§ 1. Понятие сложности в химии

Специфически химический способ развития — прямой субстратный синтез зависит от сложности химических элементов Чем сложнее химический элемент, тем выше его способность к синтезу с другими элементами, тем значительнее «вклад» в химическую эволюцию.

Как уже отмечалось, сложность как таковая есть интег­рированное многообразие. Сложность есть прежде всего мно­гообразие, из которого образован предмет. Но само по себе многообразие еще не составляет предмет, ибо последний дол­жен быть целостностью. Поэтому сложность характеризуется не только тем, какое многообразие содержания (в смысле:

¹⁸⁹ См.: Гарковенко Р.В. Проблема развития и современная химичес­кая атомистика, Кузнецов В.И. Диалектика развития химии

¹⁹⁰ См.: Кузнецов В.И. Диалектика развития химии, с 193—194

¹⁹¹ Там же, с. 187—188.

¹⁹² Там же, с. 194.

62

«все, что содержится в предмете») заключено в предмете, но и тем, как это многообразие интегрировано в целостное обра­зование. Так, смесь водорода и кислорода представляет со­бой определенную сложность, поскольку смесь обладает и определенной интегрированностью. Однако эта сложность на порядок ниже, чем сложность воды, образованной из тех же элементов. Правда, более глубоко интегрированное многооб­разие (в данном случае молекула воды) не тождественно многообразию, связанному с более слабой степенью интегра­ции (смесь водорода и кислорода). Существует, очевидно, оп­ределенное соответствие между многообразием и характером его интеграции. Определенное многообразие предполагает оп­ределенный способ интеграции, а каждый способ интеграции обладает определенной «емкостью» многообразия.

Указанные стороны сложности (многообразие и интегрированность) лежат в основе двух разновидностей информа­ционного подхода к описанию сложности —через разнообра­зие (Эшби) и через упорядоченность (Шеннон).

Сложность химического элемента — это все многообразие его «признаков», т. е. его физическое строение и свойства, хи­мические сущность и качество, выраженные во всей совокуп­ности химических свойств. Поскольку природа химического элемента проявляется в его реакционной способности, послед­няя может служить обобщенным, интегральным показателем сложности. В связи с этим возникает вопрос об эволюцион­ном содержании реакционной способности как важнейшего, интегрального проявления природы химических объектов.

На наш взгляд, в реакционной способности следует раз­личать прежде всего два момента: количественный и качест­венный. Количественная сторона реакционной способности — это легкость и быстрота образования связей, а также число атомов, которое способен интегрировать данный элемент. Ка­чественная сторона выражается в многообразии различных химических элементов, с которыми может вступать в реакции данный элемент, а также в многообразии образуемых им сое­динений.

Если к реакционной способности элементов подходить с непосредственной стороны, т. е. со стороны легкости и быст­роты вступления их в реакции, то с галогенами и в первую очередь с фтором не может сравниться ни один элемент.

Хотя галогены вступают в реакции со всеми химическими элементами и образуют большое число качественно различ-

63

ных соединений, но они в основном являются низкомолеку­лярными и обладают слабой реакционной способностью, в то время как элементы-органогены образуют огромное количест­во высокомолекулярных и очень активных соединений. Это объясняется прежде всего природой атомов углерода, их уни­кальной способностью связываться друг с другом в самые различные по величине и разветвленности цепи и тем самым образовывать различные по сложности молекулы, вплоть до самых сложных.

Качественная сторона реакционной способности выража­ется не только в непосредственно получаемых продуктах, но и во всей совокупности отдаленных, конечных результатов Иными словами, в оценке реакционной способности химических веществ необходимо учитывать перспективную сторон), способность к дальнейшим превращениям. Рассматриваемая в этом плане реакционная способность выступает как показатель возможностей дальнейшего развития, связанного с тем или иным химическим элементом (соединением), как его эво­люционный потенциал, потенциал развития. С этой стороны реакционная способность элементов-opганогенов, и прежде всею углерода, намного превосходит реакционные способности всех других элементов. Только элементы жизни, точнее углерод, имеющий «неограниченный» потенциал развития способен вывести нехимическую форму материи за ее собственные пределы.

Понятие эволюционного потенциала служит конкретизацией, «дальнейшим определением» понятия реакционной способности под углом зрения теории развития. Эволюционный потенциал элемента —это внутренняя, глубинная диалектике екая сторона его реакционной способности. Следовательно необходимо различать непосредственною и внутреннюю, или глубинную, сложность элементов. Непосредственная слож­ность элемента проявляется в многообразии связей, образуе­мых им с другими элементами, и определяется по относительно простым соединениям (например, по соединениям с кисло родом, водородом). Элементы малых периодов вступают во взаимодействие с большинством элементов. Даже водород, имеющий один электрон, участвует в самых разнообразных превращениях. Д.И. Менделеев отмечал, что «все элементы с малым атомным весом характеризуются резкостью свойств. Они поэтому суть типические элементы Водород, как легчайший элемент, по справедливости избирается как самый типический... Элементы с малым атомным весом заслуживают наибольшего интереса, чем элементы, атомный вес которых велик» ¹⁹³. Типические элементы, в особенности фтор и угле-

¹⁹³ Менделеев Д.И. Периодический закон, с. 31, 29

64

род, обладают большей непосредственной сложностью, чем элементы больших периодов.

Внутренняя, или глубинная, сложность элемента выража­ется в его способности образовывать то или иное многообра­зие химических соединений. Эта сложность выявляется в про­цессе длительной эволюции химического вещества, во всей совокупности образуемых соединений. Если непосредственно фтор и углерод трудно различить по сложности, ибо тот и другой активно взаимодействуют почти со всеми элементами (хотя углерод заметно отличается от фтора способностью од­новременно присоединять к себе несколько атомов), то по способности образовывать сложные и высокореакционные соединения, т. е. по эволюционному потенциалу, фтор значи­тельно } ступает углероду. Следовательно, действительная сложность элемента складывается из непосредственной и глу­бинной сложности. В этом смысле ее можно назвать «пол­ной» сложностью. Сравнение элементов по их действитель­ной, или полной, сложности показывает, что самым сложным элементом является углерод. Д. И. Менделеев писал, что «уг­лерод резко отличается по своим основным свойствам от большинства остальных элементов. .» ¹⁹⁴, что «ни в одном из элементов такой способности к усложнению не развито в та­кой мере, как в углероде» ¹⁹⁵

Свойства углерода как «главного носителя жизни» (Эн­гельс) описаны Ю. А. Ждановым, С, А. Щукаревым: углерод обладает уникальной способностью к образованию прочных цепей, циклов и других структурных скелетов, составленных из углеродных атомов; атомы углерода в одной и той же мо­лекуле могут иметь самые различные степени окисления; углерод является единственным элементом, у которого валент­ность и координационное число равны; углерод может одно­временно присоединять к своим атомам и кислород и водо­род ¹⁹⁶. Эти своеобразные свойства углерода обусловлены оп­ределенными физическими свойствами, в частности способ­ностью спаренных электронов образовывать вокруг каждого атома углерода тетраэдрическую конфигурацию.

В философской литературе существует представление о линии последовательного усложнения элементов от водорода до урана и далее¹⁹⁷. С этих позиций сложность химических элементов находится в пропорциональной зависимости от сложности атома как физического образования. Чем сложнее структура ядра и электронных оболочек атома, тем сложнее

¹⁹⁴ Менделеев Д.И. Периодический закон, с 169.

¹⁹⁵ Менделеев Д.И. Основы химии. М—Л, 1934, т 1, с 255

¹⁹⁶ См. Жданов Ю.А. Углерод и жизнь — Ростов н/Д, 1968, Щукарев С.А. Неорганическая химия М, 1974, т 2

¹⁹⁷ См. Кедров Б. М. Предмет и взаимосвязь естественных наук, с 108. 5

65

оказывается и химический элемент. Некоторые авторы даже считают, что атом урана сложнее, чем молекула водорода ¹⁹⁸. На наш взгляд, с этим нельзя согласиться. Безусловно, ато­мы урана и водорода как физические образования резко раз­личаются по сложности. Однако сложность химического эле­мента не является прямо пропорциональной физической сложности атома, не изменяется пропорционально изменению атомного номера. Соответствие роста сложности атомов и эле­ментов наблюдается на отрезке от водорода до углерода, хо­тя и здесь оно оказывается в определенной мере относитель­ным. Сложность химических элементов растет не непрерыв­но, не в порядке увеличения атомного номера от 1 до 105 и далее, а прерывно, неравномерно. Другими словами, если сложность атомов как физических образований с увеличени­ем порядкового номера изменяется линейно, то сложность химических элементов изменяется нелинейно: она возрастает в линейном порядке до углерода, а затем убывает. Вполне допустимо существование в рамках этой кривой и других, «малых», пиков (максимумов) сложности.

Несоответствие в росте физической и химической сложно­сти элементов особенно ярко проявляется в «интерпериодиче­ских» группах, где физическая сложность элементов растет постоянно по мере присоединения каждого нового протона ¹⁹⁹, а химическая сложность практически не изменяется. С физи­ческой стороны изменения в сложности те же, что при пере­ходе от одного элемента к другому вообще, а в химическом плане картина совершенно иная: все лантаноиды и актинои­ды химически являются очень сходными.

Блестящие предсказания Д. И. Менделеева, как нам пред­ставляется, фактически опирались на учет различной динами­ки изменения физической и химической сложности элемен­тов. Применяя метод интерполяции, когда известны ближай­шие (по горизонтали и вертикали) элементы, Д. И. Менде­леев вычислял атомный вес искомого элемента как среднее арифметическое по отношению к атомным весам известных, используя тем самым линейное изменение физической слож­ности элементов с возрастанием их порядкового номера; на­пример, атомный вес селена равен 1/4 атомных весов серы, теллура, мышьяка и брома. Аналогично (как среднее по от-

¹⁹⁸ См.: Штофф В. А. К вопросу о классификации форм движения ма­терии в неорганической природе. — В кн.: Проблемы развития в природе и обществе, с. 67.

¹⁹⁹ Атомы как физические образования усложняются не только с из­менением в них количества протонов, однако именно этот признак оказы­вается наиболее значимым с точки зрения периодического закона. Как из­вестно, «место» элемента в химическом мире имеет свой физический при­знак — заряд ядра, определяемый по числу содержащихся в нем протонов.

66

ношению к свойствам этих элементов) можно определить и другие свойства селена ²⁰°.

Эффект нелинейности изменения химических свойств при ' интерполяции сводился к минимуму, хотя он давал себя знать и в этом случае. Так, если исходить из чисто физиче­ской стороны периодической системы, то элементы с боль­шим атомным весом должны, находиться в периодической системе за элементами с меньшим весом. Учитывая химиче­скую сложность элементов, нелинейность ее изменения, Д. И, Менделеев вопреки общему правилу (последовательному воз­растанию атомных весов от элемента к элементу) -распола­гает аргон, кобальт, теллур впереди соответственно калия, ни­келя, йода. В этом ярко проявилось то обстоятельство, что понятие «место элемента» имеет специфически химический смысл, не совпадающий с его (места) физической характери­стикой — атомным весом, или зарядом ядра.

В случае экстраполяции, когда известны элементы лишь далеко отстоящие от прогнозируемого (например, галоида в 9-ом или 11-ом ряду), тенденция изменения сложности хими­ческих элементов вследствие ее нелинейности приобретает большую неопределенность, что резко снижает адекватность предсказаний. Как отмечал Д. И. Менделеев, «для неизвест­ных элементов, вблизи или, так сказать, вокруг которых нет известных, нельзя бывает так подробно предвидеть свойства, как это оказалось возможным для Ge, Ga и Sc»²⁰¹.

Учет факта нелинейности изменения химической сложно­сти элементов, его несовпадения с изменением физической сложности с особой силой выразился в предсказании Д. И. Менделеева существования верхней границы периодической системы. Обнаружив, что типические элементы характеризу­ются резкостью свойств (имеют наряду с общими свойства­ми группы также особые, самостоятельные) и среди них мно­го кислотных элементов, что в дальнейшем не повторяется, а напротив, в десятом ряду (седьмом периоде) появляется мно­го основных элементов, Д. И. Менделеев приходит к выводу о близости конца периодической системы ²⁰².

Выраженная в периодическом законе динамика изменения физической и химической сложности элементов имеет боль­шое предсказательное значение и для химии соединений. Не­линейному изменению химической сложности элементов, их эволюционного потенциала, как нам представляется, соответ­ствует нелинейное изменение сложности образуемых ими сое­динений. Так, соседи по периоду — бор и углерод — различа-

²⁰⁰ См.: Менделеев Д. И. Периодический закон, с. 293.

²⁰¹ См.: там же, с. 263.

²⁰² Там же, с. 100,

67

ются физически лишь на один протон, т е так же, как бор, от своего предшественника по периодической системе берил­лия. Вместе с тем по химической сложности и эволюционно­му потенциалу они различаются несравненно больше, чем бор химически отличается от бериллия Если бор образует соединения, связанные с побочной линией развития химиче­ского, то углерод — с магистральной Поэтому создание шкалы сложности химических соединений на основе понятия магистрали химической эволюции, выделение крупных ступеней развития химического усилит предсказательную функцию хи­мии. Эта шкала позволит определять место химического вещества в общем процессе химической эволюции, его принад­лежность к той или иной ступени развития. В этом случае станет возможным предсказывать неизвестные соединения, их свойства и структуру через место в общем закономерном ряду химической эволюции.

Обнаружение различной динамики в физическом и химическом усложнении элементов позволяет углубить наши пред­ставления о качественной специфике химической формы материи. Глубокое различие физического и химического заключено уже в том, что химические элементы усложняются двояко физически – линейно, а химически — нелинейно.

Следует заметить, что различение физического и химического характера усложнения химических элементов имеет условный характер. Речь идет только о том, что с увеличением порядкового номера атомы как физические образования не­уклонно усложняются, в то время как химически они могут упрощаться. Однако отсюда вовсе не следует, что в физиче­ской форме материи изменения происходят везде и во всем «линейно»

Наивысшей сложностью обладает углерод (чисто извест­ных соединений углерода почти в десять раз превышает чис­ло известных соединений всех остальных элементов) ²⁰³, т е такой элемент, физическая природа которого еще не переус­ложнена, в силу чего он и оказывается максимально способным к химическим превращениям. Дальнейшее физическое усложнение атомов в лучшем случае ведет к росту непосред­ственной активности (легкости вступления в химические ре­акции, скорости их протекания) и не сопровождается ростом внутренней химической сложности Физическая сложность химических элементов с определенного момента становится даже препятствием их устойчивому существованию. Сложные (радиоактивные) атомы оказываются внутренне неустойчивыми (нестабильными) образованиями, способными к непре­рывному самопроизвольному распаду.

²⁰³ См. Кемпбел Дж. Современная общая химия т 2, с 125

68