Федор Константинов - Диалектика природы и естествознания

• Название: Диалектика природы и естествознания
• Автор: Федор Константинов
• Издательство: Мысль
• Жанр: Философия
• Год: 1983

В третьем томе рассматривается диалектика природных процессов и ее отражение в современном естествознании, анализируются различные формы движения материи, единство и многообразие связей природного мира, уровни его детерминации и организации и их критерии. Раскрывается процесс отображения объективных законов диалектики средствами и методами конкретных наук (математики, физики, химии, геологии, астрономии, кибернетики, биологии, генетики, физиологии, медицины, социологии). Рассматривая проблему становления человека и его сознания, авторы непосредственно подводят читателя к диалектике социальных процессов.

---

Химический элемент как эмпирический предел анализа получил теоретическое обоснование в атомистике Дж. Дальтона. Хотя атомистические представления появились в науке еще в эпоху античности, тем не менее только атомистика начала XIX в. позволила подойти к конкретной числовой характеристике веса атома. Он определялся экспериментально на основе химического анализа.

В отличие от веса другой важнейший физический параметр — объем был введен в химию позднее. Это связано со спецификой взаимодействия ньютонианской и картезианской традиций в естествознании. Атомистика Дальтона, построенная на использовании веса и массы, представляла собой продолжение ньютонианской традиции, оставляя в стороне факторы, связанные с объемными или вообще пространственными характеристиками вещества. Такое ограничение было исторически необходимым. Однако уже в первой половине XIX в. открылась возможность использования данных об объеме прежде всего для изучения газообразных тел. Эти данные оказались важными для формирования второго (после атома) фундаментального микроскопического понятия химии — понятия о молекуле.

Атомно-молекулярная теория составила базис теоретической концепции химии. На ее основе происходило дальнейшее развитие теоретических основ химии. Понятие о молекуле связано с пониманием природы химического взаимодействия. Подход к молекуле как системе взаимодействующих атомов, образующих единство, позволил точнее сформулировать еще одно важное понятие — химическое соединение. Дальнейшее развитие внутренней логики химии шло по пути выяснения соотношений между отдельными химическими соединениями и элементами. На этом пути обнаружилась особенность объекта химии, отличающая его от объекта других наук о природе, в том числе и биологии.

В первую очередь это удалось выяснить на примере органических соединений. Успехи органического синтеза, в том числе получение тех веществ, которые возникли в процессе жизнедеятельности организмов, поставили вопрос о классификации химических соединений. Действительно, если органические вещества могут быть синтезированы искусственно из неорганических, то принципы биологической классификации к ним неприменимы (например, нельзя делить вещества на растительные и животные). В частности, детальный анализ взаимных переходов и состава большого числа органических соединений показал, что система их отношений коренным образом отличается от таковой в живой природе.

Уже со времен К. Линнея между видами животных и растений обнаруживались упорядоченные иерархические связи. Объекты живой природы группировались в виды, роды, семейства, классы, типы, которые в той или иной степени отражали генезис живых организмов. Попытка же нахождения такого генетического порядка среди объектов химии — химических соединений — не давала конструктивных результатов. Хотя между химическими соединениями существовали тесные взаимосвязи, они не образовывали последовательные иерархические ступени, отношения между ними были иные. Эти отношения представляли собой более или менее развитые выражения сходства. При этом сходные соединения образовывали ряды, в которых соседние члены были очень близки друг другу, тогда как крайние могли сильно отличаться. Более того, каждый член ряда находился на пересечении нескольких рядов, построенных по разному принципу сходства.

Первоначально считали, что отношения, известные в биологии как гомологические, не имеют прямой связи с происхождением органических соединений, но в середине XIX в. примеры таких гомологических рядов химических структур были описаны в работах многих химиков-органиков. При этом члены гомологического ряда были связаны не только между собой, но обнаруживали параллелизм с аналогичными представителями других соседних рядов (например, ряду углеводородов соответствовали ряды спиртов, кислот). Таким образом, совокупности химических соединений образовывали не генеалогические древа, а скорее систему пересекающихся рядов, своеобразную сетку или таблицу. Эта особенность объекта химии требовала развития совершенно иного теоретического аппарата, отличного от того, которым пользовалась биология. Принцип развития (генетической таксономии) здесь был неприменим или по крайней мере преждевременен.

Для дальнейшего продвижения в области познания объекта химии необходимо было выработать новый концептуальный аппарат. Этим аппаратом стала структурная теория. Современное содержание понятия «структурная теория» (или «теория строения») многопланово. Оно включает широкий круг теоретических концепций и эмпирических описаний структурных особенностей вещества. Структурная теория охватывает проблемы многообразия химических превращений, тесного единства структуры и процесса, взаимосвязи данного вещества с исходными веществами и продуктами разложения и др.

Следует отметить, что решение этих проблем с помощью фундаментальных принципов строгой теории пока невозможно. Хотя в этой области, особенно в связи с применением электронно-вычислительной техники, достигнут большой прогресс, химикам в практической работе приходится часто прибегать к эмпирическим методам. Область эмпирических исследований в химии очень широка и по существу в настоящее время составляет основу теоретических концепций этой науки. Исследование природы эмпирических объектов в химии тесно связано с проблемой моделирования. Можно даже говорить в какой-то степени о единстве эмпирических соотношений и моделей в химии[86].

Рассмотрим кратко некоторые важнейшие типы эмпирических методов и моделей. Исходным моментом эмпирических классификаций является отмеченная ранее особенность химии — наличие сети пересекающихся рядов сходных объектов. На эти ряды опирается большинство эмпирически найденных соединений, которые не являются универсальными, а существуют в пределах группы соединений. Первоначальным эмпирическим описанием, которое можно рассматривать и как математическую модель, является эмпирическое уравнение, связывающее несколько разных свойств или одно и то же свойство в двух сходных рядах. Такие эмпирически открытые соотношения часто объясняются на основе периодической системы элементов (например, связываются температуры разложения и теплоты образования в ряду сульфатов в группе металлов или, наоборот, сравниваются теплоты образования ряда сульфатов и селенатов одних и тех же металлов).

Такое соотношение задается в виде математической функции, в которой в качестве аргумента выступает одно свойство, а функции — другое. Подобное уравнение аналогично математической модели какой-либо системы типа «черного ящика», где в качестве «входа» используется одно свойство, в качестве «выхода» — другое. Часто такие соотношения носят название корреляций. Они широко применяются для оценки свойств неизвестных соединений путем интерполяции в ряду сходных веществ. Фактически на этом же принципе были основаны известные предсказания Д. И. Менделеева о существовании нескольких не открытых еще элементов (галлий, скандий, германий). В этом смысле периодическая система химических элементов может рассматриваться как своего рода модель химических взаимосвязей.

Очень важное место среди методов моделирования занимают аддитивные модели. Хотя химическое соединение нельзя представить как сумму составляющих его элементов, тем не менее при выполнении определенных условий вполне можно составить схему расчета, согласно которой свойства сложного вещества составляются из вкладов входящих в него частей. Такие схемы с успехом используются для расчета рефракции (функции коэффициента преломления), диамагнетизма, энтропии и других явлений. Существуют и широко применяются на практике таблицы инкрементов — вкладов, которые вносят в общее свойство соединений определенные атомы или их группы. По существу перечисленные модели в значительной степени являются эмпирическими. Они лишь отчасти опираются на какие-нибудь теоретические соображения и сводятся к предположению о наличии простейших связей между свойствами химических соединений.

Наряду с этим широко используются модели, которые прямо строятся на основе определенных теоретических положений. Поскольку, однако, реальные химические системы очень далеки от идеальных объектов, которые описываются теорией, в теоретические уравнения вводятся поправки. Последние носят эмпирический характер, в результате чего вместо теоретического уравнения появляется другое, полуэмпирическое, связанное с первым по принципу подобия. Именно так используются, например, уравнения газов и растворов, в которые вместо реальной концентрации вещества вводится активность (концентрация умноженная на поправочный множитель). Аналогичным образом во многих формулах для расчета энергии связи электрона с ядрами используются «эффективные заряды» вместо их точного значения.