Канке В.А., Лукашина Л.В. Концепция современного естествознания Теория и практика

5.11. Горизонты химии

Химия — быстро развивающаяся отрасль науки. Даже ее знатокам трудно установить число отдельных химических наук. Интересную попытку, которая заслуживает внимания, на этот счет предпринял Н. Е. Аблесимов. Он выделил восемь разделов химии, каждый из которых, за исключением аналитической и неорганической химии, разбил на отдельные химические науки. Набралось шесть десятков химических наук (табл. 5.12), входящих в состав основных разделов химии. В указанную таблицу не включены исторические предшественники научной химии, алхимия и ятрохимия (предшественница медицинской химии).

Химия занимает в жизни человека исключительно важное место. Это обстоятельство далеко не всегда учитывается авторами, пишущими о химии или же создающими ее визуальные образы. В историческом плане развитие химии было отмечено тремя стереотипами. Во-первых, химики длительное время изображались как персонажи, пристально рассматривающие содержимое пробирок (а в пробирке часто моча!). Во-вторых, воспроизводились пейзажи труб, задымляющих небеса. В-третьих, современные химики изображаются в окружении стеклянной посуды, заполненной жидкостью различных цветов. Химики-профессионалы сетуют: пора менять имидж химии, нужен ее новый художественный образ. Поддерживая их позицию, мы предлагаем лицо красавицы.

Внашей книге нет возможности рассмотреть химические науки одну за другой. Тем не менее мы решили обратить внимание читателя по крайней мере на ее расширяющиеся горизонты. Химия присутствует едва ли не повсюду и в большом (космохимия, геохимия), и в малом (нанохимия).

Вглавах, посвященных космологическим и геологическим концепциям, нам не раз приходилось обращаться к вопросам химического содержания «большого». Поражают многоступенчатые процессы дифференциации вещества в космических и планетарных масштабах, длительностью в миллионы

231

и даже миллиарды лет. Чем длительнее и разнообразнее процессы, в которые было вовлечено вещество, тем дальше оно по своему химическому составу от своей основы, каковым в конечном счете, возможно, является вакуум.

Рис. 5.8. Возможный образ современной химии

Если иметь в виду прежде всего пространственные масштабы, то противоположностью космохимии является нанохимия. Ее объекты исследования — тела, поперечник которых не превышает 100 нанометров. Это означает, что число поверхностных атомов не отличается резко от всего числа атомов нанообъекта. Вследствие этой их особенности наночастицы взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой по-другому, чем макротела. К тому же их нельзя рассматривать как одинаковые и статистически неразличимые. Объекты нанохимии чрезвычайно многообразны. О них дает представление табл. 5.13.

232

С каждым типом наночастиц связана особая разновидность нанохимии. Им посвящены тысячи книг и статей. Но особое внимание привлекли фуллерены и тубелены (рис. 5.9). И неудивительно, ведь они состоят из атомов углерода, одного из самых распространенных химических элементов на Земле.

Рис. 5.9. Фуллерен (слева) и тубелен

За открытие фуллерена, состоявшееся в 1985 г., Х. Крото, Р. Кёрл и Р. Смолли были удостоены Нобелевской премии по химии за 1996 г. Оно было признано выдающимся достижением XX в. В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Наиболее изученным фуллереном является С60. Его размер меньше 1 нм. В конденсированной среде атомы фуллерена С60 сохраняют свою индивидуальность. А она довольно необычна, ведь в середине молекулы находится вакуум, пронизываемый электромагнитными лучами. Его геометрическая форма напоминает устройство некоторых фрагментов ДНК. Это обстоятельство наводит на мысль, что фуллерены знаменуют собой мост между неорганическим и живым веществом.

Исключительно перспективным направлением нанохимии является химия биомиметических материалов. Речь идет о соединениях, иммитирующих свойства биоматериалов, обладающих свойствами, актуальными для жизнедеятельности человека. За миллиарды лет эволюции природа создала многие конструкции, путь к которым невозможно воспроизвести исходя непосредственно из принципов и законов химии. Но поскольку эти материалы известны, то можно сократить путь исследования. Изучают сами эти материалы и разрабатывают пути синтеза подобных материалов. Показательно, например, что полимерные нановолкна были созданы после изучения паутин, застывшего продукта паутинных желез. В результате удалось синтезировать нити, которые по прочности не уступают стальной проволоке такого же диаметра, но значительно легче ее.

Нанохимия находится на подъеме. Она существенно раздвинула концептуальные границы химии. С другой стороны, многочисленные ее успехи связаны с решением конкретных технологических, экологических и медицинских задач.

233

Выводы

•Мир химических концепций становится все более разнообразным.

•В силу актуальности химии ее имидж нуждается в совершенствовании.

•Нанохимия знаменует собой многочисленные достижения химии как в концептуальном, так и в прикладном отношении.

5.12. Концептуальная поступь химии

Заканчивая главу, посвященную химии, резонно охватить ее единым взором. И тогда обнаруживается удивительное обстоятельство, созидание концептуальной гармонии под знаком постоянно нарастающего научного прогресса. Он появляется не сам собой, а в результате целенаправленного проведения концептуальной трансдукции. Дедукция, аддукция (эксперимент), индукция и абдукция сменяют друг друга. При этом предшествующая стадия трансдукции служит базой, опорой для последующей фазы. Разумеется, указанная поддержка имеет место лишь в случае, если не прерывается связь этапов внутритеоретической трансдукции.

Дедукция должна непременно быть доведена до эксперимента. Если добиться указанной встречи затруднительно, то используются упрощения. Иначе просто не дойти до эксперимента. Квантово-механическое уравнение Шрёдингера для атомов, содержащих более одного электрона, не может быть решено в привычном аналитическом виде. Оно содержит волновую функцию каждого электрона и в результате оказывается очень сложным. Следовательно, следует обратиться к приближенным методам. В этой связи наиболее часто современные химики обращаются к методу самосогласованного поля. Идея метода заключается в том, что движение каждого электрона определяется полем, создаваемым всеми другими частицами, усредненным определенным образом и задаваемым некоторыми потенциалами. На этом пути удается добиться успеха, особенно благодаря методу Хартри — Фока — Боголюбова. Придумал его в 1927 г. Д. Хартри, а усовершенствовали его В. А. Фок и Н. Н. Боголюбов. Действенность рассматриваемого метода выявилась лишь в 1950-е гг., после появления ЭВМ. Чтобы «пробиться» на дедуктивном пути к эксперименту, приходится, не теряя из вида специфику химических явлений, задействовать потенциал математики и вычислительной информатики. Успех приходит к ученым не сразу, иногда лишь после многолетнего поиска. Нобелевская премия по химии за 2013 г. присуждена М. Карплусу, М. Левитту и А. Варшелу за создание многомасштабных компьютерных моделей комплексных химических систем. Их основное достижение состояло в том, что на различных масштабах, в частности ядерном, атомном и электронном, они использовали эффективные приближенные методы.

Дедукция расчищает путь эксперименту (аддукции). Благодаря ей становится очевидным, что именно заслуживает измерения. Именно успехи дедукции позволяют усовершенствовать методы экспериментального исследования. На заре аналитической химии в ней господствовали методы так называемой качественной химии, при этом о реактивах судили в реак-

234

ции мокрым путем по изменению окраски раствора, образованию нерастворимого в воде осадка или по выделению газа. В реакции сухим путем вещества определяются в соответствии с их плавкостью и летучестью при нагревании, а также по способности окрашивать в определенный цвет пламя газовой горелки, окисляться или восстанавливаться.

Развивались также и методы количественного анализа, в частности электролитический, колориметрический (сравниваются по интенсивности окраски растворов), органический (органическое вещество превращается в CO2 и H2O, и по их количеству судят об углеродном и водородном содержании указанного вещества).

Указанные методы качественного и количественного анализа продолжают использоваться в современной химии. Но центральное место теперь занимают в ней инструментальные методы познания, при которых используются специальная аппаратура, в которой регистрируется электромагнитное излучение или же поведение частиц в электромагнитном поле.

Современный образ атома

Интересно, что электромагнитные излучения атома занимают исключительно широкую полосу частот — от 106 до 1019 Гц. Это означает, что атом, вроде бы незначительная частица вещества, по сути, органично вписан в мироздание в целом. Он представляет собой удивительно гармоничную колебательную систему. Создание квантовой физики и химии позволило ученым уяснить себе это обстоятельство. Теперь они знают, что если настроиться на характерные для атома частоты, то он продемонстрирует испытателям свое устройство.

Среди инструментальных методов познания центральное место занимают атомный спектральный анализ, ядерный магнитный резонанс, рентгеноструктурный анализ, масс спектроскопия. При атомном спектральном анализе о химических элементах и устройстве их энергетических уровней и подуровней судят по спектрам испускания и поглощения. Они содержат значительную информацию как качественного, так и количественного анализа, но лишь для знатоков химии. Подчеркивая это обстоятельство, порой говорят, что результаты экспериментов теоретически нагружены. Имеется в виду, что химический эксперимент проводится в соответствии с определенным знанием.

Метод ядерного магнитного резонанса основан на учете поведения ядер атомов, обладающих ненулевым спином, во внешнем магнитном поле. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, спин которых равен 1/2. Если совокупный спин ядра равен 0, то он никак не реагирует на внешнее магнитное поле. Принципиально другая ситуация имеет место в случае полуцелого спина. Допустим, что он равен 1/2. При включении внешнего магнитного поля происходит переориентация спина ядра. Он реализует два состояния — вдоль и против направления внешнего магнитного поля. Это означает, что появляются два энергетических подуровня атома. Переходы между ними реализуются в форме либо поглощения, либо излучения ядром атома электромагнитного излучения. Исследователи, варьируя частоту электромагнитного поля и его интенсивность, получают актуальные сведения об устройстве химических объектов. Учет ядерного маг-

235

нитного резонанса оказался столь существенным для экспериментальных наук, что его разработчики несколько раз удостоивались Нобелевской премии (табл. 5.14).

Таблица 5.14

Нобелевские премии за развитие метода ядерно-магнитного резонанса

Содержание табл. 5.14 свидетельствует о широких междисциплинарных связях, характерных для современной науки.

Основу рентгеноструктурного анализа составляет явление дифракции рентгеновских лучей на трехмерных структурах. Метод позволяет изучить атомную структуру вещества с ее соответствующими размерами и формами, расположением центров атомов и углов между химическими связями. В качестве примера успешного применения рентгеноструктурного анализа укажем на расположение атомов в кристалле алмаза (рис. 5.10). Как известно, в кристалле графита она другая.

Рис. 5.10. Кристаллическая ячейка алмаза

Масс-спектометрический анализ позволяет «взвесить» ионы. Исследуемое вещество, переводится, например, лазерным лучом, в ионное состояние. Сначала ионы фокусируются и ускоряются электрическим полем. Затем они направляются в область магнитного поля. Под его действием они движутся по окружностям, радиус которых, при прочих равных условиях, тем больше, чем больше масса иона.

236

Данные измерений позволяют вычислить массы ионов, а затем и нейтральных атомов, причем с большой точностью. Посредством непростых размышлений устанавливаются соотношения между переменными, т.е. законы, уточняются также принципы химии. Обработка результатов измерений является индукцией. Изображенный на рис. 5.10 геометрический образ кристаллической ячейки алмаза является результатом индукции. В эксперименте его нет. Он создается исследователем на основе результатов эксперимента. Результаты индукции во многом определяются научной компетентностью исследователя. Чем более он компетентен, тем концептуально содержательнее будут его выводы. Часто думают, что эксперимент «все расставляет по местам». В действительности это не так. Он, как правило, дает основание судить о правильности результатов дедукции. Но, с другой стороны, результаты эксперимента сами вызывают многие вопросы. Например, при анализе спектров часто не удается идентифицировать природу некоторых их пиков. И тогда вновь наступает час гипотез. Индуктивные выводы дают импульсы для стадии дедукции, в частности, ранее использованные приближенные методы, как правило, пересматриваются.

Таким образом, процесс познания никогда не заканчивается на какойлибо стадии его развития. Ученые не ведут погони за абсолютной истиной. У них вообще нет никаких оснований предполагать ее наличие. Деятельность ученых направлена на обеспечение прогресса научного знания. История развития науки свидетельствует о том, что он всегда возможен и жизненно необходим постольку, поскольку человечество стремится не к деградации, а к совершенствованию.

Современная химия встречается с многочисленными проблемными аспектами. Они изучаются в рамках философии химии. К сожалению, в рамках данной книги нет места для их обсуждения. Читатель, испытывающий интерес к философии химии, имеет возможность обратиться к специальной литературе.

Выводы

•Поступь химического знания состоит в том, что дедукция, аддукция (эксперимент), индукция и абдукция дополняют друг друга. Каждая предыдущая стадия познания является фундаментом для последующего этапа.

•Та или иная стадия познания состоялась, если она придает импульс развития последующей ступени развития знания. Чтобы дедукция достигла стадии эксперимента, в ней используются приближенные методы.

•В современном химическом эксперимента центральное место занимают инструментальные методы, в частности, метод ядерно-магнитного резонанса.

•Современная химия встречается с многочисленными проблемными аспектами, которые обсуждаются в рамках философии химии.

Контрольные вопросы и задания

1.Что такое орбиталь? Чем она отличается от орбиты?

2.Каково максимальное число электронов, которое может находиться на подуровне 3d?

237

3.Что такое химическая связь?

4.Каковы характерные особенности ковалентной связи?

5.Что такое потенциальная поверхность?

6.Какой участок потенциальной поверхности соответствует состоянию активированного комплекса?

7.Является ли уравнение химической реакции записью химического закона?

8.Каковы необходимые условия самопроизвольного течения химической реак-

ции?

9.Что такое реакционная способность вещества?

10.Какова главная парадигма теории органического синтеза?

11.Подготовьте сообщение об успехах органического синтеза.

12.Посредством рисунков сопоставьте структуры графита, алмаза, фуллеренов

итубеленов.

13.Напишите реферат об отечественном химике Н. Н. Семенове.

Тесты

1.Максимальное число электронов на энергетическом подуровне 3p равно: а) 2; б) 4; в) 6; г) 8.

2.Электроны распределяются по энергетическим уровням и подуровням так, чтобы их суммарная энергия была:

а) максимальной; б) минимальной; в) равна 0;

г) равна постоянной Планка.

3.Минимумы потенциальных поверхностей соответствуют:

а) устойчивым конфигурациям атомов; б) неустойчивым конфигурациям атомов; в) переходным состояниям; г) не существуют.

4. При H > 0, S < 0, G > 0 химическая реакция термодинамически а) возможна при низких температурах; б) возможна при высоких температурах; в) возможна; г) невозможна.

Литература

1.Аблесимов, Н. Е. Синопсис химии: Справочно-учебное пособие по общей химии. — Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2005 // http://www.neablesimov.narod.ru/ pub04c.html

2.Бучаченко, А. Л. Время в химии // Соровский образовательный журнал. — 2001. — Т. 7. — № 8. — С. 25—29.

3.Канке, В. А. История, философия и методология естественных наук. — М. : Юрайт, 2014. — С. 291—484.

238

Глава 6 БИОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ

Основная цель данной главы состоит в обеспечении понимания основных биологических концепций. В результате изучения данной главы студент будет:

знать

•историю развития основных разделов биологии;

•основные концепты биологических теорий;

•прошлое, настоящее и будущее биологических процессов, особенно тех из них, которые указывают на природу человека;

уметь

•объяснять в основных чертах динамику биологических процессов, происходящих на Земле;

•интерпретировать содержание менее развитой теории с позиций более развитой концепции;

•выявлять основания биологических концепций;

владеть

•навыками анализа концептуального содержания наук о жизни;

•умением выявлять проблемные аспекты различных биологических концепций;

•способностью учета междисциплинарных связей биологии с физикой, химией

инауками о Земле.

Ключевые термины: понятие жизни, биоразнообразие, генетика, ДНК и РНК, клеточная теория, геном человека, антропогенез, физиология и психология человека, биомедицинская этика.

6.1. Биология как отрасль науки

Наше изложение достигло такой стадии, когда пора перейти к достаточно детальному рассмотрению биологических концепций, являющихся венцом всего естествознания. Биологические явления в процессе эволюции Вселенной произошли на базе физических, химических и геологических явлений и, следовательно, позже их. Поэтому, соблюдая известную последовательность изложения, мы обращаемся к ним только сейчас. Биология (от греч. bios — жизнь и logos — учение) — это отрасль науки, которая, судя по принятой в России номенклатуре научных специальностей, состоит из трех десятков наук. Так, общая биология включает генетику, цитологию, физиологию, эволюционное учение, этологию. К специальной биологии относятся биология микроорганизмов, ботаника, зоология, антропология. Объектом исследования биологии является весь мир биологических явлений, а он чрезвычайно многообразен. Об этом многообразии дают представление ранги таксонов,

240