П. М. Зоркий

ПЕТР МАРКОВИЧ ЗОРКИЙ – доктор химических наук, профессор Химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, Соросовский профессор. Научные интересы: кристаллохимия, межмолекулярные взаимодействия, история и методология химии, философия.

Содержание

Введение
Определение химии
Структурные представления в химии
Химическое и физическое взаимодейцствие атомов.Специфические молекулярные контакты.
Электронный континуум
Системы базисных индивидов в химии
Заключение и литература

Введение

Всякому нетривиальному научному исследованию предшествует наблюдение. Крупнейший математик и философ XX века Альфред Уайтхед, анализируя механизм творческого им пульса, называл эту стадию "собиранием" [1]. Поскольку наблюдение (или собирание) носит, естественно, выборочный характер, оно неизбежно включает в себя интуитивную оценку значимости.

Если речь идет о естествознании, то следующим шагом будет создание модели. Уайтхед, который стремился к более общему анализу мыслительного процесса, говорил о "выражении". Модель – это лишь частный способ выражения, но самый важный для естествознания; поначалу весьма несовершенная, она позволяет поставить эксперимент и/или создает предпосылки для более прецизионного наблюдения. Результатом будет усовершенствование модели, новый эксперимент и/или новое наблюдение и т. д. Здесь работает герменевтический принцип, который в данном случае сводится к последовательным приближениям. Оптимизированная модель (она может выглядеть как описание механизма процесса, как обобщение фактов, как формулировка закона или закономерности) делает возможным прогноз и предопределяет практическое применение научных достижений.

Рис.1 Схема индуктивного научного познания

Представленная на рис. 1 универсальная схема индуктивного научного познания лежит в основе любой науки, включая математику. Но всякая солидная естественнонаучная дисципли на стремится предстать и в виде дедуктивной системы (рис. 2), в которой ограниченное количество аксиом или постулатов или законов счи тается исходным, а все прочие утверждения, содержащиеся в данной науке, должны быть получены из них в качестве строго доказанных следствий.

В действительности, не считая математики, которая находится в особом положении, только физику удается представить как дедуктивную систему, и то с оговорками и за исключением многих разделов. Здесь, однако, имеется важное обстоятельство: исходные аксиомы физики иг рают в естествознании главенствуюшую роль, поскольку именно они считаются фундаментальными законами природы; при этом подра зумевается, что эти законы не вытекают из бо лее общих утверждений и не имеют отклонений или исключений (в определенной для них сфере действия). Примерами фундаментальных законов являются законы Ньютона (в рамках клас сической механики), первое и второе начала термодинамики, законы статистической физики (кинетическое уравнение Больцмана и канони ческое распределение Гиббса), уравнение Шредингера и соотношение неопределенности Гейзенберга.

Конечно, совокупность фундаментальных физических законов – это всего лишь модель нашего мира, и эта модель может быть лучше или хуже. Абсолютно адекватное отображение мира, по-видимому, неосушествимо, но можно мечтать об "очень хорошей модели". Если бы такая модель сушествовала, то в принципе с ее помощью могла бы решить все свои проблемы не только современная физика, но и современ ная химия. Настойчивое повторение слова "современная" вызвано тем, что при наличии "очень хорошей модели" химия становится разделом физики. Но в настояшее время такая модель отсутствует, и именно поэтому химия – самостоятельная область науки.

Самостоятельность химии (в значительной мере это относится и к биологии) зиждется на том, что в ней используются автономные модели, хотя и согласуюшиеся в той или иной степени с фундаментальными физическими законами, но строгим образом из них отнюдь не вытекающие. Более того, очень часто приближенный характер модели очевиден и даже запланирован, она заведомо выражает не точный закон, а лишь тенденцию (рис. 2). Сложность ситуации усугубляется тем, что в современной химии сосушествуют весьма различные, между собой слабо согласованные, а иногда даже прямо противоречащие друт друту модели и представления. Например, в соответствии с квантовой механикой мы говорим о том, что атом не имеет границ, и в то же время с успехом пользуемся эффективными атомными радиусами.

При нынешнем положении дел невозможно исключить из химии противоречия такого рода. Допустим, модель А₁ хорошо работает в области В₁, а модель А₂ – в области В₂, тогда специалисты, подвизаюшиеся в этих областях не захотят отказаться от удобных для них представлений только на том основании, что модели А₁ и А₂ не удается согласовать друг с другом, если, разумеется, не существует простой возможности перейти к более общей модели А, которая будет удовлетворительно описывать и область В₁, и область В₂.

Однако с разработкой общих моделей, в особенности детерминированных (т.е. соотнесенных с фундаментальными законами), дела в химии обстоят неважно. В идеале хотелось бы уметь интерпретировать и прогнозировать хи мические факты, исходя из фундаментальных законов природы. Но таким способом в лучшем случае удается получить обобщенное описание физических фактов, т.е. физических явлений. Когда же дело доходит до описания тонких особенностей поведения химических веществ, до описания многообразия их  физических свойств и химических реакций, что собственно и составляет предмет химии, особых успехов не наблюдается: даже небольшое продвижение здесь дается с великим трудом и явно не оправдывает средств.

Гораздо более продуктивным в химии оказывается движение в обратном направлении индуктивное построение системы знаний: на основе химической фактологии выявляются более или менее общие закономерности (наиболее обшие или наиболее важные из них именуются иравилами или законами), затем создаются модели, позволяющие интерпретировать наблюдаемые результаты и прогнозировать новые факты; их ценность определяется прагматическими критериями. Обобщенные модели, полученные таким путем и, следовательно, имеющие эмпирический характер, составляют основу современной теоретической химии. Отметим еще раз, что эти модели, как правило, не удается вывести из фундаментальных физических теорий; в лучшем случае эмпирические модели не противоречат фундаментальным законам (хотя и это иногда не выполняется).

В такой ситуации дефиниции основополагающих понятий химии - к их числу относятся понятия атома (не изолированного, которым занимается физика, мы имеем в виду атом, взаимодействующий с друтими атомами) и молекулы, химического вещества и химического соединения {во избежание недоразумений сразу обратим внимание читателя, что терминам "химическое вещество" и "химическое соединение" мы придаем существенно различное содержание (подробнее об этом сказано ниже)}, химической реакции и фазового превращения, структуры и химического строения - не могут быть полными, точными, строгими. Затруднительным оказывается дать определение и самой химии, поскольку в этом определении неизбежно должны присутствовать понятия вещества и реакции. Главная же проблема возникает при попытке дать определение химической связи – важнейшего понятия химии, которое лежит в основе всех остальных ее базовых понятий. Чтобы сколько-нибудь полно определить химическую связь,обязательно нужно опереться на ту или иную систему модельных представлений. А таких систем имеется целый ряд, причем у каждой есть свои приверженцы. Вот и получается, что построить определение химической связи, которое устраивало бы всех (в том числе физиков) или хотя бы широкий круг химиков и при этом было полным и точным, в настоящее время невозможно.

Впрочем, если очень постараться, путем соответствующих ограничительных оговорок, включаемых в дефиницию или сопровождающих ее, можно сформулировать довольно точные определения, но в этом случае они становятся узкими или частными и явно не передают все богатство содержания, которое несут в себе важнейшие химические понятия. Ценность таких определений, если они рассматриваются как окончательные, невелика как в эвристическом плане (т.е. для познания нового, для развития науки), так и в аспекте педагогики. Более того, такого рода дефиниция, особенно при догматическом подходе к делу, может и повредить, поскольку создает превратное представление о сущности того или иного термина, используемого в химической практике. Иное дело, если неполное определение используется в качестве стартового пункта (с соответствующими оговорками) и затем дополняется, уточняется, развивается .

Итак, фундаментальные законы – это прерогатива физики. О чем фундаментальном можно говорить в рамках химии? Почему мы уверены, что и в химии есть обширное поле деятельности, относящееся к фундаментальному естествознанию? ( в последние годы при распределении средств, выделяемых на науку и образование, в государственных учереждениях, в прессе при обсуждении планов и итогов научной деятельности часто говорят о фундаментальных исследованиях. Смысл этих слов обычно не поясняется. Есть опасение, что иногда фундаментальными называют попросту наиболее важные в каком-либо отношении исследования. И напрасно, потому что полезное понятие фундаментальной науки чаще всего имеет иной смысл: это наука, изучающая первоосновы мироздания ради познания как такового, безотносительно к тем или иным практическим (производственным) целям. )

Несомненно, круг фактов, закономерностей, проблем, обсуждаемых в современной химии, составляет неотьемлемую часть общей картины мира. Эти факты и закономерности не сводятся к каким-либо физическим фактам и законам и не могут быть выведены как следствия последних. В то же время изложение и обсуждение химических фактов и закономерностей неосуществимо без использования основных химических понятий. Последнее дает основание называть перечисленные выше важнейшие понятия химии фундаментальными. Во избежание путаницы мы не рекомендуем использовать этот эпитет применительно к химическим закономерностям, поскольку, как уже было сказано, будучи эмпирическими, они всегда являются приближенными. С этой точки зрения не относится к числу фундаментальных законов природы и периодический закон Д. И. Менделеева, несмотря на его неоспоримую важность.

Продолжение