Тенденция физикализации химии
Вопрос о роли физики и химии в процессе познания устройства вещества, по сути дела, сводится к определению границы применимости каждой из этих наук для данной области исследований. Известно, что химические превращения, составляющие предмет химической науки, обусловлены взаимодействием внешних электронных оболочек атомов, строение которых изучает физика. Таким образом, возникает вопрос о правомочности существования химии как отдельной дисциплины, а не прикладной области физики, поскольку последняя, по сути дела, изучает предмет её исследований и полностью формирует её теоретический базис.
Физикализация в химии может рассматриваться как своеобразный аналог характерной для нашего времени математизации всего естествознания в целом. Процесс проникновения физики в фундаментальные разделы химии можно разделить на три этапа, в рамках которых изложен весь фактический материал ответа: 1) проникновение физической идеи в химию, 2) построение физико-химической теории и 3) редукция этих разделов химии к физике. Исходя из определения химии как науки о веществах, их свойствах и превращении друг в друга, представляется логичным отдельно рассмотреть, какое влияние оказала физика на формирование представлений о структуре вещества и о процессе протекания химических взаимодействий. В конце ответа эти два направления сведены вместе в виде единого вывода о взаимоотношении физики и химии.
Впервые породнить физику с химией удалось Д. И. Менделееву, который предположил, что атомный вес (физическая величина) как базовая характеристика элемента должен определять его химическое сродство и, соответственно, все его свойства и свойства образуемых им простых и сложных веществ. Эта идея вылилась в открытие периодического закона, наглядным выражением которого является периодическая таблица элементов Менделеева. Уже в ХХ в. Мозли доказал, что порядковому номеру элемента в периодической системе соответствует заряд его ядра, который и стали рассматривать в качестве основной характеристики хим. элемента. После важнейших открытий в области строения атома (открытие протона и электрона, планетарная модель атома Резерфорда, работы Бора и т. д.) стала понятной причина периодического повторения свойств в ряду элементов, вызванная периодическим повторением числа валентных электронов по мере заполнения электронных оболочек.
При изучении природы вещества важнейшими является представления о химической связи. Прорыв в данной области был бы невозможен без привлечения достижений физики, а именно, открытия уравнения Шрёдингера, описывающего поведение электрона и последовавшего за этим рождения квантовой химии. Впервые формулировка модели химической связи с помощью представлений квантовой механики была сделана во второй половине 20-х гг. в работах В. Гайтлера и Ф. Лондона. В настоящее время для описания молекулярной структуры в квантовой химии применяются два основных метода: метод валентных связей и метод молекулярных орбиталей.
Первый из них разрабатывался в конце 20-х - начале 30-х гг. в трудах американского химика Л. Полинга и других ученых. Основная идея метода валентных связей заключалась в предположении, что химическая связь возникает посредством взаимодействия пары электронов и атомы в молекуле в значительной степени сохраняют свою индивидуальность. В основе метода молекулярных орбиталей, разрабатываемого с 1928 г. Р. Малликеном, Ф. Хундом, Дж. Э. Леннард-Джонсом и др., лежало представление о молекуле как образовании более высокого уровня, чем атомы, обладающем новым набором свойств, которое, следовательно, должно описываться как единое целое. Некоторые историки химии видят в двух рассматриваемых квантово-механических приближениях иллюстрацию преемственности уходящего корнями в прошлое двойственного понимания молекулы – как цельного или структурированного образования. Соответственно, в разные периоды времени прослеживаются логические цепочки развития этих двух взглядов на строение молекул: восприятие ее как структурированного множества атомов (Кекуле, Бутлеров – Льюис – метод валентных связей) и унитарного, воспринимающего молекулу как цельное образование (Жерар – Ленгмюр – метод молекулярных орбиталей).
Проникновение физических теорий в химию в конце XIX в. затронуло не только вопросы структуры атомов и молекул, но и представления о протекании химических процессов. В это время оформилось направление, получившее название физической химии, которая (в дополнение к квантовой химии) стала теоретической базой химической науки. Физическая химия стала развиваться в разных направлениях. Выделим среди них важнейшие и покажем, какое влияние на их развитие оказала физика.
В первую очередь необходимо выделить такой раздел физической химии как кинетика, отвечающего на вопрос о скорости протекания различных реакций. Проводить соответствующие измерения стали уже в середине XIX века, однако построение строгого аппарата, позволяющего не только описать, но и предсказать скорость химического процесса стало возможным только после применения известного из классической физики распределения молекул по скоростям и энергиям Максвелла – Больцмана. Оно позволило Аррениусу вывести уравнение, связывающее скорость химической реакции с энергией активации как основной характеристикой химического процесса и температурой окружающей среды.
Создание учения о кинетике повлекло за собой бурное развитие других областей физической химии, например, представлений о катализаторах, которые в настоящее время повсеместно используются в химической промышленности. Основу современного учения о катализе как способа снижения энергии активации процесса путём изменения его механизма под воздействием катализатора создал немецкий химик В. Оствальд. Одновременно развивались термохимическое и термодинамическое направления физической химии. Важную роль в развитии химической термодинамики сыграли работы 1860-70-х годов Р. Клаузиуса и В. Томсона (Кельвина), которые развили динамическую теорию теплоты и сформулировали первое и второе начала термодинамики. Примеры успешного применения физических идей для решения химических задач можно приводить сколь угодно долго. Венцом всех этих исследований в области физической химии стала разработка универсальной теории механизмов протекания реакций, которая позволяет предсказать характер взаимодействия даже для ещё не синтезированных соединений. Не вызывает сомнения тот факт, что её создание было бы невозможно без привлечения достижений физики.
Какой же вывод следует из изложенного выше? Действительно, бурное развитие химии в течение ХХ века стало возможным исключительно благодаря тесному взаимодействию с физикой, которая позволила создать для химии теоретический базис и разработать на его основе описательный аппарат. С его помощью химия из описательной превратилась в созидательную науку, обладающую потенциалом для предсказания в известной мере результатов своей деятельности. Вместе с тем нельзя сказать, что физика поглотила химию, поскольку это автоматически означало бы, что она способна самостоятельно, в рамках собственных методов, решать задачи, возлагаемые на химию, а это не соответствует действительности. Несмотря на все достижения последнего столетия в химии, предсказание реакционной способности конкретного соединения по-прежнему невозможно. В этой связи основным методом исследования химических превращений был, есть и, скорее всего, будет химический эксперимент, для успеха которого критичным является наличие человека, обладающего специальными умениями и навыками работы с веществом, неизвестными ни физику, ни математику, позволяющей ему адекватно провести такой эксперимент. Именно этим положением определяется та роль, которую играет современная химия, наряду с физикой и математикой, в процессе познания материи.
В основе данного вопроса лежит проблема взаимоотношения математики и других наук, а точнее, методов и возможностей математики в приложении к остальным наукам.
План ответа включает в себя три пункта. Вначале кратко описывается история многовекового проникновения математики в другие науки, и параллельно некоторые вехи в развитии самой математики. Далее представлены некоторые основные методы математизации, их сильные и слабые стороны. В заключении будут показаны пределы математизации науки и связанные с этим проблемы.