Эволюция понятия «структура» в химии

Актуальность темы

исследования.

Изучение эволюции понятия «структура» в философском плане вызвано двумя причинами. Во-первых, необходимостью распутать клубок противоречивых идей, существенно по-разному характеризующих историю развития структурных представлений в органической химии. Не только в истори-ко-научной, но даже в учебной литературе до сих пор существует путаница в освещении таких фундаментальных теорий в органической химии, как теория сложных радикалов И. Я. Берцелиуса (или дуалистическая теория), «унитарная» теория Ш. Жерара, теория химического строения А. М. Бутлерова и т. д. А. М. Бутлерову приписывается то, что до него сделано Ш. Жераром и А. Кекуле и не замечается то самое важное и главное, что составляет его истинный вклад в науку и что является действительным теоретическим фундаментом современной химии. Во-вторых, изучение эволюции понятия «структура» в химии вызвано необходимостью выяснить или, по крайней мере, уточнить адекватное содержание самого понятия «структура» в ряду общенаучных или системных понятий, несмотря на то, что по этому вопросу в литературе существует немало суждений философского характера.

Что касается первой причины, связанной с противоречивыми оценками различных структурных теорий, то о ней можно сказать следующее. Многиегаши отечественные историки химии и философии в 1940;х годах явно пе-эеувлеклись погоней за примерами приоритетов русских ученых в открытии <�аких-то новых явлений. Часто нашим русским ученым, начиная с М. В. Ломоносова, приписывалось то, что им и не принадлежит, и в то же время 1е придавалось должного значения тому, что им действительно принадлежит. Как уже сказано выше, А. М. Бутлерову приписывался, в частности, приоритет в создании первой структурной теории, под которой подразумевалась только одна теория химического строения. Например, такие видные историки органической химии, как Г. В. Быков (1), Ю. С. Мусабеков (2), ввиду этого всю историю органической химии разделяют на два периода: I доструктурный и II структурный, относя к доструктурному периоду все то, что было до А. М. Бутлерова. Они полностью отождествляют таким образом два понятия: «структура молекул» и «химическое строение» — тогда как второе понятие является лишь частным случаем первого, доказательство чему см. ниже в диссертации. Они объективно отрицают, далее, право называть структурными теориями химическую атомистику Дж. Дальтона или теорию строения твердых тел А. Авогадро, хотя в этих теориях непосредственно фигурирует термин «структура» .

Такого рода квалификация структурных теорий из историко-химичес-кой литературы перекочевала и в учебники (3,4), в которых А. М. Бутлеров представлен как автор устаревших взглядов, принадлежавших А. Кекуле, но не как подлинный революционер в науке, о чем см. ниже.

Историкам науки в какой-то степени помогают и философы, которые гоже отождествляют понятия «структура молекулы» и «химическое строение». Как это не странно, но даже Б. М. Кедров в некоторых своих работах явно недооценивает роль добутлеровских структурных теорий органической симии в целях выставления на первом плане А. М. Бутлерова. Хотя у Ч. М. Бутлерова он не замечает опять-таки самого главного — революционного перехода через стехиометрические барьеры и объяснения различной реакционной способности разных химических связей. При этом Ш. Жерара, штора системного учения в химии обвиняют в агностицизме и в том, что <�ерар понимал диалектику «.не в гераклитовском смысле, а в. кратиловс—ом, т. е. в духе полного релятивизма и скептицизма» (5).

В настоящее время в науке появились явно противоположные данные (6) о том, что Ш. Жерар был одним из основоположников современного системного учения, что своим вкладом в развитие структурных представлений он во многом способствовал и успехам А. М. Бутлерова.

Рассмотрев все эти коллизии в свете общего хода эволюции понятия «структура» в химии — задача, конечно, весьма важная и актуальная.

Вторая причина появления настоящего исследования, а следовательно и критерия актуальности избранной темы, не менее весома. Она служит основанием для более адекватного суждения о содержании понятия «структура» не только в теоретическом плане, но также и в практическом отношении. Главный интерес здесь появляется к вопросу о соотношении статического и динамического аспектов в понимании структуры. Структура обычно противопоставлялась динамике, ибо последняя рассматривалась часто как фактор разрушения структуры. Если вчитаться в текст Б. М. Кедрова (5), характеризующий Ш. Жерара, то сразу становится ясным, что Б. М. Кедров видит в динамичности идей французского ученого, в его представлениях о способах познания молекулы только через химический процесс, вроде как нежелание проникнуть внутрь структуры вещества. Динамичность идей Жерара он называет недозволенным «кратиловским» методом познания. Но сегодня все эти опасения напрасны: химия сегодняшнего дня открыла массу таких динамических структур, что еще в 1930;1950;х годах они показались бы утопией.

Ясно, что решить вопрос о соотношении статического и динамического в понятии «структура» можно только при помощи изучения эволюции понятия «структура» в науке, в химии в частности и даже в особенности.

Степень разработанности проблемы.

К вопросу о том, что такое «структура» как общенаучное понятие, обращались многие философы и, частности, Н. Ф. Овчинников (7−8), В. С. Тюхтин (9−12), А. А. Печенкин (13), И. В. Кузнецов (14), М. И. Сетров (15) и др. В их работах понятие «структура» определяется через понятие «система». У Н. Ф. Овчинникова «структура — это инвариантный аспект системы» (7), В. С. Тюхтин структурой называет «устойчивую упорядоченность системы» (12). в настоящей работе используется именно это определение понятия «структура», потому что оно работает на всех уровнях эволюции понятия «структура» в химии, начиная с Дж. Дальтона и кончая современными теориями квантовой химии. Определение В. С. Тюхтина помогло решить вопрос о том, где же, в какой химической теории, впервые появляется понятие «структура» и правы ли те историки химии, которые все добутлеровские теории органической химии относят к так называемому «доструктурному периоду» .

Но наиболее важные материалы, характеризующие степень разработанности проблемы диссертации находятся в трудах по истории химии, а именно в трудах Н. А. Фигуровского (16−18), М. Г. Фаерштейна (19), Ю. И. Соловьева и В. И. Куринного (20−21), М. Джуа (22), В. Л. Рабиновича (23). В этих трудах точно освещены вопросы о первых теориях химии, в которых фигурирует и термин и понятие «структура». В них указана роль понятия «структура» в описании как молекул, так и кристаллов и поэтому в диссертации эти труды приняты в качестве опорных фактов, в качестве базового материала, если они даже вступают в противоречие с какой-либо философской оценкой. В таких случаях философская оценка подвергается у не может не подвергаться пересмотру.

В качестве примера можно указать на развернутую характеристику вс всех названных трудах унитарной теории Ш. Жерара. Эта теория трактуете* как новаторская, смелая (потому что она была направлена против авторитета великого Берцелиуса), «работоспособная», т. е. практически важная и глубоко проникающая внутрь структуры молекул. Поэтому можно считать курьезом факт появления в философской литературе утверждения об агностицизме Ш. Жерара. Этот курьез допустил в в 1940;1950;х годах один из видных ученых, который потом сам от него отказался, но за которым, как было сказано выше, последовали другие философы, в частности Б. М. Кедров.

Цель работы. О цели работы можно составить представление уже по приведенной выше характеристике ее актуальности. Цель работы состоит в том, чтобы по возможности разрешить все основные противоречия в вопросе о содержании понятия «структура» в химии и в понятии «структура» вообще. Цель работы заключается также в выяснении отношений между понятиями «структура» и «динамика», в реабилитации тех исследователей, которые подходят к пониманию структуры молекул через динамику, черес учение о процессах.

Цель работы заключается, наконец, в подлинной реабилитацик А. М. Бутлерова, заслуги которого в учебниках химии явно занижены, искажены и по недоразумению отождествлены с заслугами его предшественников .

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи: исследовать историю развития науки, в частности, химии, в облает! познания структуры объекта дать анализ эволюции содержания понятия «структура» в связи с пе реходом от статического к динамическому уровню исследования раскрыть гносеологическое и методологическое значение основны: структурных теорий химии показать основные моменты зарождения науки о структурном и системном подходе с учетом формирования диалектического мышления в познании выявить основные уровни в формировании понятия «структура» как устойчивой упорядоченности качественно неизменной системы.

Научная новизна диссертации и положения, выносимые на защиту.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней заново рассматриваются положения, высказанные в литературе, в том числе в учебной литературе, о путях развития структурной химии, т. е. о методах и путях познания строения вещества. Научная новизна работы и положения, выносимые на защиту состоят и в том, что в ней излагается е качестве выводов из истории химии принципиально новая трактовка по существу всех структурных теорий органической химии, а именно теорий Берцелиуса, Жерара, Кекуле, Бутлерова и квантово-химических теорий. Эти выводы следующие:

1. Понятие «структура» в химии формируется в работах Дж. Дальтонг в 1800—1803-х гг. при обобщении им эмпирически установленных стехио-метрических законов, а именно закона постоянства состава и закона эквивалентов, открытых в конце XVIII века. Дальтон, а своих работах решает проблему соотношения состава и структуры в том плане, что переводи' описание качественной определенности химически индивидуального вещества, например метана, с языка весовых процентных отношений между элементом С и элементом Н (12:4) на язык атомистики — СН4. Структура — Дальтона — это построение «сложного атома» (т.е. молекулы) из дискрет ных простых атомов. Это — наглядное объяснение двух указанных стехио метрических законов и — одновременно — теоретическое предсказание т. е. открытие самим Дальтоном третьего стехиометрического закона простых кратных отношений.

Дальтон не пользовался термином «структура», но для наглядного обозначения построения «сложных атомов» он впервые ввел своего рода структурные формулы воды, метана, оксида серы и т. д. См. ниже в гл. I.

Вслед за работами Дальтона в данной области выступает дуалистическая теория и учение о сложных радикалах И. Я. Берцелиуса. В работах Берцелиуса также решается проблема соотношения состава и строения вещества, но состав выражается уже не в аспекте химической атомистики в форме привычных для нас знаков всех известных химических элементов.

Структура" Берцелиуса — это выражение строго упорядоченного состава молекул химически индивидуальных веществ в соответствии с требованиями электрохимического дуализма. Структурные представления Берцелиуса как частный случай описания природы вещества сохранились до сих пор и вошли в состав новых химических теорий.

Утверждение Берцелиуса о существовании свободных сложных радикалов, лежащее в основе его структурной теории органических соединений, история отвергла.

2. Вторым и очень важным этапом эволюции понятия «структура» е химии следует признать унитарную теорию Ш. Жерара. Эта теория кладеа начало системным представлениям в науке вообще, не только в химии. Онг вводит и обосновывает представления о взаимном влиянии атомов в молекуле, а это главное, что может служить объяснением различной реакционной активности разных веществ. В этом — огромная эвристическая ценность теории.

Системные воззрени получили своеобразное развитие в формульно1 схематизме А. Кекуле, основанным на предложенной им теории валентности Кекуле впервые ввел по существу современные структурные формулы в ор ганическую химию, и они послужили компасом для многих важных реакци: органического синтеза. В этом — огромная его заслуга. Но его формулы не несли информацию о реакционной способности веществ. Они лишь намечали «архитектурный» план синтеза новых веществ, но не только не давали средств управления химическим процессом, но не могли дать ответ на саму возможность намечаемого синтеза. В этом отношении формульный схематизм Кекуле уступал унитарной теории Жерара.

3. Третий этап эволюции понятия «структура» в химии ознаменован появлением теории химического строения А. М. Бутлерова. Эта теория по принципу соответствия включила в себя все то рациональное, что было в работах Берцелиуса, Жерара и Кекуле. Но Бутлеров пошел намного далее этих ученых. Он объяснил почему такие, например, вещества, как изомеры бутана.

СНз-СН2-СН2-СНз СН3-СН-СН3 I сн3 обладает существенно разной реакционной активностью. Он показал, что это обусловлено различием энергии химических связей, которые, в свою очередь, есть результат взаимного влияния атомов в молекуле. Оь впервые таким образом переступил закон эквивалентов как один из основных законов химии. Ведь согласно этому закону, все химические связ^ Н-Н, С-Н, 0-Н и т. д. должны быть эквивалентными. Теория валентности Кекуле также требует такой эквивалентности. Бутлеров же показал, чтс связь С-Н в бутане энергетически неэквивалентна: в группах СН3 онр крепче, чем в группах СН2, а в группе СН в изобутане они очень слабые и потому более активные.

Главным образом в этом суть теории химического строения. И потом} она дает указания заранее какие соединения будут в реакциях более активны и какие менее активны. Дополненная многими эмпирически установленными правилами (правило В. В. Марковникова, А. М. Зайцева, Е. Е. Вагнера и т. д.) эта теория служила и служит действенным инструментом органического синтеза.

4. Четвертый этап — квантовохимический. Центральным понятием в нем является понятие молекулярной орбитали, согласно которому молекула имеет единое поле электронов связей с большей или меньшей плотностью между отдельными ядрами, что и определяет различие реакционной способности разных веществ. То есть теория молекулярных орбиталей теоретически обосновывает выводы Бутлерова и может служить методом количественного определения активности вещества.

Все эти этапы вместе взятые приводят к выводу, что вне зависимости от термина («структура», «строение», «конституция» и т. д.) понятие «структура» по своему содержанию есть определенная упорядоченность качественно неизменной системы. В данном случае молекулы.

Но изучение эволюции этого понятия приводит к выводу, что его содержание все более обогащается за счет динамических аспектов. Динамические компоненты этого понятия возрастают от Дальтона к Берцелиусу, от Берцелиуса к Жерару, а далее к Бутлерову и квантовой химии.

5. Высшей точкой эволюции понятия «структура» в химии в аспекте роста динамических представлений является открытие веществ типа буль-валена. Молекула этого соединения С^Ню — это и качественно неизменная система и в то же время самый настоящий химический процесс, та* как валентные изомеры бульвалена, а их насчитывается более 1млн 20С единиц, переходят друг в друга с кинетическим барьером до 10−12 килокалорий. Молекула бульвалена непрерывно находится в состоянии химических изменений, в целом не изменяясь качественно.

— 14.

Методология и теоретические источники исследования.

Методологические основания исследования состоят в логической реконструкции истории науки, т. е. в том, чтобы в нагромождении фактов, описываемых в книгах по истории химии, увидеть определенную упорядоченность, логическую последовательность, закономерность. В этом состояла давно сформулированная в философской литературе задача, вставшая перед каждым исследователем в области логики науки.

Но для выполнения этой задачи проторенного пути нет. Факты из истории химии только тогда укладывались в рамки логики, когда есть хотя бы какая-то гипотеза, их объединяющая и — тем более — упорядочивающая. В данной работе автор использовал концепцию развития химии, предложенную В. И. Кузнецовым (24,25).В этой концепции изложены и вопросы эволюции понятия «структуры» в химии, но только как частность целого бег подробного изложения существа проблемы. Задача автора диссертации состояла в том, чтобы развить и обосновать новым материалом положение указанной концепции. То есть надо было вновь обратиться к логическор реконструкции истории структурной химии, но уже с «компасом» в руках.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Понятие «структура» является общенаучной категорией. В настоящей диссертации оно рассмотрено лишь применительно к химии и только к мо-пекулам химических соединений. Химия рассматривает кроме структуры мо-аекул еще структуру макроскопических тел — газов, жидкостей и кристаллов, а также электронно — ядерную структуру атомов. Но эти последние понятия больше относятся к физике. Структура же молекул — центральное понятие химии, и оно лежит в основании самостоятельного большого раз-цела этой науки, которая так и называется — «структурная химия» .

В диссертации прослежена эволюция понятия «структура» в химии от Ломоносова до наших дней.

Генезис этого понятия неотделим от эволюции представлений о составе тел. При этом под составом тел подразумевалась информация о процентном весовом содержании химических элементов, составляющих данные вещества. Например, давно были известны два хлорида меди. В одном из них содержится 75% меди и 25% хлора, в другом — 82% меди и 18% хлора. И только атомистика Дальтона позволила представить эти два соединения четко и ясно как два различных «сложных атома» (т.е. как две разные молекулы) — СиСЬ и СиСЬг•.

Ломоносов еще не знал закона постоянства состава как такового (открытого в 1799 г.). Поэтому он не мог также ясно, как это делал Дальтон, определить структурную формулу соединения. Но он уже понимал, что существует тесная взаимосвязь между «качеством элементов», входящих в «корпускулу химического вещества» и их количеством. Развитые им представления о «корпускулах» и составляющих их «элементах» являются поэтому самым начальным этапом развития атомно — молекулярного учения. Атомистика Дальтона поставила все точки над 1 в учении о соотношении между атомным составом и структурой молекул химического соединения. Согласно Б. М. Кедрову, она решила эту проблему в ключе:

В теории радикалов Берцелиуса понятие структуры очень немногим отличалось от понятия состава. Но Берцелиус уже поставил новый вопрос: а как и за счет каких сил атомы соединяются в молекулу? И решил его посредством электрохимических представлений. Это решение было прогрессивным в той мере, в какой объясняло различие свойств веществ одинакового состава — изомеров. Поэтому дуалистическая теория Берцелиуса внесла дополнения в схему решения основной проблемы химии:

Жерар прочно связал понятия «структура» и «состав» с понятием молекулы как унитарной системы. И это его представление о системе вошло в химию как неотъемлемый элемент учения о структуре и реакционной способности веществ вплоть до наших днейоно включено и в квантовую химию, которая определяет молекулу как единую квантово — механическую систему. Жерар показал, что только в унитарной системе атомы влияют друг на друга и взаимно преобразуют друг друга, определяя таким образом реакционную способность не только молекулы в целом, но и каждого фрагмента молекулы, каждого ее атома. Он ввел поэтому понятие функции, которая является синонимом понятия «реакционная способность», расширив схему: состав. структура структура структура функция.

Временным отступлением от идей Жерара являются структурные взгля-цы Кекуле. С одной стороны, они дали химикам ключ к решению вопросов о конструировании новых органических соединений на основе валентности исходных химических элементов. Но с другой стороны, формульный схематизм Кекуле, будучи аддитивным способом сложения атомов, не давал возможности определить реакционно — активные центры молекул. Понятие «структура» в теории Кекуле выражается через жесткие валентные схемы с равноценными попарными межатомными связями, образованными за счет взаимного насыщения «единиц сродства» .

Теория химического строения вещества Бутлерова была построена с учетом всего того, что внесли в структурную химию теории Берцелиуса, Жерара и Кекуле. Но она перешагнула барьер классической химии, воздвигнутый согласно закону эквивалентов, о равноценности всех межатомных связей С-Н, С-С, С-СЬ и т. д. и ее главным положением стал тезис об энергетической неэквивалентности химических связей. По существу теория Бутлерова провозгласила то, что потом было обосновано квантово — химической теорией молекулярных орбиталей и нашло подтверждение в открытии массы новых соединений типа бульвалена, ферроцена, дибензолхрома и т. д.

Эволюция понятия «структура» в химии представляет сложную и богатую по содержанию картину закономерного постепенного изменения взглядов на построение вещества в его дореакционном состоянии. Струкгурные теории химии сыграли выдающуюся роль в органическом синтезе сотен тысяч новых соединений. Но и у этих теорий есть свои пределы.

Дело в том, что даже очень четкие и ясные представления о структуре молекул не могут помочь в решении многих даже и относительно простых вопросов. Например, мы хорошо представляем себе строение метана, но не можем решить задачу окисления этого углеводорода до формальдегида:

СН4 + 02 -> СН20 + Н20.

Мы не можем при помощи структурных теорий управлять такими реакциями, как получение мономеров для СК на основе простейших углеводородов: сн3-сн2-сн2-сн3 ->> СН2=СН-СН=СН2.

СН3-СН-СН2-СН3.

СН3.

•> СН2=С-СН=СН2 сн3.

Для решения этих и других задач мы должны прибегнуть к помощи кинетических теорий, освещающих механизм химических процессов. А для этого надо знать факторы, управляющие химическим процессом, термодинамические, кинетические, каталитические, гидродинамические и т. д. Химический процесс характеризуется не понятием «структура» (поскольку структура — это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы), а понятием «организация». Организация — это неустойчивая упорядоченность качественно изменяющейся системы, это то, что «подвластно» учению о химических процессах — химической кинетике, термодинамике, катализу и т. д.

Химия поднялась давно уже с учения о составе на уровень структурной химии, а современная химия — это наука, находящаяся на уровне учения о химических процессах. Структурная химия входит в это учение как частность, как низший гомолог.

В диссертации на основе изучения эволюции понятия «структура» в химии решены многие самые актуальные историко — химические и гносеологические вопросы, в частности такие, которые получили ошибочное освещение в философской и — особенно — в педагогической литературе. Об этом подробно сказано во Введении и в главах диссертации.

В заключение еще раз следует подчеркнуть — что является самым важном в диссертации. В ней осуществлена логическая реконструкция история центрального учения в химии — учении о строении вещества, о структуре его молекул во всей его целостности от истоков в работах Ломоносова, Дальтона и Берцелиуса до наших дней. В процессе получены следующие результаты помимо того, что изложено во Введении.

1. Показано, что реальная история данной отрасли науки отнюдь не хаотична. «В общем и целом, — как сказал бы В. И. Ленин, — она совпадает с законами мышления» .

2. Этими законами являются диалектические законы, из которых на первый план выступает закон отрицания отрицания, как бы выстраивающий последовательно ступени эволюции понятия структуры в химии.

3. Таких ступеней можно назвать пять: структура в представлениях Берцелиуса, затем Жерара, Кекуле, Бутлерова и в квантовой химии. Инвариантное понятие структуры как устойчивой упорядоченности качественно неизменной системы на каждой из этих ступеней наполняется новым содержанием. При этом на каждой последующей ступени это новое содержание включает в себя все то рациональное, что содержится на предыдущих ступенях. В этом смысле теория химического строения Бутлерова, например,.

— 117 тредставляет собой синтез теорий Берцелиуса, Жерара и Кекуле.

4. В диссертации особое внимание уделено проблеме системности, доказано, что первым, кто сформулировал по существу современное понятие системы был Жерар.

5. Проведены четкие границы между суммативным множеством (у Бер-делиуса) и системным (у Жерара).

6. Дано четкое определение аддитивного стиля мышления, т. е. мыш-аения в целых числах, присущего, в частности, Кекуле, и мышления, учи-гывающего непрерывность изменения энергии химических связей, присущего Бутлерову, что создает предпосылки для формирования общих представлений о единстве дискретности и непрерывности организации материи.

7. Показана ошибочность в оценках философских взглядов Жерара и теории химического строения Бутлерова.

8. Подробно рассмотрен гносеологический аспект квантово — химических теорий.