Новоженов В.А. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

202

химической формы движения материи, связанной с ее

носителем – атомными частицами. Представления химии не

исчерпываются на каком-то одном уровне знания, каждый из них

имеет свою специфику и во многом зависит от исследователя.

Высшее возникает в результате развития ни зшего на

основе возможностей, заложенных в нем. Часто высшее

познается через изучение низшего, т.е. той основы, на которой

оно строится. Применение методов квантовой механики в химии

ознаменовало новый этап в познании тайн вещества. Стало

возможным рассчитывать энергию связей молекулы, выявлять

пространственное расположение атомов, распределение

электронной плотности, физического механизма химических

превращений и т.д.

Интеграция физики и химии оказала влияние не только на

дальнейшее развитие химии, но и стала для физики

генератором идей при исследованиях в области ядерной

физики. Электронная теория вещества изучает атомные ядра и

электроны, т.е. частицы субатомного уровня материи. Это дает

возможность более четко и во многих случаях количественно

характеризовать многие важные моменты, которые установлены

уже в рамках классической теории строения. Тем не менее как

новый, более высокий этап познания структуры вещества

теория электронной структуры вырабатывает ряд понятий и

положений, которые либо отсутствовали, либо только

намечались в классической теории. Электронно е строение

лежит в основе учения о валентности. Теория валентности

включает в себя несколько методов описания образования

химических связей (методы молекулярных орбиталей,

валентных связей и теорию поля лигандов). Теория валентности

явилась новым качественным этапом в познании тайн материи в

основном благодаря применению методов квантовой механики,

а квантовая теория стала теорией и физики, и химии. Квантовая

химия представляет собой основу всей современной химической

науки, поскольку исходит прежде всего из химических

представлений о веществе как совокупности связанных между

собой атомов, характеристики которых изменяются при

формировании химических связей между ними. Поэтому одна из

основных задач квантово-механического исследования –

валентность, определение того, насколько отличается

203

связанный атом в соединении от свободного атома и к каким

последствиям в свойствах соединения приводят такие различия.

Если более ранние этапы развития химии характеризуются

изучением состава вещества и структуры химических

соединений, то на современном этапе в центре внимания

находится механизм химических превращений. Большие успехи

должны быть достигнуты в изучении нестабильных

промежуточных частиц и переходного состояния, поскольку

исследования в этом направлении по зволят перейти на более

глубокий уровень в познании законов природы, обеспечивающий

возможность выявления качественных особенностей, сущности

химических процессов.

Теоретический подход осуществляется методами квантовой

химии, экспериментальный – физическими методами, в том

числе методом изучения сверхбыстрых процессов. Таким

образом, еще раз подтверждается положение о том, что теория

в современно й химии в основном базируется на физическом

фундаменте. Вместе с тем необходимо отметить, что в

литературе порой приводится точка зрения, согласно которой

химию можно свести к физике, т.е. все химические

взаимодействия не отличаются от физических, физика как бы

«поглотила» химию, из-за чего последняя якобы потеряла свою

специфику. Особенно настойчиво эту точку зрения стали

отстаивать после ряда достижений в области квантовой химии.

Процессы взаимодействия физики и химии, интеграции

соответствующего научного знания отчетливо прослеживаются

во многих методах химической науки и ее теоретических

концепциях. Главными методами научного исследования с

давних времен и до наших дней в химии стали анализ и синтез в

их диалектическом единстве. Ф. Энгельс в «Диалектике

природы» сделал пометку на полях: «Химия, в которой

преобладающей формой исследования являетс я анализ, ничего

не стоит без его противоположности – синтеза». На основе

синтеза в химии образуются новые «этажи» объекта

исследования. В настоящее время считают, что химический

процесс следует рассматривать как единство синтеза

(ассоциации) и распада (диссоциации), и, применяя

диалектический принцип единства противоположностей, можно

познать суть химизма. При исследованиях в химии находят

применение явления, обусловленные электронными процессами

204

в веществе. Это оптические и рентгеновские методы; яв ления,

связанные с влиянием химической природы вещества на

ядерные процессы. Когда в структурных исследованиях

используют явления аннигиляции позитронов, то образование

позитрония можно характеризовать как факт проникновения в

химию физики элементарных частиц. Макропроцессы,

молекулярные и атомные явления, ядерные эффекты на

элементарных частицах – все это химическая на ука широко

использует в своих методах исследования.

Взаимодействие методов познания физики и химии привело

к тому, что статистические и динамические характеристики

химических явлени й исследуются во взаимосвязи, а в

каталитических процессах в новом свете предстают положения

теории промежуточных (хемосорбционных) соединений в части

взаимосвязи физической и химической форм движения и идей о

роли непрерывной химической организации вещества.

Применение методов квантовой механики в химической

науке позволило изучить глубинный механизм существования

как атомов и молекул, так и явлений, протекающих на

структурных уровнях материи, выяс нить природу химической

связи и ва лент ности, дать физическую интерпретацию

периодическому закону Д.И. Менделеева. Ему подчиняются все

химические изменения.

Химическая форма движения материи включает такие

процессы изменения частиц вещества, которые определяются

действием периодического закона элементов. Причина

периодичности химических свойств заключается в

периодичности строения электр онных оболочек, где главное

значение имеет заполнение последних вместо

последовательного заполнения отдельных периодов. Таким

образом, выясняется причинная связь между структурой

электронной оболочки атомов и периодичностью в системе

элементов.

На химическом уровне интерпретации периодической

системы прослеживается периодическое изменение свойств

элементов от увеличения их атомных весов, а на физическом,

атомном или электронном уровне выявляется периодическое

повторение определенных типов электронных конфигур аций

атомов в зависимости от роста зарядов их ядра. Периодический

закон оказался ключом к раскрытию сущности новых физических

205

явлений, связанных с радиоактивностью, электроном и лучами

Рентгена, а эти физические открытия оказались ключом для

проникновения в более глубокую сущность самого

периодического закона химических элементов.

Проникновение методов физики в химическую науку

позволяет понять более глубинную сущность изучаемых

явлений, но при этом сохраняется специфика, свойственная как

химии, так и физике. Химия рассматривает химическое

взаимодействие, которое состоит в перекрывании электронных

орбиталей атомов, в результате чего образуются определенные

связи, а физика – физическое как на атомном, так и на

молекулярном уровнях.

Взаимное проникновение физики и химии в познании

вещества показывает, что окружающий мир в своей основе един

и представляет собой единство в многообразии и общее в

особенном. Резкой границы между физическими и химическими

процессами не существует, а наблюдается их всеобщая связь,

отражаемая во взаимосвязи наук (физики и химии), которые их

изучают, каждая выявляет их специфику с присущими им

особыми свойствами и закономерностями. Нет никаких

оснований считать, что применение квантово-механических

расчетов в химии сводит ее (химию) к физической форме

движения материи. Справедливо подчеркнул Б.М. Кедров, что

«даже самые крупные успехи квантовой химии ясно показывают,

что до сих пор никак не удается «свести» (в смысле

«исчерпать») химическую форму движения к физической,

химические закономерности к физическим, в частности к

квантово-м еханическим. Последние обнаруживают свое

неоспоримое большое познавательное значение лишь в тех

случаях, за редким исключением, когда речь идет об

истолковании с физической точки зрения закономерностей,

ранее уже найденных химией».

Физическими методами не возможно познать многие

закономерности, которые характерны только для химической

формы движения материи. Физические свойства и процессы,

входящие в сфер у действия химической формы движения

материи, сохраняют свою относительную самостоятельность и в

то же время уже не имеют превалирующего значения, а служат

средством возникновения и существования химических связей и

соединений. Это свидетельствует о том, что химическая форма

206

движения материи более сложна и совершенна, ее можно

назвать высшей по сравнению с физической, а высшее как бы

подчиняет низшее.

Многие авторы считают, что атом является низшей

границей, исходной основой для химического движения и

верхней границей действия физики. С этим можно спорить, но

тем не менее именно химическая форма движения определяет

(тип химической связи) разнообразие свойств твердых, жидких и

газообразных тел. Атомный уровень физической формы

движения материи подразделяют на субатомный и

молекулярно-физический.

Материальные носители и первого, и второго вида

характеризуются гравитационными, электрическими,

магнитными свойствами и энергией. Взаимодействия,

осуществляемые на физическом уровне движения, могут быть

электромагнитными, гравитационными, сильными и слабыми.

Скомпенсированность мощных физических сил определяет

слабость химических взаимодействий, что обусловливает их

подвижность, вариабельность, легкость перестройки молекул,

возможность образования чрезвычайно сложно организованных

надмолекулярных комплексов. Развитие структурных уровней

материи от элементарных частиц к ядру, затем к атому и

молекулам, к полимерам и белковым соединениям дает

возможность убедиться, что начиная с атомов и по мере

дальнейшего усложнения первостепенную роль играют

химическое взаимодействие и химические процессы,

возникающие на его основе.

При химических превращениях важными факторами

являются реакционная способность, энергетические

возможности, скорость химической реакции, каталитические

свойства и кинетические закономерности. К ним относятся

многостадийность химических реакций с участием

промежуточных соединений и химических частиц (молекулы,

радикалы, ионы), распространение цепных механизмов

превращений. Превращение молекул можно рассматривать в

виде основы качественной характеристики химической формы

движения материи, а образование химической связи

обусловлено физическим взаимодействием атомов. Явный

результат химических превр ащений можно обнаружить на

молекулярном уровне, поскольку этот уровень чаще всего

207

образуется как новое качество после изменения на атомном

уровне. Химические связи, возникающие на уровне химической

формы движения материи, указывают на сложность химических

взаимодействий в конкретных молекулярных системах и на то,

что участие в химических взаимодействиях принимают не

отдельные электроны и ядра, а атомы и молекулы. Получается,

что природа химической связи зависит от условий, в которых

протекают химические взаимодействия. Например, при

переходе валентных электронов от одного атома к другому

возникает ионная связь, а пр и образовании общих электронных

пар – ковалентна я связь. Типы связи в веществах отличаются от

типа связи в отдельной молекуле. Например, в молекуле

хлористого натрия связь полярная ковалентная , а в кристалле

хлористого натрия – связь ионная. Или в молекуле натрия связь

ковалентная, а в кристалле металла натрия – металлическая.

От типа связи (ионной, ковалентно й, металлической,

водородной или другой) зависит образование веществ с новой

структурой и соответственно новыми химическими свойствами.

Понятие химической связи отражает непосредственное

взаимодействие атомов и его результат. Еще в период создания

теории валентности отсутствие свободных связей и

насыщенности валентных сил в молекуле показало, что в

системах внутренние связи преобладают над внешними.

Получалось, что внутримолекулярные связи обладают

некоторой самостоятельностью, а сама химическая связь

выступает как аддитивное целое. Химическую связь надо

рассматривать в качестве результата взаимодействия, который

характеризуется определенным составом, специфическими

связями составляющих его элементов и наличием новых,

особых в сравнении с ними свойств. Химическая связь является

следствием стремления атомов к образованию молекулы как

целостности.

Многообразие химических связей проявляется в различных

свойствах молекул. В качестве примера можно привести

энергетику молекул, электронные спектры поглощения, ядерный

магнитный резонанс, дипольные моменты, реакционную

способность. Через них отчетливо выявляется различие типов

химических связей. Объяснив природу химической связи на

физической основе как особую форму проявления волновых

свойств в алентных электронов, квантовая механика помогла

208

химии выделить и обосновать собственно само понятие

химизма в качестве стержня всего понятийного аппарата этой

науки, в качестве того всеобщего, вокруг которого и за счет

которого происходит формирование множеств единичного и

особенного – миллионов химических соединений и реакционных

систем.

При химическом взаимодействии на атомно-молекулярном

уровне возникают новые вещества, и этот процесс связан с

образованием или разрушением (например, испарение)

химических связей. Образование или разрушение связей

наиболее ярко характеризует проявление химизма. При

физическом взаимодействии на атомно-молекулярном уровне

не возникают новые вещества, но может отмечаться переход

газообразных веществ в жидкое состояние (кислород, водород)

или образование атомных или молекулярных кристаллов

(бензол и большинство органических веществ, не содержащих

сильных полярных группировок атомов).

Физические взаимодействия существуют и на уровне

химической формы движения материи, но можно провести

довольно четкую границу между химической и физической

формами движения материи на основани и одновременного

учета двух признаков: во-первых, сохранения или несохранения

внутренней структуры молекул вещества, и, во-вторых,

сохранения или несохранения атомов, участвующих в данном

процессе.

В настоящее время возрастает специализация наук,

которая позволяет глубоко изучить не только формы движения

материи, но и взаимопереходы между ними. Это в первую

очередь касается физической химии, химической физики,

биохимии, биоэлектроники, биотехнологии и др. Химическая

эволюция создала предпосылки еще большего усложнения

молекулярных структур, образования белковых молекул,

аминокислот, являющихся основами живых организмов.

От неорганической природы к органической

Возникновение живого – проблема, волнующая

человечество на протяжении всего его существования.

209

Исследования ведутся представителями различных наук во

многих аспектах, один из них заключается в стремлении

«объяснить возникновение жизни из неорганической природы».

Химическая форма движения материи – пограничная между

физической и биологической, высшая в неорганической

природе. На ее основе, в процессе химической эволюции,

закладываются закономерности перехода от неживого к живому,

новейшие данные молекулярной генетики исчерпывающе

показали единство человека с животным миром, со всеми

формами жизни на Земле.

Необходимо выявить внутреннюю связь

детерминированности явлений с их развитием, что включает в

себя и эволюцию форм движения материи, переход от низших к

высшим. Различие, существующее между химической и

биологической формами движения, можно рассматривать как

качественное, поскольку форма движения материи – это

материя на определенной ступени развития. Биологическая

форма движения материи возникает там, где существует

возможность жизнедеятельности живых организмов.

Биологические системы – это сложные системы, и такие

сложные образования не могли появиться в результате только

количественного нарастания сложности физико-химических

процессов при химической эволюции. Появление новой формы

движения материи возможно лишь путем скачка при сцеплении

взаимодействующих веществ и энергии в новом системно-

структурном положении. Эт а системность может быть

элементарной, но обязательно качественно новой.

Данные современной науки свидетельствуют, что в основе

живого заложены белки и нуклеиновые кислоты (т.е. нуклео-

протеиды), являю щиеся биополимерными, высокомолекуляр-

ными соединениями. По химической терминологии, частицы

таких соединений называют макромолекулами, которые

образуют огромное количество связанных между собой цепочек.

Звеньями макромолекул белка считают аминокислоты, а

нуклеиновых кислот – нуклеотиды, т.е. сложные азотистые

основания – аденин, тимин, цитозин, гуанин. В состав белка

входит двадцать основных и около десяти довольно редких

аминокислот, соединяющихся между собой химической

полипептидной связью. Полипепти дная цепь, являющаяся

цепью главных валентностей, составляет первичную структуру

210

белка. Вторичная (спиральная) структура образуется в основном

водородными связями. Третичная структура (глобулярные, или

фибриллярные белки) возникает в результате Ван-дер-

Ваальсовых и ковалентных связей. Четвертичная структ ура

(комплексные глобулы) появляется с помощью локальных сил,

действующих между функциональными группами. Такими

силами могут быть, например, кулоновские. Все ст руктуры,

которые образуют белок, подчиняются химическим законам и

относятся к химической форме движения материи.

Нуклеиновые кислоты, образующиеся из нуклеотидов

посредством химической связи, включают в себя пуриновые и

пиримидиновые основ ания , аденин, тимин, цитозин, гуанин и

урацил и относятся к химическим соединениям.

Процессы, происходящие на уровне биологической формы

движения материи, основаны на физико-химических

превращениях. Не существует каких-либо особых законов

физики или химии на уровне живого, а возникает специфическое

свойство, проявляющееся и в упорядоченности молекулярных

структур, и в их способности эволюционировать. Формирование

биологического происходит на основе диалектического слияния

физико-химических свойств и превращений молек улярных

структур, «взятых» из неживой природы, с одной стороны, и тех

физико-химических свойств и превращений, которые обретены

микроструктурами как составными частями живых систем, – с

другой.

Выявление закономерностей и установление основного

закона химической эволюции порой сопровождалось

непреодолимыми трудностями, которые бы ли связаны с

молекулярными (микроскопическими) размерами объектов

эволюции и с отсутствием возможности прямого наблюдения

морфологических особенностей индивидуальных объектов (что

мы имеем в случае биологической эволюции). Поэтому в химии

и не могло быть сл учайного накопления сведений о таких

объектах и их систематике в результате прямых наблюдений. В

ней могло было быть только теоретическое видение этих

объектов, аналогичное тому, как мы «видим» атомы и молекулы

веществ, и основ анное на обобщениях проявлений их

физических и химических свойств.

Направленность эволюции химической формы движения

материи проявляется в постепенном усложнении веществ,

211

образовании предбиологических систем и зарождении в их

недрах живого. Сложность уровня организации химических

веществ возрастает, т.е. они эволюционируют от наиболее

простых соединений к сложным высокомолекулярным

образованиям за счет способности к саморазвитию,

самоорганизации. Самоорганизация выступает как процесс

образования качественно новых систем более высокого уровня

организации.

Трудности, связанные с исследованием химической

эволюции, заключаются в том, что проблема химической

эволюции оказалась в стороне от магистральных путей развития

химии не только потому, что она была заложена успехами

структурных и кинетических теорий в преобразовании вещества,

но и потому, что общие горизонты химии, или уровень ее

иерархии отраслей науки, не позволяют дать должную оценку

этой пр облемы как проблемы эволюционной, естественно-

исторической. Химия не знала ни принципов актуализма,

которые развивались в геологии, ни эволюционного учения,

ставшего теоретической основ ой биологии. Химия не могла

поэтому найти критериев направленности в развитии изучаемых

ею с убстанциальных форм, не имела возможности по существу

указать ступени эволюции вещества и тем более не имела

никаких данных для определения движущих сил эволюции.

Кроме перечисленного, при изучении химической эволюции

возникает пробле ма, которая, пожалуй, в такой степени не

встречается ни в одной из наук и заключается в том, что нет

возможности вывести критерий сложности для химической

материи в целом.

Образно по поводу понятия сложности написал А.А. Ляпу-

нов: «Понятие сложности имеет относительный характер. Для

биолога мозг быка есть сложнейшая система, описание которой

требует сотен и тысяч бит, для мясника описание этого же мозга

требует не больше 5 бит, так как мозг – всего лишь одна из

примерно тридцати частей тела быка, идущих в пищу».

Определить критерий сложности в химии можно только для

отдельных классов соединений, потому что в этой науке не

существует единой классификации веществ. Вещества

разделяются на органические и неорганические соединения.

Органические вещества, в свою очередь, делятся на классы

алифатических, карбоциклических и гетероциклических