;
  • • выявлять философскую позицию химиков и философов химии;
  • • продуктивно использовать потенциал этики химии;

владеть

  • • основными понятиями структурной и динамической химии;
  • • основными концептами субстанциальной и научной этики;
  • • основными понятиями синергетики.

Ключевые слова: потенциальная поверхность, семантическая наука, визуализация, истинность, философский плюрализм, научная этика, редукционизм, синергетика.

13.1. Динамика, пространство и время химических явлений

В главе 12 были рассмотрены все стадии концептуальной транс- дукции в химическом познании. На этот раз основное внимание будет уделено онтологической интерпретации весьма актуальных химических концептов, в частности понятию реактивной способности вещества. Следует отметить, что химия в известной степени похожа на физику. Имеется в виду, что в ее контексте понятия динамики, пространства и времени имеют не меньшее значение, чем в физике. Поясняя это положение, резонно обратиться к становлению структурной химии, т.е. химической теории, в рамках которой значительный вес приобрело понятие структуры.

Научная химия конституировалась в начале XIX столетия. Лишь через полвека удалось развить понятие структуры атомномолекулярной системы.

Исторический экскурс

Теория химической структуры была разработана в 1850–1860-х гг. Ф. А. Кекуле, А. С. Купером и А. М. Бутлеровым. Они показали, что химические соединения не состоят из случайных кластеров атомов и функциональных групп, а являются относительно устойчивыми системами, обладающих упорядоченным, т.е. инвариантным строением, соответствующим валентности составляющих систему атомов. Понятие химической структуры не могло быть развито без понятия валентности, т.е. способности атомов химических элементов образовывать вполне определенное, а не любое число связей, с атомами других элементов. Решающая новация состояла в том, что валентность признавалась столь же основательным свойством атомов, как и их масса.

Структура атомно-молекулярной системы является вроде бы привычным для химиков понятием. Тем не менее относительно него остаются многие неясности. Как вполне справедливо отмечает Π. М. Зоркий, "понятие “структура” очень часто используется неточно, легковесно и даже вообще не по существу. И в научной, и в учебной литературе нередко приходится встречаться с грубыми ошибками в описаниях структур и использовании структурных данных. В действительности структура – это сложное многоуровневое понятие, существующее в форме ряда весьма различных приближений, и нужно пользоваться им так, чтобы в каждом конкретном случае была ясна сущность и степень достоверности подразумевающейся модели"[1]. Предостережение Π. М. Зоркого, что структура является всегда моделью и некоторым приближением, т.е., как автору представляется, аппроксимацией, обеспечивающей успех концептуальной трансдукции, безусловно, актуально. Но оно не избавляет от необходимости определения структуры.

По мнению автора, структурой химической системы является ее инвариантный аспект. Таких аспектов достаточно много. Широко распространено представление, что химическая структура является пространственным образом. Но пространственное представление структуры не исчерпывает всего ее богатства. Наряду с пространственным представлением структуры следует рассматривать, в частности, временное и динамическое, в том числе энергетическое. Исторически случилось так, что первоначально преимущественное внимание уделялось пространственному представлению структуры. Во многом это определялось относительно простым экспериментальным доступом к пространственной структуре. Экспериментальное изучение временно́й структуры затруднено в большей степени, чем исследование пространственной структуры. Тем не менее, в конечном итоге структура предстает как веер представлений (вспомните предостережение Π. М. Зоркого, прекрасного знатока структурной проблематики).

В данном месте резонно вспомнить о дополнительности структурного и атомарного подходов (см. параграф 6.2). С одной стороны, химики, полагая, что химические системы состоят из атомов, реализуют атомарный подход. С другой стороны, они настаивают на актуальности структурного подхода. При этом, по мнению автора, не обращается должного внимания на различие атомарного и структурного подходов. Они не отменяют друг друга, но и не совпадают. В рамках структурного подхода признаки атомов становятся функциями структуры. Так, в различных углеродных соединениях атомы углерода выполняют неодинаковые функции. Что касается двух способов рассмотрения химических соединений – "внутри" и "вне" системы (см. параграф 7.4) – то они также актуальны не только для физики, по и химии.

Понятие химической структуры позволило по-новому оценить динамику химических процессов. С одной стороны, фиксировалось сохранение химических систем. Оно было объяснено лишь после создания в 1920-х гг. квантовой механики. С другой стороны, само понятие структуры наводило на мысль о возможности ее преобразования в химических реакциях в результате разрыва валентных связей. В химии динамика предшествует кинетике столь же непреклонным образом, как и в физике.

Исключительно актуальное значение для развития химической динамики имели термодинамические работы англичанина Дж. У. Гиббса 1874–1878 гг. Он первым сумел не только объединить первый и второй законы термодинамики, но и придать им посредством аппарата векторной алгебры дифференциальную форму. Продемонстрировав необычайное дедуктивное мастерство, он получил уравнение

(13.1)

где – изменение энтальпии; ΔG – изменение энергии Гиббса; Т – абсолютная температура; ΔS – изменение энтропии.

Для совершения работы, связанной с осуществлением химической реакции, может быть использована только энергия Гиббса. А это означает, что изменение энергии Гиббса позволяет судить о принципиальной возможности самопроизвольной химической реакции. Она возможна при условии выполнения неравенства:

(13.2)

Исследования Дж. У. Гиббса имели актуальное значение для укрепления позиций динамического подхода в химии. В химии, как и в физике, энергия является динамическим фактором, определяющим ход процессов, сохранение и преобразование химических состояний.

Многогранность науки

Впрочем, термодинамических анализов для понимания динамики химических процессов недостаточно, ибо они не вскрывают механизм явлений. Динамический подход всегда требует детальности: что с чем взаимодействует и каким образом.

В этой связи достойны упоминания, по крайней мере, четыре подхода. Согласно концепции соударений молекулы изменяют свои электронные оболочки, инициируя дальнейшие превращения. Эта концепция в наши дни не пользуются популярностью, ибо она, по сути, мало что сообщает о механизме взаимодействий.

В концепции активированных комплексов они интерпретируются как промежуточные переходные неустойчивые состояния, характерные для критических точек химических реакций. В 1970-х гг. понятие активированного комплекса некоторыми исследователями признавалось узловым для химии[2]. В рассматриваемой теории акцент делается по преимуществу на критических фазах реакций, да и они не рассматриваются достаточно подробно.

Указанные недостатки концепций соударения и активированных комплексов в значительной степени преодолеваются в концепции движения реагирующей системы по потенциальной поверхности. Как отмечает Η. Ф. Степанов, "представления о потенциальных поверхностях, их особых точках, в частности, минимумах, максимумах и точках перевалов, а также об особенностях перемещений изображающей точки по потенциальной поверхности при заданной полной энергии системы служат основой рассуждений о механизмах и динамике превращений и основой для проведения оценок кинематических характеристик"[3].

Каждой ядерной конфигурации соответствует точка на потенциальной поверхности, т.е. некоторая потенциальная энергия. Сама плоскость представляет силы как отрицательные градиенты потенциальных энергий. Реакционная соотносительная способность взаимодействующих химических систем определяется в первую очередь разницей их потенциальных энергий. История в известной степени повторяется. Как и в физике, в химии важнейшими динамическими факторами оказываются потенциальные энергии и их изменения, т.е. силы. Какая именно пространственная или временна́я структура станет итогом химической реакции, определяется указанными силами. Таким образом, пространственные и временны́е эффекты определяются динамическими факторами.

При переходе к квантовым явлениям приходится учитывать квантово-механические явления. В этом случае представление о потенциальной поверхности не всегда применимо. Необходимо учитывать вероятности, а также процессы туннелирования. Но стратегия – потенциальная энергия и силы ответственны за все, что происходит с химическими системами – остается в силе. Таким образом, развитие представлений о химических процессах за 200 лет существования научной химии неуклонно укрепляет в ней детерминизм.

Нетрудно видеть, что рассмотренные четыре концепции динамики химических реакций образуют проблемный ряд, который можно преобразовать в соответствующий интерпретационный строй. Квантовая теория химических взаимодействий оказывается ключом для понимания существа концепций соударений, активированных комплексов и движений по классическим потенциальным поверхностям.

И наконец, обратимся к проблеме времени. Химики никогда не сомневались в актуальности феномена времени. Наиболее зримо эта их установка проявилась в создании химической кинетики, возраст которой отчитывается от исследований Η. Н. Бекетова, К. М. Гульберга и П. Ваге, осуществленных в 1860-е гг. Определение скорости химических реакций не могло быть осуществлено без обращения к параметру длительности. Но дать его динамическое истолкование химики не были в силах. Причина банальна – отсутствовала динамическая химия. В этих условиях при объяснении механизма химических реакций движение во времени заменялось суммой неподвижных состояний. Все это напоминает положение дел в классическом кинематографе, где говорят о "цайтраферном" подходе (от нем. Zeit – время и raffen – собирать), где фильм собирается из отдельных кадров, каждый из которых как бы останавливает поток времени.

Лишь в конце XX в. химики сумели в отчетливых формах перейти к динамическому объяснению фактора времени. Этому успеху способствовали два достижения. С одной стороны, рассмотренная выше концепция движения реагирующей системы по потенциальной поверхности, с другой стороны, мониторинг атомных движений во время химических реакций, фиксирующий длительности порядка 10-12 с (пикосекунды). Современные лазерные технологии позволяют в химических экспериментах зафиксировать длительности величиной всего лишь в несколько фемтосекунд (1фс = 10-15с) и протяженности в сотые доли ангстрема (м). Такая экспансия химического эксперимента в микромир достигает квантовых образований, в частности когерентных ансамблей молекул-осцилляторов[4].

В заключение данного параграфа коснемся вопроса о специфике химических взаимодействий, а также химического пространства и времени. Должны ли перечисленные реалии отождествляться с физическими факторами? Или же они обладают своеобразной нефизической природой? Если химические явления не отличаются от физических процессов, то следует химию приравнять к физике. Профессиональные химики отказываются от такого шага. Если же рассматриваемые химические феномены своеобразны, то нужно указать на их решающее отличие от физических явлений. Но и этого, насколько автору известно, никто не делает.

К вопросу о специфике химических явлений и их отличии от физических феноменов автор обратился 30 лет тому назад[5]. Тогда, как и сейчас, автор полагает, что своеобразный парадокс – химия не тождественна, но все-таки равна физике – не должен оставаться без обсуждения. Следует, не опасаясь ошибок, выдвинуть гипотезы, разрешающие этот парадокс. Лучше ошибиться, чем отмолчаться.

По мнению автора, химики имеют дело с электромагнитными взаимодействиями, квантами которых являются фотоны. Но они рассматривают эти взаимодействия по-другому, чем физики, а именно, лишь постольку, поскольку они сохраняют или же преобразуют химические объекты, т.е. атомно-молекулярные системы, ассоциаты и кластеры. Все те факторы, которые не ответственны за указанные процессы, физики оставляют без внимания, они им неинтересны. Проводимая химиками сепарация сразу же отдаляет их от физиков. В их деятельности появляется спецификация, которая неприемлема для физиков. Разумеется, своей неординарной деятельностью химики демонстрируют не своеволие, а следуют за одним из выборов природы. Его своеобразие свидетельствует о том, что правомерно отличать химические феномены, в том числе физическое пространство и время, от физических явлений.

Выводы

  • 1. Химическая структура – это совокупность инвариантных аспектов химических объектов как систем.
  • 2. Проблемный ряд теорий химического взаимодействия включает: концепты соударений, активированных комплексов, движения реагирующей системы по потенциальной поверхности, квантовой теории взаимодействий.
  • 3. Потенциальная энергия и силы – важнейшие динамические химические факторы.
  • 4. Химическая динамика определяет свойства пространственных и временны́х характеристик химических явлений.
  • 5. Развитие химии свидетельствует об укреплении в ней позиций детерминизма.

  • [1] Зоркий Π. М. Структурная химия на рубеже веков // Российский химический журнал. 2001. Т. 65. № 2. С. 3.
  • [2] Жданов Ю. А. Узловое понятие современной теоретической химии // Философия, естествознание, современность. Итоги и перспективы исследований 1970–1980 гг. М.: Мысль, 1981. С. 77–83.
  • [3] Степанов Η. Ф. Потенциальные поверхности и химические реакции // Соросовский образовательный журнал. 1996. № 10. С. 40.
  • [4] Бучаченко А. Л. Время в химии // Соросовский образовательный журнал. 2001. Т. 7. № 8. С. 28.
  • [5] Канке В. А. К вопросу о специфике времени химических явлений // Диалектический материализм и философские вопросы естествознания. М.: МГПИ, 1983. С. 17–24; Каике В. А. Формы времени. Томск: ТГУ, 1984. С. 91–105.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>