Единство структуры и процессов в химии. Проблема эволюции вещества в природе

Анализ эволюции развития химической формы движения материи предполагает предварительное рассмотрение ее функционирования и строения, т. е. исследование системно-структурных отношений. В современной химии теория строения вещества опирается на квантовую механику, химический аспект которой называется квантовой химией. Последняя обладает развитым логическим аппаратом, в принципе способным охватить и качественно, а отчасти и количественно описать свойства всех химических систем. Электронное строение как способ описания химических соединений средствами квантовой механики, не отрицая данных классической теории, существенно дополняет их. Кроме возможности описать разнообразие химических связей электронное строение позволяет понять и предвидеть свойства и структуру большого числа систем, которые вообще нельзя описать при помощи классической теории. Это относится к системе с делокализа-цией электронов в пространстве как одной моле(¦/лы, так и целого кристалла.

Квантовая химия является теоретическим ядром современной химии. Однако серьезные математические трудности, связанные с расчетом сложных соединений, не

позволяют распространить ее на весь материал химии. Построение количественной теории химических связей кажется пока делом отдаленного будущего. Тем не менее качественное описание химических систем, которое дает квантовая механика, оказывается вполне адекватным. В основе его лежит диалектическая идея динамизма, подвижности, свойственной химическим системам. К пониманию динамизма интуитивно химики подходили еще в XIX в., когда стремились связать данное вещество с исходными веществами и продуктами его распада, т. е. изучить вещество не изолированно, а в системе реагирующих тел, диалектически, во взаимосвязи и развитии. Методику такого подхода прежде всего давала термодинамика и кинетическая теория материи.

Взаимосвязь химии с физическими концепциями не ограничивается квантовой теорией и электродинамикой, но осуществляется и через статистическую теорию строения материи. Особенно важна связь химии со статистической теорией равновесных систем. Эта теория тесно смыкается с химическим аспектом учения о макроскопическом равновесии — химической термодинамикой. Термодинамика дает метод описания химических соединений в системе реагирующих веществ, где каждое тело тесно связано с исходными веществами и продуктами своего распада. Такой подход позволяет ввести понятие о фазе как форме существования химического соединения.

Понятие о химическом соединении, находящемся в фазе, выступает как некоторая форма реальной фазы. Термодинамика требует также, чтобы внутри фазы существовало равновесие, которое должно иметь место со всеми веществами и вне фазы. Только в этом случае к описанию фазы можно применить аппарат термодинамики и записать ее уравнение. Исследование систем сводится, таким образом, к исследованию превращений между ними. Это важный вывод, поскольку он позволяет провести аналогию между классическими физическими процессами (например, плавление, испарение) и превращениями, сопровождающимися химическими реакциями. Так, переход жидкости в пар описывается термодинамическим уравнением такого же вида, как и химические процессы, например разложение известняка с образованием углекислого газа или восстановление окислов железа углеродом. Все это имеет большое значение, посколь-

ку вскрывает новые стороны в познании природы превращения веществ.

Действительно, химические превращения, если смотреть на них с позиции взаимодействия атомов, универсальны. Невозможно представить себе никаких изменений в веществе без разрыва или образования каких-то химических связей. Любое испарение, хотя и считается физическим процессом, тем не менее включает в себя разрыв связей в жидкости при переходе в пар. Если при испарении воды это — слабые связи между молекулами, то при испарении солей — прочные связи в кристаллах. Даже простое нагревание вещества (той же воды) в определенный момент сопровождается перестройкой ее внутренней структуры, которая приводит к разрыву связей.

Термодинамический анализ дает четкие границы понятию о химическом превращении. Он фиксирует как химические лишь те из них, которые сопровождаются образованием новых фаз, отличающихся составом и описывающихся новым уравнением. Поэтому переход воды из жидкости в пар термодинамика не позволяет рассматривать как химическую реакцию, хотя детальный анализ молекулярного механизма перехода воды в пар объясняет процессы образования сложных молекулярных агрегатов и их распад.

Подход к химическим превращениям с точки зрения термодинамики позволил рассматривать химический процесс не как изолированное превращение отдельных молекул. а как изменения в системе в целом. При этом не закрывается путь и к более детальному анализу данной системы и установлению в ней химических превращений. Этот анализ будет отвечать более глубокому познанию структуры системы. Иными словами, выделение индивидуального соединения в виде отдельной новой фазы выступает как первичный подход. Применяя более тонкие методы (исследование оптических свойств, плотностей, рентгеновский анализ), можно перейти на более глубокие уровни познания структуры и обнаружить изменения, сопровождающиеся образованием новых и разрушением прежних молекулярных образований или изменением порядков связей симметрии атомов.

Так обнаруживается глубокая диалектичность процесса познания химических превращений: многоуровневый подход, бесконечность процесса проникновения в приро-

ду реагирующих систем. Здесь наглядно видна истинность положения В. И. Ленина об углублении мысли человека от явления к сущности, от сущности первого порядка к сущности второго порядка и т. д. 8

Подход к химическим соединениям как системам важен и потому, что позволяет выявить единство структуры и процесса. Образование нового вещества в общем представляет собой определенные изменения структуры системы. На этом основан метод физико-химического анализа, в котором соединение, образующееся в системе, обнаруживается в результате исследования процессов и изменения свойств при вариации состава.

Представление о единстве процесса и структуры получает дальнейшее развитие при исследовании неравновесных систем. Здесь наряду с температурой, давлением и другими внешними условиями выступает время. Эта область химии названа химической кинетикой. Она также тесно связана со статистической теорией строения материи. В основе химической кинетики лежит представление о механизме процесса, который описывается с помощью переходных состояний вещества, возникающих в момент превращения. В частности, в молекулярных системах это будут так называемые переходные комплексы — неустойчивые образования, появляющиеся в момент встречи молекул и существующие очень короткое время. Природа этих специфических форм интенсивно изучается. По существу переходные комплексы можно назвать особым состоянием материи. Современная теория опирается на методы квантовой химии и позволяет рассчитывать структуры многих переходных комплексов, что имеет большое значение для предсказания хода химических реакций.

В состав переходного комплекса входят не только реагирующие вещества, но и среда превращения (растворитель) и те, порой очень незначительные, примеси, которые ускоряют или замедляют процесс (ингибиторы и катализаторы). Структура переходного комплекса во многом отличается от структуры обычных молекул, поскольку здесь атомы проявляют необычные валентности. В переходном комплексе могут находиться также ненасыщенные связи и заряды. В целом в переходном комплексе осуществляется высшее единство структуры

8 См. Ленин В. И. Полн. собр. соч., т. 29, с. 227. 88

и процесса как в пространственном, так и во временном планах 9.

Рассмотрим теперь вопрос о месте химической формы движения материи среди других ее форм. Как известно, Ф. Энгельс генетически связывал химическую форму движения материи с физической. На уровне движения атомных и субатомных частиц появляются первые признаки химического взаимодействия, которое, развиваясь далее, создает макроскопические тела. Здесь физическая форма движения не исчезает, поскольку между макроскопическими телами происходят и физические взаимодействия (например, трение, удар, гравитационное воздействие). Таким образом, на этой стадии химическая форма движения сосуществует с физической. Наконец, на определенном этапе развития химическое движение порождает новую форму движения материи — жизнь.

Проследим более подробно ступени эволюции материи, связанные с появлением химизма, или «химической формы организации вещества» ю. Эволюция вещества начинается в момент начала расширения Вселенной со стадии элементарных частиц п. Химическая организация вещества появляется лишь после того, как плазма атомных ядер и электронов попадает в такие условия, при которых кинетическая энергия сталкивающихся ядер уже не способна преодолеть барьер отталкивания. В этом случае при столкновении ядер происходит не их слияние, а возникновение многоядерной системы, окруженной электронной оболочкой. Такая система при отсутствии сильно ускоряющихся магнитных полей и излучений становится устойчивой при температуре около 10 тыс. градусов. Она является верхней температурной границей химизма. Возникающие при этом двухъядерные, а частично и многоядерные молекулы образуют первые химические соединения (СО, СН, НО, SiO), присутствующие в периферийных частях звезд, туманностях и других космических объектах.

Следующей стадией эволюции вещества считается образование твердых тел, которое происходит при понижении температуры ниже 3 — 4 тыс. градусов. Образую-

9 См. Жданов Ю. А. Узловое понятие современной теоретической химии. — Вопроси философии, 1977, № 1.

10 См. Кузнецов В. И. Диалектика развития химии. М., 1973. г См. Введение и гл. II.

щиеся мелкие твердые частицы космической пыли постепенно объединяются в крупные тела, создавая объекты типа протопланет. Вещество этих тел еще не обладает свойствами веществ известных нам планет и содержит в себе ряд соединений, способных вступать в химическое взаимодействие. На этой стадии происходит своеобразное расхождение путей развития вещества. В тяжелых планетах, удаленных от Солнца, происходит образование форм вещества особой природы, которая пока еще мало изучена. Речь идет о специфических и сильно реагирующих химических системах, которые существуют сейчас на таких планетах, как Юпитер или Сатурн. Возможно, что наличие на этих планетах большого количества газов при низких температурах вызывает образование разнообразных форм взаимодействия свободных радикалов, несвойственных земным условиям.

По-иному развивается вещество в планетах земной группы. Здесь происходит формирование центрального тяжелого ядра, состоящего из металлов и их карбидов, и мощной мантии из силикатов и окислов легких металлов. В этой верхней зоне и локализуются дальнейшие процессы, связанные с эволюцией вещества. Решающую роль при этом играет процесс выделения газов, образующих атмосферу. При относительно высокой температуре (условия Венеры) газы (углекислота, аммиак, серный ангидрид) целиком переходят в атмосферу, обусловливая очень большую ее плотность. При низких температурах создаются условия для значительного поглощения газов твердой поверхностью, что приводит к сильно разреженной атмосфере (таковы условия на Марсе).

Оба эти направления эволюции вещества являются, по-видимому, относительно тупиковыми. Только на Земле возникают такие оптимальные условия, когда в атмосферу переходит некоторое количество газов и, что особенно важно, вода частично находится в воздухе, а частично в жидком состоянии — в гидросфере (Мировой океан). Здесь получает развитие новая, биогенная стадия эволюции вещества.

Растворенные в воде вещества сочетают в себе в оптимальном варианте структурное разнообразие твердого вещества с активностью газов. Действительно, газы обладают реакционноспособными частицами, поскольку двигаются и взаимно сталкиваются. Вместе с тем в газах благодаря их реакционной способности не могут сохра-

няться образования сколько-нибудь сложной структуры. Последние легко образуются в твердых телах, однако здесь их реакционная способность сравнительно мала. Водные же растворы за счет образования оболочек из молекул воды как бы стабилизируют достаточно сложные структуры. Вместе с тем, находясь в воде в виде раствора, они приобретают достаточную подвижность, а следовательно, и реакционную способность. С этим связана исключительная роль гидросферы (или Мирового океана) в эволюции вещества. Только в водных растворах подвижные небольшие молекулы атмосферного углекислого газа, аммиака, циана могли объединиться и дать частицы аминокислот, которые в свою очередь образовали цепочку белковых молекул.

Возможно, что окончательное формирование длинных цепей молекул проходило не в жидкой среде, а в адсорбированных слоях на поверхности, омываемой водой (отмели, неглубокие водоемы). В этих условиях могли образоваться вещества, способные в дальнейшем послужить материальной основой для возникновения жизни, которая образует верхнюю структурную границу химической формы организации вещества. Такой в самых общих чертах можно представить эволюцию вещества от ионизированной плазмы до первых организмов. Продолжая существовать и далее, она вместе с тем служит основой следующей форме движения материи — жизни. Из сказанного следует, что данный путь эволюции не единственный. Он тесно связан с условиями, возникшими на Земле, и в конечном счете приводит к образованию биосферы, которая в свою очередь служит материальной основой для возникновения человека.

Условия развития человеческой цивилизации, как это стало очевидно сейчас, сильно влияют на эволюцию вещества на Земле. Это сказывается не только на биосфере, но и на составе гидроатмосферы. Например, процесс загрязнения Мирового океана и изменение состава атмосферы путем увеличения количества углекислого газа являются естественными следствиями развития человеческой цивилизации, могут рассматриваться и как продолжение химической эволюции Земли. Современная химия обладает достаточными знаниями для того, чтобы противопоставить стихийному процессу такой эволюции сознательную деятельность человека по сохранению окружающей среды.