Тема 4. Развитие химических концепций

II уровень макромира – химический.

Химия – наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава строения. Это система знаний о химических элементах и их соединениях, энергетике химических процессов, реакционной способности веществ, катализаторах и т.д. Современная химия занимается получением веществ с заданными свойствами и выявлением способов управления свойствами вещества. Основные химические представления были впервые сформулированы и приняты на первом Международном съезде химиков, состоявшимся в Германии в 1860 году.

Химической системой является молекула, а атом – элемент химической системы. Следовательно, с точки зрения химического уровня организации материи, атом представляется как далее неделимый компонент, входящий в состав молекулы. Основное положение Дальтона, что каждому химическому элементу соответствует особый вид атома, легло в основу всей современной химии. Этот факт остается непреложным и теперь, когда мы знаем, что каждый атом сам по себе является сложной структурой.

Д. И. Менделеев предположил, что если химические элементы расположить в порядке возрастания атомных весов, то их химические свойства укладываются в определенную схему. Системный подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодическую таблицу химических элементов. Этот закон у него звучал так: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов». В современном звучании этот закон формулируется так: «Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядра атомов (порядкового номера)».

Химические элементы вплоть до урана, который содержит 92 протона и 92 электрона, встречаются в природе. Начиная с 93 номера, идут искусственные элементы, созданные в лаборатории. Пока самый большой заявленный учеными номер – 118. Большинство атомных ядер нестабильно. Рано или поздно они самопроизвольно (спонтанно) распадаются на более мелкие ядра и элементарные частицы.

Разновидности химического элемента с одним и тем же числом протонов в ядре (оно соответствует номеру элемента), но разным числом нейтронов, т.е. имеющие разную атомную массу, называются изотопами. Другими словами, ядра изотопов отличаются числом нейтронов. Если сравнить массы ядер с массами нуклонов, то окажется, что масса ядра тяжелых элементов больше суммы масс протонов и нейтронов в ядре, а для легких элементов масса ядра меньше суммы масс протонов и нейтронов в ядре.

У всех нам хорошо знакомых химических веществ (железо, кислород, кальций и пр.) имеется хотя бы один стабильный изотоп. Тяжелые изотопы являются нестабильными частицами. У различных изотопов время полураспада варьирует от миллиардов долей секунды до миллиардов лет. То есть некоторые ядра живут практически вечно, а некоторые распадаются буквально моментально.

Радиоактивные элементы, рождаются по-разному, например, под воздействием космических лучей, состоящих из частиц с высокими энергиями или в результате радиоактивного распада других элементов.

С открытием сложного строения атома стала ясна причина связи атомов друг с другом. Она получила название «химическая связь» и указывала на то, что между атомами действуют силы взаимодействия электрических зарядов, носителями которых являются электроны и ядра атомов.

Природа химической связи, согласно современным представлениям, объясняется взаимодействием электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов, которые участвуют в образовании химических соединений. Однако одной лишь способности к взаимодействию недостаточно для образования связи. Две молекулы должны сблизиться и принять такую ориентацию, при которой атомы, способные образовывать химические связи, могли бы состыковаться, как космические корабли на орбите. Поэтому трехмерная структура имеет первостепенное значение для многих химических процессов.

В образовании химической связи между атомами главную роль играют электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно (валентные электроны). В зависимости от характера распределения электронной плотности между взаимодействующими атомами различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Важнейшей характеристикой химической связи, определяющей ее прочность, является энергия связи. Количественно она обычно оценивается с помощью энергии, затрачиваемой на ее разрыв.

Для разрешения вопроса о принципиальной возможности различных процессов вводится понятие внутренняя энергия. Внутренняя энергия – общий запас энергии системы, который складывается из энергии движения и взаимодействия молекул, энергии движения и взаимодействия ядер и электронов в атомах, в молекулах и т.п.

Русский химик Н. Н. Семенов считал, что химический процесс – это мост от простых физических объектов, таких как электрон, протон, молекула к образованию живой системы – клетки. Именно химический процесс делает химию более сложной наукой, чем физика, показывает не сводимость химического уровня организации материи к физическому уровню.

Многие химические реакции обратимы и представляет собой перераспределение химических связей. Однако на практике равновесие смещается в ту или иную сторону в зависимости от природы реагентов и условий процесса.

Конечно, есть реакции, которые не требуют особых средств управления: например, реакция нейтрализации или реакции, сопровождающиеся образованием осадков или газов. Однако подавляющее большинство химических реакций – трудноконтролируемые: или их просто не удается осуществить, хотя они в принципе осуществимы; либо их трудно остановить; либо сложно получить желаемый результат, поскольку образуются десятки побочных реакций.

Химическая кинетика объясняет качественные и количественные изменения химических процессов, происходящих во времени, выявляет механизм реакций.

Обычно реакция протекает в нескольких промежуточных стадий, которые, складываясь, дают суммарную реакцию. Скорость химических реакций – зависит от природы реагирующих веществ и от условий, в которых она протекает. Важнейшими условиями протекания химических реакций являются концентрация веществ, температура, присутствие катализаторов, давление.

Отличие химического уровня организации от молекулярного подуровня биологического уровня макромира

На каждом уровне организации материи действуют свои специфические закономерности, и имеются свои особенности пространства и времени. Так, на нашей планете мы сталкиваемся с определенными особенностями жизни на всех уровнях организации в отличие от неживых объектов.

Так, органические молекулы существуют в двух структурных формах, схожих и в то же время отличных, как левая и правая рука. Например, если через раствор аминокислот пропустить когерентный поляризованный свет, то под действием света молекулы будут вращаться. Одни аминокислоты будут вращаться вправо (правовращающиеся), другие молекулы – влево (левовращающиеся). Вращение в ту или иную сторону связано с положением центрального атома углерода. В неживой природе аминокислоты и моносахара (право- и левовращающиеся), представлены приблизительно в равном количестве. В организмах: все аминокислоты, входящие в состав белков – только левые, а все сахара организмов – правые изомеры. Подобное явление связано с избирательность ферментов, образующих органические молекулы из этих мономеров в клетке. Оптическая асимметрия называется «хиральная чистота».

В организмах органические синтезы проходят оптически избирательно, и вещество становится асимметричным и на других уровнях организации молекул.

Матричные синтезы характерны только для организмов, в неживой природе им аналогов нет. Например, в одной из цепей ДНК имеется информация о каком-то белке. Однако другая, комплиментарная ей цепь ДНК эту информацию не несет. Она выступает как матрица – форма для синтеза «смысловой» цепи. Другими словами, две цепи ДНК физически идентичны (состоят из нуклеотидов), а функционально – отличны (снова проявление асимметрии).

Ферменты матричного синтеза – не просто отдельные катализаторы, ускоряющие реакцию. Они всегда образуют сложные комплексы, работающие как единое целое, как некая молекулярная машина, способная обеспечить точность соответствия синтезируемого полимера используемой матрице. Так, для синтеза белков требуется участие более сотни ферментов, образующих сложные надмолекулярные комплексы. Случайное возникновение такой системы исключено.

Величина биомолекул доходит до сотен тысяч молекулярного веса и встречается только в живых организмах.

Благодаря наличию ферментативных систем, скорость прохождения реакций в клетке немыслима для неорганических структур. Например, синтез белков и других биополимеров в клетке происходит за долю секунды или несколько секунд, а на синтез этих веществ на производстве или в лабораторных условиях (при наличии всех необходимых условий и катализаторов) требуются месяцы или годы.

В клетке поддерживается гомеостаз – постоянные условия существования: давление, кислотность среды, температуры и др., а в лабораторных условиях требуется применение высоких температур, давления и т.д., которые совершенно не допустимы в клетках. В химии подавляющее большинство реакций – трудноконтролируемые: или их просто не удается осуществить, хотя они в принципе осуществимы; либо их трудно остановить; либо сложно получить желаемый результат, поскольку образуются десятки побочных реакций.

Отсюда, в неорганической химии, молекулы, участвующие в реакциях, просты, а механизмы реакций очень сложны. В организмах, наоборот, схема реакций проста, а сами молекулы сложны.

Энергетические процессы в клетке происходят в двух органеллах: хлоропластах и митохондриях в виде образования молекул АТФ, содержащих колоссальное количество энергии. Особенность энергетических процессов происходящих в организмах проявляется и в том, что энергия расходуется ступенчато, маленькими порциями и никогда не выделяется сразу (в отличие от процесса горения, который имеет ту же формулу, что и процесс дыхания).

В физике есть закон однородного и симметричного распределения молекулярных и атомных элементов, согласно ему всякое тело стремиться принять ту форму, при которой оно проявляет минимум энергии на поверхности. Например, капля воды пока не упала на пол, принимает форму сферы (минимум энергии на поверхности). На основании этого закона в природе никогда не встречаются пентагональные системы (максимум энергии на поверхности). Действительно, все известные нам кристаллы – 4, 6, 8-угольные, но мы не знаем таких кристаллов, которые имели бы пятиугольную форму. Однако в живой природе пятиугольник и додекаэдр встречаются достаточно часто. Например, форма тела лучевиков и иглокожих (морские звезды, офиуры).

Кроме перечисленных отличий, существуют еще и другие, например: рост живых и неживых систем. Кристаллы увеличиваются в процессе агглютинации (склеивания), т.е. направление роста извне – внутрь. Любая живая система растет путем экспансии изнутри и наружу. Это выражается: 1) в росте организма; 2) расширения среды обитания; 3) усложнения форм взаимодействия с окружающей средой, 4) в постоянном увеличении потребляемой извне энергии.

Следующие отличительные особенности – самосохранение живых систем, их приспособляемость к внешней среде, самовоспроизведение и наследственность.

Одно из важнейших свойств, характерное для абсолютно всех живых существ, обитающих на Земле, является обмен веществом и энергией с окружающей средой. Так, на В. И. Вернадского произвела впечатление статья в газете, где описывалась стая саранчи, которая летела с территории Африки в Европу в течение трех суток. За это время в одной этой стае с материка на материк переместилось столько же железа, меди и марганца, сколько выработало человечество за весь XIX век. Поэтому ученый и приравнивал воздействие живых существ на Земле к действию геологических факторов, например, таких как землетрясения.