Химию относят к естественным наукам, поскольку естествознание есть совокупность наук о природе и представляет собой систему взаимосвязанных научных дисциплин, которая, кроме химии, включает в себя астрономию, физику, биологию, геологию и др. Каждая из перечисленных отраслей естествознания, в свою очередь, представляет собой сложную систему научных дисциплин.
Взаимное влияние естественных наук в процессе их исторического развития является важнейшей тенденцией развития науки, которая была отмечена уже М. В . Ломоносовым. Еще в сер. XVIII в. он писал: «Слеп физик без математики, сухорук без химии». Смысл этого утверждения в связи с химией понятен – ведь наиболее распространенным, практически важным и доступным объектом исследования на Земле является тот вещественный уровень организации материи, который представлен в виде химических соединений. На разных этапах своего становления и развития химия постоянно находилась во взаимодействии с другими естественными науками. Еще Р. Декарт тесно связал химию с механикой, объясняя многообразие химических веществ и их свойств тем, что атомы огня, воздуха и земли механически взаимодействуют друг с другом и образуют «cмешанные тела». Стремление Д. И. Менделеева к изучению первопричин химических превращений привело к решению поставленной им задачи через физические подходы, – не случайно он заявлял: «Главный предмет моих занятий есть физическая химия». Близкое соседство физики и химии оказалось для химии весьма плодотворным, поскольку обусловило перенос в химию идей, методов и концептуальных схем теоретически более развитой физики. Применение физических измерительных приборов позволило химикам перейти от обычных химических наблюдений, например, изменений цвета и вкуса веществ, к количественным исследованиям. Благодаря весовому методу химия получила представление о массе химического вещества. Обобщенный закон сохранения материи и движения, сформулированный М. В. Ломоносовым в 1748 г., в химии приобрел форму закона сохранения массы веществ в химических реакциях. А. Лавуазье применил принцип сохранения массы вещества к химическим превращениям и решению фундаментальных проблем химии, что привело к революционным преобразованиям самих основ химии: разработан проект первой рациональной химической номенклатуры; появилась возможность записи уравнений химических реакций; - была решена проблема горения, окисления и дыхания; пересмотрена принятая ранее система составов химических веществ; создан фундамент для формулировки основных законов химии.
Атомное учение, разработанное в физике, Дж. Дальтон объединил с элементаристскими идеями А. Лавуазье, что привело к появлению химической атомистики, определившей развитие химии до наших дней, и созданию основных законов химии – законов постоянства состава и кратных отношений. Впечатляющие успехи атомно-молекулярного учения в химии, в особенности, открытие Д. И. Менделеевым периодического закона химических элементов, в свою очередь, оказали определяющее влияние на важнейшие разделы физики второй половины XIX в.
Синтез физического и химического знаний происходил и на пути обнаружения общих объектов исследования. Наиболее прочные объектные связи физики и химии установила атомистика. В XIX в. этот канал взаимодействий физики и химии привел к появлению целого ряда пограничных наук – электрохимии, термохимии, фотохимии и др. Особый интерес представляет физическая химия. Понятие «физическая химия» и первые работы с таким же названием появились еще в первой половине XVIII в.; они не имели никакого физико-химического содержания, но отражали стремление химиков приблизиться к идеалам научности более развитой физики. Формирование физической химии как самостоятельной научной дисциплины было связано вначале с применением физических методов исследования и изучением физических свойств вещества (до 70-х годов XIX в.), а затем с установлением новых научных принципов, раскрывающих природу химической связи. Исследования Я. Вант-Гоффа, В. Оствальда, С. Ар рениуса, В. Нернста и других ученых привели к созданию основных концепций физической химии, облаченных в строгую математическую форму.
Взаимодействие химии и математики – еще один вид междисциплинарных связей. Некоторые исследователи полагают, что, поскольку химия практически не приводила к появлению новых областей математического знания, то корректнее говорить не о взаимодействии, а о влиянии математики на химию, или о путях математизации химии. Идеал математического знания вошел в химическое мышление в середине XIX в. При объяснении явлений химики стремились принять «за образец математиков, которые всегда предварительно определяют смысл каждого термина» (Ш. Жерар). Математический формализм ньютоновской динамики лег в основу химической кинетики. К . Гульдберг и П. Вааге дали математическую формулировку закона действия масс. С. Аррениус установил математическую форму температурной зависимости для константы скорости химической реакции. Математические основы химии в области химической термодинамики и химической кинетики были заложены Я. Вант-Гоффом. В дальнейшем расширение и усложнение математического аппарата происходило в зависимости от открытия новых предметных областей химического знания. Необходимость выяснения сущности периодического закона Д. И. Менделеева обусловила объединение математического аппарата квантовой механики и классических представлений о строении химических соединений, что привело к формированию квантовой химии. Использование математических уравнений термодинамики для расчетов химических процессов породило химическую термодинамику. Многие задачи химической технологии могут быть решены только средствами математики. Сложный нелинейный характер протекания химических процессов привел к формулировке новых задач, решение которых обогатило собственно и математику.
В настоящее время взаимодействие химии с математикой все более расширяется. Получило распространение математическое моделирование в химии, и особенно в химической технологии. Появилась интегративная область – «математическая химия», в рамках которой известные математические методы применяются для решения задач химии. В частности, математическая теория групп хорошо описывает действие связующих сил в молекулах и применима также к системам химических реакций. Одним из разделов математического моделирования является математическое планирование эксперимента. Расширение взаимосвязей химии и математики в значительной степени обусловлено созданием компьютерной техники, с помощью которой можно получать численные решения сложнейших математических моделей химических систем и химико-технологических процессов. При этом происходит развитие одновременно и химических, и физических, и технических, и математических знаний.
Таким образом, в XX в. именно математика обеспечила действительный теоретический синтез физики и химии. Современная химия окружена физикой с двух сторон. С одной стороны, она граничит с макроскопической физикой (физикой твердого тела, физикой тепловых явлений, молекулярной физикой, физикой сплошных сред и т. п.), а с другой – с микрофизикой (квантовой механикой, физикой элементарных частиц, физикой атомного ядра и т. п.). Обогатившись квантово-механическими идеями и физическими методами исследования, химия XX в. не только укрепила свои позиции в системе наук, но и расширила свои первоначальные владения в области физики. Создание ядерной химии, химии элементарных частиц – яркое тому свидетельство. Главное, что отличает химию рубежа XX– XXI веков от химии предыдущих столетий, – это создание теоретической химии, основанной на принципиально новых физико-химических концепциях. О роли физики в развитии теоретических концепций и методов исследования современной химии свидетельствуют имена лауреатов Нобелевской премии по химии. Не менее трети в этом списке – авторы крупнейших достижений в области физической химии. Среди них те, кто открыл радиоактивность и изотопы (Э. Резерфорд, М. Кюри, Ф. Содди, Ф. Астон, Ф. Жолио-Кюри и др.), заложил основы квантовой химии (Л. Полинг и Р. С . Малликен) и современной химической кинетики (С. Н . Хиншелвуд и Н. Н . Семенов), развил новые физические методы (П. Дебай, Я. Гейеровский, М. Эйген, Р. Д. Р. Норриш и Д. Портер и др.). Взаимодействие химии и биологии тоже началось на ранних этапах их развития. Как известно, одной из важнейших целей алхимии было создание эликсира долголетия – регулятора жизненных функций (на языке современной биологии – создание биологически активного вещества). В период ятрохимии изменение познавательного идеала химии, который виделся теперь в приготовлении лекарств, создало устойчивую традицию обращения химии к проблемам биологии и медицины. В конце XVIII – начале XIX вв. химики включились в исследования, связанные с изучением таких биологических функций организма, как дыхание, пищеварение и обмен веществ. Формировалось убеждение в том, что физиология и медицина должны основываться на глубоком изучении химических процессов, протекающих в живом организме. Путем химических исследований живой природы ученые придут к пониманию превращений, которые претерпевает в организме пища, а также действия лекарств, – утверждал Ю. Либих. Заслугой Ю. Либиха является определение основных молекулярных составляющих живых организмов: белков, жиров, углеводов. Исследования химических свойств и структуры этих соединений растянулись более чем на столетие и продолжаются в настоящее время.
Процесс взаимодействия химии и биологии значительно усилился в XIX в., когда образовались две самостоятельные научные дисциплины – неорганическая и органическая химия. Накопленный к этому времени эмпирический и теоретический базис химии способствовал широкому изучению веществ растительного и животного происхождения, особенно органических спиртов, кислот, эфирных масел, мочевины и т. п. Созданная А. М . Бутлеровым в 1861 г. теория химического строения органических соединений подготовила методологическую основу органического синтеза, т. е. целенаправленного получения веществ, в том числе, и таких, которые входят в клеточный состав живых организмов. Мостом, прочно соединившим химию и биологию, явилась каталитическая химия. По мнению Я. Берцелиуса, учение о катализе прольет «совершенно новый свет» на процессы, происходящие в животном организме, так как в «живых растениях и животных в обмене между тканями и жидкостями происходят тысячи каталитических процессов; в результате образуется множество разнообразных химических соединений». В сознании ученых утверждалась мысль, что функционирование живого организма определяется совокупностью сопряженных биокаталитических процессов.
В XX в. предметные взаимосвязи химии и биологии, возникшие на основе биокатализа, привели к созданию эволюционной химии, или теории эволюционного катализа А. П. Руденко. Ее возникновению предшествовали исследования в области моделирования биокатализаторов. Выяснилось, что использование катализаторов, которые участвовали в природной эволюции химических соединений, обусловливает самопроизвольное изменение химических систем в направлении более высокой степени их организации. А. П. Руденко установил, что закономерности перехода от неживого к живому, хотя и являются основой более сложных биологических закономерностей, по существу – чисто химические. Были открыты и исследованы элементарные открытые каталитические системы, эволюционирующие в направлении возникновения биологических систем. Тем самым химия поднялась на уровень, предсказанный Гегелем в «Философии природы»: «Химический процесс представляет собой, таким образом, аналогию с жизнью; внутренняя подвижность жизни, наблюдаемая в нем, может повергнуть в изумление. Если бы он мог продолжаться сам собой, он и был бы жизнью, поэтому естественны попытки понять его как жизнь».
Переход к изучению эволюционирующих высокомолекулярных химических (предбиологических) систем многие исследователи расценивают как поворотный пункт в химической науке. Ученица И. Р. Пригожина, бельгийский физико-химик А. Баблоянц обозначает этот поворот как рождение новой химии, которая отбрасывает прежние представления о материи как о чем-то статичном и неизменном, поскольку ею открыты неизвестные до того типы химических реакций, обнаруживающие неожиданные свойства и требующие введения совершенно новых понятий. Наука стоит на пороге того, чтобы признать сами принципы жизни, такие, как открытость, первенство процесса над структурой, самоорганизация и самообновление, за общие законы природной динамики (Э. Янч). Возможно, в историческом развитии химии наступает период, когда проблема происхождения жизни объединит материал всех химических наук. Химия тесно связана с целым комплексом геологических наук. Минералогия и кристаллография зарождались под влиянием экспериментальной химии XVII в. Минералы как продукты химических реакций, происходивших когда-то в земной коре, включались в общую программу химических исследований. Исследования состава минералов имели большое значение и для самой химии, поскольку вели к открытию новых химических элементов. Трудами Я. Берцелиуса в минералогию вошли идеи атомистики. Проблемы взаимосвязи химического состава минералов с их кристаллической формой соединили химию, минералогию и кристаллографию.
На стыке этих наук так же возникли различные новые дисциплины, например, кристаллохимия, петрохимия, геохимия и др. В начале XX века В. И. Вернадский заложил основы биогеохимии – науки, изучающей химические процессы земной поверхности в зависимости от развития органического мира. Все эти взаимосвязи и взаимодействия различных естественных наук служат подтверждением известной мысли Вернадского о том, что естествознание XX века все больше специализируется не по наукам, а по проблемам. На рубеже XX и XXI столетий химия занимает одну из ведущих позиций в естествознании. На всех основных направлениях химических исследований получены результаты, в достижении которых важную роль сыграли новейшие методы исследования структуры вещества и динамики химических процессов. Многие исследователи оценивают позицию химии как центральную, отмечая ее вклад в научное познание действительности. Химия в той же мере, как физика и биология, оказала свое влияние на развитие человеческой культуры. Весь технический опыт цивилизации основывается на знаниях о свойствах веществ и умении применять эти свойства. Велико значение химии и в усилении междисциплинарных взаимодействий как на стыках химических дисциплин, так и между всеми естественными науками. Президент Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) С. Накагура считает, что «химия среди наук – председатель. Химия берет у физики фундаментальные, принципиально важные идеи, трансформирует их и затем передает другим областям знания, служит как бы связующим звеном между ними. Образно говоря, химия восседает в центре, по одну сторону от нее – физика, по другую – биология, геология и другие науки»198. Таким образом, роль химии в триаде физика-химия -биология отнюдь не стала второстепенной, напротив, она является в каком-то смысле центральной. Н. М . Черемных