Взаимодействие физики и химии постоянно углубляется. Этот частнонаучный процесс ставит перед философией и естествознанием ряд важнейших вопросов, имеющих общенаучный, философский характер.
1) Вопрос о возможности сведения высших форм движения к низшим и, в частности, о сведении химических процессов к физическим.
2) Вопрос о статусе химии как самостоятельной науки и о её месте в системе естествознания.
В истории взаимодействия физики и химии исследователи выделяют три этапа:
1) проникновение отдельных понятий физики в химию;
2) проникновение в химию физических законов;
3) создание на стыке наук интегративных физико-химических теорий.
История химии свидетельствует о трех этапах этой физикализации.
Первый этап — проникновение физических идей в химию. Этот этап начался еще в XVIII в., и проникновению физических идей химия обязана своим превращением в одну из областей современного естествознания. Физической идеей, сыгравшей решающую роль в химии, стала ньютоновская идея силы тяготения, присутствующая в его «Математических началах...». Фактически все концепции химического сродства, начиная с концепций, возникших в рамках теории флогистона, и кончая концепциями времен Д.И. Менделеева, строились по образцу ньютоновской трактовки гравитационного взаимодействия. Химическое сродство трактовалось как притяжение между частицами веществ, аналогичное всемирному тяготению. При этом химические явления не выводились из механики. Здесь была именно аналогия. Законы химического сродства устанавливались исходя из химического эксперимента, но в них была заложена физическая идея: считалось, что эти законы выражают степень притяжения одного вещества к другому.
Вглядимся внимательнее в логику рассуждения, которая позволила химикам перейти от физического понятия силы к учению о химическом сродстве. Опираясь на понятие силы, Ньютон сформулировал три знаменитых закона движения, которые сейчас входят под его именем во все учебники физики и механики. Однако эти законы не могли объяснить химическое превращение. Законы Ньютона были и остались законами механики. Путем логической дедукции из этих законов Ньютон вывел законы Кеплера, описал приливы и отливы, Л. Эйлер впоследствии вывел законы движения твердого тела. Другое дело — понятие силы, заложенное в эти законы. Влияние этого понятия выходило далеко за пределы механических явлений и вылилось в идею силового взаимодействия, побуждающую искать электрические, магнитные и химические силы.
Согласно Ньютону, силой называется причина, выводящая тело из состояния покоя или равномерного и прямолинейного движения. При этом Ньютон специально подчеркивал, что его интересует закон действия силы, выясняемый путем экспериментального исследования, что никакие гипотезы о скрытой природе силового взаимодействия не могут заменить экспериментальное изучение эффектов этого взаимодействия. В алхимии «сродство» веществ мыслилось в виде мистической связи между ними. В начале второй половины XVII в. в естествознании восторжествовал грубый механицизм, и химическое взаимодействие объяснялось геометрической формой и размером частиц вещества. Причем выдвигались различного рода умозрительные гипотезы об их форме и размерах. Ньютоновская идея силового взаимодействия изменила ситуацию. В химии были постулированы особого рода силы, действующие между химическими частицами и приводящие к превращениям вещества. Была поставлена задача выяснить путем экспериментального исследования тот закон, которому подчиняются эти силы.
Одним из первых таких законов была таблица химического сродства, составленная французским химиком Э.Ф. Жоффруа-старшим (начало XVIII в.). Эта таблица выглядела просто: наверху по горизонтали был нанесен ряд символов веществ, под каждым из которых в вертикальных столбцах располагались символы веществ, с которыми это вещество взаимодействует. Причем ближе к горизонтальной строке располагались символы веществ, которые более активно взаимодействуют с веществами, помещенными в этой строке.
Если таблица Жоффруа — пример одного из первых включений ньютоновской идеи силы в химию, то следующий факт имеет не только историческое значение. В 60-е гг. XIX в. скандинавские ученые К.М. Гульд-берг (1836—1902) и П. Вааге (1833—1900), используя ньютоновские идеи силы и массы, сформулировали закон действия масс, фундаментальный закон современной химической кинетики. Закон действия масс — аналог ньютоновского закона всемирного тяготения. В качестве меры химической силы в нем использовано изменение во времени экспериментальной величины — концентрации реагирующего вещества (скорость реакции). Под действующими массами Гульдберг и Вааге также понимали концентрации взаимодействующих веществ (массы в единице объема). Закон действия масс устанавливает пропорциональность скорости реакции произведению действующих масс, каждая из которых возведена в степень, равную своему стехиометрическому коэффициенту.
Второй этап физикализации химии — этап проникновения в химию физических законов. Эти законы уже объясняют химические явления. Рассмотрим, каким образом законы физической теории — термодинамики — оказались вовлечены в химическое исследование и дали жизнь физико-химической теории — химической термодинамики. Термодинамика складывалась в процессе изучения принципа действия паровой машины и тепловых двигателей вообще. Применение термодинамики к химии развернулось в конце 70-х и начале 80-х гг. XIX в. в трудах Г. Гельмгольца (1821 — 1894), Я. Вант-Гоффа (1852-1911) и Дж. Гиббса (1839—1903). Предпосылки тому были созданы развитием учения о химическом сродстве. Сам факт использования в химии такого физического понятия, как сила, свидетельствовал о необходимости более глубокого физического объяснения химических явлений. Развитие учения о химическом сродстве также привело к интерпретации таких понятий, которые позволили навести мосты между термодинамикой и химией, — понятий химического равновесия и энергии. Эти понятия, правда, в разных разделах науки. Энергетические характеристики химических процессов рассматривались в термохимии (конец второй половины XIX в.), которая занималась в первую очередь необратимыми неравновесными процессами. Термохимию интересуют переходы химической энергии в тепловую, и наоборот. Термохимия базируется на первом начале термодинамики — принципе энергии (частный случай закона сохранения энергии).
Химическая термодинамика позволяет количественно выразить идею сродства. Исходя из начал термодинамики, Гельмгольц, Вант-Гофф и Гиббс развили метод термодинамических потенциалов, термодинамических величин, убыль которых, аналогично убыли потенциальной энергии в механике, указывает направление самопроизвольного протекания химических процессов (при достижении равновесия значение химического потенциала становится минимальным). В 1882 г. Гельмгольц предложил разделить химическую энергию на части: способную превращаться в теплоту и способную производить работу. Первую он назвал связанной энергией, а вторую — свободной, определяющей направление химических реакций. Согласно Гельмгольцу, именно значение свободной энергии, а не тепловой эффект реакции служит мерой химического сродства.
Примерно в то же время Гиббс ввел в качестве критерия химических превращений изохорно-изотермический потенциал, называемый также свободной энергией при постоянном объеме, и изобарно-изотермический потенциал, получивший название свободной энергии при постоянном давлении. Поскольку первый потенциал совпал с той характеристикой химических превращений, которую ввел Гельмгольц, его стали называть свободной энергией по Гельмгольцу. Изобарно-изотермический потенциал получил название свободной энергии по Гиббсу.
В современной химической термодинамике используются и другие функции, играющие роль потенциалов. Химическая термодинамика, однако, лишь частично проясняет природу того явления, которое химики обозначили как сродство.
Химическая термодинамика и электрохимия составляют ядро особой дисциплины, называемой физической химией. Как та, так и другая теория возникает из физического объяснения химических явлений. Как та, так и другая формируется в конце XIX в.
Третий этап физикализации химии — физическое описание и объяснение «святая святых» химии — химической связи и химического взаимодействия. К концу 20-х гг. XX в. складывается новая фундаментальная теория — квантовая механика (Н. Бор, В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер, П. Дирак и др.). И почти сразу же начинается ее применение к химии. В 1927 г. В. Гейтлер и Ф. Лондон, следуя работе В. Гейзенберга об атоме гелия, рассчитали энергию связи молекулы водорода и тем самым показали, что химическая связь — квантовое явление.
На этой базе в XVIII и XIX вв. формировались теории химического сродства. В начале XX в. в химию проникает идея электрона как фактора, обеспечивающего химическую связь. Хотя электрон был открыт Дж.Дж. Томсоном в 1897 г., электронные концепции химической связи стали складываться в 1920-е гг. на базе представлений, возникших в ходе разработки квантовой теории атома и молекулы.
Итак, квантовая механика выполняет в отношении химии все три функции физической теории. Она дает идеи: резонанса, молекулярной орбитали и т.д. Она объясняет образование химических соединений и ход химических реакций. Кроме того, эта теория составляет теоретическую базу ряда центральных разделов химической науки. Она позволяет фундированно вести обсуждение тех вопросов, которые до этого обсуждались лишь в расчете на эмпирию, она определяет перспективу уточнения теоретических расчетов и понятий.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему