Концептуальная химическая система – целостная совокупность взаимосвязанных химических теорий, объединенных общим способом решения основной проблемы химии – проблемы генезиса свойств вещества и реакционной способности. Понятие концептуальной химической системы было введено В. И . Кузнецовым при реконструкции истории химии. Мысль рассматривать концепцию в качестве структурообразующего принципа целой науки была высказана П. В. Копниным. Термин «концептуальная система» был впервые введен В. Гейзенбергом, у которого он обозначал относительно замкнутую систему теорий, объединенных общей концепцией. Попытки выявить основания единства химии и одновременно установить определенную закономерность в развитии химического знания предпринимались крупнейшими химиками еще в XIX веке. Например, А. М . Бутлеров в своем фундаментальном труде «Исторический очерк развития химии в последние 40 лет» (1958) предпринял попытку понять логику развития теоретической химии и определить место учения о химическом строении в ряду других теорий. Он считал, что важнейшей детерминантой развития химии является не столько физикализация химии, сколько собственная логика развития химических идей, и химия представляет собой не простую совокупность химических дисциплин, а взаимосвязанную последовательность сменяющих друг друга общих концепций.
Подтверждением этого вывода является тот факт, что, например, структурная химия содержала в себе элементы учения и о внереакционном состоянии вещества, и о реакционных системах. Бутлеров связывал структуру вещества не только со способностью этого вещества реагировать определенным образом, но и с возможностью появления в ходе реакции неких промежуточных – образующихся и распадающихся – соединений, о которых во второй половине XIX века почти ничего не было известно. Таким образом, бутлеровская теория химического строения открывала путь к изучению механизма реакций, т. е. возникновению химической кинетики. Следующий шаг в выяснении общих закономерностей развития химических наук был сделан Д. И. Менделеевым. Системный подход, который привел его к обнаружению функциональной зависимости между индивидуальными свойствами элементов и их атомными весами, Менделеев пытался применить к развитию химии в целом. Он стремился отыскать сквозную для всей истории развития химии проблему.
В 1871 г. в «Основах химии» великий химик писал: «Отыскать же единое неизменное и общее в изменяемом и частном составляет основную задачу познания». Он нашел путь к обнаружению «единого неизменного и общего» всей химии, обратив внимание на то, что химия, как и всякая наука, есть в одно и то же время и теория, и практика. Таким инвариантным ядром химии во всех ее исторических вариациях выступает двуединая проблема генезиса свойств вещества, или проблема реакционной способности. Способ решения основной проблемы химии был положен В. И. Кузнецовым в основание классификации химических теорий. Решение проблемы генезиса свойств вещества связано не с конкретными экспериментальными методами, а со свойственными определенному историческому периоду способами объяснения свойств вещества, исходя из некоей теоретической концепции.
В. И. Кузнецов соотносит каждую концептуальную систему с определенной материальной химической системой, различные элементы и стороны которой отражают теории, входящие в эту концептуальную систему. Методологически его модель опирается на понятие объекта химического исследования, который может быть представлен в виде следующей иерархии материальных систем: 1) атом химического элемента; 2) молекула химического соединения; 3) кинетическая система реагирующих веществ; 4) высокоорганизованная каталитическая система. Эта последовательность одновременно отражает переход от одного химического уровня вещества к другому: химические элементы – химические соединения – кинетические системы – предбиологические системы. Такой подход позволяет понять историю химии как логику химии, как непрерывный целостный процесс, а химические понятия как исторически развивающиеся. Этой иерархии (эволюции) химической организации вещества отвечает логика развития способов решения основной проблемы химии, в соответствии с которой история химии может быть представлена как последовательное возникновение, функционирование и развитие четырех концептуальных химических систем: учения о составе веществ, учения о структуре, учения о реакциях, учения о химической эволюции.
Понятие концептуальной химической системы является гносеологически конструктивным. Поскольку в фундаменте его содержится не произвольно выбранный критерий, а исторически инвариантный стержень всей химии – ее основная проблема, постольку оно отражает действительно реально существовавшие и существующие отношения между химическими теориями и наборами понятий, входящих в эти теории, а также связывает теоретический и практический аспекты химических превращений в единое целое. Каждая из четырех концептуальных систем химии, возникнув на определенном историческом этапе ее развития, продолжает развиваться и в настоящее время. Первая концептуальная система химии – теории элементного состава, или «наука о химических элементах и их соединениях» (Д. И. Менделеев) в своем нынешнем виде включает в себя учение о химических элементах, теории периодичности, теории валентности, в том числе, квантовые модели, дающие новое обоснование понятию валентности, химической связи и т. п., но при этом сохраняет свою целостность, поскольку решает основную проблему химии как проблему соотношения состава и свойств. Можно выделить два основных направления развития первой концептуальной химической системы: экспериментальные исследования зависимости свойств от состава и квантово-химические исследования атома. Кроме того, учение о составе открыло пути практического синтеза новых химических соединений; в настоящее время продолжает развиваться химическая технология производства солей, кислот, интерметаллических, комплексных соединений и т. д. Вторая концептуальная химическая система – структурные теории – связана с выяснением конкретных проявлений зависимости реакционной способности от самых различных структурных факторов. Современная структурная химия изучает различные структурные уровни вещества: 1) молекулярную структуру макроскопических тел – газов, жидкостей, кристаллов; 2) атомную структуру молекул и 3) электронно-ядерную структуру атомов. Считалось, что молекулярная структура вещества не имеет отношения к химии. Но, как показали исследования последних лет, изменение агрегатного состояния не всегда можно считать лишь физическим процессом. Часто этот процесс сопровождается образованием межмолекулярных химических связей за счет обобщения электронов в своего рода межмолекулярные орбитали.
Причем по мере перехода к более конденсированному состоянию эта тенденция возрастает. Второй структурный уровень вещества – атомная структура молекул – был основным объектом возникшей в XIX в. теории химического строения органических соединений А. М . Бутлерова. Именно исследование органических веществ сыграло решающую роль в переходе от «принципа состава» к «принципу строения». Атомная структура молекул остается основным объектом структурной химии и сейчас. Изучение третьего структурного уровня – электронно-ядерной структуры атомов – представляет интерес, поскольку знание структуры свободных атомов как будущих элементов более сложных систем – молекул – позволяет выявить природу химических связей. И все же электронно-ядерная структура атомов не занимает такого центрального положения среди объектов структурной химии, какое принадлежит структуре молекул. Основанный на теоретических представлениях структурной химии органический синтез и сейчас является одной из ведущих отраслей науки и технологии. Установлено строение и открыты пути синтеза сложнейших природных соединений – терпенов, углеводов, пептидов и белков, нуклеиновых кислот, стероидов, антибиотиков, витаминов и других соединений.
Перспективы дальнейшего развития второй концептуальной химической системы лежат на пути внутрихимического теоретического синтеза. Развитие квантовой химии положило конец монополии односторонних взглядов на молекулу как на единственную форму существования химических соединений и тем самым привело к расширению объектной базы структурных исследований, которая теперь включает в себя молекулярный комплекс, макротело, монокристалл, сольватный комплекс и др. Введение новых представлений о химических частицах как единых квантово-механических системах привело к возникновению новых разделов науки и, прежде всего, «химии твердого тела». Это одно из наиболее перспективных направлений развития структурной химии, оно обещает стать реальной основой неорганического синтеза. Структурная теория твердого тела позволяет получать неорганические материалы с заданными свойствами, например, электрическими или оптическими, а также кристаллы с максимальным приближением к идеальной решетке. Третья концептуальная система химии – химическая кинетика. Основатель физической органической химии Л. Гаммет называл период господства чистой структурной химии «мрачным временем», а появление системных кинетических исследований – «возрождением».
В этих характеристиках выражено его убеждение в том, что именно кинетике предстоит решить «главную задачу химии». Действительно, ни учение о составе, ни структурная химия не содержат теоретически обоснованных положений о направлении реакции, о предельных выходах продуктов, а тем более о скоростях химических процессов. Основной теоретической задачей химической кинетики стало исследование механизмов химических реакций. Развитие химической технологии многих органических веществ сдерживалось именно отсутствием точных знаний о механизме. Химическая кинетика включилась в решение этой задачи, когда в 1920-х годах прошлого века Н. Н . Семеновым и С. Н . Хиншельвудом были открыты цепные разветвленные реакции. Выяснение их детального механизма обусловило разработку теоретических основ огромного числа технологических процессов, таких как процессы пирогенетического разложения веществ, теплового взрыва, «самораспространяющегося высокотемпературного синтеза» (СВС), радиационной химии, термического крекинга нефти, производства синтетических полимеров и многих других. Еще одно направление в исследовании механизмов реакций связано с изучением «элементарного» акта химического превращения.
Решающий шаг в этом направлении был сделан Г. Эйрингом, М. Эвансом и М. Поляни в 1935 г. в теории абсолютных скоростей реакций, которая явилась своеобразным синтезом структурных и кинетических теорий, а также синтезом классических и квантово-механических идей. Теория абсолютных скоростей ввела принципиально новые положения о промежуточном образовании активированного комплекса с непрерывным перераспределением электронов связей. Появление в кинетике понятия активированного комплекса означает проникновение системного подхода в мышление химиков. Активированный комплекс интерпретируется как момент дискретно-ступенчатой непрерывности превращения вещества. Строго говоря, активированный комплекс – не частица, а динамическое состояние. Согласно теории абсолютных скоростей реакций реагирующие частицы переходят в продукты реакции внутри некоторой области межатомных расстояний, где происходит разрыв старых и образование новых связей. Поэтому активированный комплекс получил еще одно название – «переходное состояние». Понятие переходного состояния – чрезвычайно интересный концептуальный феномен, в нем отражается двойственность, противоречивость активированного комплекса. С одной стороны, это «состояние», в состав которого как бы включены и исходные, и конечные вещества. И в то же время это не соединение, а процесс, момент химического движения, переход от начального состояния химической системы к конечному. В нем стирается грань между химической реакцией и химической частицей, он одновременно и то, и другое.
Понятие переходного состояния является узловым понятием современной теоретической химии. Его появление означает принципиально новый этап в развитии химического знания, а, именно, поворот его к собственно процессуальной стороне химических изменений. Не случайно в 1999 г. Нобелевскую премию по химии получил А. Зевейл за изучение переходных состояний в химических реакциях. Химическая кинетика как теоретическое основание химической технологии является наиболее интенсивно развивающейся областью химии, и ее перспективы связаны с развитием прежде всего каталитической химии, макрокинетики, химии цепных разветвленных процессов, химии экстремальных состояний, которые объединены одной общей проблемой – многофакторности кинетических систем. Четвертую концептуальную химическую систему и, вместе с тем, верхнюю границу современной химии образует учение об эволюционном катализе, или эволюционная химия. Своим возникновением эта теоретическая система обязана открытым в 60-е годы прошлого века советским химиком А. П. Руденко элементарных открытых каталитических систем (ЭОКС), закономерности развития, а, точнее, саморазвития которых связаны с необратимым изменением катализаторов. Эти открытия, сделанные еще в рамках третьей концептуальной химической системы, послужили основанием для перехода химического знания на принципиально новый, более высокий уровень развития. Саморазвитие и необратимость демонстрируют не только ЭОКС, но и целый ряд других химических процессов, таких как колебательные, периодические, процессы, приводящие к образованию диссипативных структурит.д. Самостоятельность и своеобразие эволюционной химии обусловлены спецификой ее объекта исследования, к которому относятся: во-первых, необратимые самоорганизующиеся химические процессы и, во-вторых, полимолекулярные открытые химические системы, представляющие собой целостную совокупность («кинетический континуум») реагирующих веществ и катализаторов. Эволюционная химия действительно образует высший уровень (верхнюю границу) современной химии, поскольку указанные системы представляют собой высшие формы химизма, характеризующиеся не столько перераспределением электронов межатомных связей (что составляет основу всякого химического превращения), сколько тенденцией к образованию все более высоких форм химической организации вещества вплоть до перехода в биологическое поведение живых систем.
Несмотря на то, что эволюционная химия находится лишь в самом начале своего пути, уже сейчас можно указать те прикладные задачи и технологические процессы, где могут быть использованы ее теоретические положения и выводы. Это задачи интенсификации процессов с использованием катализаторов, поиска новых оптимальных режимов; это – «нестационарная технология», моделирование и перенесение в промышленные реакторы моделей ферментативных систем, развитие химии высоких энергий, в частности, плазмохимической технологии и др. Н. М . Черемных