В химии идея процесса, процессуальности возникла не сразу. Первоначально она растворялась в общих представлениях об изменениях, превращениях веществ. Стихийная диалектика древних греков включала в себя учение о всеобщем круговороте веществ на основе взаимных переходов, трансмутации первичных элементов. Вместе с тем античная натурфилософия не знала различий между процессами химическими и физическими, изменениями агрегатного состояния тел и химическими преобразованиями веществ. Натурфилософские представления античности были во многом заимствованы средневековыми алхимиками, которые в своих поисках философского камня не только надеялись найти способ превращения неблагородных металлов в золото, но рассчитывали создать самодвижущуюся, циклически эволюционирующую химическую субстанцию. Например, Роберт Бойль утверждал, что на основе непрерывной реакции ему удалось создать «самодвижущуюся жидкость». В алхимии под процессом понимается: «любое химическое действие, которое происходит по правилам» (Парацельс), т. е. процесс рассматривается как процедура приготовления какого-либо вещества или раствора. В медицинских и химических руководствах слово «процесс» становится стандартным заглавием для описания различных химических методик.
В XVII–XVIII вв. проблема процесса как изменения становится центральной в научном познании. В этот период происходит смена акцентов: проблема возникновения процесса была заменена проблемой процесса как изменения. Важный шаг в развитии идеи процессуальности наука совершает в сер. XIX в. Термодинамика начинает исследовать качественную определенность процесса с позиций всеобщего эквивалента – энергии. Исследование процесса возрождается и в философии, прежде всего в немецкой классической философии. С точки зрения Гегеля, бытие и ничто – это не просто существование и несуществование, а противоположные стороны процесса, одна из которых характеризует определенность, а вторая – неопределенность, причем определенность выражается в акте притяжения, а неопределенность – в акте отталкивания. Эти определения развивающегося понятия Гегель применяет в «Философии природы» к анализу материальных процессов. Анализу подвергается не только процесс как таковой, но и различные виды процессов, в том числе, и химический. Шеллинг четко отграничил механическое перемещение как низшую форму движения материи от химического изменения, определив химический процесс как высшее единство, тотальность магнетизма и электричества, как взаимодействие положительных и отрицательных сил: «Каждый химический процесс есть как бы становление новой материи, и то, чему философия учит нас априорно, – что всякая материя есть продукт противоположных сил, становится в каждом химическом процессе наглядным».
Гегель в химическом движении 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. Химический процесс, по Гегелю, содержит в себе предпосылку перехода к органической сфере. Он отмечает, что «Химический процесс представляет собой аналогию с жизнью; внутренняя подвижность жизни, наблюдаемая в нем, может повергнуть в изумление». Причину этой внутренней подвижности Гегель видел в противоречивости химического процесса, во взаимодействии противоположных химических субстанций.
В то время как физика выходит на новый рубеж в научном познании различных процессов, а диалектическая философия анализирует понятия процесса, изменения, становления в химии XVIII – середины XIX вв. ситуация совершенно иная – теории состава и строения базируются на понятиях постоянства состава, кратности отношений, целочисленности сродства, отражающих моменты дискретности и устойчивости химических соединений. Главной целью химии является «исследование конституции соединений» (А. Кекуле). В этот период теоретические представления строятся на атомистическом фундаменте, исключающем проникновение в химию идеи процесса. Конечно, способом установления элементного состава и структуры вещества всегда являлись разнообразные химические процессы, но в данном случае исследование процессов играло вспомогательную роль, подчиненную решению основной задачи химии того времени. Объектом изучения химии были не закономерности химических процессов, а их результаты – такие системы, как атомы и молекулы, обладающие ярко выраженным постоянством состава и строения. Субстанциальная сторона химических явлений вовлекалась в исследовательское пространство химии значительно раньше процессуальной стороны. В этот период объект химии формировался под влиянием научной картины статичного мира «существующего». Характеризуя этот период в развитии химии, Гегель писал: «...для химиков важнее всего в их описаниях мертвый продукт, получающийся в результате того или иного процесса». Лавуазианскую химию не интересовал процесс – этот фундаментальный аспект химического явления, как отмечал в своих оценках в области философии химии Г. Башляр. Во второй половине XIX в. постепенно происходит изменение способа мышления химиков – в структурные представления начинают внедряться динамические идеи. Этому повороту способствовал, в частности, известный спор между Ж. Л. Прустом и К. Л. Бертолле, который, по сути, представлял собой столкновение статического и динамического способов химического мышления.
Динамические идеи зачастую приводили к отказу от понятия химического строения вообще. В химическом мышлении начинает преобладать позиция, согласно которой «едва ли теория строения, не обнимающая вовсе динамической стороны химических явлений, может считаться выразительницей современного состояния химических знаний»194 (Н. А . Меншуткин). В 80-х годах XIX в. начинает формироваться химическая кинетика, которая переходит к целенаправленному исследованию именно химических процессов, а не только их готовых результатов. В химию входит идея движения, которая вместе с тем является фактором проникновения в химию понятия времени. Химическая кинетика изучает химическое превращение веществ как процесс, протекающий во времени, а также закономерности, определяющие направление и скорость этого превращения, его механизм. Иначе говоря, в химической кинетике пространство состояний дополняется еще одной координатой – временем (t).
Первый аспект исследования процессов был представлен в химической статике, объектом изучения которой явилось химическое равновесие. Я. Вант-Гофф впервые определил состояние химического равновесия как следствие равенства скоростей прямой и обратной реакций. Понятие скорости здесь не просто постулируется, но обретает математическую форму и теоретически определяется. Тем самым понятие времени вводится в кинетические теории в явном виде как параметр, переменная t. С этого момента понятие времени начинает функционировать в химическом знании именно как понятие, будучи включенным в структуру теории. Уравнения формальной кинетики (раздел кинетики, рассматривающий временной ход реакций вне зависимости от конкретных реагентов и продуктов) описывают химический процесс как динамическую систему, как некую линейную траекторию изменения химических состояний. В данном описании время имеет значение числа, характеризующего положение химической системы на этой траектории. Таким образом, время в формальной кинетике есть количественное описание химического процесса. Начиная с работ Вант-Гоффа, кинетика стала развиваться по двум направлениям: по пути химической статики и по пути химической динамики, которая включает в себя теорию соударений, теорию абсолютных скоростей реакций, теорию цепных реакций, ряд каталитических теорий. Предпосылкой изучения скоростей химических реакций явилось то обстоятельство, что практически все реакции, являющиеся моделями первых кинетических исследований, были каталитическими, связанными с резким изменением скорости в присутствии некоторых веществ (катализаторов). Постепенно закладывались основы изучения механизма химических реакций, под которым вначале понимались совокупность стадий химического процесса. Само понятие механизма вошло в химический обиход только в XX веке, хотя еще в конце XVIII в. было выдвинуто предположение о том, что химический процесс протекает через промежуточные стадии.
В дальнейшем изучение механизмов химических процессов позволило подойти к пониманию самого «элементарного» акта реакции как сложного феномена. Наибольший интерес в этом отношении представляет теория абсолютных скоростей реакций, в которой понятие механизма означает развертку структуры реагирующих веществ во времени (Г. Эйринг, М. Эванс, М. Полани, 1935 г.) . Центральным звеном механизма химического превращения является образование активированного комплекса, который представляет собой некоторое, условно говоря, «соединение» исходных веществ и продуктов реакции и одновременно «переход» от исходных веществ к продуктам реакции. В связи с этим активированный комплекс получил еще одно название – переходное состояние, в котором отражается момент химического самодвижения. Появление понятия переходного состояния – узлового понятия современной теоретической химии (Ю. А . Жданов) – означает принципиально новый этап в развитии химии, а, именно, поворот к познанию собственно химического процесса, поскольку переходное состояние фиксирует качественные моменты развертывающегося химического процесса. Тем самым создается основа для теоретического выражения временного становления. Гегель рассматривал становление как переходное состояние между бытием и небытием. Таким образом, понятие переходного состояния вводит в химическую теорию реальное время превращения вещества, время как единство бытия и небытия химического процесса. Развитие учения о химическом процессе означает переход к «нелавуазианской» химии (Г. Башляр), которая рассматривает химические вещества, лишь как условия возможности химического взаимодействия.
Химическая кинетика есть химия процесса, а кинетические теории вносят в научное сознание идеи изменения, становления, эволюции, процесса. В современной теоретической химии содержание понятия химического процесса определяется через понятия химической реакции, химического взаимодействия, химической связиидр. Химический процесс – это реальное явление, доступное экспериментальному наблюдению и измерению, и представляет собой изменение химической природы веществ, а также взаимообусловленные изменения химического состава, структуры и энергетических параметров химических веществ во времени. Химический процесс является основным объектом химической кинетики; он рассматривается в современной химии как кинетический континуум множества веществ. Любой химический процесс – совокупность химических реакций и других процессов, обеспечивающих условия протекания химических реакций (например, транспортировки реагентов к зоне реакции, продуктов из зоны реакции и т. п.) . Химические процессы всегда сопровождаются физическими процессами (выделением или поглощением тепла, изменением электрических потенциалов, механическими перемещениями и т. д.) .
Химическая реакция – составная часть химического процесса; «элементарный» химический процесс (может быть описан одним химическим уравнением). Понятие химической реакции отражает динамику химического взаимодействия, разрыв одних химических связей и образование новых. Химическая реакция – идеальный объект теории, относительно которого могут быть сформулированы химические законы. Если «участниками» химического процесса выступают эмпирические химические вещества, то «участниками» химической реакции являются химические соединения. Протекание химических реакций во времени выражается следующими основными понятиями химической кинетики: элементарный акт – простейшее химическое превращение (без промежуточных стадий), механизм химической реакции – последовательность элементарных актов, скорость химической реакции – количество вещества, расходующегося или образующегося в единицу времени. Существуют различные типы химических реакций (если учитывать разные основания): простые и сложные, последовательные и параллельные, экзотермические и эндотермические, цепные, каталитические и т. п. Классификация реакций по их кинетическим закономерностям – задача более сложная, чем решенная Менделеевым задача классификации элементов по их свойствам, считал известный специалист в области химической физики Н. Н . Семенов. Химическое взаимодействие – перекрывание электронных орбиталей атомов, обусловливающее образование и устойчивое существование двухи многоатомных химических соединений (молекул, ионов, радикалов, кристаллов и т. п.); вследствие такого перекрывания валентные электроны оказывают интенсивное влияние друг на друга; при этом они как бы «обобществляются», то есть принадлежат не одному какому-то атому индивидуально, а всей образующейся молекуле, всем ее атомам сразу. Обменное взаимодействие между ядрами, приводящее к «обобществлению» электронов, не имеет аналогов в физических процессах. Различные типы химического взаимодействия определяют различные формы химической связи. Понятие «химическое взаимодействие» соответствует понятию «химическая связь» при переходе на атомно-молекулярный уровень. Химическая связь – результат химического взаимодействия. Она является следствием перераспределения валентных электронов взаимодействующих атомов, то есть перехода электронов от одного атома к другому или образования общих электронных пар. Химические связи действуют между атомами (как различными, так и одинаковыми) и обеспечивают определенное единство молекулы; каждый атом может образовывать лишь целое число химических связей. Введение электронных представлений в химию привело к пониманию лабильности химической связи (подвижности электронной пары) и описанию химических соединений как динамических систем. Подвижность и динамичность связей обусловливает специфику химического взаимодействия. В зависимости от механизма образования связи (или степени обобществления валентных электронов) различают три основных типа химических связей: ионную, ковалентную и металлическую. Н. М . Черемных
93.65 кб