Концептуальные системы химии и их эволюция. Понятие концептуальных систем, их формирование

Итак, выше в общих чертах было объяснено, что изучает химия, каков предмет этой науки. Более конкретную характеристику того, что изуча­ет химия, дает, однако, настоящий раздел: в нем речь пойдет о четырех относительно замкнутых системных понятиях, составляющих совре­менную химическую теорию. Эти системы были названы концептуаль­ными системами химии по аналогии с концептуальными системами физики, рассмотренными В. Гейзенбергом. Это следующие системы: 1) учение о химических элементах и составе вещества (сюда относятся периодическая система элементов Д.И. Менделеева и связанные с ней обобщения, концепции соединений постоянного и переменного соста­ва, теория валентности), 2) структурная химия (учение о строении органических и неорганических соединений, координационная теория, кри­сталлохимия и т.д.), 3) учение о химическом процессе (кинетика и тео­рия катализа) и 4) химия самоорганизации (концепция диссипативных систем И. Пригожина, теория реакции Белоусова—Жаботинского, эво­люционный катализ, учение о химической эволюции).

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 первой половине XIX в. обозначились две концепции хи­мического состава — концепция дальтонидов и концепция бертоллидов. В начале второй половины XIX в. формируется структурная химия, и учение о химических элементах развивается в контексте структурных представле­ний. Решающие события в становлении химической кинетики произошли в последней трети XIX в. И наконец, химия самоорганизации заявила о се­бе в 1970-х гг. Каждая новая концептуальная система не отменяла и не по­глощала предыдущую, а, так сказать, надстраивалась над ней.

Формирование концептуальных систем химии

может быть выражено следующей категориальной схемой:

состав..........................свойство

организация.......................... поведение

Самоорганизация

Каждый треугольник этой схемы символизирует построение новой концептуальной системы. Верхний треугольник показывает, как воз­никла структурная химия в русле развития учения о химических элемен­тах. Горизонтальная линия «состав—свойство» — это квинтэссенция того, к чему пришло учение о химических элементах в первой половине

Объяснение свойств, исходя из состава, стало центральной про­блемой химии. Этот вопрос возник в органической химии в середине в., и он привел к выходу на авансцену понятия структуры. Структур­ная органическая химия сформировалась в трудах Ф.А. Кекуле (1829— 1869), А.С. Купера (1831-1892) и А.М. Бутлерова (1828-1886).

Oт структурной химии к учению о процессе

Средний треугольник приведенной выше схемы символизирует формиро­вание кинетических теорий. Он указывает, что кинетика химических сис­тем стала изучаться с целью объяснения функций этих систем, их реакци­онных способностей: подобно тому, как состав химического вещества не всегда может объяснить его свойства и для этого объяснения требуется по­нятие структуры, структура вещества не всегда может объяснить его функ­цию, реакционную способность, и для этого объяснения требуется изуче­ние организации, кинетики той реакционной системы, в которую включено данное вещество.

Структура системы — это совокупность ее элементов и порядок связей между ними. Организация системы — более емкая ее характеристика, уместная, когда эта система одарена внутренней динамикой. Раскрыть организацию системы, значит раскрыть, кроме структуры этой си­стемы, ее «программу», т.е. выяснить схему ее реагирования в ответ на изменение ее граничных условий.

Частично химическая кинетика — результат физикализации химии. Вы­шеупомянутая теория элементарного акта химического процесса возникла на базе квантовой механики и строилась в рамках парадигм, заданных кван­товой трактовкой простейших взаимодействий молекул. Однако теория элементарного акта — лишь часть химической кинетики. С выяснением физической природы элементарного акта центральной задачей химической кинетики становится задача изучения увязки элементарных актов в химическую реакцию. Эта задача уже не решалась на базе теоретической физики. Увязка элементарных актов (точнее элементарных стадий, основу кото­рых составляют элементарные акты) химических процессов проводилась на базе химического опыта, эксперимента с привлечением идей физики и п. тем математической обработки экспериментальных данных.

Примечательно, что первые свои теоретические шаги химическая ки­ника делала на основе разработки структурных представлений химии. Лишь позднее стало осознаваться, что концептуальные ресурсы струк­турной химии ограничены и требуются принципиально новые идеи. Так, одним из первых кинетических понятий стало понятие «механизм реак­ции». Механизм реакции — это своего рода развертка структуры реагиру­ющих веществ во времени. Выяснить механизм реакции и значит рас­крыть совокупность элементарных стадий, составляющих реакцию, а также закон (кинетическое уравнение), связывающий эти стадии между собой. Первоначально механизм характеризовали еще проще — лишь че­рез совокупность элементарных стадий. Постепенно, однако, химикам стало тесно в рамках даже полного понятия о механизме реакции.

Фактически эти понятия выражают то, что было очерчено выше как «организация химической системы».

Хотя понятие организации не прижилось в химии, оно, помещенное в вышеприведенную схему, хорошо показывает «логику» перехода от структурных теорий к теориям самоорганизации. Подобно тому, как кинетические теории возникли при объяснении функции — реакционной способности химического соединения, теории самоорганизации зародились при объ­яснении поведения химических систем — изменения их целостных харак­теристик. Организация реакционной системы — это внутреннее устрой­ство этой системы плюс схема ее реагирования на изменение граничных условий. Самоорганизация реакционной системы — это структурирова­ние, отражающее внутренние ресурсы этой системы.

С появлением работ Пригожина изменилась сама роль термодинами­ки в химии. «Нелинейная термодинамика, — пишут Николис и Приго­жин, — является по существу термодинамикой химических реакций». Более того, химическая реакция приобрела функции парадигмы. «Выра­жение "химическая реакция", — замечают они, — используется фор­мально в обобщенном смысле. Аналогичные уравнения мы встречаем и в других задачах, например, при обсуждении экологических, социальных и биологических проблем».

По сути дела, нелинейная термодинамика, построенная Пригожиным и его соавторами, объединяет в себе термодинамику и химическую кинетику. Возникла новая теория, в контексте которой кинетические уравнения приобрели новый смысл и повысили свою объединительную способность.

Сам Пригожин популярно разъяснил положение нелинейной нерав­новесной термодинамики. Поэтому поясним здесь лишь ту простейшую кинетическую модель, которая получила название «брюсселятора» от имени брюссельской школы термодинамики, представителем которым был Пригожин). Это простейшая система (тримолекулярная химичекая реакция), проявляющая поведение, сходное с реакцией Белоусова—Жаботинского. «Брюсселятор» характеризуют два кинетических уравнения, соотносящие скорость реакции с концентрациями реагиру­ющих веществ. Развив теорию термодинамической устойчивости, При­гожин с соавторами показали, что «брюсселятор» имеет два устойчивых решения. Первое из них отвечает стационарному состоянию, либо сов­падающему с состоянием равновесия, либо расположенному вблизи от него, второе — состоянию «химических часов», дислоцированному вда­ли от равновесия. Пригожин и его коллеги сформулировали критерий устойчивости таких сильно неравновесных состояний.

Хотя нелинейная неравновесная термодинамика Пригожина явилась как воплощенная мечта о подлинной химической термодинамике (ведь подавляющее большинство практически важных химических реакций протекает в сильно неравновесных условиях!), она не позволила перевес­ти химическую кинетику на рельсы физико-математических расчетов. Данная ситуация отчасти похожа на ситуацию с квантовой теорией эле­ментарного акта химического процесса, сложившуюся в 1930-е гг. Дело в том, что физико-математическая база была подведена лишь под малую долю проблем, возникающих в кинетике. Возникновение нелинейной не­равновесной термодинамики не лишило актуальности «доморощенные» химические теории самоорганизации химических систем. Остановимся на одной из них, на теории саморазвития открытых каталитических сис­тем А.П. Руденко. Если нелинейная термодинамика Пригожина ознаме­новала третий (высший) тип физикализации химии, то теория Руденко отвечает «логике» первого этапа — этапа проникновения отдельных фи­зических идей в химию: она строится на ряде идей термодинамики, но ее основные положения не вытекают из термодинамики, а обобщают опыт химического исследования. Тем не менее, эта теория позволяет понять важный факт, выпадавший из классического учения о катализе, — факт совершенствования катализатора в ходе химического процесса, а также выдвинуть некоторые рекомендации по использованию этого факта.