Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Естественно-научная картина мира. Учебник
.pdf
181
тура», т.е. структура молекулы, макромолекулы, монокристалла.
Так, например, в результате опытов был выявлен факт, что
наряду с химически сравнительно пассивным нормальным бутаном существует имеющий достаточно высокую химическую активность углеводород изобутан с тем же химическим составом
(4 атома углерода и 10 атомов водорода в молекуле: С4Н10).
Но чем можно объяснить этот эмпирический факт? Химики потратили немало усилий, чтобы ответить на этот вопрос.
Они дополнительно привлекли много аналогичных давно известных фактов, указывающих на различную химическую активность других углеводородов с взаимно одинаковым химическим составом, ставили все новые и новые эксперименты, пока,
наконец, в 1860 г. не появилась теория химического строения
Александра Михайловича Бутлерова (1828–1886), которая связала всю цепь эмпирических исследований органических веществ — от опытов, производимых в начале XIX в., до гипотез и
теорий, выдвинутых в середине столетия. Выяснилось, в частности, что пассивный бутан и активный изобутан при одном и том
же химическом составе различаются по своему химическому
строению:
Химическим соединением называется атомномолекулярная система, обладающая следующими признаками:
1) содержанием большего числа атомов ограниченного
числа так называемых сортов;
2) каждому сорту атомов соответствует определенная ко-
ординация постоянных, определяющих индивидуальность химического соединения, распределение атомов по сортам (состав);
3) способностью существовать в виде одного или не-
скольких химических веществ.
С возникновением структурной химии у химической
науки появились неизвестные ранее возможности целенаправ-
182
ленного качественного влияния на преобразование вещества. В
настоящее время на уровне структуры молекулы понимается и
пространственная, и энергетическая упорядоченность.
Вершиной структурной химии стал период после 1880 г.,
когда был открыт органический синтез, и когда началось его
бурное (можно сказать, триумфальное) развитие. Химики считали, что из нескольких простейших элементов они могут складывать все остальные. Но в рамках этого уровня возникла необходимость исследовать основные параметры химических процессов. На уровне структурной химии не представлялось
возможным получение этилена, ацетилена, бензола и других
углеводородов из парафиновых углеводородов. Многие реакции
органического синтеза на основе структурной химии давали
очень низкие выходы необходимого продукта и большие отходы
в виде побочных продуктов. Вследствие этого их нельзя было
использовать в промышленном масштабе. Кроме того, для производства на основе органического синтеза использовалось дорогостоящее сельскохозяйственное сырье — зерно, жиры, молочные продукты. А сам технологический процесс является
многоэтапным и трудноуправляемым.
7.5. Учение о химических процессах
Химические процессы представляют собой сложнейшее
явление как в неживой, так и в живой природе. Эти процессы
изучают химия, физика и биология. Перед химической наукой
стоит принципиальная задача — научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы, другие
трудно остановить — реакции горения, взрывы, а часть из них
трудноуправляема, поскольку они самопроизвольно создают
массу побочных продуктов. Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.
Все химические реакции имеют свойство обратимости,
происходит перераспределение химических связей. Обратимость удерживает равновесие между прямой и обратной реакциями. В действительности равновесие зависит от условий про-
183
хождения процесса и чистоты реагентов. Смещение равновесия
в ту или другую стороны требует специальных способов управления реакциями. Например, реакция получения аммиака:
N2 + 3H2 = 2 NH3.
Эта реакция проста по составу элементов и своей структуре. Однако на протяжении целого столетия, с 1813 по 1913 гг.,
химики не могли ее провести в законченном виде, так как не были известны средства управления ею. Она была осуществима
только после открытия соответствующих законов нидерландским и французским физико-химиками Я. Х. Вант-Гофом и
А. Л. Ле Шателье. Было установлено, что синтез аммиака происходит на поверхности твердого катализатора при сдвиге равновесия за счет высоких давлений.
Все проблемы, связанные с такими сложными процессами, как, например, получение аммиака, решает химическая ки-
нетика. Она устанавливает зависимость химических реакций от
различных факторов — от строения и концентрации реагентов,
наличия катализаторов, от материала и конструкции реакторов и т.д.
К условиям протекания химических процессов относятся,
прежде всего, термодинамические факторы, характеризующие
зависимость реакций от температуры, давления и некоторых
других условий. В еще большей степени характер и особенно
скорость реакций зависят от кинетических условий, которые
определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и
иных условий. Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций при определенной
структуре молекул химических соединений. Наиболее активны
в этом отношении соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них и
направлено в первую очередь действие разных катализаторов,
которые значительно ускоряют ход химических реакций.
Меньшее влияние оказывают на реакции такие термодинамические факторы, как температура и давление. Для сравнения можно привести реакцию синтеза аммиака из азота и водорода. Вна-
184
чале его не удавалось получить ни с помощью большого давления, ни высокой температуры, и только использование в качестве катализатора специально обработанного железа впервые
привело к успеху. Однако эта реакция сопряжена с большими
технологическими трудностями, которые удалось преодолеть
после того, как был использован металлорганический катализатор. В его присутствии синтез аммиака происходит при обычной
температуре (18 °С) и нормальном атмосферном давлении, что
открывает большие перспективы не только для производства
удобрений, но в будущем такого изменения генной структуры
злаков (ржи и пшеницы), когда они не будут нуждаться в азотных удобрениях. Еще большие возможности и перспективы возникают с использованием катализаторов в других отраслях химической промышленности, в особенности в «тонком» и «тяжелом» органическом синтезе.
Основываясь на законах термодинамики, химия определяет возможность того или иного процесса, условия его осуществления, внутреннюю энергию. Химическая кинетика объясняет
качественные и количественные изменения в химических процессах и выявляет механизм реакции. Реакции проходят, как
правило, ряд последовательных стадий, которые составляют
полную реакцию. Протекание процессов определяется так называемыми структурно-кинетическими факторами: строением исходных реагентов, их концентрацией, наличием катализаторов и
других добавок, способов смешения реагентов, материалами и
конструкцией сосудов (реакторов), в которых протекает реакция, и т.д. Среди этих структурно-кинетических факторов
наиболее важным является катализ. Последний представляет
собой посредничество третьих тел в процессе реакции и был
открыт К. Кирхгофом в 1812 г.
7.6. Эволюционная химия
В основе эволюционной химии лежат процессы биокатализа, ферментологии; ориентирована она главным образом на
исследование молекулярного уровня живого. Под эволюционными проблемами следует понимать проблемы самопроизволь-
185
ного синтеза новых химических соединений (без участия человека). Эти соединения являются более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными
веществами. Наиболее явственным образом химическая процессуальность просматривается в эволюции Вселенной, Земли,
присущих ей форм жизни и химической деятельности человека.
Данные космологии свидетельствуют о нуклеосинтезе: химические элементы по преимуществу явились продуктами процессов, происходящих в звездах. Данные геологии и геохимии показывают, что эволюция Земли была связана с химикоплотностной дифференциацией.
Химическая эволюция вещества начинается в момент
начала расширения Вселенной. Этому моменту соответствует
стадия элементарных частиц, когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер уже не способна преодолеть барьер отталкивания между ними. В результате при температуре приблизительно 10 тыс. градусов образуется многоярусная система,
окруженная электронной оболочкой, и первые соединения (СО,
СН, НО, SiO). Затем при температурах ниже 3–4 тыс. градусов
начинается образование твердых тел, а при возникновении некоторых оптимальных условий, соответствующих условиям появления геосфер Земли, начинается биогенная стадия эволюции
вещества.
В химии весьма отчетливо проявляется неравноценность
отдельных химических элементов. Подавляющее большинство
химических соединений (96 % из более 8,5 млн известных в
настоящее время) — это органические соединения. В их основе
лежат 18 элементов (наибольшее распространение имеют всего
6 из них). Это происходит в силу того, что, во-первых, химические связи прочны (энергоемки) и, во-вторых, они еще и лабильны. Углерод как никакой другой элемент отвечает всем
этим требованиям энергоемкости и лабильности связей. Он совмещает в себе химические противоположности, реализуя их
единство.
Химики давно пытались понять, каким образом из неорганической безжизненной материи возникает органическая как
основа жизни на Земле. Какая лежит в основе этого процесса
186
лаборатория, в которой без участия человека получаются новые
химические соединения, более сложные, чем исходные вещества?
Современные химики считают, что на основе изучения химии организмов можно будет создать новое управление химическими процессами, а это позволит более экономично использовать имеющиеся в природе материалы и извлекать из них
большую пользу. Для решения проблемы биокатализа и использования его результатов в промышленных масштабах химическая наука разработала ряд методов — изучение и использование приемов живой природы, применения отдельных ферментов
для моделирования биокатализаторов, освоение механизмов
живой природы, развитие исследований с целью применения
принципов биокатализа в химических процессах и химической
технологии.
В эволюционной химии существенное место отводится
проблеме самоорганизации систем. Теория самоорганизации
отражает законы такого существования динамических систем,
которое сопровождается их восхождением на все более высокие
уровни сложности в системной упорядоченности или материальной организации.
В процессе самоорганизации предбиологических систем
шел отбор необходимых элементов для появления жизни и ее
функционирования. Из более 100 химических элементов, открытых к настоящему времени, многие принимают участие в
жизнедеятельности живых организмов. Наука же считает, что
только шесть элементов — углерод, водород, кислород, азот,
фосфор и сера составляют основу живых систем, из-за чего они
получили название органогенов. Весовая доля этих элементов в
живом организме составляет 97,4 %. Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых систем входят еще
12 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк,
кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор. Еще около
20 элементов участвуют в жизнедеятельности живых систем в
зависимости от среды их обитания и состава питания.
Не менее важно и то обстоятельство, что все элементы,
участвующие в построении живых систем и их функционировании, распределены по всей поверхности Земли. Таким образом,
187
жизнь возникала в любом месте на Земле, где для этого создавались благоприятные условия. В космосе же преимущественно
господствуют два элемента — водород и гелий, а остальные существуют в виде примесей и составляют ничтожно малую массу.
Особая роль отведена природой углероду. Этот элемент
способен организовать связи с элементами, противостоящими
друг другу, и удерживать их внутри себя. Атомы углерода образуют почти все типы химических связей. На основе шести органогенов и еще около 20 других элементов природа создала
около 8 млн различных химических соединений, обнаруженных
к настоящему времени. 96 % из них приходится на органические
соединения.
Из такого количества органических соединений в строительстве биомира задействованы природой всего несколько сотен. Из 100 известных аминокислот в состав белков входит
только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в
любых живых организмах. Поиски различного рода природных
катализаторов позволяют химикам сделать ряд выводов (к этому
различными путями пришли также геология, геохимия, космохимия, термодинамика, химическая кинетика).
1. На ранних стадиях химической эволюции мира катализ
отсутствовал. Условия высоких температур — выше 5 000 К,
электрических разрядов и радиации препятствуют образованию
конденсированного состояния.
2. Проявления катализа начинаются при смягчении усло-
вий ниже 5000 К и образования первичных тел.
3. Роль катализатора возрастала по мере того, как физиче-
ские условия (главным образом температура) приближались к
земным. Но общее значение катализа (вплоть до образования
более или менее сложных органических молекул) все еще не
могло быть высоким.
4. Появление таких, даже относительно несложных си-
стем, как: СН3ОН, СН2 = СН2; НС = СН, Н2СО, НСООН, НС = N,
а тем более оксикислот, аминокислот и первичных сахаров, бы-
188
ло своеобразной некаталитической подготовкой старта для
большого катализа.
5. Роль катализа в развитии химических систем после дос-
тижения стартового состояния, т.е. известного количественного
минимума органических и неорганических соединений, начала
возрастать с фантастической быстротой. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получились относительно большим числом химических путей и
обладали широким каталитическим спектром.
Функциональный подход к объяснению предбиологиче-
ской эволюции сосредоточен на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, выявлении законов, которым подчиняются такие процессы. Это в основном позиции физиков и математиков.
В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и
биогенеза, выдвинутая ранее в самых общих положениях профессором Московского университета А. П. Руденко. Сущность
этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, при этом процесс саморазвития химических катализаторов двигался в сторону их совершенствования, шел постоянный отбор все новых катализаторов с большей реактивной активностью.
Открытый А. П. Руденко основной закон химической
эволюции гласит:
Эволюционные изменения катализатора происходят в том
направлении, где проявляется его максимальная активность.
Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходят за счет энергии базисной реакции. Поэтому эволюционируют каталитические системы с большей
энергией. Такие системы разрушают химическое равновесие и в
результате являются инструментом отбора наиболее устойчивых
эволюционных изменений в катализаторе [70].
Процессы химической эволюции. Природа в процессе
эволюции живых организмов создала своеобразные химические
189
технологии необычайной эффективности. Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение механизмов химических превращений, присущих живой материи.
При изучении химизма живой природы биохимией и молекулярной биологией было установлено:
1) состав и структура биополимерных молекул представ-
ляют собой единый набор для всех живых существ, вполне доступный для исследования физическими и химическими методами;
2) в живых системах осуществляются такие темпы хими-
ческих превращений, какие никогда не обнаруживались
в неживом мире.
Давно было установлено, что основой химии живого являются каталитические химические реакции, то есть биокатализ.
Тот факт, что катализ играл решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим, т.е. на предбиотической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными и аргументами. Наиболее убедительные результаты связаны с опытами по самоорганизации химических
систем, которые наблюдали наши соотечественники Б. П. Белоусов и А. М. Жаботинский. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных
структур за счет поступления новых и удаления использованных
химических реагентов. Однако в отличие от самоорганизации
открытых физических систем в указанных химических реакциях
большое значение приобретают каталитические процессы. Роль
этих процессов усиливается по мере усложнения состава и
структуры химических систем. На этом основании некоторые
ученые, например, напрямую связывают химическую эволюцию
с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем.
Другими словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем. Следует, однако, помнить, что переход к простейшим формам жизни предполагает также особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их
соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим
190
достаточно отметить, что из более чем ста химических элементов лишь шесть, названных органогенами, служат основой для
построения живых систем. За ними следуют 11 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически
важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их
весовая доля в организме — 1,6 %. Есть еще 20 элементов,
участвующих в построении и функционировании отдельных узкоспецифических биосистем, доля которых составляет около
1 %. Участие всех остальных элементов в построении биосистем
практически не зафиксировано.
Картина химического мира свидетельствует об отборе
элементов. В настоящее время насчитывается около 8 млн химических соединений. Из них 96 % — органические, состоящие
из тех же 6–18 элементов. Из остальных 90 химических элементов природа создала всего около 300 тыс. неорганических соединений. Геохимические условия не играют существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических и биологических систем. Определяющими факторами в
отборе химических элементов в данном случае выступают условия соответствия этих элементов определенным требованиям:
• способность образовывать прочные и энергоемкие хими-
ческие связи;
• эти связи должны быть лабильными, т.е. легко подвер-
гаться гемолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению. Вот почему углерод отобран из многих других элементов
как органоген № 1.
Биокатализ нельзя отделить от проблемы биогенеза (происхождения жизни), поэтому одна из задач эволюционной химии — понять, как из неорганической материи возникает жизнь.
Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией». Проблемы моделирования биокатализаторов показали необходимость детального изучения химической эволюции, то
есть установление закономерностей самопроизвольного (без
участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся к тому же высокоорганизованными продуктами по
сравнению с исходными веществами.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]