КАК ПЕРВАЯ КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА ХИМИИ

Сложились два противоположных подхода к объяснению механизмов роста и развития науки: кумулятивизм и антикумулятивизм. Сторонники первого подхода считают, что развитие науки представляет собой непрерывный рост научного знания (кумуляция). Однажды полученные знания считаются раз и навсегда доказанными истинами. Они сохраняются неизменными. Новые знания гармонично прибавляются к старым. Но реальная история науки доказывает, что этот процесс более сложен. Развитие науки приводит к пересмотру прежних знаний, к отказу от многих из них, к разрушению старой и созданию новой картины мира. Сторонники антикумулятивизма доказывают тезис о несоизмеримости старых и новых теорий.

Различные модели роста и развития научного знания в большинстве своем складывались на материале истории физики. Подтверждает ли история химии правильность какой-либо из этих моделей?

В.И. Кузнецов, академик, доктор химических наук, специалист в области истории и философии химии разработал теорию четырех концептуальных систем химии. Согласно этой теории в истории химии последовательно возникают и развиваются четыре концептуальные системы: 1) учение о составе вещества; 2) учение о химическом строении вещества (структурная химия); 3) кинетические теории; 4) теории химической эволюции. Каждая концептуальная система включает в себя несколько теорий, объединённых общими фундаментальными принципами, законами, методами и направленностью на решение определённых проблем.

Исторически первой концептуальной системой химии стало учение о составе вещества. В рамках этого учения решались две основные проблемы: 1) проблема химического элемента; 2) проблема зависимости свойств вещества от его химического состава. Уже в античной философии возникло представление о том, что всё многообразие веществ складывается из небольшого числа исходных элементов. Под элементами тогда понимались четыре стихии – вода, воздух, огонь и земля. Подобные представления оставались и в средневековой алхимии, где элементами называли такие свойства как горючесть, текучесть и т.п. В древнегреческой философии возникло и другое представление об элементах - как об атомах, мельчайших неделимых частицах вещества (Левкипп, Демокрит, Эпикур). Но это учение было надолго забыто в химии, и на научной основе возродилось только в начале XIX века.

Становление химии как науки, а, следовательно, и первой собственно научной химической картины природы происходило в 17-18 вв. Многие исследователи вслед за Ф. Энгельсом ведут отсчет истории химии как науки с выхода в свет работы Р. Бойля «Химик-скептик» (1661 г.). В ней он представил проект «химической философии». Будучи последователем эмпиризма британского философа Фрэнсиса Бэкона, Бойль развивал экспериментальный метод, методику качественного анализа химического состава веществ. Эмпирические данные он подвергал индуктивному обобщению. Он изменил представление об элементе, понимая его не как одно из свойств вещества, а как простейшее вещество, простое, далее не разложимое тело. Бойль разделил понятия «сложное тело» (химическое соединение) и «простое тело» (химический элемент). Под элементом стали понимать предел разложения вещества на составные части. Для дальнейшего развития химии очень важным было разделение веществ на элементы и соединения. Кроме того, свойства вещества начинают рассматриваться в зависимости от его состава.

Для современного ученого понятие элементов и атомистическое учение неразрывно связаны. Но исторически они возникли и развивались как альтернативные варианты объяснения строения и свойств вещества. До Бойля существовали отдельно учения атомизма и элементаризма. А с этого момента они начинают объединяться. Но развивались они неравномерно. Учение об элементах быстро продвигалось вперед экспериментальным методом, опиралось на опытные данные. Тогда как атомистическое учение еще долго оставалось спекулятивным. Эмпирически элемент представал как вещество, являющееся пределом разложения сложных веществ, т.е. конечным результатом химического анализа. Это выявлялось с помощью опытов. А существуют ли атомы, молекулы, каковы их свойства, и как они связаны с элементами – это оставалось вне опыта, в поле рациональной интуиции, логических рассуждений. Элементаризм опирался на континуальную концепцию, а атомизм означал признание дискретности вещества.

Химия стала пониматься как наука о составе веществ, или как наука об элементах и их соединениях.[17] Элементы понимались как инвариантные части состава.

Становление химии как науки происходило как часть процесса становления экспериментального естествознания в целом (прежде всего, физики) и под влиянием развития мануфактурного производства металлов, кислот, щелочей, бумаги, стекла, фарфора и др.

Но наследие натурфилософии и алхимии еще долго сдерживало становление нового учения о химических элементах и соединениях. Даже в идеях самого Р. Бойля есть противоречия, что позволяет некоторым историкам науки усомниться в его роли в становлении химии. Т. Кун, например, считал типичной ошибкой историков науки преподнесение Бойля основателем современного учения об элементах. Он утверждал, что Бойль дал парафразу старого определения элементов, доказывая, что их не существует. А существуют качественно однородные атомы, разные комбинации которых создают разнокачественные вещества (как одинаковые элементарные частицы создают разнообразные атомы с точки зрения современной науки). Кузнецов, опираясь на многих других историков, обосновывает другую точку зрения. Противоречия в теории Бойля – дань эпохе и показатель незавершенности учения, но это большой шаг в сторону современного учения об элементах.[18] Учение об элементах и учение о качественно однородных атомах сосуществовали как две альтернативные исследовательские программы, но только первое оказалось уже на тот момент способно противопоставить себя алхимии и поднять химию до уровня науки. Второе перешло от уровня созерцательного к экспериментальному гораздо позже. Бойль был примером ученого, поучаствовавшего в обеих программах. Эксперименты, которые он ставил, и выводы, которые он из них делал, показывают его как безусловного сторонника методологии химического анализа. Но сама эта методология оставалась еще настолько неразработанной, а умозрительное обоснование атомистического учения выглядело столь привлекательно, что первое он пытался примерить со вторым.

Как теоретик Бойль был сторонником атомизма П. Гассенди, и это определяло его противостояние элементаристским взглядам. «Но Бойль-практик вынужден был признавать существование элементов, как инвариантов состава, и это обусловливало его удаление от атомистических спекуляций».[19] Синтеза в идеях Бойля не произошло. Синтез двух концепций наметился в работах Ломоносова, в которых понятия «атом» и «элемент» выступают как синонимы. Хотя и в его трудах атомизм, и учение об элементах еще оставались реалистичными гипотезами, не имеющими достаточного эмпирического обоснования (как и кинетическая теория теплоты, и закон сохранения вещества и движения).

Бойль наметил программу изучения элементов, но первая же научная теория, ставшая результатом реализации этой программы, оказалась ошибочной. Теория флогистона определила развитие химии в 1660-1770 гг., она стала фундаментом развития учения об элементах.

Долгое время малоизученными оставались газы, т.к. они трудноуловимы, трудны для изучения. Не применялось измерение, поэтому не придавалось значения участию газов в химических реакциях, оно попросту не замечалось. Поэтому так долго сохранялась теория флогистона. Она играла роль парадигмы. Понятие «флогистон» ввел немецкий химик Шталь в начале 18 в. Он уподобил процессы горения (быстрое выделение флогистона) и ржавления (медленное). В этом была логика и некоторое соответствие фактам. Это подтверждает, что одни и те же факты могут быть интерпретированы по-разному. Так выплавка металла из руды объяснялась следующим образом: руда, бедная флогистоном, нагревалась на углях, богатых флогистоном. В результате уголь сгорал, превращаясь в золу, бедную флогистоном. А металл обогащался флогистоном, который затем постепенно терял, подвергаясь коррозии.

Почему в замкнутом сосуде горение прекращается? Потому что воздух насыщается флогистоном до предела, больше не принимает его. Поэтому Д. Резерфорд, получивший азот в 1772 г., назвал его флогистированным воздухом. А Пристли, получивший в 1774 г. кислород, назвал его дефлогистированным воздухом, т.к. он усиливал горение. Противоположность кислорода и азота подтверждалась также тем, что первый облегчал дыхание, а второй делал его невозможным.

Ошибочная, по сути, теория стала стимулом развития химии и, в конечном счете, накопления массы необходимых сведений о свойствах элементов. На этом примере раскрывается гносеологическое значение заблуждений в истории науки. Чем теория флогистона принципиально отличалась от алхимических теорий? Или можно поставить вопрос шире: чем ошибочная научная теория отличается от ненаучных идей? Среди историков науки существуют противоположные мнения о том, можно ли считать флогистонную теорию научной. Поиск элемента-горючести роднит ее с алхимией. Но горючесть была связана с материальным носителем, хоть и оказавшимся в итоге плодом научной фантазии. Теория флогистона была создана с помощью научной методологии и соответствовала признакам научности: она стала результатом объяснения известных на тот момент фактов и была в принципе фальсифицируема. Но возникновение подобных ошибок в науке говорит о всегда существующей возможности множественных интерпретаций одних и тех же фактов. В подобных теориях зачастую отражаются реальные связи объектов, но в перевернутом виде. Действительно, в окислительно-восстановительных реакциях происходит присоединение и выделение элемента, но в направлении противоположном тому, как это трактуется в русле флогистонной теории. Флогистон, по сути, есть антикислород.

Данный пример также учит тому, что необходимо различать, с одной стороны, теории, главные тезисы которых были ошибочны, и которые были полностью отброшены (геоцентрическая система Птолемея, теории теплорода, флогистона и др.), и, с другой стороны, теории, главные тезисы которых были верны, но границы их применимости были неоправданно расширены. Так, например, ошибкой является не геометрия Евклида, а ее неоправданное применение для описания любого типа пространств.

Также пример теории флогистона наглядно демонстрирует, какое мощное влияние оказывает на ученого приверженность определенной парадигме, исследовательской программе, теории. Находясь как бы в интеллектуальном плену, ученый пытается дать объяснение новым фактам с позиции избранной теории. Если теория ошибочна, то эта задача становится трудновыполнимой: приходится идти на ухищрения, делать произвольные допущения, превращая теорию в нагромождение малореалистичных гипотез.

Одно из основных противоречий теории флогистона: ржавый металл тяжелее нержавого, значит, он присоединяет что-то, а не теряет. Но при общем невнимании к количественным методам такие противоречия не считали существенными. Для их разрешения строились новые и новые умозрительные допущения. Предположили, что существуют два вида флогистона: с положительным и с отрицательным весом!

При Бойле химия еще оставалась наукой о качественном составе веществ. А без количественного анализа опровергнуть теорию флогистона было невозможно. По этой же причине не удавалось доказать существование элементов. К 17 веку фактически ученым были известны полтора десятка веществ, являющихся элементами. Но не один из них таковым не был признан. Т.е. можно сказать, что в 17 веке ученым не был известен ни один элемент. Не было возможности установить соответствие известных веществ признакам элементарности, инвариантности в составе сложных веществ. Кузнецов считает, что положительное значение теории флогистона в том, что она стимулировала развитие методов количественного анализа. Стремясь спасти флогистонную теорию и объяснить ее странности, химики усилили внимание к анализу количественных характеристик веществ, взвешивали реагенты и продукты реакции, измеряли объемы (объемные, гравиметрические методы). Одним из результатов этой работы стало возникновение пневматической химии. Изучение газов в 18 веке привело к открытию и описанию углекислого газа (Ван Гельмонт, Блэк), водорода (Кавендиш), азота (Резерфорд), кислорода (Шееле, Пристли).

На точные измерения делал ставку Лавуазье. С их помощью удалось опровергнуть многие умозрительные заблуждения. Так алхимические представления предполагали возможность превращения воды в землю, что подтверждалось при длительном кипячении воды в стеклянном сосуде и образовании осадка. Лавуазье взвешиванием определил, что осадок образуется не из воды, а из стенок сосуда.

Ирония судьбы в том, что методы количественного анализа, получившие распространение, в том числе, благодаря флогистонной теории, стали ей приговором. А. Лавуазье в 1772-73 гг. измеряя реагенты и продукты реакций горения, окисления металлов и опираясь на закон сохранения массы, пришел к выводу, что к окисляемым веществам присоединяется газ, который занимает 1/5 объема воздуха. С открытием кислорода закончилась эпоха флогистона в химии. Но эпоха атомистики еще не началась. Лавуазье признавал только те выводы, которые непосредственно следовали из опытных данных. Результаты опытов подтверждали существование элементов и соединений, а предположения о существовании атомов и молекул оставались умозрительными гипотезами. Элементы, по мнению Лавуазье, это не молекулы или атомы, а вещества, неразложимые анализом. Свойства соединений зависят от состава, т.е. от входящих в них элементов. Но от чего зависят свойства элементов? Отвергая атомистическую гипотезу как внеэмпирическую, Лавуазье не мог ответить на этот вопрос. «Все, что можно сказать о числе и природе элементов, по моему мнению, сводится к чисто метафизическим спорам; это неопределенные задачи, допускающие бесчисленное множество решений, из которых, по всей вероятности, ни одно не согласуется с природой».[20]

В отличие от Лавуазье, Ломоносов был более смел в выдвижении гипотез, считая, что ограниченность опыта должна компенсироваться логикой и рациональной интуицией. В качестве образца для подражания он приводил рационалистическую дедуктивную методологию научного исследования, наиболее последовательно реализуемую в построении математических теорий. Доверие к рационалистической методологии позволило ему гармонично сочетать атомизм и учение об элементах.

Лавуазье считал истинной теорию, в подтверждение которой найдено большое количество фактов и не найдено ни одного опровергающего факта (некий синтез принципов, позднее получивших название верификации и фальсификации). Поэтому он отнес к элементам около двух десятков веществ, среди которых были и соединения, но на тот момент представлявшиеся неразложимыми. В этом заключался недостаток эмпирического подхода к определению элементов, основанного на возможностях химического анализа, которые постоянно совершенствовались. После разложения атома на составляющие в ХХ веке согласно этому подходу следовало признать элементами частицы, из которых состоит атом.

Поэтому для окончательного определения элемента химическое учение об элементах закономерно должно было найти и другую опору, соединившись с атомистической теорией. Развитию атомизма в химии способствовало открытие стехиометрических законов, накопление данных об атомном весе элементов и открытие периодического закона.

Элизабет Штрекер считает поворотным пунктом в истории химии 1808 г., когда Дальтон опубликовал «Новую систему химической философии», ставшую краеугольным камнем научной теории атома.[21]

В 17 в. философами и учеными неоднократно предпринимались попытки возродить античный атомизм в той или иной форме. Э. Штрекер отметила парадоксальность того, что материалистическое по своей сути учение Демокрита об атомах получило горячую поддержку со стороны ученого, являвшегося одновременно католическим священником – Пьера Гассенди (37).[22] Гассенди вслед за Демокритом утверждал, что атомы лишены качеств, а различаются лишь формой и размерами. В свое время еще Аристотель подверг критике эту идею. По этой же причине философский атомизм в такой его форме не принимали химики. Не верилось, что качественное многообразие веществ можно объяснить лишь размерами, формой и движением атомов.

В рамках первой концептуальной системы химии помимо проблемы элемента решалась также проблема химического соединения. В решении этой проблемы также помогло становление химической атомистики. До 19 в. ученые не обладали надежными критериями для различения соединений и механических смесей. В 1793 г. И.Б. Рихтер сформулировал закон эквивалентов, положив начало стехиометрии. Выяснилось, что элементы образуют соединения в строгих пропорциях. Но пропорциональные числа, найденные Рихтером, оставались необъяснимы. Следующим шагом стало открытие Прустом в 1799 г. закона постоянства состава, ставшего фундаментом стехиометрии. Выяснилось, что вне зависимости от способа получения соединения имеют постоянный состав. Завершилось формирование стехиометрии открытием Дальтоном закона простых кратных отношений. Формулируя этот закон, Дальтон опирался на атомистическую гипотезу: 1) Все вещества состоят из неделимых атомов; 2) атомы одного элемента тождественны, в том числе, имеют один атомный вес; простые неделимые атомы соединяются в «сложные атомы» (молекулы). Атомистика помогала объяснить, почему элементы соединяются в строго определенных пропорциях: потому что в молекулу конкретного соединения входит строго определенное количество атомов конкретных элементов. Появился также критерий разграничения соединений и смесей. В отличие от соединений, в смесях компоненты могут сочетаться в любых пропорциях. И, по мнению Дальтона, сила соединения атомов в молекулах соединений больше, чем между атомами и молекулами смесей. Впрочем, дискуссия о критериях различия соединений и смесей оставалась открытой. Особую позицию занял К. Бертолле, не считавший постоянство состава обязательным критерием соединения, относивший растворы и сплавы к химическим соединениям, защищавший идею непрерывности химической организации вещества (непрерывности изменения энергии химических связей). Концепции Бертолле с одной стороны, и Дальтона, Пруста с другой стороны, являются конкурирующими исследовательскими программами. Программа Бертолле опережала свое время, т.к. ориентировалась не на изучение статичных веществ, а на изучение процессов. В русле программы Бертолле эффективно развивались химия жидких растворов, химия твердого тела, структурные теории в химии. Химические соединения переменного состава получили название бертоллиды.

В начале 19 в. первая концептуальная система получила развитие в работах Гей-Люссака, Авогадро, Берцелиуса. На их основе в сер. 19 в. появилось представление о валентности, как о целом числе единиц сродства.

В первой половине 19 в. быстрыми темпами открывались все новые элементы и органические соединения. Их надо было классифицировать и упорядочить. К 1830 г. было известно 55 элементов. Среди ученых нарастало чувство неопределенности: сколько их всего? Хаос элементов вместо привычных четырех элементов древности.

1829 г. – Деберейнер обнаружил триаду элементов хлор-бром-йод, где свойства были сходны и менялись плавно с изменением веса. Вес среднего был равен половине суммы атомных весов крайних. Далее он открыл и другие триады: кальций-стронций-барий, сера-селен-теллур. Но 56 уже известных к тому времени элементов не делились на триады без остатка, другие триады не выявлялись, поэтому их сочли совпадением. Химики вообще долгое время не придавали значение атомным весам. Путали понятия атомный вес, молекулярный вес и эквивалентный вес.

В 1860 г. в Карлсруэ собрался Первый Международный химический конгресс. На нем была внесена ясность в понятие «вес», понятия разграничили. Всплыла гипотеза Авогадро, которую он высказал еще в 1811 г., но которой не придавали значения. Разобрались с весами, уточнили эмпирические формулы органических соединений, стали правильно строить структурные формулы. И в неорганической химии удалось выстроить элементы по атомному весу. Произошел прорыв. Вот как важна для научного сообщества способность договориться, как важна интерсубъективность языка науки, коммуникация.

Многие ученые пытались выстроить систему элементов, в том числе, по атомному весу. При этом замечалось закономерное плавное изменение свойств, но в некоторых рядах элементов такая закономерность не наблюдалась. Ученые пришли к выводу о случайном совпадении плавного изменения свойств в зависимости от атомного веса элементов. Классификация по атомному весу показалась бесперспективной. Причин ошибочного вывода было несколько: 1) атомные веса некоторых элементов были определены неверно; 2) многие элементы не были известны; 3) было сделано ошибочное предположение о том, что в каждом периоде равное число элементов.

Менделеев участвовал в первом конгрессе и понял большое значение атомного веса. Но еще более важным критерием классификации он посчитал валентность. Он заметил периодичность изменения валентности у элементов, расставленных в порядке возрастания их весов. Он выделил периоды по возрастанию валентности от 1 до 4 и уменьшению до 1. В первом периоде оказался только водород, во 2 и 3 периодах по 7 элементов. Следующие периоды содержали большее число элементов. В 1869 г. он опубликовал свою знаменитую таблицу. Революционность была в следующем. Он рискнул нарушить порядок возрастания весов, чтобы не нарушить порядка изменения валентности. Так он поставил теллур перед йодом, хотя его вес больше. Он не мог тогда объяснить этого, но предположил, что валентность важнее, т.к. определяет сходные свойства элементов определенной группы. Также Менделеев рисковал, оставив в таблице пропуски, которые могли свидетельствовать об ошибочности таблицы. Но он настаивал на том, что в природе существуют неизвестные науке элементы. Такая предсказательная сила научной теории является лучшим подтверждением ее истинности. В течение 15 лет были открыты все три элемента, предсказанные Менделеевым, их свойства подтвердились. Сложнее было с обнаружением группы редкоземельных элементов – лантаноидов, чьи свойства были очень близки, валентность одинакова, а, значит, их надо было поместить в один период и в одну группу. Но таблица выдержала и эту модификацию, хотя объяснить такое расположение тогда было невозможно. Также испытанием таблицы стало открытие инертных газов. Сначала открыли аргон, который по атомному весу находится между калием и кальцием. Но его валентность определили как нулевую, таких элементов еще не было. В соответствии с принципом, предложенным Менделеевым, валентность более важна для определения места, поэтому его поместили в особую группу между хлором и калием. Вскоре были найдены и другие элементы этой группы, что опять подтвердило правильность таблицы.

Только в ХХ веке на более глубоком уровне знания удалось объяснить сущность периодического закона и таблицы: Менделеев, зная только макроскопические проявления свойств элементов, расположил их в соответствие со строением электронных оболочек, что выяснилось только спустя полвека. Это наглядно демонстрирует, как наука продвигается от одного уровня сущности к другому, как новые теории не опровергают старые, а дополняют их более глубоким пониманием объекта. Сейчас химия гораздо глубже знает: чем отличаются атомы разных периодов и рядов по электронным конфигурациям, по заполнению электронами энергетических уровней и подуровней. Свойства элементов зависят от структуры внешнего электронного слоя их атомов.

Периодический закон обладал огромным эвристическим потенциалом и позволял теоретически предсказывать свойства элементов точнее, чем они представали в эмпирических исследованиях. Этот был тот случай в развитии науки, когда теоретик указывает путь экспериментатору.

На дальнейшее развитие первой концептуальной системы химии оказали существенное влияние открытия, произошедшие в физике в конце 19 – 20 вв.: открытие сложной структуры атома, электрической природы химических связей, зависимости свойств атомов от строения электронных оболочек, создание квантовой теории периодической системы. Сформировалась физическая интерпретация периодического закона. Трансформировалось определение элемента. Элементом стали называть совокупность атомов, имеющих одинаковый заряд ядра.

Первая концептуальная система химии уже с момента своего появления (с 17 века) подвела научную основу под производство необходимых человеку неорганических соединений: кислот, щелочей, солей и др. Знания о составе соединений и, особенно, знание стехиометрических законов, открытых в начале 19 в., помогали в налаживании производства, но были еще слишком ограниченными, чтобы эффективно управлять им. Зачастую, химическая технология совершенствовалась усилиями инженеров-практиков, а не благодаря теоретической химии. И в первых учебниках по химической технологии, появившихся в России в первой половине 19 в., было больше практических рецептов и чертежей, чем химической теории.

СТРУКТУРНЫЕ ТЕОРИИ