Реферат: Химия сегодня
1) Введение.
2) Эксперимент в современной структурной химии.
3) Компьютерное моделирование.
4) Круг объектов современной (структурной) химии.
5) Что такое "структура"?
6) Список использованной литературы.
Введение.
На рубеже тысячелетий в каждой из главных областей естествознания – биологии, физике, химии – произошли и происходят одинаково важные, капитальные, но притом весьма различные метаморфозы. Облик биологии преобразили молекулярная генетика, исследования биологических процессов на молекулярном уровне. Физика достигла колоссальных успехов в технологическом обеспечении электроники, поражает воображение расширение диапазона исследуемых частот и энергий (благодаря синхротрону и лазерной технике). Это пока не привело к пересмотру физических основ и общей картины мироздания, но можно ожидать, что радикальные сдвиги в теоретической физике произойдут в ближайшие годы.
Существенно иной представляется ситуация, сложившаяся в химии. Здесь также несомненно бурно развиваются новые представления (например, их несут в себе супрамолекулярная химия, нанотехнологии, фемтохимия). Фантастическими следует назвать достижения биохимии. Все шире внедряются представления о химическом веществе как о микрогетерогенной среде, и это играет огромную роль в химии материалов. Несомненно огромное значение имеют успехи квантовой химии, однако и классическая механика широко используется при описании и интерпретации химических процессов. И по-прежнему незыблемой основой очень многих разделов химии остаются структурные формулы и стереохимические представления, сложившиеся в конце 19-го века.
Основная метаморфоза, которую претерпела химия в 20-м столетии, заключается в том, что из "экспериментальной науки о веществах и их превращениях" [1] она превратилась в систему представлений, методов, знаний и теоретических концепций, направленных на изучение атомно-молекулярных систем (АМС). При этом основным средством описания, интерпретации, прогноза и использования АМС стала структура . Не будет большим преувеличением назвать всю современную химию структурной. В результате химия встала перед капитальной проблемой: возникла необходимость на новом уровне согласовать классическую физикохимию (термодинамику и кинетику) с быстро прогрессирующими структурными представлениями, со стремительно увеличивающейся в объеме структурной информацией.
Задачи такого рода ставит и решает методология химии , являющаяся неотъемлемой частью системы химических наук (и в то же время – частью общей методологии естествознания ) ). Однако в своем современном состоянии методология химии заметно отстает от реального положения дел, не дает достаточных средств для корректного непротиворечивого изложения химических знаний.
Прежде всего, само понятие "структура" очень часто используется неточно, легковесно и даже вообще не по делу. И в научной, и в учебной литературе нередко приходится встречаться с грубыми ошибками в описаниях структуры и использовании структурных данных. В действительности структура – это сложное многоуровневое понятие, существующее в форме ряда весьма различных приближений, и нужно пользоваться им так, чтобы в каждом конкретном случае была ясна сущность и степень достоверности подразумевающейся модели.
Далее, внедрение структурных представлений преобразило многие аспекты деятельности химиков и используемые ими фундаментальные понятия. Радикально видоизменилось, например, содержание таких центральных понятий классической химии, как "химическое вещество" и "химическое соединение" [1]. Изменились смысл и форма двух первооснов, на которых зиждется химия, – эксперимента и теории (речь идет о тех экспериментах и теоретических концепциях, которые доминируют в современной химии). В частности это связано с быстрым развитием компьютерного моделирования , что привело к появлению нового типа научной гипотезы .
Задачи настоящей статьи – диктуемое временем уточнение понятия структуры и анализ вытекающих из этого следствий, меняющих облик многих разделов химической науки. Чтобы по возможности ясно представить соображения, положенные в основу статьи, мы стремились к краткости и ограничились минимальным числом конкретных примеров. По-видимому, химия (в целом) никогда не страдала от недостатка фактического материала и постоянно не успевала своевременно раскладывать этот материал по многократно менявшейся системе "полочек". Похоже, пришло время в очередной раз перетасовать химические факты в соответствии с их структурной корректностью и значимостью.
Эксперимент в современной структурной химии.
Еще в 19-м веке корифеи химии указывали на сложное соотношение между понятиями "эксперимента" и "факта", а также на относительно малую значимость "фактов" как таковых ("…факт сам по себе ничего не значит. Важна интерпретация." Д.И.Менделеев; "…факт без теории – не наука." А.М.Бутлеров). К этому следует еще добавить, что любой "факт" можно зафиксировать (сформулировать), только опираясь на определенные теоретические (модельные) представления. Следовательно, если меняются теоретические воззрения, меняются и "факты", которые, таким образом, оказываются вписанными в постулируемую систему научных взглядов ) .
Однако, в середине 20-го века учебники химии (неорганической, органической, аналитической) чаще всего представляли собой увесистые тома или даже многотомные издания, содержащие огромное множество "экспериментальных фактов", которые следовало запомнить или хотя бы иметь в виду. Большая часть этих сведений была получена простыми очевидными способами и казалась весьма надежной. Но впоследствии очень многое оказалось неверным или неточным или неправильно истолкованным.
Тем временем мало-помалу стала меняться, причем во многих отношениях, та масса зафиксированного в научной литературе материала, который принято называть "опытными данными", "результатами экспериментальных исследований" и т.п. Этот процесс был обусловлен рядом факторов, из которых первым стало многократное увеличение числа научных работников. Стало возможным накопление огромных массивов однообразной информации для широкого круга химических соединений (диэлектрические постоянные, магнитная восприимчивость, дипольные моменты, термохимические данные и многое другое). Наряду с толстыми учебниками появились очень толстые справочники.
Далее, информация такого рода разрослась настолько, что перестала умещаться уже и в справочники; к тому же пользоваться такими изданиями стало дорого и неудобно. В последние три-четыре десятилетия 20-го века однообразная информация стала оседать в компьютерных базах данных (их называют также и банками). Пожалуй, наиболее грандиозное сооружение такого рода – Кембриджская база структурных данных (Cambridge Structural Database, CSD) [2], в настоящее время содержащая сведения о ~230 тысячах рентгеноструктурных и нейтронографических исследований органических и координационных соединений (http://www.ccdc.cam.ac.uk/prods/csd/csd.html). Быстро увеличивается в объеме и приобретает все большее значение Брукхейвенский банк, аккумулирующий результаты кристаллографического изучения белков и других биополимеров (начиная с 1998 г., этот банк является частью CSD).
Потоки фактической информации, используемой для наполнения компьютерных банков, практически полностью поступают от экспериментаторов, освоивших дорогое и весьма совершенное фирменное оборудование (бурный расцвет так называемых "физических методов исследования"!). Если говорить о структурных данных, то здесь основными источниками информации стали инфракрасные спектры и спектры комбинационного рассеяния, спектры ядерного магнитного резонанса и электронного парамагнитного резонанса, дифракционные методы (рентгеноструктурный анализ и нейтронография). Объем сведений, полученных с помощью названных методов в последние три-четыре десятилетия 20-го века, в тысячи раз превысил объем опытных данных, накопленных за предыдущие три века существования научной химии. При этом разрабатываемые в настоящее время новые экспериментальные методики (например, использование синхротронного излучения в рентгеноструктурном анализе) открывают фантастические возможности не только ускоренного накопления информации, но и ее полной перепроверки и уточнения, осуществляемого за очень короткие сроки ) .
Разумеется, развитие мощных физических методов, реализуемых с помощью фирменной аппаратуры, и существование компьютерных банков данных открывает новые великолепные возможности перед современной химией. Надо, однако, сказать и о негативных последствиях этих достижений. Создание ультрасовершенных приборов и комплексов программ для стандартизированной обработки экспериментальных данных заметно снизило творческий потенциал работающих на этих приборах исследователей ) , точнее, ту часть этого потенциала, которая могла бы и должна была бы направляться на осмысление получаемых результатов, нешаблонную оценку их значимости и соотнесение новых данных с актуальными проблемами химии. Стандартизация способов обработки и представления данных, принятая в компьютерных банках, поддерживаемая научными журналами, устанавливаемая научными сообществами как общепринятая норма, нередко приводит к тому, что исследователи осуществляют не тот эксперимент, который задуман (ими или их руководителями) и определяется поставленной научной задачей, а тот, который нужно выполнить, чтобы хорошо смотреться на конференции, без проблем опубликовать результаты и заложить их в банк.
При более общем взгляде на этот вопрос можно подразделить используемые физические методы на широко распространенные (общепринятые) (например, ИК- и ЯМР-спектроскопия), редкие, но также достаточно широко известные (например, газовая электронография), методы, представляющие собой нестандартное использование стандартного оборудования (например, прецизионный рентгеноструктурный анализ, о котором сказано ниже) и уникальные методы ) . В настоящее время работы, в которых используются уникальные методы, встречаются крайне редко. Почти не находится желающих идти непроторенными путями при наличии удобных хорошо оборудованных магистралей к тому же с риском не добиться успеха. Немаловажно и то, что в этом случае могут возникнуть проблемы с финансированием. Вместе с тем, если уникальный замысел оправдывает себя, при современном развитии коммуникаций метод быстро перемещается в разряд более или менее распространенных, если же нет, – забывается, и говорить о нем нет смысла. Поэтому затруднительно даже привести подходящий пример уникального метода. (Фемтосекундная спектроскопия [3] уже приобрела определенное распространение и в ближайшее время станет, если не общепринятой, то достаточно часто используемой.)
Аналогично приведенной классификации физических методов исследования (по степени их распространенности) можно классифицировать экспериментальные химические исследования, в том числе исследования, проведенные с применением физических методов. Здесь также можно говорить о работах стандартных, более редких, неординарных исследованиях и об уникальных экспериментах, причем уникальность вовсе не обязательно обусловлена использованием уникального физического метода. В химии 18-го и 19-го веков почти все успешные эксперименты (или, по крайней мере, большая часть таких экспериментов) были уникальными. В 20-м веке сформировался и достиг колоссального размаха стандартный химический эксперимент – производство однообразной информации. Мы уже говорили о высокой ценности опытных данных такого рода. И вместе с тем, особую, часто выдающуюся и решающую роль играли уникальные эксперименты. Выходя за рамки структурной химии в качестве примеров можно указать радиохимические исследования М. Склодовской-Кюри, определение химической структуры хлорофилла (Р.М.Вильштеттер) и его синтез (Р.Б.Вудворд), изучение биоэнергетики клетки (П.Митчел). В 21-м веке, надо думать, сохранится особая значимость, особое место нетривиального, нестандартного опыта, который М. Борн назвал "главным источником знания". Примечательно, что эти слова принадлежат не экспериментатору, а теоретику.
Компьютерное моделирование.
Важнейший аспект современной химии заключается в том, что наряду с приборными (инструментальными) физическими методами все большее место в ней занимает компьютерное моделирование. Это словосочетание в последние годы звучит все чаще. Но смысл его, похоже, не вполне ясно очерчен.
Первоначально (около тридцати лет назад) термин "компьютерное моделирование" чаще всего соответствовал понятию численного (осуществляемого на ЭВМ) эксперимента [5]. Однако в то время были уже широко распространены квантовохимические расчеты и некоторые другие громоздкие вычислительные задачи. Постепенно граница между расчетами такого типа и собственно компьютерными экспериментами стала размываться. Действительно, и в том, и в другом случае при правильной постановке исследования расчет приводит к получению новой информации, причем вычисления отнюдь не сводятся к обработке результатов экспериментальных измерений.
В настоящее время компьютерное моделирование как метод исследования находит широкое применение отнюдь не только в химии. Применительно к весьма разнообразным разделам естествознания (и даже не только естествознания) к области компьютерного моделирования можно отнести следующие задачи:
I. Расчетное воссоздание (восстановление, построение) какой-либо системы и/или ее свойств.
II. Расчетное воспроизведение какого-либо процесса (компьютерный эксперимент ).
III. Выявление и описание функциональных зависимостей (корреляций).
Это моделирование , потому что всегда используется некоторая модель (приближение). Оно компьютерное, поскольку требуется значительный объем вычислений.
Если теперь обратиться к химии, то конкретное содержание перечисленных задач можно представить следующим образом:
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--