Федор Константинов - Диалектика природы и естествознания

Анализ эволюции развития химической формы движения материи предполагает предварительное рассмотрение ее функционирования и строения, т. е. исследование системно-структурных отношений. В современной химии теория строения вещества опирается на квантовую механику, химический аспект которой называется квантовой химией. Последняя обладает развитым логическим аппаратом, в принципе способным охватить и качественно, а отчасти и количественно описать свойства всех химических систем. Электронное строение как способ описания химических соединений средствами квантовой механики, не отрицая данных классической теории, существенно дополняет их. Кроме возможности описать разнообразие химических связей электронное строение позволяет понять и предвидеть свойства и структуру большого числа систем, которые вообще нельзя описать при помощи классической теории. Это относится к системе с делокализацией электронов в пространстве как одной молекулы, так и целого кристалла.

Квантовая химия является теоретическим ядром современной химии. Однако серьезные математические трудности, связанные с расчетом сложных соединений, не позволяют распространить ее на весь материал химии. Построение количественной теории химических связей кажется пока делом отдаленного будущего. Тем не менее качественное описание химических систем, которое дает квантовая механика, оказывается вполне адекватным. В основе его лежит диалектическая идея динамизма, подвижности, свойственной химическим системам. К пониманию динамизма интуитивно химики подходили еще в XIX в., когда стремились связать данное вещество с исходными веществами и продуктами его распада, т. е. изучить вещество не изолированно, а в системе реагирующих тел, диалектически, во взаимосвязи и развитии. Методику такого подхода прежде всего давала термодинамика и кинетическая теория материи.

Взаимосвязь химии с физическими концепциями не ограничивается квантовой теорией и электродинамикой, но осуществляется и через статистическую теорию строения материи. Особенно важна связь химии со статистической теорией равновесных систем. Эта теория тесно смыкается с химическим аспектом учения о макроскопическом равновесии — химической термодинамикой. Термодинамика дает метод описания химических соединений в системе реагирующих веществ, где каждое тело тесно связано с исходными веществами и продуктами своего распада. Такой подход позволяет ввести понятие о фазе как форме существования химического соединения.

Понятие о химическом соединении, находящемся в фазе, выступает как некоторая форма реальной фазы. Термодинамика требует также, чтобы внутри фазы существовало равновесие, которое должно иметь место со всеми веществами и вне фазы. Только в этом случае к описанию фазы можно применить аппарат термодинамики и записать ее уравнение. Исследование систем сводится, таким образом, к исследованию превращений между ними. Это важный вывод, поскольку он позволяет провести аналогию между классическими физическими процессами (например, плавление, испарение) и превращениями, сопровождающимися химическими реакциями. Так, переход жидкости в пар описывается термодинамическим уравнением такого же вида, как и химические процессы, например разложение известняка с образованием углекислого газа или восстановление окислов железа углеродом. Все это имеет большое значение, поскольку вскрывает новые стороны в познании природы превращения веществ.

Действительно, химические превращения, если смотреть на них с позиции взаимодействия атомов, универсальны. Невозможно представить себе никаких изменений в веществе без разрыва или образования каких-то химических связей. Любое испарение, хотя и считается физическим процессом, тем не менее включает в себя разрыв связей в жидкости при переходе в пар. Если при испарении воды это слабые связи между молекулами, то при испарении солей — прочные связи в кристаллах. Даже простое нагревание вещества (той же воды) в определенный момент сопровождается перестройкой ее внутренней структуры, которая приводит к разрыву связей.

Термодинамический анализ дает четкие границы понятию о химическом превращении. Он фиксирует как химические лишь те из них, которые сопровождаются образованием новых фаз, отличающихся составом и описывающихся новым уравнением. Поэтому переход воды из жидкости в пар термодинамика не позволяет рассматривать как химическую реакцию, хотя детальный анализ молекулярного механизма перехода воды в пар объясняет процессы образования сложных молекулярных агрегатов и их распад.

Подход к химическим превращениям с точки зрения термодинамики позволил рассматривать химический процесс не как изолированное превращение отдельных молекул. а как изменения в системе в целом. При этом не закрывается путь и к более детальному анализу данной системы и установлению в ней химических превращений. Этот анализ будет отвечать более глубокому познанию структуры системы. Иными словами, выделение индивидуального соединения в виде отдельной новой фазы выступает как первичный подход. Применяя более тонкие методы (исследование оптических свойств, плотностей, рентгеновский анализ), можно перейти на более глубокие уровни познания структуры и обнаружить изменения, сопровождающиеся образованием новых и разрушением прежних молекулярных образований или изменением порядков связей симметрии атомов.

Так обнаруживается глубокая диалектичность процесса познания химических превращений: многоуровневый подход, бесконечность процесса проникновения в природу реагирующих систем. Здесь наглядно видна истинность положения В. И. Ленина об углублении мысли человека от явления к сущности, от сущности первого порядка к сущности второго порядка и т. д. [90]

Подход к химическим соединениям как системам важен и потому, что позволяет выявить единство структуры и процесса. Образование нового вещества в общем представляет собой определенные изменения структуры системы. На этом основан метод физико-химического анализа, в котором соединение, образующееся в системе, обнаруживается в результате исследования процессов и изменения свойств при вариации состава.

Представление о единстве процесса и структуры получает дальнейшее развитие при исследовании неравновесных систем. Здесь наряду с температурой, давлением и другими внешними условиями выступает время. Эта область химии названа химической кинетикой. Она также тесно связана со статистической теорией строения материи. В основе химической кинетики лежит представление о механизме процесса, который описывается с помощью переходных состояний вещества, возникающих в момент превращения. В частности, в молекулярных системах это будут так называемые переходные комплексы — неустойчивые образования, появляющиеся в момент встречи молекул и существующие очень короткое время. Природа этих специфических форм интенсивно изучается. По существу переходные комплексы можно назвать особым состоянием материи. Современная теория опирается на методы квантовой химии и позволяет рассчитывать структуры многих переходных комплексов, что имеет большое значение для предсказания хода химических реакций.