ФИЛОСОФСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ХИМИИ

ставлений в химии, служит иллюстрацией теорий ad hoc (применительно к данному случаю). Современная физическая химия широко использует понятие активности как эффективной концентрации (Льюис), в соответствии с которой ионы и молекулы действуют в химических процессах. Мы привыкли к этому понятию и забыли реакцию на него физико-химиков прошлого. Автор самого фундаментального в нашей стране учебника по физической химии А. В. Раковский писал о методе Льюиса как «чисто утилитарном, эмпирически вычислительном направлении американской школы, во многом стушевывающем теоретическую мысль и всю сложность термодинамических проблем… Американский путь есть эмпирико-вычислительный путь, практически полезный, но заслоняющий теоретическую сторону термодинамики, а следовательно, и неспособный не только предсказывать новые явления в сложных системах, но и объяснить те из них, которые случайно открыты опытом» [9]. Может быть, наиболее резко выразился по этому поводу Л. Д. Ландау: «Теория Льюиса носит филологический характер; она, по существу, не дает никаких выводов, а только вводит новые понятия» [9].

Химики различают чисто эмпирические и феноменологические теории. Однако этимология слова «феномен» (греч. ϕαινομενον – то, что ви-

дится) указывает на эмпирическую природу феноменологии. Принято под феноменологическими теориями в естествознании понимать полуэмпирические теории, которые не являются теориями ad hoc, но содержат величины, которые должны быть определены экспериментально. К феноменологическим теориям в химии относятся химическая термодинамика, термодинамика необратимых процессов, теория растворов, полуэмпирические методы квантовой химии, основанные на замене большей части интегралов параметрами, взятыми из эксперимента (потенциалов ионизации атомов в орбитальных валентных состояниях и др.), и использовании различных приближенных выражений, включающих эти параметры. Все полуэмпирические методы квантовой химии в отличие от неэмпирических учитывают только валентные электроны и атомные орбитали валентных электронов. Используемые для описания явлений переноса феноменологические теории теплопроводности, гидродинамики и диффузии уже не являются теориями ad hoc и могут быть распространены на другие многочисленные явления. Все указанные феноменологические теории требуют экспериментального определения некоторых величин: коэффициентов теплопроводности, температуропроводности, вязкости, коэффициентов диффузии. Превращению феноменологических теорий в универсальные теории могло бы способствовать развитие неэмпирических микроскопических методов расчета кинетических коэффициентов. К сожалению, в настоящее время существуют методы, позволяющие дать только приближенную оценку этих величин, однако и это исключительно важно для интерпретации явлений.

11

Разницу между эмпирическим и феноменологическим подходом можно проиллюстрировать простым примером описания диффузии через мем-

брану. При эмпирическом подходе поток вещества через мембрану J i определяется разностью концентраций вещества в растворе по обе стороны мембраны С1 и С2 , толщиной мембраны d :

где Pi – коэффициент диффузионной проницаемости через мембрану, опре-

деляемый экспериментально. Коэффициент диффузионной проницаемости не может быть рассчитан и не может быть интерпретирован на основе общих законов. В отличие от чисто эмпирического подхода феноменологическое уравнение диффузии Фика позволяет описать явление таким образом, что коэффициент диффузии Di позволяет интерпретировать явление и

принципиально допускает неэмпирический расчет:

однако для использования уравнения (1.2) необходимо знать концентрации веществ не в растворе, а в мембране, и это вызывает значительные экспериментальные и теоретические затруднения.

В. Гейзенберг обратил внимание на то, что феноменологический подход в теории не делает попытку свести описываемые связи к лежащим в их основе общим законам природы, через которые они могли бы быть понятыми [10]. По его мнению, феноменологические теории развиваются всегда там, где наблюдаемые явления еще не могут быть сведены к общим законам природы. Причина этой невозможности может состоять в чрезмерной сложности соответствующих явлений, либо в отсутствие общих законов. Пример первого случая в химии В. Гейзенберг находит в правиле валентности или отношении между радиусами атомов и ионов, энергиями связи и возбуждения. К примерам второго случая он относит термодинамику.

Несомненным достижением эмпирического познания в естествознании в целом и в химии в частности является использование метода обобщенных переменных. О. Рейнольдс в 1883 г. провел эксперименты по регистрации перехода ламинарного режима в турбулентный в цилиндрической трубе при течении жидкости через трубу и установил, что переход реализуется при определенном значении безразмерного комплекса величин

который был назван числом Рейнольдса и включает в себя скорость течения жидкости в трубе V, диаметр трубы d и вязкость протекающей жидкости ν [11]. Смысл метода обобщенных переменных Рейнольдса заключался в том, что как бы ни менялись величины скорости, характеристический размер и

12

вязкость, переход ламинарного в турбулентное течение реализуется при их постоянном отношении (1.3), которое для цилиндрической трубы было равно 2300. Это не только позволило уменьшить число переменных, но и создать новые представления о том, что не отдельные величины, а их безразмерные комплексы выражают сущность процесса. Позже к числу Рейнольдса было добавлено множество комплексных чисел и переменных, названных в честь или в память исследователей, которые внесли свой вклад в формирование теории обобщенных переменных или теории подобия. Не только после создания этой теории, но и ранее при решении дифференциальных уравнений с частными производными, уже применялась процедура приведения переменных к безразмерному виду. Были предложены числа Фурье ( Fo ), Био ( Bi ), Пекле ( Pe ), Грасхофа (Gr ), Стентона ( St ), Прандля ( Pr ), Нуссельта ( Nu ), Шмидта ( Sc ), Шервуда ( Sh ), выражающие важнейшие обобщенные характеристики теплопереноса, массопереноса, гидродинамики и аэродинамики, необходимые для химической технологии и науки. Выделение из них критериев подобия открыло путь к корректному моделированию физико-химических процессов. Оказалось, в частности, что для моделирования ряда химических процессов необходимым и достаточным является равенство чисел Рейнольдса в модельном и натурном объектах

Отсюда следует, что для моделирования процесса в малом аппарате необходимо увеличивать, а не уменьшать скорость подачи газов или растворов в реактор. Особая значимость метода подобия состоит в том, что функциональные зависимости, записанные в обобщенных переменных, позволяют по малому количеству экспериментальных данных прогнозировать результаты подобных им экспериментов. В ряде случаев десятки и даже сотни полученных графиков можно представить одной прямой в двойных логарифмических координатах, а следовательно, можно, проведя небольшое количество экспериментов, предвидеть результаты множества других.

Особенно значение в химии и химической технологии имеет определение соотношения между конвективным и диффузионным переносом массы, которое дает число Пекле:

где D – коэффициент самодиффузии, так при конвекции все частицы движутся в одном заданном направлении, а самодиффузия имеет чисто стохастическую природу. В реальных диффузионных процессах к броуновскому движению частиц приложен градиент химического потенциала, который придает направленность стохастическому диффузионному процессу.

Обычно химики, читая о результатах единичных экспериментальных исследований и доверяя им, используют их, хотя они получены в других

13

странах, в других лабораториях. Это знал уже позитивист Дж. Милль [12]: «Когда химик, научной точности которого мы доверяем, заявляет о существовании и свойствах какого-либо вновь открытого вещества, то мы испытываем уверенность в том, что заключение, к которому он пришел, будет иметь силу везде, хотя индуктивная умозрительность этого ученого основана на единичном опыте».

Однако чистый эмпирический подход и феноменологическое описание явлений не избавляет исследователя от ошибок. Примеры можно найти как в истории химии, так и в современной науке. При наблюдении за горением дров и взвешивании их и золы был сделан вывод, что масса веществ после реакции уменьшается. Летучую часть всех горючих тел Г. Шталь назвал флогистоном (греч. ϕλογιστον – воспламеняющийся). Своей задачей

химики XVIII века считали выделение флогистона. Трудности возникли тогда, когда начали сжигать металлы и получили приращение массы веществ после реакции. Единственный вывод из этих экспериментов об отрицательной массе флогистона привел химиков в тупик. Тем не менее начатые теорией флогистона эксперименты привели Лавуазье к созданию новых представлений о горении и общему выводу в виде закона сохранения массы веществ при реакции. М. Джуа, анализируя ситуацию, сделал вывод о том, что экспериментальные данные приобретаются навсегда и служат основанием для новых теорий [13]. Он делает вывод, что исследования от Шталя до Лавуазье служат примером приложения экспериментального метода, первая фаза которого в формирующихся науках, еще не достигших полного развития, состоит всегда в наблюдении эмпирических фактов.

В современной физической химии значительное место занимает феноменологическая теория растворов, созданная П. Дебаем и Э. Хюккелем. Эта теория основана на использовании дифференциального уравнения Пуассона,

вкотором для описания связи локальных концентраций с объемными концентрациями было использовано линейное приближение экспоненциальной зависимости, полученное при разложении распределения Больцмана в ряд Маклорена. Результатом было описание концентрационных зависимостей коэффициентов активности и молярной электропроводности только для сильно разбавленных растворов, в то время как возможность соответствия эксперименту достигалась введением в уравнения эмпирических постоянных, которым даже предполагалось придать обоснование. Парадокс состоит

втом, что теория оставила в стороне главный вопрос о природе взаимодействия гидратированных ионов, ограничившись рассмотрением электростатических сил, действующих между ними. Анализ величины энергии активации показал, что основной вклад во взаимодействие ионов дает энергия водородных связей, образующихся между атомами кислорода и водорода гидратных молекул воды [14].

14

Одной из важнейших проблем химии является катализ, однако его теории носят эмпирический характер и не позволяют a priori выбрать катализатор для реакции. Единственный российский лауреат Нобелевской премии по химии Н. Н. Семенов так описывает эту ситуацию: «Основным орудием химической промышленности являются катализаторы, твердые вещества, помещаемые в зону реакции, не принимающие в ней видимого участия, но колоссально увеличивающие скорость реакции, понижающие температуру процесса и позволяющие часто получить тот или иной конечный продукт по нашему желанию. Половину химических производств (например, синтез аммиака) вообще не было бы возможно наладить без катализаторов, другая половина без них работает в гораздо менее выгодных условиях. Прошло сто лет со времени открытия каталитического действия; и вот сейчас ученые так же мало понимают, почему вообще идет катализ, как это было сто лет назад. Не понимая самой сути явления, мы, естественно, не можем дать никаких указаний о рациональном выборе катализатора, и технически не остается ничего другого, как находить нужный катализатор, пробуя тысячи веществ в том порядке, как они стоят на полках химической лаборатории. Научных работ по катализу выходят тысячи, но в результате всех их не создается никакой теории. Лучшие из них выходят из промышленных лабораторий, что естественно, так как, если уже наука плетется здесь в хвосте производства, так чем ближе к хвосту, тем все-таки лучше. Между тем нет сомнения, что, идя по такому эмпирическому пути, промышленность не дошла до того предела использования каталитического метода, который поставлен нам самой природой. Наоборот, природа учит нас тому, что в ее распоряжении (например, в бактерии) имеются такие катализаторы, которые могли бы, если бы мы ими овладели, буквально перевернуть всю технику» [107]. Вероятным путем решения проблемы может стать применение неэмпирических методов квантовой химии. Например, Г. Эртль методом электронной микроскопии установил, что лимитирующей стадией при синтезе аммиака является разрыв ковалентной связи, соединяющей атомы азота в молекулу, атомами железа. Такой же результат был получен методом неэмпирического квантово-химического расчета.

Существуют даже лженауки, построенные на добротном экспериментальном материале. Примером служит астрология, которая оперирует точными измерениями расположения небесных тел, однако попытка применить к фактам правило post hoc ergo proper hoc (после этого по причине этого) без выявления сущности явлений приводит к абсурдным выводам относительно будущего. Возможность прогнозирования будущего так манит многих людей, что, несмотря на уничтожающую критику, гороскопы публикуют многие журналы и газеты.

Недостатки эмпирического метода познания описаны с юмором даже в строгой философской литературе: «Один шотландец едет в Англию, видит

15

белую овцу и говорит, что, оказывается, в Англии все овцы белые. Англичанин в ответ заметил, что вы имеете право только сказать, что в Англии есть, по крайней мере, одна овца, у которой половина белая» [15]. Математик и философ Б. Рассел писал: «Один индюк заметил, что как только он поселился на уютной ферме, корм стали давать ровно в девять часов утра. Как хороший индуктивист он не поленился просчитать множество разных обстоятельств: в среду и пятницу, в жару и холод час кормежки оставался постоянным. Однако вывод: “Меня кормят в девять часов утра” – опровергли в день сочельника, когда важную птицу, ожидавшую гарантированный завтрак, отнесли поварам в разделочную» [16].

Причиной недостатков эмпирического подхода является неполнота индукции. К. Поппер иллюстрирует это тривиальным примером: «Сколько бы примеров белых лебедей мы ни наблюдали, все это не оправдывает заключения “все лебеди белые”. Таким же образом, сколько бы спектров мы ни наблюдали, нельзя сказать, что все спектры одного и того же рода. Однако ясно, что описание любого опыта – наблюдения или результата эксперимента – может быть выражено только сингулярным высказыванием и ни в коем случае не является универсальным высказыванием» [3]. К. Поппер пришел к выводу о том, что продуктивной индукции вообще не существует. В связи с этим возникает вопрос: есть ли универсальные высказывания и общие законы? На этот вопрос мы ответим анализом метафизического познания.

1.2. Метафизический метод познания химических явлений

Когда наука и здравый человеческий рассудок стали действовать заодно, чтобы погубить метафизику, то представилась возможность встретить странное зрелище, увидеть образованный народ без метафизики, – как некогда разнообразно украшенный храм без святая святых.

Г. Гегель

В современной отечественной [1, 2] и зарубежной [17] философской литературе получило распространение дихотомическое деление методов познания на эмпирические и теоретические методы. Наличие эмпирических и феноменологических теорий опровергает корректность такого деления. Дихотомическое деление заключается в том, что объем понятия делится на два взаимоисключающих класса, причем таким образом, что каждому предмету одного из классов присущ определенный признак, которого нет у предметов другого класса. Очевидно, что объемы понятий эмпирического и теоретического познания перекрываются, нарушая логические правила деления понятий, так как существуют эмпирические теории.

16

Дихотомическое деление познания возможно при использовании в качестве антитезиса эмпирическому познанию метафизическое познание, которое считает первичным сознание. Термин был введен учеником Аристотеля Андроником Родосским при издании комплекса работ учителя, помещенных после книги о физике (греч. ϕυσικα – природа) и поэтому на-

званный метафизикой (греч. μετατα ϕυσικα – после физики). Метафизика

была первым изложением философии как самостоятельной области знаний. «Есть некоторая наука, исследующая сущее как таковое, а также то, что ему присуще само по себе. Эта наука не тождественна ни одной из так называемых частных наук» [18]. У основ философии стоял Платон, который считал, что мудрецу, ученому философу следует быть государственным мужем, даже абсолютным правителем. К. Поппер по этому поводу сказал: «С Платона мания величия становится самой распространенной профессиональной болезнью философов» [19].

Демаркация знания на эмпирическое и метафизическое была проведена И. Кантом в его работах «Пролегомены ко всякой будущей метафизике, могущей возникнуть в смысле науки» [20] в краткой форме и наиболее полно в «Критике чистого разума» [21]. Он писал: «Что касается метафизического познания, то уже в его понятии полагается, что они не могут быть эмпирическими. Метафизика есть таким образом познание a priori (лат. a priori – до опыта), или из чистого рассудка и чистого разума» [20]. Для обозначения метафизического подхода к познанию И. Кант использует также термин трансцендентальный (лат. transcedens – перешагивающий, выходящий за пределы). В «Критике чистого разума» И. Кант писал: «Уже с древнейших времен философы, исследователи чистого разума признавали кроме чувственных вещей или явлений (Phenomena) еще и особые умственные сущности (Noumena), составляющие интеллектуальный мир. Наша критическая дедукция также нисколько не исключает таких вещей (Noumena), а, напротив, ограничивает законы чувственного мира, признавая, что они не простираются на все вещи» [21].

До наших дней дошло утверждение И. Ньютона: «Физика, бойся метафизики». Тем не менее сегодня его считают не только физиком, но и метафизиком [22]. Многие произведения Г. Лейбница, И. Канта и других известных естествоиспытателей и философов называют метафизическими, хотя в этот термин как Ньютон, так и другие ученые вкладывали разный смысл. Так, Д’Аламбер, критикуя философские системы от Аристотеля до Лейбница, заявлял: «На место всей туманной метафизики мы должны поставить метафизику, применение которой имеет место в естественных науках. Ибо, строго говоря, нет науки, которая бы не имела своей метафизики» [22].

Отношения эмпирического и метафизического познания могут быть расширены до отношения между материализмом (лат. materialis – вещественный) и идеализмом (франц. idealisme, греч. ιδεα – идея). Материализм исходит из первичности материи, а идеализм рассматривает сознание в ка-

17

честве первичного в познании. Важно обратить внимание на то, как К. Маркс понимал иначе роль идеализма в отличие от своих многих последователей. В «Тезисах о Фейербахе» он писал: «Главный недостаток всего предшествовавшего материализма – включая и фейербаховский – заключается в том, что предмет, действительность, чувственность берется только в форме объекта, или в форме созерцания, а не как человеческая, чувственная деятельность, практика, не субъективно. Поэтому и случилось так, что деятельная сторона, в противоположность материализму развивалась идеализмом» [23]. Развивая эту мысль, можно говорить о демаркации, но не о непримиримой конфронтации материализма и идеализма, как полагали ортодоксальные последователи Маркса.

Попытки некорректного применения философии были характерны для тоталитарного периода нашей истории. Например, модельные представления, являющиеся научной абстракцией, а не реальным объектом, служили поводом для обвинений в идеализме. «А меня еще обвинили в идеализме за то, что я выдумал точечный электрон, и боялись утверждать в профессорском звании», – писал известный физик-теоретик Я. И. Френкель [24]. Академик П. Л. Капица отмечал: «Наибольшей критике со стороны философов подвергался вывод теории относительности о том, что масса материи может переходить в энергию согласно количественному закону, данному Эйнштейном. Философы считали, что материя не может исчезнуть, и поэтому этот вывод является ложным и идеалистическим. Хороши были бы мы, физики, если бы последовали за выводами философов и перестали бы работать над применением теории относительности в ядерной физике. В какое положение мы поставили бы страну, если бы не были подготовлены развивать известное практическое применение ядерной физики».

В химии не столько философы, сколько ученые-химики, придерживавшиеся ортодоксальных философских взглядов, подвергли критике новые квантово-химические методы, в частности теорию резонанса. Например, с точки зрения теории резонанса молекула бензола не может быть адекватно описана ни одной из моделей локализованных связей, однако реальная молекула имеет частично характер каждой из них. Полную волновую функцию молекулы бензола можно записать как линейную комбинацию двух структур Кекуле с чередующимися двойными и одинарными связями (K1, K 2 ) и трех структур Дьюара (D1, D2 , D3 ) :

Наилучшее приближение к реальной молекуле бензола достигается при u = v = 0,39 и x =w = y =0,07 . Эти пять моделей называют резонансны-

ми структурами бензола, а его дополнительная устойчивость 176 кДж/моль называется резонансной энергией стабилизации. Профессор кафедры физической химии МГУ М. И. Шахпаронов прочитал курс лекций для слушателей Института повышения квалификации преподавателей общественных наук

18

[25]. В книге автор утверждал, что «теория резонанса представляет собой один из вариантов идеалистического направления в теории строения молекул». Результатом было увольнение ученых, занимавшихся квантовой химией, задержка выхода серии книг, в которых цензоры искали связь с теорией мезомерии и резонанса. Практика показала ошибочность этой точки зрения, и теория резонанса вернулась на страницы монографий и учебников.

Самый читаемый философ прошлого века К. Поппер утверждал: «В одной из теорий, которые я критиковал в своей рукописи (и позднее более кратко в «Логике научного открытия»), было утверждение о том, что метафизика бессмысленна и состоит из бессмысленных псевдопредположений. Эта теория была предназначена для того, чтобы “ниспровергнуть” метафизику, разрушить ее более радикально и основательно, чем любая прежняя антиметафизическая философия. Однако, как я указывал в своей критике, эта теория опиралась на наивное и “натуралистическое” истолкование проблемы осмысленности. Кроме того, ослепленные своим пылким желанием изгнать метафизику, ее проповедники не заметили, что одновременно они выбрасывают на свалку и все научные теории как “бессмысленные” метафизические теории» [26].

Сейчас отношение к метафизике двойственное. С одной стороны, можно прочитать: «В настоящее время прослыть приверженцем метафизики – значит, рисковать репутацией, а приверженцем материализма… – значит ее погубить» [22]. По метафизике публикуют монографии [22, 27], а на кафедре теоретической физики Московского университета профессор Ю. С. Владимиров руководит семинаром по метафизическим проблемам познания.

Для решения фундаментальных вопросов химии метафизика имела ключевое значение. После открытия изомерии, когда были найдены соединения с одинаковым составом, но разными свойствами, чисто умозрительно, поскольку в те времена не было соответствующих экспериментальных методов, было сделано предположение о том, что эти соединения отличаются пространственным расположением атомов в молекуле. Кекуле и Бутлеров создали плоские модели пространственного строения, Вант-Гофф развил в 1874 г. представления о пространственном строении молекул, хотя до экспериментальной верификации их было очень далеко. Это не могло остаться незамеченным химиками-эмпириками. Известный химикэкспериментатор Кольбе так написал о труде Вант-Гоффа «Химия в пространстве» (1875): «Пустили побеги сорняки мнимо ученой, но, по существу, тривиальной натурфилософии. Спекулятивная химия, химия на бумаге. Некто Вант-Гофф, работающий в Утрехтской ветеринарной академии, повидимому, ничего не смыслит в точном химическом исследовании. Он счел для себя удобнее оседлать Пегаса (заняв его напрокат, конечно, из конюшни той же ветеринарной академии) и поведал в своей книге “Химия в про-

19

странстве” о том, каким во время его смелого полета на химический Парнас показалось ему расположение атомов в мировом пространстве» [15]. Теория пространственного строения веществ получила признание еще до экспериментальной верификации, особенно впечатляющей была гипотеза асимметрического атома углерода, объяснившая оптическую изомерию. Ее автор Вант-Гофф стал первым лауреатом Нобелевской премии по химии.

В конце прошлого века получили развитие неэмпирические методы квантовой химии, которые позволяют a priori рассчитать структуру молекул вещества и определить пути их простейших реакций. По мере развития вычислительной техники эти методы будут прогрессировать и станут мощным орудием метафизического познания природы.

Убедительным примером достижений метафизического познания является атомная гипотеза, предложенная Левкиппом и развитая Демокритом. Не только оба греческих философа не видели атомов, но и сейчас, несмотря на достижения туннельной сканирующей и атомной силовой микроскопии, не удается получить прямые изображения атомов. В частности, атомная силовая микроскопия (AFM – Atomic Force Microscopy) дает изображение распределения электронной плотности в пространстве при протекании туннельного тока. Верификация гипотезы близка к завершению, но познание начиналось задолго до любой возможности ее экспериментальной верификации.

Гипотеза может перерасти в теорию после ее согласования с экспериментальными фактами. Отсутствие возможности непосредственного наблюдения атомов усложнило путь превращения гипотезы в теорию. На первом этапе были исследованы относительные атомные массы, затем Рихтер исследовал количественно массы веществ, вступающих в реакции. Дальтон обратил внимание на различные соединения двух элементов. После деления масс элементов на относительные атомные массы Дальтон открыл закон кратных отношений. Сам Дальтон считал, что кратные отношения кажутся мистическими без атомной гипотезы [28]. Берцелиус так оценил это открытие: «Если отбросить атомистическую идею Дальтона, которая делает его имя бессмертным, то остальное представляет собой лишь собрание довольно плохих и грубо поставленных экспериментов, а также математических выводов, противоречащих друг другу, но которые поначалу, в силу своего математического вида, убеждают» [28]. Открытие закона постоянства состава Прустом укрепило теорию химической атомистики, хотя сегодня мы говорим об ограничениях применимости этого закона. Насколько важна сегодня атомная теория, говорил в своих лекциях лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман: «Если случится мировая катастрофа и будущее поколение может оставить только одну фразу, то какое высказывание является наиболее информативным? Я полагаю, что это должна быть атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет)» [29].

20