Химическая реакция как реализация химической формы движения: исторический контекст проблемы

Изучение взаимоотношений между веществами (химических реагентов), приводящих к возникновению разного рода продуктов, является основной задачей химии. Концепция химического учения, собственно, и делает акцент на изучении сущности химического процесса. Сама химическая реакция может быть записана в виде уравнения и эта запись непременно абстрагируется от конкретных условий и механизмов, скорости и иных факторов пространственно-временного континуума.

Понятие «химическая реакция» относится к базовым понятиям химической теории и находится в связи с такими понятиями как «элемент» (абстрактное понятие, выражающееся через конкретное понятие – «атом») и «соединение» (менее абстрактное понятие, выражающееся через все концептуальные системы). Следует уточнить, что в свете современных научных представлений превращение вещества понимается в виде процесса, при котором происходит изменение строения вещества, его состава и свойств в соответствии с особыми химическими закономерностями. Названные выше превращения происходят на атомном уровне и осуществляются в процессе специфических взаимодействий определенных структур частиц вещества. Химические превращения сопровождаются возникновением или перераспределением химических связей. Уже этим данный тип превращений в существенной степени отличается от других типов превращения материи (биологических, физических и т.д.).

В начале XVII в. наука впервые заявила о себе как реальная сила в истории человечества. В этот период Ф.Бэкон выступил поборником экспериментального естествознания и создания новых принципов организации науки. А в 1633 г. Р.Декарт включил представление об атомах в развитую им концепцию об устройстве Вселенной и материи. Вслед за Р.Декартом Р.Бойль, основываясь на большем количестве экспериментов, рассуждает о «корпускулах» (данное понятие синонимично понятию «атом») и объясняет на их основе результаты некоторых химических экспериментов.

XVIII в. в химии связан с произошедшей в ней научной революцией и работами французского учёного А.Лавуазье, разработавшему кислородную теорию горения. Данная теория позволила объяснить выделение в процессе горения энергии, а также кислородную теорию кислот. Этого учёного можно назвать первоисследователем тепловых эффектов реакций, сторонником принципа неуничтожаемости материи. Совместно с такими видными химиками, как К.Бертолле и А.Фуркруа, Лавуазье организовал номенклатурную комиссию Парижской Академии (1786 г.), и через год искомая номенклатура была опубликована. Вслед за Лавуазье были открыты количественные стехиометрические законы: закон эквивалентов (И.Рихтер), закон постоянства состава (Ж.Пруст) и др. Вместе с тем, атомистические взгляды по-прежнему не имели прямых экспериментальных доказательств. Экспериментальное подтверждение атомной гипотезы нашёл английский химик Д.Дальтон. В начале XIX в. этот учёный открыл несколько новых эмпирических закономерностей: закон парциальных давлений, закон растворимости газов в жидкостях, закон кратных отношений.

К середине XIX в. в мышлении химиков понятие «молекула» полностью отделилось от понятия «атом», что способствовало формированию нового структурного подхода к изучению состава и строения веществ. Основная идея данного подхода заключалась в способе организации атомов в молекуле, что определяет свойства последней. Русский химик А.М.Бутлеров во взаимном влиянии атомов в молекуле видел проявление диалектических закономерностей, охватывающих как межмолекулярные, так и внутримолекулярные взаимодействия. Именно теория химического строения дала возможность понять химические свойства отдельных структурных фрагментов молекулы и объяснить значительно отличающиеся друг от друга реакционные способности атомов водорода, кислорода, хлора, а также некоторых взаимодействий — углерод-водород, кислород-водород, углерод-хлор и др.

Основоположником учения о ведущей роли непрерывности по отношению к дискретности химической организации вещества был К.Л.Бертолле. Согласно его исследованиям, эффект химического действия веществ определяется двумя факторами: взаимным сродством этих веществ и массой реагентов. К примеру, в реакциях обмена одна часть вещества вытесняет другую благодаря большей массе и большей силе своего сродства.

При отсутствии фактора массы все реакции были бы направлены в одну сторону (более сильные реагенты вытесняли бы более слабые составные части), однако учёный доказал, что химические реакции являются в принципе обратимыми. Одновременное протекание двух противоположных по направлению реакций (прямой и обратной) представляет собой обратимую химическую реакцию. Их единство и взаимодействие составляет одно из противоречий любого обратимого химического процесса.

Формировавшаяся в течение полутора веков эмпирическая система воззрений на совокупность химических связей включала в себя не только характеристики статичного химического объекта, но и сведения о его поведении при разнообразных внешних воздействиях. Данная эмпирическая система необходима для научно обоснованного ответа на вопрос о том, какие атомы в химическом веществе следует считать связанными, а какие – нет. Для адекватного описания системы химических связей в молекуле и дальнейшего градиентного анализа распределения электронной плотности были созданы структурные формулы (т.н. «графы»), позволяющие суммировать имеющуюся о молекуле информацию и представить её в наглядном виде. При этом многие графы неорганических веществ (в твёрдом состоянии) оказались бы бесконечными в одном, двух или трёх измерениях, что соответствует цепочечным, слоистым и каркасным структурам. Поскольку химические формулы выражают экспериментальные знания и теоретическое понимание состава химических веществ, это позволило исследователям рассматриваемого периода основательно изучить явление изомерии (наличие у нескольких соединений одинакового элементного состава, но различной последовательности соединения атомов).

В 1920-30-е годы на основе электростатической модели химической связи получила развитие новая пограничная дисциплина – «квантовая химия», разрабатывались модели атома Резерфорда-Бора, волновая функция Шредингера, было введено представление о том, что химическая межатомная связь в молекуле определяется увеличением электронной плотности между атомами.

Ко времени всех этих открытий было известно, что почти каждая реакция (как органическая, так и неорганическая) состоит из отдельных стадий. Большая же часть органических реакций протекает через образование переходного состояния (т.е. исходные реагенты должны преодолеть энергетический барьер, чтобы состоялась реакция между ними). На промежуточном этапе химических превращений может существовать так называемое промежуточное состояние. В этом состоянии наиболее отчетливо находит свое проявление единство дискретного и непрерывного в химической форме движения материи. При изучении механизма реакции учитывается кинетика реакции, поскольку она определяет число и природу молекул, включающихся в скорость лимитирующую стадию.

С 70-х годов XX в. начался новый этап развития химической науки, связанный со становлением эволюционной химии (теории самоорганизации). Под эволюционными процессами в химии понимается самопроизвольный синтез новых химических соединений, более сложных и высокоорганизованных по сравнению с исходными веществами. В основе химических эволюционных теорий лежит исследование и создание таких условий, при которых происходит самосовершенствование катализаторов химических реакций. Одной из первых теорий саморазвития элементарных открытых каталитических систем стала теория А. П.Руденко (1964 г.).

Подход, предложенный этим учёным, ориентировался на естественную эволюцию от неорганических химических структур к новым системам; его возникновению способствовал опыт моделирования биокатализаторов – ферментов. Можно заключить, что концепция самоорганизации и, в частности, эволюционная химия представляют собой высший уровень развития химического знания о химическом процессе. Понятно, что перспективы, открывшиеся для химической науки и создания новых технологий, пока ещё трудно оценить в полной мере. Впечатляющие достижения учёных в области исследования механизмов химической реакции, кинетики химических процессов, реакционной способности реагентов, химического сродства, структур различных продуктов реакций способствовали тому, что современная химия в научной (лабораторной) её части становится всё более и более технологичной, а современные промышленные технологии – всё более и более научными. Получившее широкое распространение понятия «высокие технологии», «тонкие технологии», «нанотехнологии» отражают эти тенденции.

В процессе химической реакции изменяется состав веществ, их структура, реакционная среда претерпевает энергетические изменения. Результатом химической реакции является превращение её энергии в теплоту, свет и т.д. Это происходит вследствие взаимосвязи и взаимопревращения форм движения материи. Понимание таких особенностей химической науки, как законы протекания химических реакций, кинетическая система, химическое сродство, реакционная способность и механизм реакции, а также пути исторического развития концепций химического строения способствует формированию целостного осмысления химической реакции как реализации химической формы движения на уровне электронных взаимодействий атомов и молекул.