Реакционная способность веществ. Химические процессы. Самоорганизация и эволюция химических систем

При промышленном производстве химических продуктов важно знать закономерности протекания реакций во времени, т.е. зависимость их скорости и выхода продукта от температуры, давления, концентрации реагентов и примесей.

Изучением скорости и особенностей протекания химических реакций занимается химическая кинетика. Исследуются различные стадии взаимопревращений реагентов, т.к. исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточные вещества. В цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Химические реакции протекают тем быстрее, чем выше температура, давление и концентрация реагентов.

На скорость некоторых химических реакций можно влиять присутствием некоторого количества определенных веществ, которые сами в реакциях участия не принимают. Вещества называют катализаторами. Катализаторы бывают положительными, ускоряющими реакцию, и отрицательными – замедляющими ее. Каталитическое ускорение реакций называется катализом и является приемом современной химической технологии. Применение катализаторов позволяет проводить химические превращения с высокими скоростями при небольших температурах. Некоторые реакции вообще невозможно было бы реализовать.

С помощью катализа в начале XX века была решена проблема фиксации азота воздухом. Также с помощью специально обработанного железа удалось преодолеть химическую инертность элементарного азота и осуществить синтез аммиака. На каталитических реакциях основываются современные методы получения водорода из природного газа. Используют в технологии нефтепереработки (моторное топливо производят с помощью каталитических реакций гидрокрекинга, крекинга, риформинга). Используются в осуществлении процессов органического синтеза, играют ведущую роль в химических превращениях в живой природе. Биологические катализаторы называются ферментами, представляют собой вещества белковой природы с химически активными группами, часто включающими в свой состав атомы переходных элементов.

Ферменты функционируют в рамках живых систем. Поэтому, хотя они и обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, они не тождественны им. Катализ играл важную роль в процессе перехода от химических систем к биологическим.

Самоорганизацию химических систем наблюдали Белоусов Б.П. и Жаботинский А.М. (появление в жидкой среде концентр. волн или периодическое изменение цвета с синего на красный и обратно - «химические часы»). Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов.

Роль каталитических процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Некоторые ученые напрямую связывают химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем.

Переход к простейшим формам жизни предполагает особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются строительным материалом для образования биологических систем. Из более чем ста химических элементов лишь шесть (органогены) служат основой для построения живых систем.