Тенденции физикализации химии. Основные этапы данного процесса

История химии свидетельствует о трех этапах этой физикализации. Первый этап — проникновение физических идей в химию. Этот этап на­чался еще в XVIII в., и проникновению физических идей химия обязана своим превращением в одну из областей современного естествознания. Физической идеей, сыгравшей решающую роль в химии, стала ньюто­новская идея силы тяготения, присутствующая в его «Математических началах...». Фактически все концепции химического сродства, начиная с концепций, возникших в рамках теории флогистона, и кончая концеп­циями времен Д.И. Менделеева, строились по образцу ньютоновской трактовки гравитационного взаимодействия. Химическое сродство трактовалось как притяжение между частицами веществ, аналогичное всемирному тяготению. При этом химические явления не выводились из механики. Здесь была именно аналогия. Законы химического сродст­ва устанавливались исходя из химического эксперимента, но в них была заложена физическая идея: считалось, что эти законы выражают степень притяжения одного вещества к другому.

Вглядимся внимательнее в логику рассуждения, которая позволила химикам перейти от физического понятия силы к учению о химическом сродстве. Опираясь на понятие силы, Ньютон сформулировал три зна­менитых закона движения, которые сейчас входят под его именем во все учебники физики и механики. Однако эти законы не могли объяснить химическое превращение. Законы Ньютона были и остались законами механики. Путем логической дедукции из этих законов Ньютон вывел законы Кеплера, описал приливы и отливы, Л. Эйлер впоследствии вы­вел законы движения твердого тела. Другое дело — понятие силы, зало­женное в эти законы. Влияние этого понятия выходило далеко за преде­лы механических явлений и вылилось в идею силового взаимодействия, побуждающую искать электрические, магнитные и химические силы.

Согласно Ньютону, силой называется причина, выводящая тело из со­стояния покоя или равномерного и прямолинейного движения. При этом Ньютон специально подчеркивал, что его интересует закон действия силы, выясняемый путем экспериментального исследования, что никакие гипоте­зы о скрытой природе силового взаимодействия не могут заменить экспериментальное изучение эффектов этого взаимодействия. В алхимии «сродство» веществ мыслилось в виде мистической связи между ними. В начале второй половины XVII в. в естествознании восторжествовал грубый механи­цизм, и химическое взаимодействие объяснялось геометрической формой и размером частиц вещества. Причем выдвигались различного рода умозри­тельные гипотезы об их форме и размерах. Ньютоновская идея силового вза­имодействия изменила ситуацию. В химии были постулированы особого ро­да силы, действующие между химическими частицами и приводящие к превращениям вещества. Была поставлена задача выяснить путем экспери­ментального исследования тот закон, которому подчиняются эти силы.

Одним из первых таких законов была таблица химического сродства, составленная французским химиком Э.Ф. Жоффруа-старшим (начало XVIII в.). Эта таблица выглядела просто: наверху по горизонтали был на­несен ряд символов веществ, под каждым из которых в вертикальных столбцах располагались символы веществ, с которыми это вещество вза­имодействует. Причем ближе к горизонтальной строке располагались символы веществ, которые более активно взаимодействуют с вещества­ми, помещенными в этой строке.

Второй этап физикализации химии — этап проникновения в химию Физических законов. Эти законы уже объясняют химические явления. Рассмотрим, каким образом законы физической теории — термодинамики — оказались вовлечены в химическое исследование и дали жизнь физико-химической теории — химической термодинамики. Термодинамика складывалась в процессе изучения принципа действия паровой машины и тепловых двигателей вообще. Применение термодинамики к химии разрушиулось в конце 70-х и начале 80-х гг. XIX в. в трудах Г. Гельмгольца U821-1894), Я. Вант-Гоффа (1852-1911) и Дж. Гиббса (1839-1903). Предпосылки тому были созданы развитием учения о химическом срод­стве. Сам факт использования в химии такого физического понятия, как сила, свидетельствовал о необходимости более глубокого физического объяснения химических явлений. Развитие учения о химическом сродстве также привело к интерпретации таких понятий, которые позволили на­вести мосты между термодинамикой и химией, — понятий химического равновесия и энергии. Эти понятия, правда, в разных разделах науки. Энергетические характеристики химических процессов рассматривались в термохимии (конец второй половины XIX в.), которая занималась в пер­вую очередь необратимыми неравновесными процессами. Термохимию интересуют переходы химической энергии в тепловую, и наоборот. Тер­мохимия базируется на первом начале термодинамики — принципе энер­гии (частный случай закона сохранения энергии).

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 становится минимальным.

В современной химической термодинамике используются и другие функции, играющие роль потенциалов. Химическая термодинамика, одна­ко, лишь частично проясняет природу того явления, которое химики обо­значили как сродство. Во-первых, термодинамические потенциалы опреде­ляют лишь необходимые, а не достаточные условия протекания процессов. Во-вторых, они работают лишь вблизи равновесия. Последнее следует из природы термодинамики: вычисляя термодинамические потенциалы, хи­мики трактуют химическое превращение как обратимый процесс, т.е. про­текающий так, что равновесие, по сути дела, не нарушается.

Химическая термодинамика и электрохимия составляют ядро особой дисциплины, называемой физической химией. Как та, так и другая тео­рия возникает из физического объяснения химических явлений. Как та, так и другая формируется в конце XIX в.

Третий этап физикализации химии — физическое описание и объясне­ние «святая святых» химии — химической связи и химического взаимодей­ствия. К концу 20-х гг. XX в. складывается новая фундаментальная теория — квантовая механика (Н. Бор, В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер, П. Дирак и др.). И почти сразу же начинается ее применение к химии. В 1927 г. В. Гейтлер и Ф. Лондон, следуя работе В. Гейзенберга об атоме гелия, рассчитали энергию связи молекулы водорода и тем самым показали, что химическая связь — квантовое явление. Расчет Гейтлера и Лондона многократно совершенство­вался и улучшался, в конечном итоге точность теоретического вычисления намного превзошла точность измерения этой энергии.

За работами по молекуле водорода появилось огромное количество теоретических работ по структуре молекул всех видов.

Чтобы проследить, как формировалась квантовая теория строения молекул, остановимся на доквантовых электронных представлениях химии. Мы здесь должны вернуться к первому этапу физикализации — проник­новению физических идей в химию. Выше речь шла о проникновении Ньютоновской идеи силы в химию. На этой базе в XVIII и XIX вв. форми­ровались теории химического сродства. В начале XX в. в химию проникает идея электрона как фактора, обеспечивающего химическую связь. Хо­тя электрон был открыт Дж.Дж. Томсоном в 1897 г., электронные концеп­ции химической связи стали складываться в 1920-е гг. на базе представле­ний, возникших в ходе разработки квантовой теории атома и молекулы

Многоформульное представление строения химических соединений было сначала предложено Льюисом в развитие его электронных идей и получило название теории мезомерии. В квантовой механике уже в раз­витие идей Гейтлера и Лондона такое представление было использовано Л. Полингом и получило название теории резонанса.

До сих пор речь шла о квантово-механическом объяснении химичес­кой связи. Но квантовую механику прилагают и к объяснению химичес­кого взаимодействия. Как и в случае молекулярных систем, эти работы были начаты с рассмотрения простейшего взаимодействия — реакции между молекулой водорода и атомом водорода.

Итак, квантовая механика выполняет в отношении химии все три функции физической теории. Она объясняет образование химических соединений иход химических реакций. Кроме того, эта теория составляет теоретичес­кую базу ряда центральных разделов химической науки. Она позволяет фундированно вести обсуждение тех вопросов, которые до этого обсуж­дались лишь в расчете на эмпирию, она определяет перспективу уточне­ния теоретических расчетов и понятий.

Развитие современной химии обнаруживает, по меньшей мере, две тен­денции. Первая тенденция только что рассматривалась. Это тенденция физикализации — внедрение в химическую науку физических идей и ме­тодов, подведение под химию теоретико-физического фундамента (физикализация химии — аналог математизации физики). Вторая тенденция обнаруживается в эволюции концептуальных систем химии. Это тенден­ция к формированию системных понятий, раскрывающих предмет этой науки — вещество (понятий «состав», «свойство» и т.д.). Указанные две тенденции могут рассматриваться как независимые: физикализация хи­мии не предполагает обязательного развития системных представлений этой науки, и, наоборот, развитие системных представлений, вообще го­воря, может быть не связано с физикализацией. Более того, эти тенден­ции могут рассматриваться как альтернативные. Благодаря развитию си­стемных представлений химия как бы «убегает» от физикализации: на каждый новый шаг на пути физикализации химии химики реагируют но­выми системными химическими идеями, еще не оформленными в физи­ческих понятиях и не имеющими твердой физической основы.