Химия – наука о химических веществах и их превращениях. Происхождение термина «химия» связывают с древнегреческим словом «хемейа» («Хем» – Египет), несущего смысловую нагрузку – «египетская наука», либо с древнегреческим словом «хюмейа», что означает «искусство литья металлов». Начало процессу самоопределения химии как науки положил Р. Бойль (1627–1691). Как самостоятельная отрасль естествознания химия сформировалась к концу XVIII – началу XIX вв. (А. Лавуазье).
Объекты химической науки – многообразие химических веществ и многообразие химических превращений, ее цель – установление химических законов, описывающих эти превращения. Химическая технология как наука рассматривает наиболее экономичные и экологически обоснованные методы химической переработки природных веществ в средства производства и предметы потребления. Понятия техники и технологии производны от греческого термина тэхнэ, первоначально обозначавшего плотницкое ремесло, строительство жилища. Позже это понятие расширяется и охватывает и технику, и техническое знание, и искусство. В античной культуре тэхнэ не имело никакого теоретического фундамента, – наука и техника рассматривались как противоположные виды деятельности. Рационализация технической деятельности и технико-технологического знания шла очень медленно; вплоть до XIX в. наука и технология развивались как бы по независимым траекториям.
История химической технологии неотделима от истории развития химического производства. Возникновение в Европе мануфактур и промыслов по получению основных химических продуктов относится к XV в., когда стали появляться мелкие специализированные производства кислот, щелочей и солей, различных фармацевтических препаратов и некоторых органических веществ. В России в конце XVI – начале XVII вв. получили развитие такие химические производства, как изготовление красок, селитры, порохов, а также получение соды и серной кислоты. На заре своего существования химическая технология как область знания была преимущественно описательной. Первые руководства по технологии в основном служили энциклопедиями известных к тому времени химических производств. Во второй половине XVIII в. началось выделение технологии в специальную область знания, формирование основ химической технологии как науки и учебной дисциплины. Впервые в этом смысле термин «технология» был употреблен в 1772 г. профессором Геттингенского университета И. Бекманом, автором первых учебников по химической технологии. В 1795 г. в Германии был издан двухтомный труд И. Ф . Гмелина «Руководство по технической химии», появившийся в 1803 г. в русском переводе В. М . Севергина под названием «Химические основания ремесел и заводов». В том же 1803 г. в Российской академии наук была учреждена кафедра химической технологии, начинается преподавание дисциплины по химической технологии в высших учебных заведениях России. Содержание химической технологии как области знания постепенно обогащается теоретическими обобщениями и закономерностями.
Становление химии как фундаментальной дисциплины усиливает взаимодействие между химией и технологией, а химическая технология приобретает научный фундамент. Основанием их взаимосвязи является основная проблема химии – задача получения веществ с заданными свойствами. Но чтобы решать эту производственную задачу, химия одновременно должна решать теоретическую задачу генезиса свойств данного вещества. Эта двуединая задача выступает инвариантным ядром химии как науки и как производства. Но решались подобные проблемы по-разному на различных этапах исторического развития химии. В зависимости от способа их решения В. И. Кузнецов выделяет четыре концептуальные системы химии, последовательное возникновение и развитие которых образует историческую траекторию развития химической науки. Появление первой концептуальной химической системы – теорий состава – создало реальные возможности целенаправленного перехода от одного вещества к другому посредством изменения состава химических элементов. Это и послужило основанием для появления химической технологии и как определенной совокупности новых методов и новых технических средств, и как деятельности, связанной с формированием научной дисциплины. На этапе создания первой концептуальной системы химии появилась технология получения основных неорганических продуктов: кислот, солей, щелочей.
Этому этапу отвечает сравнительно невысокий уровень развития химической технологии – она все еще была преимущественно описательной наукой. Сведения и рецепты, относящиеся к производству различных неорганических материалов, являлись основным содержанием литературы по «технической» и «промышленной» химии того времени.
Вторая концептуальная система химии – структурные теории – создала предпосылки для химической технологии органических веществ. Структурные теории превратили химию из науки преимущественно аналитической, какой она была до работ Ф. А. Кекуле и А. М. Бутлерова, в науку синтетическую. Теория химического строения А. М . Бутлерова послужила основанием органического синтеза, поскольку открыла путь к исследованию отдельных структурных фрагментов молекулы и их реакционной способности. В 80-е гг. XIX в. начинается триумфальное шествие органического синтеза. Были разработаны промышленные способы синтеза природных и искусственных красителей, взрывчатых веществ, лекарственных препаратов и многих других необходимых веществ. Однако возможности структурной химии как средства решения технологических задач оказались ограниченными. Во-первых, структурные теории могут лишь весьма приблизительно определить направление и скорость реакций. Во-вторых, многие реакции органического синтеза, основанные лишь на принципах структурной химии, имеют столь низкие выходы продуктов и такие большие отходы в виде побочных продуктов, что не могут быть использованы в промышленности. И, наконец, классический органический синтез трудно управляем в технологическом отношении. Стало очевидным, что полный высокомерия вызов химиков-синтетиков: «Дайте нам воду, воздух и уголь, и мы на их основе синтезируем любое сложное соединение вплоть до белка» – имеет лишь принципиальное, но отнюдь не производственное значение. Теоретические представления о направлении реакций, предельных выходах продуктов, скоростях химических процессов формируются лишь на уровне третьей концептуальной системы – химической кинетики, которая явилась основанием синтеза химических и химико-технологических знаний. Результаты исследований в области химической кинетики (теория абсолютных скоростей реакций Г. Эйринга, М. Эванса и М. Поляни; теория цепных разветвленных реакций Н. Н . Семенова и Ч. Хиншельвуда, теории гетерогенного катализа П. Сабатье, В. Н . Ипатьева, Н. Д. Зелинского и Ф. Габера), достигнутые в первой трети XX в., сыграли определяющую роль в создании производства различных химических продуктов. Теория цепных процессов предоставила химику-технологу широкие практические возможности, так как на ее основе были созданы методы, позволяющие инициировать реакции, ускорять и замедлять их и даже останавливать на любой желаемой стадии. Гетерогенный катализ позволил использовать нефтяные углеводороды в качестве источника сырья для органического синтеза. Химическая технология стала в значительной степени технологией продуктов нефтехимического производства. Но самое главное заключается в том, что химическая кинетика изменила представления о соотношении идеального и реального в химическом процессе.
Дело в том, что при создании технологических схем химики-технологи руководствовались теоретически рассчитанными выходами продуктов. На практике эти расчеты не оправдывались, так как они базировались на идеальных моделях, а технологический процесс осуществлялся в реальных условиях. Химическая кинетика включила в орбиту своих исследований термодинамические, гидродинамические, кинетические факторы, такие, как влияние стенок реактора, катализаторов, растворителей, примесей, теплоты от экзотермических реакций, – то есть все те параметры, которые отличают реальные процессы от их приближенных идеальных моделей. Не случайно Н. Н . Семенов свою Нобелевскую лекцию закончил выводами, подчеркивающими значение кинетических исследований для развития химической технологии. Дальнейшее развитие химической кинетики как основы химической технологии связано с исследованиями многофакторности кинетических систем и механизмов химических реакций. Четвертая концептуальная химическая система – эволюционная химия, основу которой составляет теория саморазвития открытых каталитических систем А. П . Руденко, находится пока в стадии становления. Но уже сейчас вырисовываются перспективы решения на ее основе технологических задач, которые до недавнего времени казались не вполне реальными. Теория саморазвития открытых каталитических систем может быть эффективно использована в развитии нестационарной кинетики, поскольку иных путей к улучшению работающих в реакторе катализаторов нет, кроме естественного отбора наиболее активных центров катализа. Принципы этой теории могут быть также использованы в решении задач поиска новых оптимальных режимов технологических процессов. И, наконец, областью применения теории саморазвития открытых каталитических систем может стать моделирование и перенесение в промышленные реакторы моделей ферментативных систем, представляющих собой часть живой клетки.
Освоение опыта живой природы сначала в лабораторных, затем в промышленных условиях может обеспечить столь необходимую для химико-технологических процессов стабильную работу биокатализаторов. Таким образом, химическая технология неразрывно связана со всей совокупностью химических дисциплин. Происходит синтез химии и химической технологии в единую науку. До недавнего времени для такого объединения еще не было оснований. Преобладало мнение, что химическая технология имеет ярко выраженный прикладной характер и, следовательно, химия как одна из основных естественных наук призвана изучать фундаментальные законы химического взаимодействия и создавать методы синтеза новых соединений, а химическая технология – лишь обеспечивать их «промышленное оформление». Однако, развитие структурных теорий наглядно показало, что химики могут в лаборатории синтезировать из элементов любое соединение, но таким способом и с таким выходом, что этот синтез никогда не сможет получить не только промышленного, но и вообще никакого «оформления». Сегодня основания синтеза химии и технологии появились, пример тому – развитие третьей и четвертой концептуальных химических систем. Можно утверждать, что химическая технология постепенно превращается в фундаментальную дисциплину.
Проблема соотношения фундаментального и прикладного знания является важной задачей методологии научных исследований. Традиционное нормативное деление всех наук на фундаментальные и прикладные опирается на исторически сложившийся стереотип обособления этих двух пластов научной деятельности: фундаментальные науки закладывают основы понимания природных процессов и явлений, прикладные – дают лишь частные и второстепенные дополнения к картине мира; фундаментальные науки используют более сложный и точный исследовательский инструментарий, при решении прикладных задач доминируют приближенные расчеты и эмпирические методы. Такое обособление имело и социальную подоплеку: прикладные исследования адресованы производителям и заказчикам, они должны быть очевидны и доступны широкому потребителю, в то время как фундаментальные адресованы элитарной части научного сообщества, которая оставляет за собой право на свободный поиск знания и самооценку уровня научных достижений.
Современная наука, включая и техническое знание, представляет собой иерархически организованную систему, каждый уровень которой развивается на основе совокупности базовых феноменологических понятий и принципов, отвечающих именно этому уровню сложности исследуемых материальных объектов. Каждому уровню научного знания присущи свои экспериментальные и теоретические методы и свои способы получения и организации эмпирического и теоретического знания. Отсюда следует, что разделение всех наук на фундаментальные и прикладные некорректно: в любой науке имеются, с одной стороны, фундаментальные концепции и результаты, а с другой стороны, их приложения и практические разработки. Для современного этапа развития химии и химической технологии характерно использование методов фундаментальных исследований для решения прикладных проблем. По мере того, как процессы классического синтеза в реакторах периодического действия стали вытесняться каталитическими процессами в проточных системах (примерно 90 % продукции химической и нефтехимической промышленности получают с использованием каталитических процессов), перенесение лабораторных результатов в промышленное производство стало невозможным без специальных химико-технологических исследований фундаментального характера. Кроме того, существенно изменились цели и направления фундаментальных исследований. От преимущественного изучения структурных вопросов, к которым химическая технология не имела непосредственного характера, химики перешли главным образом к исследованиям химических процессов, которые стали также и объектами химической технологии. Поэтому отношение к химической технологии как прикладной, или технической, дисциплине, лишенной прав на фундаментальные исследования, приводит к безнадежной задержке внедрения новых лабораторных результатов в производство.
Становление химической технологии как фундаментальной дисциплины вначале шло по пути разработки специальных моделей, которые связывали реальные технологические процессы с идеализированными объектами теоретической химии. Современная химическая технология не является только приложением химических теорий к практическим задачам; она предполагает прежде всего формирование ее концептуального ядра – теории химической технологии. Теоретические схемы химической технологии обладают определенной спецификой, которая состоит в том, что они ориентированы на конструирование химико-технологических процессов и аппаратов. Техническая теория создает реальность, в то время как естественнонаучная теория только исследует и объясняет ее (Г. Сколимовски). Наибольшее различие между химической и химико-технологической теорией заключается в характере идеализации: технологическая теория является менее абстрактной и идеализированной, более тесно связанной с реальным миром химических процессов. Технологическая теория имеет дело с более сложной реальностью, поскольку не может элиминировать взаимодействие множества физических и химических факторов, имеющих место в реальном технологическом процессе. Вследствие этого центр тяжести в теории химической технологии переносится теперь на построение надежного математического описания (математической модели) сложного химического процесса. Химико-технологическая система оказалась «плохо организованной системой», т. е. такой, в которой нельзя выделить отдельные явления и процессы и необходимо учитывать действие многих разнородных факторов. Для большинства химико-технологических процессов действие всех факторов на направление и скорость реакций учесть крайне трудно, а иногда и невозможно. Математическое моделирование позволяет без детального знания о характере сложнейшего взаимодействия всех факторов системы получить сведения, необходимые для создания наиболее рационального проекта технологической установки.
Метод математического моделирования в химической технологии есть разновидность гипотетико-дедуктивного метода – основного метода теоретического естествознания на протяжении последних трехсот лет. Его использование служит критерием теоретического характера химико-технологического знания, поскольку достаточным условием его истинности является не столько связь с практикой, сколько формально-логическая, математическая связь умозаключений и доказательств. Н. М . Черемных