Первым, кто наполнил отчетливым содержанием понятие «физическая химия» и дал достаточно конкретное определение этой области научного познания, был М.В. Ломоносов (см. т. 2, глава 1, п. 1.4.5). Он писал: «Физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах[22] при химических операциях. Она может быть названа также химической философией, но в совершенно другом смысле, чем та мистическая философия, где не только скрыты объяснения, но и сами операции производятся тайным образом».{316} Развитие химии в XIX–XX вв. показало, что это определение не потеряло своей актуальности и по сей день. Авторы одного из классических учебников по физической химии дают такое определение: «Физическая химия — это наука, которая изучает взаимосвязь между химическими и физическими явлениями».{317} Приемлема и еще одна формулировка: Физическая химия — наука, объясняющая химические явления и устанавливающая их закономерности на основе общих принципов физики. В англоязычной литературе используют такие определения: Физическая химия есть предмет, который изучает макроскопические, молекулярные, атомные и субатомные процессы в химических веществах с позиций физических законов и концепций.
При некотором различии, все перечисленные определения подчеркивают, что физическая химия представляет собой пограничную область знаний между физикой и химией.
Процесс эволюции физической химии как самостоятельной отрасли науки был длительным и не всегда поступательным. Он начался еще в XVIII в. с работ М.В. Ломоносова, который неоднократно заявлял: «Моя химия физическая». Beликий русский естествоиспытатель, рассмотрев ряд физико-химических явлений, представил первый вариант курса физической химии и создал первые физико-химические таблицы растворимости солей (см. т. 2, глава 1, п. 1.4.5).
Накопление экспериментальных фактов, обобщение и глубокий анализ которых и составили основу современной физической химии, также началось уже в XVIII в. В первой половине XIX столетия в области физико-химических исследований работали такие ученые как Дж. Дальтон (см. т. 1, глава 8, п. 8.4), А. Авогадро (см. т. 1, глава 8, п. 8.6), Г. Дэви (см. т. 1, глава 8, п. 8.9), Ж. Гей-Люссак (см. т. 1, глава 8, п. 8.5), Й.Я. Берцелиус (см. т. 1, глава 8, п. 8.11) и другие.
C открытием закона постоянства состава и появлением атомистического учения Джона Дальтона накопление, систематизация и теоретический анализ экспериментальных данных, составивших основное содержание физической химии, происходили значительно интенсивнее. В 50-е годы XIX в. наметилось более тесное взаимодействие между физикой и химией. В этом процессе большую роль сыграла разработка основ кинетической теории газов, оказавшая в последующем огромное влияние на развитие физической химии в целом.
70–80-е годы XIX столетия в истории химии отмечены продолжением борьбы теоретических воззрений вокруг создания единой теории химического строения, за уточнение понятий об атоме и молекуле. В это время интенсивными темпами развивалась органическая химия, поэтому наиболее остро научные дискуссии протекали именно в этой области.
Можно сказать, что установление Периодического закона Д.И. Менделеева (см. т. 2, глава 2, пп. 2.3–2.5) и создание химической теории строения веществ А.М. Бутлерова (см. т. 1, глава 9, п. 9.8) завершили классификационный период в развитии химии, на протяжении которого главными объектами изучения были состав и свойства вещества.
После классических работ Анри Сент-Клер Девиля по изучению процессов термической диссоциации, выполненных в конце 50-х гг. XIX столетия, на первый план выдвинулось изучение химических процессов и способов их осуществления. Применив разработанную им самим оригинальную методику, французский ученый показал, что вода, хлороводород, углекислый газ и ряд других устойчивых при обычных условиях соединений диссоциируют при высоких температурах. Работы А. Сент-Клер Девиля инициировали проведение интенсивных исследований по созданию теории химического равновесия.
Анри Сент-Клер Девиль (1818–1881)
В центре зарождавшегося нового направления в химической науке оказался химический процесс как таковой — его скорость и сопровождающие его явления, прежде всего, тепловой эффект реакции. Изучение химических превращений началось давно, но только во второй половине XIX столетия к большинству ученых пришло осознание того, что дальнейшее развитие фундаментальной науки и усовершенствование большинства технологических процессов невозможно без надежного физико-химического обоснования, без теоретических расчетов протекающих реакций.
К концу XIX столетия химия подошла к своеобразному рубежу на пути своего развития. На основании Периодического закона Д.И. Менделеева, а также теории химического строения веществ А.М. Бутлерова стал возможен синтез новых веществ, встречающихся и не встречающихся в природе, а также открытие новых химических элементов и их соединений. Казалось бы, химики-органики и неорганики могли получить все, что они хотели, и тем самым снабдить промышленность всеми необходимыми веществами и материалами{318}. Однако уже при первых попытках осуществить такие на первый взгляд простые процессы, как реакции получения NH3, SO3 и NO2, произошло первое разочарование во всесильности препаративной химии. Возникла своего рода тупиковая ситуация, выход из которой нашла только физическая химия.
Препаративная химия при решении вопроса о химической природе вещества пользовалась разнообразными операциями разделения и очистки. Однако при этом целый ряд важнейших в практическом и теоретическом отношении материалов — металлические сплавы, шлаки, жидкие и твердые растворы — долгое время ускользал от внимания исследователей, поскольку для таких матералов не подходили обычные методики препаративной химии. Только физико-химические методы позволили выяснить природу сложных систем переменного состава, уяснить такие основные понятия химии, как химический индивид, химическое соединение, фазы переменного состава{319}.
Превращение химии из описательной науки в науку, изучающую причины и механизмы химических превращений, произошло тогда, когда химические исследования конца XIX столетия стали прочно опираться на физические принципы, когда для объяснения условий протекания химического процесса на помощь пришла термодинамика. Обращение к физике было вызвано, главным образом, двумя причинами. Во-первых, стремлением существенным образом увеличить долю количественных результатов, поскольку достигшая своего расцвета классическая физика прочно опиралась на мощный фундамент математического подхода. Химики, следуя предначертаниям А.Л. Лавуазье, пытались перевести химические исследования на язык точных формул и уравнений.
Во-вторых, к 1880 гг. в сферах физических и химических исследований образовались такие пограничные области, которые по мнению ученых, относились к второстепенным{320}. Таким образом, на «периферии» двух этих наук образовался круг проблем, решением которых и занялась физическая химия (см. схему).
Схема, иллюстрирующая круг научных проблем физической химии в момент ее зарождения
Уже к концу 80-х гг. XIX столетия выяснилось, что проблемы, находящиеся на границе между классическими теориями физики и химии, являются не периферийными, а центральными. Именно они оказались связанными с самыми актуальными вопросами о состоянии вещества в растворах, о поведении атома, несущего заряд, о роли электрона в химии, о скоростях химических реакций, а также о химическом равновесии. Один из основоположников современной физической химии голландский ученый Я. X. Вант-Гофф (см. т. 1, глава 9, п. 9.9.2) формулировал эту новую отрасль естествознания как науку, посвятившую себя «введению физических познаний в химию с целью более плодотворного развития последней».
Одним из основных направлений в эволюции учения о химическом процессе стало изучение природы химического сродства, т. е. тех сил, которые порождают взаимодействие веществ и в результате которых образуются новые соединения. Вокруг этого направления группировались исследования в области термохимии, учения о химическом равновесии и химической кинетики.
Философия и методология научного познания не без основания рассматривает следующую иерархию организации и форм движения материи: физическая → химическая → биологическая → социальная. Согласно этой иерархии химические системы, включающие в себя физические объекты, являются более сложными. По сравнению с химией, биологией или медициной, в последней трети XIX столетия физика достигла больших успехов в изучении своих объектов, поскольку здесь более широко использовалось количественное математическое описание. Химия в этом отношении делала только первые шаги, а до строгого количественной интерпретации в биологии и социологии и сегодня еще достаточно далеко, хотя в настоящее время некоторые частные проблемы этих наук нашли свое отражение в математических моделях.
В методологии научного познания практикуется принцип, который называется редукционизмом (лат. reductio — понижение, восстановление). Следуя этому принципу, высшие формы организации и движения материи, в определенном приближении, можно объяснить на основе законов и концепций, заимствованных из описания субъективно более развитых низших форм. Великие умы XVII — начала XVIII вв. — Р. Декарт, Г. Галилей, И. Ньютон, X. фон Вольф и И. Кант — пытались построить исчерпывающую картину мира на основе законов классической механики. Такое направление в естествознании получило название механицизма.
К концу XIX столетия классическая физика достигла поистине выдающихся успехов: были разработаны такие разделы, как механика, термодинамика, электростатика, электродинамика, оптика и магнетизм. Не считая нескольких, казалось бы, мелких вопросов, физика могла претендовать на создание практически полной картины окружающего мира (см. т. 2, глава 5, п. 5.1). Окрыленные успехами сопредельной науки, ученые-химики осмелились воспользоваться физическими концепциями и строгим математическим аппаратом для решения проблем, лежащих в областях, пограничных между двумя этими разделами естествознания.
Таким образом сформировалась, по сути, преимущественно редукционистская наука — физическая химия. Становление физической химии происходило одновременно по нескольким направлениям:
— установление характера количественных изменений различных физических свойств веществ и их смесей в зависимости от состава;
— установление общих законов изменения свойств простых веществ, соединений и смесей в зависимости от внешних условий (температура, давление, наличие внешних силовых полей и т. д.);
— установление изменения свойств веществ в зависимости от их строения;
— установление закономерностей протекания химических процессов в зависимости от внутренних и внешних факторов;
— разработка новых методов исследования физико-химических свойств веществ и характера протекания химических реакций.
Процесс становления основ физической химии происходил в неразрывной связи с развитием неорганической, аналитической и органической химии, физики и других естественных наук, а также философии.