Глава 9. Эволюционно-синергетическая парадигма 102

9.1. Необратимость времени. Самоорганизация в живой и неживой природе 102

9.1.1. Эволюция и стрела времени 102

9.1.2. Необратимость времени и его физический смысл 103

9.1.3. Самоорганизация в живой и неживой природе 105

9.1.4. Синергетика — теория самоорганизации 107

9.1.5. Синергетика в политических системах, истории, психологии, спорте 111

9.2. Концепция универсального эволюционизма 113

9.2.1. Понятие концепции универсального эволюционизма 113

9.2.2. Принципы универсального эволюционизма 114

9.2.3. Перспективность принципов универсального эволюци­о­низма для обществоведения и гуманитарного знания 115

9.2.4. Путь к единой культуре 117

Тесты 119

Литература 132

Глава 6. Основные концепции в химии

6.1. Особенности классических моделей и концепций в химии. Учение о химических процессах. Реакционная способность

6.1.1. Концептуальные уровни в химии (11). Во Вселенной на определенных этапах ее эволюции создаются условия, при которых из элементарных частиц формируются атомы, а затем уже из них образуются новые системы — молекулы.

Организация материи на атомно-молекулярном уровне приводит к появлению новых свойств материи — к возможности существования множества веществ с громадным разнообразием свойств.

Химия — это наука, исследующая закономерности, проявляющиеся на атомно-молекулярном уровне организации материи.

З

Кинетика физическая — раздел статистической физики, в ко­тором изучаются на основе молекулярно-кинетической теории не­равновесные процессы в веществе, например процессы выравнивания концентраций в смесях (диффузия), температур (теплопроводность) и т. д.

адача химии состоит в изучении строения и свойств молекул, а также процессов их изменения в результате межатомарного и межмолекулярного взаимодействия. Фундаментальными основами химии стали квантовая механика, атомная физика, термодинамика, статистическая физика (кинетика физическая).

По мере развития химии до ее современного уровня в ней сложились четыре подхода к решению основной задачи. Развитие этих подходов обусловило формирование четырех концептуальных систем химических знаний (см. рис. 1).

Концептуальные подходы к решению основной проблемы химии, показанные на рис. 1, появлялись последовательно. Каждая новая концептуальная ступень в развитии химии означала не отрицание подходов, использовавшихся ранее, а опору на них как на свое основание. Все показанные на схеме концептуальные системы используются не порознь, а во взаимосвязи.

Первая ступень. Учение о составе. Первоначально свойства вещества связывались исключительно с их составом. На этом уровне развития содержание химии исчерпывалось ее традиционным, менделеевским определением — как науки о химических элементах и их соединениях.

Вторая ступень. Структурная химия. Структурная концепция объединяет теоретические представления в химии, устанавливающие связь свойств веществ не только с составом, но и со структурой молекул. В рамках этого подхода возникло понятие «реакционная способность», включающее представление о химической активности отдельных фрагментов молекулы — отдельных ее атомов (и даже отдельных химических связей) или целых атомных групп. Этот подход позволил в конечном итоге создать промышленные технологии синтеза многих органических веществ.

Третья ступень. Учение о химических процессах. В рамках этой концепции с помощью методов физической кинетики и термодинамики были выявлены факторы, влияющие на направленность и скорость протекания химических превращений и на их результат. Химия вскрыла механизмы управления реакциями и предложила способы изменения свойств получаемых веществ.

Четвертая ступень. Эволюционная химия. Использует некоторые принципы, реализованные в химизме живой природы. В рамках эволюционной химии осуществляется поиск таких условий, при которых в процессе химических превращений идет самосовершенствование катализаторов реакций. По существу, речь идет об изучении и применении процессов самоорганизации химических систем, происходящих в клетках живых организмов.

Как и другие составляющие естествознания, химия имеет многочисленные практические приложения. Однако еще Д.И. Менделеевым было обращено внимание на существенную особенность этой науки: химия в значительной мере сама создает свой объект изучения. Самые разнообразные исследования в ней направлены на раскрытие закономерностей химических превращений, которые реализованы искусственно, на получение и изучение веществ, большинство из которых в природе не встречается.

Химия как наука теснейшим образом связана с химией как производство. Основная цель современной химии, вокруг которой строится вся исследовательская работа, заключается в получении веществ с заданными свойствами.

6.1.2. Особенности моделирования объектов в химии. Учение о составе. Химические явления протекают в системах, плохо обусловленных: в них действует одновременно множество сложным образом изменяющихся факторов. Модели таких систем трудно описать языком математики. Поэтому многие теоретические модели химии (в отличие от моделей физики) носят качественный характер и построены на наглядных представлениях. Роль теории сводится к объяснению химических превращений не на фундаментальном уровне, а на уровне понятий, которыми привыкли описывать условия экспериментального осуществления химических реакций. Указанное обстоятельство привело к тому, что в химической теории выработано множество частных моделей, применимость которых ограничена узкими рамками конкретных условий проведения реакций. Это создает в целом пеструю, фрагментарную картину теоретической химии.

Существует, однако, четыре концептуальных уровня, по которым распределены модели химии. Классическая стратегия познания в большей мере соответствует ряду представлений, выработанных в рамках учения о составе, структурной концепции, учения о химических процессах.

Многочисленные эксперименты, проведенные физиками в начале XX века, показали, что атомы состоят из ядер, вокруг которых движутся электроны.

Ядра всех элементов состоят из положительно заряженных протонов (от греч. «протос» — первый) и не имеющих заряда нейтронов. Только ядро атома водорода состоит из единственного протона. Число протонов в ядре (Z) определяет атомный номер химического элемента (под этим номером он и числится в периодической системе элементов), а сумма протонов и нейтронов называется массовым числом (А), очевидно, что оно всегда целое. Протоны и нейтроны имеют общее название — нуклоны (от лат. nucleus — ядро).

Термином нуклид обозначают атом с определенным атомным номером Z и массовым числом А, т. е. с определенным набором протонов и нейтронов. Нуклиды с одним и тем же атомным номером, но с разными массовыми числами называются изотопными нуклидами или просто изотопами (от греч. «изос» — равный и «топос» — место). Нуклиды обозначают символом элемента и массовым числом: ¹²С, ¹⁴N, ¹⁶O. Другая форма записи: углерод-12, азот-14, кислород-16. Если массовое число не указывать, то подразумеваются все природные изотопы данного элемента. Разных нуклидов значительно больше, чем элементов. Например, в природе найдено три изотопа водорода — нуклиды ¹Н, ²Н (другое обозначение D — дейтерий), ³Н (или Т — тритий). У углерода три изотопа — (¹²С,¹³С, ⁴⁴С), четыре — у серы, пять — у кальция, шесть — у селена, семь — у молибдена, восемь — у кадмия, девять — у ксенона, десять — у олова (это рекорд). Есть и элементы одиночки, представленные всего одним нуклидом: ⁹Ве,¹⁹F,²³Na,²⁷Al,³¹P и др. Некоторые природные нуклиды нестабильны, со временем они распадаются, это — радионуклиды.

Э лектроны в атоме движутся со скоростью лишь в 100 раз меньшей, чем скорость света. Это очень высокая скорость. Невозможно уследить за таким перемещением электрона в атоме в соответствии с законами микромира. Движение электронов в атоме отличается особым свойством. Это «движение без траектории», что значит: мы не знаем и никогда не узнаем, как электрон движется в атоме, но можем установить область, где чаще всего встречается электрон.

Электрон движется около ядра в определенном пространстве, которое называется атомной орбиталью. Орбитали могут иметь разную форму — шарообразную (S-ор­биталь), гантелеобразную (р-орбиталь) или более сложную (d-, f-ор­битали). В этом отношении между движением планет вокруг Солнца и движением электронов около ядра нет ничего общего: электроны подчиняются другим (квантовым) законам. На каждой орбитали могут находится максимум два электрона, обладающие противоположными спинами. Самое замечательное в движении электронов в атоме состоит в том, что два электрона, находясь на одной орбитали, не мешают друг другу, потому что различаются спинами.

Если атом нейтрален, его положительно заряженное ядро удерживает столько же отрицательно заряженных электронов, сколько протонов в ядре. Электроны в атомах формируют оболочки, называемые также энергетическими уровнями.

Из всех возможных способов расположения электронов в атоме данного элемента реализуется тот, при котором энергия атома, т. е. системы «ядро – электроны» является минимальной.

Энергия атома — это энергия всех видов движения и взаимодействия в атоме:

Эта дата стала привычной. А в действительности тогда имело место другое событие. Тридцатилетний профессор Санкт-Петербургского университета к вечеру этого дня завершил разработку таблицы «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Этот небольшой листок обычной писчей бумаги относится к числу наиболее ценных документов в истории человечества. Ныне он хранится в Музее-архиве Д.И. Менделеева при Санкт-Петербургском университете. Ученый отпечатал в типографии оттиски «Опыта системы…» с заглавиями на русском и французском языках и разослал их своим отечественным и зарубежным коллегам. Внизу оттиска на французском языке стояла дата по европейскому календарю: «1.03.69». Вот почему, вероятно, с ней и стали связывать открытие периодического закона.

«Опыт системы…» — еще прообраз будущей естественной системы элементов. Только спустя два года она приобретет законченный вид.

— движения электронов в поле ядра атома,

— притяжения ядро – электрон,

— отталкивания электрон – электрон.

Итак, атом — это микросистема, состоящая из ядра и электронов, движущихся вокруг ядра. Электростатическое отталкивание и электростатическое притяжение заряженных частей атома в сочетании с движением этих частей противодействуют разрушению атома: электронное облако не опускается на ядро, но и не удаляется от него.

6.1.3. Периодический закон Д.И. Менделеева. Принято считать, что периодический закон был открыт Д.И. Менделеевым 1 марта (17 февраля по старому стилю) 1869 г. Но ни о какой формулировке закона 1 марта 1869 г. не было и речи. Лишь в статье «Соотношение свойств с атомным весом элементов», написанной спустя четыре дня, Менделеев делает вывод: «Элементы, расположенные по величине их атомного веса, представляют явственную периодичность свойств». Два с лишним года ученый посвятит созданию основ учения о периодичности. Он введет представления о периодах — малых и больших — и о группах системы элементов. Назовет ее периодической. И даст, наконец, четкую формулировку закона: «Измеримые физические и химические свойства элементов стоят в периодической зависимости от атомных весов элементов».

Опираясь на систему, Менделеев совершит то, что впоследствии философы и историки науки назовут научным подвигом: предскажет существование и свойства нескольких, неизвестных еще элементов — будущих галлия, скандия и германия. Так в химии начнется эпоха научного прогнозирования.

Закон и система не сразу получили признание научного сообщества, а только после того как были открыты три предвиденных элемента. Но оставалось немало нерешенных проблем. Да и достижения науки заставляли усомниться: а так ли все гладко в таблице Менделеева?

Серьезные трудности преподнесло ей открытие благородных газов, казалось бы, неспособных вступать в химические реакции, и множества (более 30) так называемых радиоэлементов, для которых в системе не хватало вакантных мест (впоследствии выяснилось, что это изотопы ограниченного числа элементов: радия, тория, висмута, свинца и др.). Были и другие вопросы и загадки. Но главное, самую большую загадку представляли причины периодического изменения свойств элементов.

После создания модели атома Резерфорда — Бора (1911–1913 гг.) было доказано: свойства элементов периодически изменяются по мере роста заряда ядра (Z), численно равного порядковому номеру соответствующего элемента. Это единственный случай, когда фундаментальный закон природы существенно изменил свою формулировку. Теперь она звучит так: «Свойства элементов и образуемых ими соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов».

На этой основе были выяснены особенности строения электронных орбит всех элементов и раскрыт физический смысл периодического закона: «Химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, т. е. совокупность изотопов»

Со времен Менделеева было известно 62 элемента. В 1930-е годы «Система элементов» заканчивалась ураном (Z = 92). С начала 1940-х годов система пополнялась принципиально новым путем — путем физического синтеза. До середины 1950-х годов были синтезированы 9 элементов. Элемент под номером 101 был назван «менделевий». В последующие годы синтез ядер новых элементов продолжался, но ядра с номером от 102 и далее оказались крайне нестабильными.

В связи с развитием неклассических идей важной оказалась проблема происхождения (генезиса) элементов и их распространенности в ближайшей к Земле Вселенной. Распространенность химических элементов в Солнечной системе хорошо изучена. С ростом порядкового номера распространенность элементов неравномерно убывает. В физически доступном слое Земли всего восемь химических элементов представлены в значительном количестве (суммарно — 98, 6%). Это — кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний.

6.1.4. Структурная концепция (9). В соответствии со структурной концепцией молекула представляет собой не произвольную, а пространственно упорядоченную совокупность атомов, входящих в нее.

Основные понятия химии — «атом» и «молекула». Атомов известно лишь немногим более 100 видов, а молекул — свыше 18 млн. Столь богатое разнообразие обусловлено тем, что атомы разных элементов, взаимодействуя друг с другом, способны объединяться в молекулы, причем молекулы могут содержать разное число атомов одного вида. К этому выводу ученые пришли еще в первой половине XIX века. Шотландский химик Арчибальд Купер (1831–1892) и немецкий химик Фридрих Август Кекуле (1829–1896) практически одновременно в 1858 г. предложили изображать связи между атомами в виде черточек. Так появились структурные формулы молекул, показывающие в каком порядке атомы связаны друг с другом.

Важное открытие, касающееся химической связи, принадлежит нидерландскому химику Якобу Вант-Гоффу. Он доказал, что четыре связи атома углерода в органических соединениях направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится сам атом. Это означало, что химические связи имеют жесткую направленность, а молекулы характеризуются определенной геометрической формой. Швейцарский химик Альфред Вернер (1866–1919) распространил данный вывод и на неорганические молекулы, создав теорию строения комплексных соединений.

Несмотря на многие гениальные догадки о строении молекул, природа связи между атомами оставалась загадкой до тех пор, пока за дело не взялись физики. В 1897 г. английский ученый Д. Томсон открыл электрон и сразу понял: эта частица может играть ключевую роль в образовании химической связи. В той же статье, в которой сообщалось об открытии электрона, Томсон предположил, что между атомами в молекуле действуют электрические силы, причем один конец химической связи имеет положительный заряд, а другой — отрицательный. Идея оказалась очень плодотворной и легла в основу всех последующих теорий химической связи.

Модели молекул. Химическая связь. Классическую электронную теорию химической связи предложил в 1916 г. американский химик Гилберт Ньютон Льюис (1875–1946). Как уже было известно, завершенные электронные оболочки атомов благородных газов отличаются особенной устойчивостью. Льюис предположил, что при образовании химической связи возникают пары электронов, которые принадлежат сразу двум атомам. Тем самым атомы заполняют до конца свой внешний электронный уровень и приобретают электронную конфигурацию благородного газа. Льюис назвал это правилом октета, т. к. атомы всех благородных газов (кроме гелия) имеют на внешнем уровне восемь электронов. С помощью правила октета удалось объяснить электронное строение огромного числа соединений. А связь, образованная за счет общей пары электронов, получила название ковалентной.

Для обозначения электронов Льюис использовал точки:

Н : Н

Но часто общую пару электронов изображают просто черточкой, которая и символизирует химическую связь:

Н - Н

В молекуле Н₂ каждому атому принадлежит два электрона, которые предоставлены в общее пользование двумя атомами водорода (это обменный механизм образования ковалентной связи).

Подобным образом устроена и молекула фтора. У атома фтора на внешнем уровне семь электронов — чтобы достичь электронной конфигурации неона не хватает одного. Поэтому каждый атом фтора отдает по одному электрону в общее пользование:

.. ..

: F : F :

.. ..

Теперь оба атома имеют на внешнем уровне по восемь электронов (октет), из которых два общих, а шесть (три пары) сохраняются в индивидуальном пользовании. Аналогично образуются и кратные связи. Так, тройная связь в молекуле N₂ (N ≡ N) возникает в результате создания трех общих электронных пар.

В двухатомных молекулах простых веществ (Н₂, F₂, N₂ и др.) общие пары электронов в равной степени принадлежат обоим атомам. Такая связь называется неполярной. При образовании ковалентной связи в молекулах сложных веществ общая электронная пара оказывается смещенной в сторону одного из атомов. Молекула при этом поляризуется: одна ее часть несет частичный положительный заряд (q+) , а другая (q-). Примером может служить молекула НF, в которой атом Н достигает электронной конфигурации гелия, а атом F — неона:

..

Н : F :

..

Общая электронная пара в этом соединении смещена в сторону атома фтора. Это пример полярной связи.

Бывает, что один из атомов (донор электронов) предоставляет в общее пользование два электрона, а другой (акцептор) — ни одного. Такой механизм образования ковалентной связи называют донорно-акцепторным.

П ример: ион аммония. Атом азота имеет три неспаренных электрона, которые участвуют в трех ковалентных связях с тремя атомами водорода. Кроме того, у азота есть еще одна пара электронов. При присоединении иона Н+ к аммиаку NH₃ эта пара поступает в совместное пользование атомов азота и водорода. В данном случае атом азота выступает в качестве донора, H₃ в качестве акцептора электронной пары.

Ионная связь отличается от ковалентной тем, что в ней участвуют положительно и отрицательно заряженные ионы как самостоятельные микросистемы. Практически отсутствует перекрывание орбиталей. Например, при сближении иона лития (Li⁺) с ионом фтора (F^–) они объединяются в ионную пару за счет электростатического притяжения.

Ионная связь — связь, обусловленная электростатическим притяжением противоположно заряженных ионов.

Д ля металлов характерен особый тип химической связи, валентные электроны всех атомов объединяются в так называемый электронный газ и свободно двигаются в кристаллической решетке, образованной ионами. Каждый электрон как бы принадлежит всем атомам одновременно, и кристалл металла можно рассматривать как одну гигантскую молекулу.

Связь, которую осуществляют относительно свободные электроны между ионами металлов в кристаллической решетке, называется металлической связью.

Сущность образования металлической связи состоит в следующем. Атомы металлов легко отдают наружные электроны, и некоторые из них превращаются в положительно заряженные ионы. Оторвавшиеся от атомов электроны относительно свободно перемещаются между возникшими положительными ионами металлов. Между этими частицами возникает металлическая связь, т. е. электроны как бы цементируют положительные ионы в металлической решетке. Таким строением металлов обусловлены и их характерные физические свойства.

Проводимость электричества и теплоты зависит от наличия в металлических решетках свободных электронов. Ковкость и пластичность металлов объясняются тем, что ионы и атомы металлов в металлической решетке друг с другом непосредственно не связаны и отдельные их слои могут свободно перемещаться один относительно другого.

Связь между атомами водорода одной молекулы и сильно отрицательными элементами (O, N, F) другой молекулы называется водородной связью.

Может возникнуть вопрос: почему именно водород способен образовывать такие специфические химические связи? Это связано с тем, что атом водорода обладает очень маленьким радиусом и при смещении или отдаче единственного электрона водород приобретает относительно сильный положительный заряд, который действует на электроотрицательные элементы в молекулах веществ.

Рассмотрим некоторые примеры. Мы привыкли состав воды изображать формулой Н₂О, но правильнее было бы состав воды обозначать формулой (Н₂О)ⁿ, где n равно 2, 3, 4 и т. д., так как отдельные молекулы воды соединены водородными связями, которые схематически изображаются точками.

Водородная связь гораздо более слабая, чем ионная или ковалентная, но более сильная, чем межмолекулярное взаимодействие. Образованием водородных связей объясняется, почему объем воды в отличие от объемов других веществ при понижении температуры увеличивается.

Структура молекул. Молекула имеет определенную структуру. Атомы, входящие в состав молекулы, определенным образом располагаются относительно друг друга. В таких случаях говорят, что молекула принимает определенную геометрическую конфигурацию.

Геометрическая конфигурация молекулы — это внешнее очертание, а также взаимное расположение частей молекулы в пространстве. Молекулы из трех и большего числа ядер, входящих в их состав, по-разному располагают химические связи относительно друг друга. Так, молекула BeR₂ имеет линейное строение, а в молекулах Н₂О и СН₄ ковалентные связи расположены под углом.

В зависимости от того, какую форму и какое направление имеют электронные облака в пространстве, при их взаимном перекрывании могут образовываться соединения с линейной и угловой формами молекул.

Из курса химии вам известно, что направленность химических связей объясняется различным расположением электронных облаков в пространстве. Вам уже известно также, что электронные облака могут изменить свою форму в результате гибридизации. Гибридные электронные облака тоже могут по-разному располагаться в пространстве. В зав исимости от различного расположения гибридных облаков в пространстве тоже могут образовываться молекулы линейного и углового строения.

Например, при образовании фторида бериллия BeF₂ наблюдается р‑гибридизация. Образовавшиеся sp-гибридные облака из-за электростатического отталкивания отодвигаются по возможности дальше друг от друга и располагаются в направлениях, ориентированных под углом 180°. В таком положении sp-гибридные электронные облака атома бериллия перекрываются с р-электронными облаками атома фтора. В результате образуется молекула линейной формы BeF₂.

Примером молекулы, строение которой объясняется sp²‑гибри­ди­зацией, является молекула хлорида бора BCl₃. При sp²‑гибридизации образуются три гибридных облака, которые лежат в одной плоскости и ориентированы друг к другу под углом 120°. Эти три гибридных электронных облака перекрываются с р-электронными облаками атома хлора, и образуется плоская молекула треугольной формы BCl₃.

В процессе sp³‑гибридизации образуются четыре гибридные орбитали, вытянутые концы которых направлены к вершинам тетраэдра, т. е. ориентированы под углом 109°28^' друг к другу. Как вам известно, такая гибридизация происходит при образовании молекул метана.

Одна из причин многообразия органических веществ — явление изомерии. Разные вещества, имеющие одинаковый элементный состав, но различающиеся строением молекул, называются изомерами.

Я

Химики прошлого века часто использовали сочетание слов «конституция» и «вещество», которое нам кажется странным, хотя слово «конституция» в переводе с латинского означает «устройство». Сейчас конституцией, прежде всего, называют основной закон государства. Современное, возвышенное значение этого слова придает жарким незатухающим ссорам ученых о «конституции вещества» заслуженно величественный смысл. Вот уже больше века специалисты разных наук, и прежде всего физики и химики, стараются разгадать основной закон необъятного государства окружающих нас веществ.

вление изомерии было открыто в 1824 г. Юстусом Либихом (1803–1873) и Фридрихом Вёлером (1800–1882), немецкими химиками, независимо друг от друга. Но химики были склонны считать ошибочным те немногочисленные опыты, в которых появлялись вещества (названные потом изомерами) одинаковые по составу атомов, но различные по свойствам. Однако Алек­сандр Михайлович Бут­леров (1828–1886), русский химик-органик, опровергает это мнение новым химическим опытом. Ему удается получить в лаборатории соединение, полностью совпадающее по составу с газом бутаном, но отличное от бутана по физическим свойствам. Бутлеров назвал новое соединение изобутаном. Именно А.М. Бутлеров впервые объяснил причину явления изомерии и впервые ввел в науку термин «химическое строение».

Явление изомерии — проявление различных свойств при одинаковом химическом составе — весьма распространено в природе и особенно часто встречается при лабораторном получении сложных химических соединений. Зная составные части больших молекул, можно предсказать и воспроизвести в лаборатории все варианты взаимного расположения этих частей. Тем самым открывается путь к направленному изменению свойств вещества.

Изомеры делятся на два больших класса: структурные и пространственные изомеры.

• Структурными называются изомеры, отличающиеся строением молекулы (порядком соединения атомов в молекуле).

Н апример, изомерия углеродного скелета изобутана:

• Пространственными называются изомеры, отличающиеся расположением атомов в пространстве.

Например, асимметричные молекулы (левая и правая) бутилового спирта (см. рис.7).

Посмотрим на идею симметрии-асимметрии молекул применительно к проблемам объектов живой и неживой природы (3). Чем отличаются молекулы «живых веществ» от «неживых»? В какой-то мере это связано с симметрией, точнее зеркальной симметрией. Если внимательно рассмотреть рис.7, то принципиальное различие проявляется в том, что молекула Н₂О зеркально симметрична, а молекула спирта зеркально асимметрична. «Левая» и «правая» молекулы не совпадают, как левая и правая руки человека. Асимметричные молекулы в химии называют стереоизомерами, а само свойство зеркальной симметрии носит название киральности или хиральности (от греческого слова «кир» — рука). Так вот, выяснилось, что в природе хиральностью обладают и «живые» и «неживые» молекулы.Но «живые» всегда только хиральны, причем «неживые» хиральные молекулы равновероятно встречаются и в левом, и в правом варианте. А вот «живые» молекулы только или в левом, или в правом варианте. В этом смысле молекулы живых организмов хирально чисты. Так, ориентация ДНК-спирали всегда правая. В свое время Л. Пастер, а затем и В.И. Вернадский предлагали на этом принципиальном различии провести раздел между живой и неживой природой.

Н

Предполагают, что основополагающим признаком возникновения и развития жизни является способность живых организмов извлекать и конструировать из симметричных и хирально нечистых молекул окружающей среды хирально чистые молекулы, необходимые для живого организма. Примером могут служить извлечения растениями из симметричных молекул воды и углекислого газа в процессе фотосинтеза асимметричных молекул крахмала и сахара. Наряду с другими питательными веществами эти молекулы поступают в пищу живых организмов, и из них образуются уже хирально чистые молекулы. Если хиральность молекул веществ пищи изменится на противоположную, то эти вещества окажутся для живого организма биологическим ядом, они отторгаются организмом, ведут к его гибели. Это достаточно характерный пример того, как из физических представлений симметрии можно объяснить происхождение живой материи и даже дать рекомендации практической медицине.

о А.М. Бутлеров не только указал на пространственное расположение атомов в молекуле, но и на причины активности одних веществ и пассивности других, на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекулы и т. д. Позже, как и многие другие классические модели, теория Бутлерова нашла фундаментальное обоснование на основе квантовой механики.

Химическую активность можно рассматривать с точки зрения превращения энергии: если при образовании химической связи сумма энергий связываемых компонентов (атомов) больше, чем энергия образующейся молекулы, то такая связь оказывается устойчивой. Чтобы разорвать образовавшуюся связь, необходима энергия. Эту энергию называют энергией химической связи. Она может быть обеспечена каким-либо целенаправленным воздействием на вещество. Самым простым способом является поддержание достаточной температуры. Ян Вант-Гофф (1852–1911), нидерландский ученый, в 1884 г. открыл зависимость химической реакции от изменения ее температуры и теплового эффекта. Так родилась химическая термодинамика. В том же году Анри Луи Ле-Шателье (1850–1936), французский физикохимик и металловед, сформулировал «принцип подвижного равновесия», указав метод смещения равновесия в сторону образования целевых продуктов с помощью варьирования температуры, давления и концентраций реагентов.

Структурная концепция превратила химию в науку, способную создавать новые вещества и новые материалы с заданными свойствами. Получил развитие органический синтез, были синтезированы многие практически важные вещества: органические красители, лекарственные препараты, взрывчатые вещества и др. Без структурных представлений в химии синтез органических веществ был бы невозможен. Однако обнаружились пределы практического использования структурных теорий. Классический органический синтез, основанный на принципах структурной концепции, имел серьезные технологические недостатки, например слабую управляемость хода реакций. В этом проявилась ограниченность классической концепции контролируемого воздействия (11).

6.1.5. Учение о химических процессах (7),(11). Самая общая качественная характеристика любого химического элемента — это его химическая активность, которая по отношению к другим химическим веществам различна, например инертные газы и благородные металлы или всеядный фтор.

Реакционная способность проявляется в способности элементов быстрее присоединить к себе или отнять у уже образованных соединений какой-либо, но вполне определенный элемент и образовать достаточно устойчивое соединение с ним.

Реакционная способность веществ или их элементов, как правило, связана с электрическим потенциалом, который они несут или могут приобрести при определенных внешних условиях, а также с необходимостью затраты энергии.

Большое значение на скорость реакции оказывают катализаторы — вещества, изменяющие скорость реакции либо приводящие к ней после введения в систему, но не входящие в состав конечных продуктов. Катализ — ускорение химической реакции в присутствии веществ-ката­лизаторов.

Термин «катализ» впервые предложил шведский химик и минералог Йёнс Якоб Берцелиус (1799–1848). Благодаря катализу повышается скорость реакций даже при небольших температурах, активизируется образование только определенных продуктов из ряда возможных. Катализ — основа многих химико-технологических процессов, например производства серной кислоты, некоторых полимеров, аммиака и др. Большинство превращений, происходящих в живых организмах, также являются каталитическими (ферментативными).

Катализаторы существенно ускоряют химические реакции. С участием катализатора скорость некоторых реакций увеличивается в 10 млрд раз. Каталитические процессы принято классифицировать с учетом их физической и химической природы.

Различают несколько основных видов катализа:

1) гетерогенный и гомогенный,

2) электрокатализ,

3) фотокатализ,

4) ферментативный катализ.

В гетерогенном катализе химическая реакция происходит в поверхностных слоях на границе раздела твердого тела и газообразной или жидкой смеси. Одна из важных задач гетерогенного катализа — увеличение эффективной поверхности катализатора. Современные экспериментальные средства позволяют проследить за поведением атомов на поверхности твердого катализатора. Поверхностные атомы могут образовывать химические связи и влиять на свойства молекул. Поэтому поведение молекул реагентов на поверхности твердого катализатора отличается от поведения тех же молекул в растворе или газовой фазе.

Одно из перспективных направлений повышения эффективности катализа заключается в разработке молекулярных сит — природных или синтетических материалов, содержащих алюминий, кремний и кислород (алюмосиликаты) и имеющих мельчайшие пустоты и каналы, образующие пористую структуру. Попавшие внутрь пустот и каналов молекулы вступают в химическую реакцию, которая при обычных условиях возможна только при высокой температуре. Форма и размер внутренних полостей не только влияют на селекцию реагентов, но и ограничивают размер частиц конечного продукта, т. е. молекулярные сита — селективные катализаторы. Их применяют, например, для производства высокооктанового бензина в результате крекинга и для превращения полученного из древесины метанола в калорийное топливо.

При гомогенном катализе исходные реагенты находятся в одной фазе (газовой или жидкой). Часто гомогенные катализаторы представляют собой сложные металлосодержащие молекулярные соединения, структура которых позволяет осуществить тонкую настройку реакционной способности реагентов и достичь высокой селективности.

В качестве промышленного сырья было бы весьма заманчиво использовать некоторые широко распространенные вещества: азот, монооксид и диоксид углерода и метан. Однако это относительно инертные вещества, и для их участия в реакции нужны высокоэффективные катализаторы, например растворимые металлоорганические соединения. Так, при помощи растворимых соединений молекулярного азота с оловом и молибденом удается синтезировать аммиак. Химические связи углерод — водород в соединениях типа метана и этана, нереакциоспособных в обычных условиях, разрываются при помощи катализатора.

Электрокатализ. Благодаря химической модификации каталитически активных электродных поверхностей повышается эффективность управления химическими процессами на границе раздела раствор — электрод. Химическая модификация электродов стимулирует вполне определенные реакции. Она осуществляется в результате технологической операции осаждения тонкопленочных слоев, широко применяемой для формирования элементов интегральных схем. Например, осажденный тонкопленочный слой рутения в качестве каталитического покрытия существенно сокращает потребление энергии в производстве хлора и щелочи.

Фотокатализ. При поглощении электромагнитного излучения полупроводниковыми электродами происходит фотокатализ, стимулирующий химические процессы на границе раздела электрод — раствор. Подобный эффект наблюдается на границе раствор — частица. Например, в результате фотокатализа на поверхности диоксида титана обезвреживаются токсичные вещества в стоках (разрушается их структура). Известна идея фотокаталитического превращения воды в кислород и водород под действием солнечного излучения. Водород как экологически чистое топливо (при его сгорании образуется вода) мог бы заменить истощающееся и загрязняющее атмосферу нефтяное топливо.

Ферментативный катализ. Ферменты — естественные биологические катализаторы со сложнейшей молекулярной структурой. Современные экспериментальные средства позволяют определить их химический состав и структуру, что очень важно при синтезе искусственных ферментов. Один из способов создания искусственных ферментов заключается в формировании в больших молекулах профилированных полостей, с последующим заполнением их каталитическими связывающими центрами.

Искусственные ферменты называются биоимитаторами. К настоящему времени получены, например, биоимитаторы, родственные природному соединению — витамину В₆. Синтезированы биоимитаторы, участвующие в расщеплении белков. Получен биоимитатор гемоглобина — переносчика кислорода.