Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Кафедра філософії та методології науки

Чуйко В.Л.

Філософські проблеми хімії.

Окрім філософії науки як розділу філософії, котрий досліджує сутність та проблеми науки загалом, існує також філософія окремих наук, в тому числі й філософія хімії. У найбільш розвинутому вигляді філософія хімії пов’язана з рефлексією історії хімії, яка дозволяє створювати філософсько-методологічну реконструкцію еволюції наукових ідей. Найбільшого поширення в Україні набула екстерналістська версія філософії хімії, яка спирається на теорію концептуальних систем В. І. Кузнєцова. Вона була запропонована ще у сер. ХХ ст. та незважаючи на критику до сьогодення не втратила свого значення.

У межах вказаної версії основним рушієм розвитку хімії як науки має визнаватися  розвиток промислового виробництва. Виникнення нових потреб промисловості супроводжується виникненням нових вимог до хімії, основне завдання якої – синтез речовин із заданими властивостями. Концептуальна система є відносно самостійною областю знання, котра покликана вирішувати посильні для неї завдання якісних хімічних перетворень у ключі вирішення проблеми склад - властивості. Вказана проблема визначає  чотири концептуальні системи хімії:

1.        Вчення про склад;

2.        Вчення про структуру;

3.        Вчення про хімічний процес;

4.        Еволюційна хімія.

На основі діалектичних міркувань марксистської теорії розвитку вважається, що виникнення нової концептуальної системи, стосовно вже існуючих,  не означає відмову від здобутків попереднього періоду. Концептуальні системи нижчого рівня продовжують розвиватися поряд із складнішими системами та у їх межах як складові нового утворення..

Зокрема, вчення про склад виникло під час запровадження у природознавстві експериментального методу. Тоді вирішувалися проблеми поняття «хімічний елемент» та залежності властивостей речовини від її складу, з'явилася хімічна технологія неорганічних речовин. До першої концептуальної системи відносять роботи Р. Бойля, А. Лавуазьє, частину робіт Д. І. Менделеєва (ті, що присвячені періодичному закону), атомістичну теорію, теорію хімічного зв'язку.

Поява вчення про структуру пов'язується із виникненням та розвитком органічної хімії. Було помічено, що властивості органічних молекул залежать не лише від їхнього складу, а й від способу розташування атомів у просторі. У цей же час промисловість мала потребу у великій кількості речовин рослинного та тваринного походження. Зародився органічний синтез. До другої концептуальної системи відноситься органічна хімія та, частково, координаційна хімія.

Розвиток третьої концептуальної системи хімії історично припадає на період розвитку фізичної хімії та пов’язується із визнанням того, що на перебіг хімічної реакції впливають не лише склад та структура реагентів. У межах цієї концептуальної системи формуються хімічна термодинаміка та кінетика, вчення про каталіз, у наслідок поширення яких виникло виробництво синтетичного каучуку, пластмас, штучного волокна.

Нині хімія переходить до іншого способу вирішення проблеми отримання речовин із заданими властивостями – використання у виробництві високоорганізованих хімічних систем. Це обумовлює появу останньої за часом концептуальної системи – еволюційної хімії. Її завдання полягає в дослідженні складних хімічних систем, котрі здатні до самоорганізації та саморозвитку. До четвертої концептуальної системи відносяться частина робіт у сфері фізичної хімії, супрамолекулярна хімія та нанохімія.

Згідно до нашої програми, зупинимося детальніше на другій, третій та четвертій концептуальних системах.

Учення про структуру спирається на поняття структура та будова речовини, які у радянській літературі та сучасній російській найчастіше розглядають як тотожні. Тобто ігнорується що хімічна будова речовини – це лише часткове значення терміну «хімічна структура». З такого ототожнення виникає помилкове за суттю твердження, що всі теорії будови органічних речовин, котрі виникли до А. М. Бутлерова, є доструктурними. Вже на поч. ХХ ст. хіміки зрозуміли, що самих лише знань про склад речовин недостатньо для пояснення та прогнозування їхніх властивостей. Про це свідчить поняття про конституцію тіл, яке ввели Дальтон, Берцеліус, Дюма. На основі методологічного застосування цього поняття хімічна будова та хімічна структура співвідносяться як часткове та загальне, адже як хімічна структура розглядається також і спосіб взаємодії молекул у речовині. Тому на підставі вказаного у сучасній хімії структуру здебільшого визначабть як стійку впорядкованість якісно незмінних систем.

Перші філософськи вмотивовані настановами структуралістів уявлення з'являються вже у Дальтона. Вони виникли при вирішенні проблеми пояснення способів поєднання «простих» атомів у «складні». Дальтон, по суті, розглядав проблему співвідношення складу та структури, не зачіпаючи проблеми співвідношення структури та властивостей. Він одним із перших почав застосовувати символіку структурних формул, яка у зміненому вигляді збереглася й до сьогодення. Атомістика Дальтона містить методологічну настанову, яка увійшла до пізніших основних структурних теорій. Системні уявлення про склад, структуру та властивості нероздільні й визначають основні атрибути молекули як єдиної системи. Дослідження співвідношення між складом і структурою, здійснене Дальтоном, та достатня кількість інформації про співвідношення між складом і властивостями стали підґрунтям для виходу на рівень вивчення співвідношення між структурою та властивостями.

Структурною за суттю була й дуалістична теорія Берцеліуса, хоча сам учений слова «структура» не вживав. Тим не менш, йому довелося вирішувати проблеми хімічної спорідненості та хімічного зв'язку та порядку «співположення» атомів у молекулі. Берцеліус вважав, що молекула хімічної речовини є не хаотичне нагромадження атомів, а певна впорядкованість, котра утворюється при поєднанні двох протилежно заряджених атомів чи атомних груп.

Тим часом у 1832 році Лібіх і Веллер встановили, що при взаємоперетвореннях кисневмісних сполук у бензольному ряді незмінною залишається одна й та ж група атомів. Її назвали бензоїлом та описали як складний радикал. «Хімічною модою» став пошук складних радикалів на основі методологічного застосування дуалістичної теорії. Їх навіть намагалися виділити у вигляді чистих речовин.

Однак із часом було зроблено методологічний висновок, що дуалістична теорія  ігнорує уявлення про те, що перехід від елементів до сполуки є не просто сумою складових, а являє собою  перетворення елементів на нову за своїми хімічними властивостями сутність. У наслідок цього висновку дуалістична теорія при застосуванні до органічної хімії трансформувалася у теорію складних радикалів, основна теза якої звучала так: «Молекула хімічної сполуки побудована із радикалів, котрі здатні до самостійного існування».

Критика дуалістичної теорії стала поштовхом для формування конвенціонально зорієнтованої унітарної теорії Жерара, який  розглядав молекулу не як просту суму атомів та груп атомів, а як цілісну систему, в котрій атоми вступають у взаємодію, що системно  змінює їхні властивості. Спираючись на настанови конвенціоналізму Жерар відкрив явище гомології в рядах органічних сполук, запропонував одну із перших систем їхньої класифікації. Він закликав з обережністю ставитися до структурних (т. зв. «раціональних») формул, оскільки вважав, що вони є лише відносно істиними й одна хімічна сполука може характеризуватися кількома «раціональними» формулами. Схожі ідеї пізніше лягли в основу резонансної теорії Полінга. Вважається, що саме вчення Жерара заклало методологічний фундамент теоретичної еволюції системних досліджень в органічній хімії.

Окрім вищезгаданих теорій, практично одночасно у сер. ХІХ ст. в органічній хімії функціонували теорія заміщення, теорія ядер Лорана, теорія типів. Упорядкувати масив інформації щодо структури органічних речовин та надати можливість робити передбачення на основі вже відомого вдалося  Бутлєрову.

Бутлєров повністю відмовився від редукціоністської абсолютизації стехіометричних законів хімії, згідно яких дискретності атома відповідає дискретність хімізму. На той час відмова від подібних уявлень сприймалась як відмова від атомно-молекулярного вчення. Проте Хюккелю вдалося висловити аргументацію, що за допомогою пояснення природи хімічного зв'язку як електонно-ядерної взаємодії виникає умова для встановлення нестехіометричності розподілу електронів по кількох зв’язках. На рівні редукції дискретності хімізму до дискретності атома таке передбачити неможливо. Принципово відмінною від попередніх уявлень теорію Бутлерова робило припущення про утворення нерівноцінних міжатомних зв’язків. Поряд із атомною дискретністю він почав розглядати безперервність зміни енергії хімічних зв’язків.

Формування структурних уявлень спричинив бурхливий розвиток не лише органічної, а й неорганічної хімії. На початку ХХ ст. хіміки стали на шлях абсолютизації структурних теорій. Але досить швидко стало зрозуміло, що керуючись лише структурними уявленнями не можна пояснити особливості перебігу та результати багатьох хімічних процесів. З'явилися думки про те, що на хімічні реакцію впливають не лише склад та структура реагентів, а й фактори, які раніше ігнорувалися. Постала нова концептуальна система  в хімії – вчення про процес.

Вчення про процес почало формуватися ще на завершенні ХІХ ст. Спочатку його платформою вважалася теорія хімічної рівноваги, яку можна визнати наслідком методологічного перенесення уявлень фізики на хімію,  та згодом стало зрозуміло, що хімічна кінетика у загальному випадку є нерівноважною. Логіко-методологічною основою для появи вчення про хімічний процес став висновок про дуалізм реакційної здатності хімічних речовин: одна й та ж сама речовина змінює свої властивості (інколи – на протилежні) в залежності від того, з яким співреагентом вона вступає в реакцію. Хімічна кінетика спершу була вченням про швидкість хімічної реакції та досліджувала фактори впливу на неї.  Я. Вант-Гофт помітив, що на швидкість реакції впливають теплові ефекти, величина поверхні та природа стінок середовища, в якому відбувається реакція. Вчений розробив класифікацію реакцій по порядках. Гульдберг та Вааге (а не Вант-Гофт) вивели закон діючих мас, яким у дещо видозміненому вигляді хіміки користуються досі.  У 1890 р. було виведено перші рівняння для швидкості зворотніх реакцій. На поч. ХХ ст. почали детально вивчати ланцюгові реакції. Центральне місце у проблематиці хімічної кінетики починає займати вивчення механізмів хімічних реакцій, яке виявило специфікуючу хімію дисциплінарну діяльність, що спирається на ексклюзивно хімічні методи та уявлення. Нині без вивчення стадій хімічного процесу неможливе його розуміння і наукове дослідження. Хімічна кінетика стає фундаментальною основою  сучасної хімічної науки, у більшості випадків виступаючи не стільки окремим напрямом дослідження, скільки інструментом для досягнення основної мети серії експериментів.

Вчення про каталіз тісно пов’язане із вченням про швидкість хімічних реакцій та хімічну рівновагу. Поняття «каталітична дія» ввів ще Берцеліус у 1835 р. для позначення здатності деяких речовин впливати на хід реакції. У той час введення цього поняття зустріло критику, зокрема, від Лібіха та Веллера. У кін. ХІХ – на поч. ХХ ст. вагомий вклад у вчення про каталіз вніс В. Оствальд. Він визначив роль каталізатора в реакціях, класифікував типи каталітичної дії. У 30-тих рр. ХХ ст. виникає теорія перехідного стану (комплексу). Вона стає методологічною основою розуміння механізму хімічного перетворення. Перехідний стан за своєю природою є серединним станом між початковим та кінцевим, але не є ні тим, ні іншим. Теорія перехідного стану описує, як змінюється структура реагентів при перебігу реакції, тобто динаміку зміни реагентів у часі.

З появою хімічної кінетики і теорій каталізу вчені почали розуміти, що хімічне перетворення – це не миттєве утворення нових продуктів із вихідних речовин, а динамічний процес, який складається із багатьох стадій.

Нині хімія переходить до іншого способу вирішення проблеми отримання речовин із заданими властивостями, що на думку В. І. Кузнєцова є її основним завданням, – використання у виробництві високоорганізованих хімічних систем. Це обумовлює появу останньої за часом концептуальної системи – еволюційної хімії. Її завдання полягає в дослідженні складних хімічних систем, котрі здатні до самоорганізації та саморозвитку. При переході від простих молекул до складних молекулярних ансамблів виникають властивості молекулярного розпізнавання і транспортні властивості. Саме в межах еволюційної хімії хімічні системи починають розглядатись у динаміці. Їхній опис ускладнюється тим, що частина систем є відкритими.

У 60-тих рр. ХХ ст. А. П. Руденко запропонував теорію саморозвитку елементарних відкритих каталітичних систем. Елементарною каталітичною системою Руденко назвав комплекс каталізатора з реагентом, котрий має властивості перехідного стану. У процесі саморозвитку системи відбувається відбір тих каталітичних центрів, які мають найбільшу активність, удосконалюється структура каталізатора і виникає механізм запам’ятовування змін у системі. Теорія саморозвитку елементарних відкритих каталітичних систем стала невід'ємною частиною еволюційної хімії та синергетики.

Варто нагадати, що синергетика виникає у внаслідок студіювання проблем термодинаміки складних нерівноважних систем та теорії дисипативних структур. Вона знаменувала собою появу нового типу методологічно орієнтованого розуміння. Згодом виявилося, що методологічні положення синергетики можуть успішно застосовуватися і при розгляді відкритих каталітичних систем.

Одночасно виникає та розвивається і новий напрямок у хімії — супрамолекулярна хімія. Загалом, вона має міждисциплінарний характер, котра у даний час переживає період становлення та розвитку. Основним об`єктом її вивчення стали молекули, котрі здатні до самозбірки. Своє завдання супрамолекулярна хімія бачить у синтезі складних молекул із заданими властивостями шляхом збирання їх із простіших [1]. При цьому спостерігається феномен саморозвитку системи та її самоорганізації.

Процеси самозбірки та самоорганізації також проявляються при розгляді так званих наносистем. Частково такі системи розглядає супрамолекулярна хімія, основним же предметом вони є для нанохімії. Остання розрізняє дисипативну та консервативну самоорганізацію. Якщо консервативна організація характерна для закритих систем, то у відкритих системах спостерігається дисипативна самоорганізація і стає можливим синергетичний підхід.

До проблематики еволюційної хімії відноситься також термодинаміка незворотних процесів, всесвітньо відомого сьогодні хіміка, І. Пригожина. Хоча останній працював у сфері термодинаміки на формування його концепції мали прямий вплив дослідження динаміки зміни реагентів у часі (кінетика). У  свої міркуваннях І. Пригожин наголошує, що зазвичай у хімії розглядаються спрощені редуковані ситуації, відійти від яких можна у наслідок методологічно зорієнтованого застосування нелінійних диференційних рівнянь, котрими успішно описують каталітичні реакції, термодинамічні процеси нерівноважних хімічних процесів. Дані рівняння описують т. з. «петлі» автокаталітичних реакцій й виявляють свою ефективність при вивченні біохімічних реакцій.

ЛІТЕРАТУРА

Кузнецов В.И. Общая химия. Тенденции развития. - М.: Высш. шк., 1989.

Вернадский В.И. Труды по всеобщей истории науки. – М.: Наука, 1988. – 458 с.

Генезис знания в европейской культуре и феномен науки. Методологические указания / Сост. В.Г. Пыхтин, Т.Ф.Пыхтина. – Новосибирск: Наука, 1992. – 56 с.

Рабинович В.Л. Образ мира в зеркале алхимии: от стихий и атомов древних элементов до элементов Бойля. – М.: Энергоиздат, 1981. – 152 с.

Сучасне природознавство: Когнітивний, світоглядний, культурно-історичний виміри / Відп. Ред.. В.С. Лук’янець, О.М. Кравченко. – К.: Наукова думка, 1995. – 271 с.