Миронов В.В. Современные философские проблемы естественных_ технических и социогуманитарных наук (2006) (1184475), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Гаммет (1894 — 1987) характеризовал основную проблему химии как проблему «предвидения и управления ходом реакций«2. К такой установке присоединяется все больше химиков. Частично химическая кинетика — результат физикализации химии. Вышеупомянутая теория элементарного акта химического процесса возникла на базе квантовой механики и строилась в рамках парадигм, заданных квантовой трактовкой простейших взаимодействий молекул.
Однако теория элементарного акта — лишь часть химической кинетики. С выяснением физической природы элементарного акта центральной задачей химической кинетики становится задача изучения увязки элементарных актов в химическую реакцию. Зга задача уже не решалась на базе теоретической физики. Увязка элементарных актов (точнее элементарных стадий, основу которых составляют элементарные акты) химических процессов проводилась на базе химического опыта, эксперимента с привлечением идей физики и путем математической обработки экспериментальных данных. 1 Семенов ЫН. Цепные реакции.
Л., 1934. С. 14. 2 Гоаеиет Л. Основы Физической органической химии. М., 1972. С. 11. 195 2.3. Философские проблемы химии Примечательно, что первые свои теоретические шаги химическая киистика делала на основе разработки структурных представлений химии. Лишь позднее стало осознаваться, что концептуальные ресурсы структурной химии ограничены н требуются принципиально новые идеи. Так, одним из первых кинетических понятий стало понятие «механизм реакциии». Механизм реакции — это своего рода развертка структуры реагирующих веществ во времени. Выяснить механизм реакции и значит раскрыть совокупность элементарных стадий, составляющих реакцию, а также закон (кинетическое уравнение), связывающий эти стадии между собой.
Первоначально механизм характеризовали еще проще — лишь через совокупность элементарных стадий. Постепенно, однако, химикам стало тесно в рамках даже полного понятия о механизме реакции. Как замечает ГС. Яблонский, термин «механизм» приобрел два значения: узкое и широкое. В узком значении «механизм» вЂ” зто в первую очередь совокупность элементарных стадий, составляющих реакцию. В широком же значении «механизм> — это содержательная интерпретация опытных данных, являющаяся квинтэссенцией всех накопленных сведений о протекании сложной реакции.
«В таком механизме должны быть нычленены отдельные этапы и стадии реакции, приведены характеристики промежуточных продуктов, описаны переходные состояния отдельных стадий, даны энергетические уровни веществ. Применительно к каталитнческим реакциям должны быть охарактеризованы свойства поверхнос! и, исследован характер адсорбции и тп. "Хочу все знать" о сложной химической реакции — так следует понимать химика, когда он говорит о своем намерении исследовать "детальный механизм" »1, Ограниченность понятия «механизм» привела к формулированию новых понятий, выражающих природу реакционных систем, таких, как «динамика» химического превращения, о котором пишет ГС. Яблонский2, «внутренняя кибернетика каталитической системы», употребляемое известным специалистом в области катализа С.З.
Рогинскимз. Фактически эти понятия выражают то, что было очерчено выше как «организация химической системы». Химия самоорганизации Хотя понятие организации не прижилось в химии, оно, поме!ценное в вышеприведенную схему хорошо показывает «логику» перехода от структур- ' Жлолск«й Л С. О развитии основных понятий химической кинетики /г' Метолологичсские и философские проблемы химии. Новосибирск, 1981. С. ! 53. 2 Там зке. С. ! 59. 3 Рогинский СЗ.
Введение // Проблемы кинетики и катализа. Т. 14: Хемосорбпия и ее роль в катализе. М., 1970. С. 8. !9б 2. Философские проблемы естествознания ных теорий к теориям самоорганизации. Подобно тому как кинетические теории возникли при объяснении функции — реакционной способности химического соединения, теории самоорганизации зародились при объяснениин поведения химических систем — изменения их целостных характеристик. Организация реакционной системы — это внутреннее устройство этой системы плюс схема ее реагирования на изменение граничных условий. Самоорганизация реакционной системы — это структурирование, отражающее внутренние ресурсы этой системы.
Становление химии самоорганизации не было безболезненным. Об этом говорит история реакции, которая сейчас называется реакцией Белоусова — Жаботинского1. В начале 1950-х гг. Б.П. Белоусов, моделируя процессы, связанные с циклом лимонной кислоты (циклом Кребса), с одним из циклических химических процессов в живом организме, осуществляющих метаболизм, открыл колебательную реакцию, своего рода химические часы. Эта реакция была чрезвычайно наглядна. Реакционная смесь, содержащая лимонную кислоту, серную кислоту, сульфат церия и бромид кальция, начинает «организовыватьсям она приходит в колебательное состояние, сохраняющееся достаточно долго (более часа).
Цвет этого раствора начинает изменяться с желтого на бесцветный, затем опять на желтый и тд. Открытие Белоусова не было признано его современниками. Статья ученого, описывающая открытую им реакцию, не была полностью опубликована при его жизни. Был опубликован лишь ее сокращенный текст в малоизвестном сборнике рефератов, выпускаемом институтом, где он работал.
Причиной тому была парадигма классической термодинамики. В рамках этой парадиз мы рассматривалось лишь монотонное, а не колебательное изменение параметров реакционной системы. Вспомним, что термодинамические потенциалы, представляющие собой величины, определяющие необходимое условие протекания химических реакций, монотонно изменяются при приближении реакционной смеси к равновесному состоянию. Однако к началу 1970 г.
стало фактом появление новой термодинамики — нелинейной и неравновесной. Речь идет о работах И.Р Пригожина ' 1 и его соавторов, в которых было введено понятие неравновесных стацио- . нарных состояний н исследовались условия устойчивости этих состояний. Нелинейная неравновесная термолинамика сделала понятной открытую Белоусовым реакцию. Объяснение состояло в том, что прн возрастающем отклонении от термодннамического равновесия термодина- ' мическая ветвь, служащая своеобразным неравновесным равновесием (экстраполяцией термодннамического равновесия), теряет свою устой- Г Об этой истории см.
воспоминания С.Э. Шноля, у гнтеля А М. Жаботинского: Шаоль ЦЗ. Герои и злодеи российской науки. М., 1997; Он лге. Герои, злолеи и конформисты российской науки. М.. 2001. 2.3. Фютософские проблемы химии 197 чивость, и система (реакция Белоусова — Жаботинского) переходит в нерпвновесное стационарное состояние. Иными словами, при достаточно сильном отклонении от термодинамического равновесия, отклонении, означающем потерю системой того порядка, который характерен для ее равновесного состояния, система обретает новый порядок, правда, порядок особого типа, поддерживаемый за счет поступления в систему уцсргии и/или вещества и от гока их из системы (в случае реакции Белоусова одно из веществ — лимонная кислота — должно быль в избытке).
11ригожин назвал этот необычный порядок диссипативной структурой. С появлением работ Пригожина изменилась сама роль термодинамики в химии. «Нелинейная термодинамика, — пишут Николис и Пригокин, — является по существу термодинамикой химических реакций»'. Более того, химическая реакция приобрела функции парадиглты.
«Выражение "химическая реакция", — замечают они, — используется формально в обобщенном смысле. Аналогичные уравнения мы встречаем и в других задачах, например, при обсуждении экологических, социальных и биологических проблем»2. По сути дела, нелинейная термодинамика, построенная Пригожиным и его соавторами, объединяет в себе термодинамику и химическую кинетику. Возникла новая теория, в контексте которой кинетические уравнения приобрели новый смысл и повысили свою объединительную способность. Чтобы прослелить эту трансформацию, надо вернуться к учителю Пригожина Т. де Донде (1873 — 1957), который строил термодинамику в понятиях термодинамической силы и потока.
Потоками он называл то, что химическая кинетика понимала под скоростью реакции. Потоками у него также были перенос тепла и диффузия вещества. Силы — это причины, вызывающие потоки: химическое сродство, по Донлс, уточняющее старые теории химического сродства, градиент температур и тль В равновесной термодинамике потоки и силы равны нулю. В слабо неравновесной области потоки и силы незначительны. Термодинамика сильно неравновесных процессов, развитая Пригожиным и его соавторами, рассматривает потоки, которые являются нелинейными функциями термодинамических сил.
Сам Пригожин популярно разъяснил положение нелинейной неравновесной термодинамикиз. Поэтому поясним здесь лишь ту простей1аую кинетическую модель, которая получила название «брюсселятора» (по имени брюссельской школы термодинамики, представителем которой был Пригожин). Это простейшая система (тримолекулярная хими- 1 Похолит Г, Приголкия И Р Самоорганизация в неравновесных системах. Отлиссипа~ивных структур к упорялояенности крез флуктуации. М., 1979.
С бб. 2 там же. С. 15. ." Смх Примаках Л Р. От существующего к возникающему. М . 1985. Ч. 2. Имеются и более помине излания. 198 2. Философские проблемы естествознания ческая реакция), проявляющая поведение, сходное с реакцией Белоусова — Жаботинского. «Брюсселятор» характеризуют два кинетических уравнения, соотносящие скорость реакции с концентрациями реагирующих веществ.
Развив теорию термодинамической устойчивости, Пригожин с соавторами показали, что «брюсселятор» имеет два устойчивых решения. Первое из них отвечает стационарному состоянию, либо совпадающему с состоянием равновесия, либо расположенному вблизи от него, второе — состоянию «химических часов», дислоцированному вдали от равновесия. Пригожин и его коллеги сформулировали критерий устойчивости таких сильно неравновесных состояний.
Хотя нелинейная неравновесная термодинамика Пригожина явилась как воплощенная мечта о подлинной химической термодинамике (ведь подавляющее большинство практически важных химических реакций протекает в сильно неравновесных условиях!), она не позволила перевести химическую кинетику на рельсы физико-математических расчетов. Данная ситуация отчасти похожа на ситуацию с квантовой теорией элементарного акта химического процесса, сложившуюся в 1930-е гг. Дело в том, что физико-математическая база была подведена лишь под малую долю проблем, возникающих в кинетике. Возникновение нелинейной неравновесной термодинамики не лишило актуальности «доморощенные» химические теории самоорганизации химических систем. Остановимся на одной из них, на теории саморазвития открьпых каталитических систем А.П.
Руденко', Если нелинейная термодинамика Пригожина ознаменовала третий (высший) тип физикализации химии, то теория Руденко отвечает «логике» первого этапа — этапа проникновения отдельных физических идей в химию: она строится на ряде идей термодинамики, но ее основные положения не вытекают из термодинамики, а обобщают опыт химического исследования. Тем не менее эта теория позволяет понять важный факт, выпадавший из классического учения о катализе, — факт совершенствования катализатора в ходе химического процесса, а также выдвинуть некоторые рекомендации по использованию этого факта.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
