Химия Жизни

Химия, Биохимия- Химия  жизни 

Введение

Химический взгляд на природу, истоки и современное  состояние.

Предмет познания химической науки и ее структура

Взаимосвязь химии  и физики

Взаимосвязь химии  и биологии, эаключение и литература 

Введение

Современная химия  представляет собой широкий комплекс наук, постепенно сложившийся в ходе ее длительного исторического развития. Практическое знакомство человека с  химическими процессами восходит к  глубокой древности. В течение многих столетий теоретическое объяснение хими-ческих процессов основывалось на натурфилософском учении об элементах-качествах. В модифицированном виде оно послужило  основой для алхимии, возникшей  примерно в III-IV вв. н.э. и стремившейся решить задачу превращения неблагородных  металлов в благородные. Не добившись  успеха в решении этой задачи, алхимики, тем не менее, выработали ряд приемов  исследования веществ, открыли некоторые  химические соединения, чем в определенной степени способствовали возникновению  научной химии. 

Натурфилософия и  её воззрения лежали также в основе возникшей в XVI в. ятрохимии (предшественницы  медицинской химии), стремившейся найти  в химических препаратах средства лечения  многочисленных болезней. В средние  века получили ускоренное развитие химические производства: металлургия, стеклоделие, изготовление красителей. Это способствовало выработке первых теоретических  установок в развивавшемся химическом знании. 

Научная химия берет  свое начало со второй половины XVII в., когда  Р. Бойль и его единомышленники  дали первое научное определение  понятия химический элемент. Важной вехой на пути создания научной химии  стало открытие благодаря работам  М.В. Ломоносова и А. Лавуазье, закона сохранения массы при химических реакциях. Важную роль в становлении  химии как самостоятельной науки  сыграло открытие в конце XVII —  начале XIX вв. стехиометрических законов. 

Разработка химических воззрений в XIX в. началась с создания Д. Дальтоном основ химической атомистики. Вскоре А. Авогадро ввел понятие молекула. Однако атомно-молекулярные представления  утвердились в науке лишь в 60-х  годах XIX в. В тот же период в познавательном прицеле химии заняла основополагающее место, наряду с составом, также структура  веществ. Этому в решающей степени  способствовало создание А.М. Бутлеровым теории химического строения. К числу наиболее значительных вех развития научной химии и всего естествознания принадлежит открытие Д.И. Менделеевым периодического закона химических элементов. В конце XIX — начале XX вв. к ведущим направлениям развития химии стало относиться изучение закономер-ностей химического процесса. Со второй половины XX в. в химии плодотворно развивается концепция, нацеленная на изучение возможностей использования в процессах получения целевых продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем. Эволюционная химия обратилась к постижению путей получения наиболее высокоорганизованных химических систем, которые только возможны в настоящее время. 

В химии исторически  сложились, таким образом, четыре уровня изучения веществ: с позиций их состава, строения, химического действия и  самоорганизации. Тем не менее, специфика  химии не может быть сведена только к исследованию веществ с позиций  этого многоуровневого подхода. Наиболее специфичным для нее  является постижение химизме взаимоотношений  веществ. Причем осмысление феномена химизма, находит свое концентрированное  выражение в современной трактовке  предмета химии. 

Химический взгляд на природу, истоки и современное  состояние.

Химия — очень  древняя наука. Существует несколько  объяснений слова химия. Согласно одной  из имеющихся теорий, оно происходит от древнего названия Египта — Kham и, следовательно, должно означать египетское искусство. Согласно другой теории, слово химия  произошло от греческого слова cumoz (сок  растения) и означает искусство выделения  соков. Этот сок может быть расплавленным  металлом, так что при подобном расширенном толковании данного  термина в него приходится включать и искусство металлургии. 

С химией тесно связаны  элементы стихий древнегреческой на-турфилософии, атомистика Левкиппа и Демокрита. Но, конечно, наибольший вклад в становление  этой науки внесли египтяне. Имя  первого из дошедших до нас химиков  — Болос из Менда, жившего в  дельте Нила на рубеже III и II вв. до н.э. К 300 г. н.э. египтянин Зосима написал  энциклопедию, которая охватывала все  собранные к тому времени знания по химии. Но химия, представленная в  этом труде, еще не была наукой в  полном смысле слова, а оставалась тесно  связанной с древнеегипетской религией и не выходила в своем развитии за пределы формирования феноменологического  уровня. В химии выявлялись свойства, устанавливались закономерности между  ними, сущность же явлений подменялась  их мистической интерпретацией. Химию (химиков) искореняли и преследовали древнеримские императоры, фанатики христианства: ученые изгонялись, книги  их сжигались, сама наука запрещалась. Одни опасались, на-пример, того, что  химики занимались получением золота; вторые преследовали ученых за тесную связь химии с древнеегипетской религией, которая, с точки зрения христианства, была язычеством. 

Начиная с последних  веков I тыс. до н.э. химия бурно развивалась  в арабском мире, а в первой половине нынешнего тысячелетия она получила широкое распространение в Западной Европе. С одной стороны, развитие химии в этот период шло вслед за развитием техники, однако, с другой стороны, она оставалась тесно связанной с религиозно-философской мыслью. В тот период химия существовала главным образом как алхимия. В химии необходимо отметить, прежде всего, существование особого химического взгляда на природу, который не может быть сведен к физическому, несмотря на все успехи физической химии в нынешнем столетии. То есть у химии давно были обнаружены качества некоторого особого типа. Так, согласно известному химику А. А. Бутакову, химические реакции нельзя объяснить только действием сил электрического притяжения и отталкивания. Их действием объясняется лишь физическая сторона химического процесса. Химическая форма движения материи представляет собой процессы изменения частиц вещества, которые, в конечном счете, определяются действием периодического закона. Подобного мнения придерживаются и многие другие ученые-химики. Известный российский физико-химик Н. Н. Семенов сводил основные отличия между физическим и химическим процессом к трем: Истории системы, отсутствию мгновенных параметров для скоростей химических реакций, возможности пользоваться равновесными параметрами для физических процессов и невозможности — для химических. 

В химии хорошо используется подход индуктивный, гораздо менее  продуктивным здесь оказался дедуктивный  подход. При дедуктивном подходе  вся совокупность известных естественно-научных  фактов (не только химических, но и физических, биологических) представляется вытекающей из ряда основных законов. Такой подход, как правило, оказывается достаточно эффективным в физике и там, где  могут быть использованы физические идеи (в химии). Индуктивный подход — это движение в обратном направлении, когда на основе химической фактологии выявляются более или менее общие  закономерности (правила, законы), а  затем уже создаются обобщенные модели, составляющие основу современной  теоретической химии.

Важнейшие особенности  современной химии таковы. 

1. В химии, прежде  всего в физической химии, появляются  многочисленные самостоятельные  научные дисциплины (химическая  термодинамика, химическая кинетика, электрохимия, термохимия, радиационная  химия, фотохимия, плазмохимия,  лазерная химия). 

2. Химия активно  интегрируется с остальными науками,  результатом чего было появление  биохимии, молекулярной биологии, космохимии, геохимии, биогеохимии. Первые изучают  химические процессы в живых  организмах, геохимия — закономерности  поведения химических элементов  в земной коре. Биогеохимия —  это наука о процессах перемещения,  распределения, рассеяния и концентрации  химических элементов в биосфере  при участии организмов. Основоположником  биогеохимии является В. И.  Вернадский. Космохимия изучает  химический состав вещества во  Вселенной, его распространенность  и распределение по отдельным  космическим телам. 3. В химии появляются  принципиально новые методы исследования (структурный рентгеновский анализ, масс-спектроскопия, радиоспектроскопия  и др.). Химия способствовала интенсивному  развитию некоторых направлений  человеческой деятельности. Например, хирургии химия дала три главных  средства, благодаря которым современные  операции стали безболезненными  и вообще возможными: 1) введение  в практику эфирного наркоза, а затем и других наркотических веществ; 2) использование антисептических средств для преду-преждения инфекции; 3) получение новых, не имеющихся в природе аллопластических материалов-полимеров. 

В химии весьма отчетливо  проявляется неравноценность отдельных  химических элементов. Подавляющее  большинство химических соединений (96% из более 8,5 тыс. известных в настоящее  время) — это органические соединения. В их основе лежат 18 элементов), и  большее распространение имеют  всего 6из 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. 

Однако подчеркнем, что материальная основа жизни не сводится ни к каким, даже самым сложным, химическим образованиям. Она не просто агрегат определенного химического  состава, но одновременно и структура, имеющая функции и осуществляющая процессы. Поэтому невозможно дать жизни только функциональное определение.

В последнее время  химия все чаще предпринимает  штурм соседних с нею уровней  структурной организации природы. Например, химия все более и  более вторгается в биологию, пытаясь  объяснить основы жизни. 

Предмет познания химической науки и ее структура

Современная химия  изучает превращения, при которых  молекулы одного соединения обмениваются атомами с молекулами других соединений, распадаются на молекулы с меньшим  числом атомов, а также вступают в химические реакции, в результате которых образуются новые вещества. Атомы претерпевают в химических процессах некоторые изменения  лишь в наружных электронных оболочках, атомное ядро и внутренние электронные  оболочки при этом не изменяются.

При определении  предмета химии нередко акцентируют  внимание на том, что его составляют, прежде всего, соединения атомов и превращения  этих соединений, происходящее с разрывом одних и образованием других межатомных связей. 

Различные химические науки отличаются тем, что они  занимаются изучением либо различных  классов соединений (такое различие положено в основу разграничения  органической и неорганической химии), либо разных типов реакций (радиохимия, радиационная химия, каталитический синтез, химия полимеров), либо использованием разных методов исследования (физическая химия в ее различных направлениях). Отграничение одной химической дисциплины от другой, сохраняющее в нынешних условиях исторически сложившиеся  разграничительные линии, имеет  относительный характер. 

До конца XIX века химия  в основном была целостной единой наукой. Внутреннее ее деление на органическую и неорганическую не нарушало этого  единства. Но последовавшие вскоре многочисленные открытия, как в самой  химии, так и в биологии, физике положили начало быстрой ее дифференциации.

Современная химическая наука, опираясь в прочные теоретические  основы, непрерывно развивается вширь  и вглубь. В частности, происходит открытие и изучение новых, качественно  различных дискретных химических частиц. Так, еще в первой половине XIX века при изучении электролиза были обнаружены ионы — особые частицы, образованные из атомов и молекул, но электрически заряженные. Ионы являются структурными единицами многих кристаллов, кристаллических  решеток металлов, они существуют в атмосфере, в растворах и  т.д. 

В начале XX в. химики открыли радикалы как одну из активных форм химического вещества. Они образуются из молекул путем отщепления отдельных  атомов или групп и содержат атомы  элементов в необычном для  них валентном состоянии, что  связано с наличием одиночных (неспаренных) электронов, объясняющих их исключительную химическую активность.

К особым формам химического  вещества относятся также макромолекулы. Они состоят из сотен и тысяч  атомов и вследствие этого приобретают  в отличие от обычной молекулы качественно новые свойства. 

Характерный для  новейшей химии, как и для всей науки XX в., процесс глубокой внутренней дифференциации в значительной степени  связан с открытием этого качественного  многообразия химических веществ. Их строение, превращения и свойства стали  предметом изучения специальных  разделов химии: электрохимии, химической кинетики, химии полимеров, химии  комплексных соединений, коллоидной химии, химии высокомолекулярных соединений.

Уже к началу XX в. внутри самой химии четко различаются  общая и неорганическая химия, и  органическая химия. Предметом изучения общей и тесно связанной с  ней неорганической химии стали  химические элементы, образуемые ими  простейшие неорганические соединения и их общие законы (прежде всего  Периодический закон Д.И. Менделеева).

Сильный толчок развитию неорганической химии дали проникновение  в недра атома и изучение ядерных  процессов. Поиски элементов, наиболее пригодных для расщепления в  ядерных реакторах, способствовали исследованию малоизученных и синтезу  новых элементов с помощью  ядерных реакций. Изучением их свойств, а также физико-химических основ  и химических свойств радиоактивных  изотопов, методикой их выделения  и концентрации занялась радиохимия, возникшая во второй четверти XX в. 

Органическая химия  окончательно сложилась в самостоятельную  науку во второй половине XIXв. Этому  способствовало получение большого эмпирического и теоретического материала о соединениях углерода и его производных. Определяющим фактором для всех органических соединений яв-ляются особенности валентного состояния  углерода — способность его атомов связываться между собой как  одинарной, так и двойной, тройной  связью в длинные линейные и разветвленные  цепи. Благодаря бесконечному многообразию форм сцепления углеродных атомов, наличию изомерии и гомологических рядов почти во всех классах органических соединений возможности получения этих соединений практически безграничны.

В XX в. многие разделы  органической химии стали постепенно превращаться в большие, относительно самостоятельные ветви со своими объектами изучения. Так появились  химия элементоорганических соединений, химия полимеров, химия высокомолекулярных соединений, химия антибиотиков, красителей, душистых соединений, фармакохимия и  т.д.

В конце XX в. возникает  химия металлоорганических соединений, то есть соединений, содержащих одну (или  более) прямую связь металла с  углеродом. До окончания века были открыты  органические соединения ртути, кадмия, цинка, свинца и др. В настоящее  время получены углеродистые соединения со значительным содержанием не только металлов, но и неметаллов (фосфор, бор, кремний, мышьяк и т.д.). Теперь эту  область химии стали называть химией элементоорганических соединений, она находится на стыке органической и неорганической химии.

Самостоятельной областью химии является наука о методах  определения состава вещества —  аналитическая химия. Ее основная задача — определение химических элементов  или их соединений, входящих в состав исследуемого вещества, — решается путем анализа. Без современных  методов анализа был бы невозможен синтез новых химических соединений, эффективный постоянный контроль за ходом технологического процесса и  качеством получаемых продуктов. 

Химия наших дней составляет одну из наиболее обширных областей человеческих знаний и играет исключительно важную роль в народном хозяйстве. Объекты и методы исследования химии настолько разнообразны, что  многие ее разделы являются по существу самостоятельными научными дисциплинами. Современную химию принято подразделять в наиболее общем плане, по крайней  мере, на 5разделов: неорганическую, органическую, физическую, аналитическую и химию  высокомолекулярных соединений. Однако четких границ между этими разделами  не существует. Например, координационные  и элементоорганические соединения представляют собой объекты, находящиеся  в сфере исследований, как неорганической, так и органической химии. Развитие же этих разделов невозможно без широкого использования методов и представлений  физической и аналитической химии.

К важнейшим особенностям современной химии относятся: 

1. Дифференциация  основных разделов химии на  отдельные, во многом самостоятельные  научные дисциплины. Эта дифференциация  основана на различии объектов  и методов исследования. Так, на  значительное число быстро развивающихся  дисциплин подразделяется физическая  химия. 

2. Интеграция химии  с другими науками. В результате  этого процесса возникли биохимия, биоорганическая химия и молекулярная  биология, изучающие химические  процессы в живых организмах. На границе химии и геологии  развивается геохимия, исследующая  закономерности поведения химических элементов в земной коре. Задачи космохимии — изучение особенностей элементного состава космических тел (планет и метеоритов) и различных соединений, содержащихся в этих объектах. 

3. Появление новых,  главным образом, физико-химических  в физических методов исследования (структурный рентгеновский анализ, масс-спектроскопия, методы радиоспектроскопии  и др.) 

Взаимосвязь химии  и физики

Наряду с процессами дифференциации самой химической науки, в настоящее время идут в интеграционные процессы химии с другими отраслями  естествознания. Особенно интенсивно развиваются взаимосвязи между  физикой и химией. Этот процесс  сопровождается возникновением все  новых и новых смежных физико-химических отраслей знания.

Вся история взаимодействия химии я физики полна примеров обмена идеями, объектами и методами исследования. На разных этапах своего развития физика снабжала химию понятиями  в теоретическими концепциями, оказавшими сильное воздействие на развитие химии. При этом, чем больше усложнялись  химические исследования, тем больше аппаратура и методы расчетов физики проникали в химию. Необходимость  измерения тепловых эффектов реакции, раз-витие спектрального и рентгеноструктурного анализа, изучение изотопов и радиоактивных  химических элементов, кристаллических  решеток вещества, молекулярных структур потребовали создания и привели  к использованию сложнейших физических приборов эспектроскопов, масс-спектрографов, дифракционных решеток, электронных  микроскопов и т.д. 

Развитие современной  науки подтвердило глубокую связь  между физикой и химией. Связь  эта носит генетический характер, то есть образование атомов химических элементов, соединение их в молекулы вещества произошло на определенном этапе развития неорганического  мира. Также эта связь основывается на общности строения конкретных видов  материи, в том числе и молекул  веществ, состоящих в конечном итоге  из одних и тех же химических элементов, атомов и элементарных частиц. Возникновение  химической формы движения в природе  вызвало дальнейшее развитие представлений  об электромагнитном взаимодействии, изучаемом физикой. На основе периодического закона ныне осуществляется прогресс не только в химии, но и в ядерной  физике, на границе которой возникли такие смешанные физико-хими-ческие теории, как химия изотопов, радиационная химия. 

Химия и физика изучают  практически одни и те же объекты, но только каждая из них видит в  этих объектах свою сторону, свой предмет  изучения. Так, молекула является предметом  изучения не только химии, но и молекулярной физики. Если первая изучает ее с  точки зрения закономерностей образования, состава, химических свойств, связей, условий  ее диссоциации на составляющие атомы, то последняя статистически изучает  поведение масс молекул, обусловливающее  тепловые явления, различные агрегатные состояния, перехо-ды из газообразной в жидкую и твердую фазы и обратно, явления, не связанные с изменением состава молекул и их внутреннего химического строения. Сопровождение каждой химической реакции механическим перемещением масс молекул реагентов, выделение или поглощение тепла за счет разрыва или образования связей в новых молекулах убедительно свидетельствуют о тесной связи химических и физических явлений. Так, энергетика химических процессов тесно связана с законами термодинамики. Химические реакции, протекающие с выделением энергии обычно в виде тепла и света, называются экзотермическими. Существуют также эндотермические реакции, протекающие с поглощением энергии. Все сказанное не противоречит законам термодинамики: в случае горения энергия высвобождается одновременно с уменьшением внутренней энергии системы. В эндотермических реакциях идет повышение внутренней энергии системы за счет притока тепла. Измеряя количество энергии, выделяющейся при реакции (тепловой эффект химической реакции), можно судить об изменении внутренней энергии системы. Он измеряется в килоджоулях на моль (кДж/моль). 

Еще один пример. Частным  случаем первого начала термодинамики  является закон Гесса. Он гласит, что  тепловой эффект реакции зависит  только от начального и конечного  состояния веществ и не зависит  от промежуточных стадий процесса. Закон Гесса позволяет вычислить  тепловой эффект реакции в тех  случаях, когда его непосредственное измерение почему-либо неосуществимо.

С возникновением теории относительности, квантовой механики и учения об элементарных частицах раскрылись еще более глубокие связи  между физикой и химией. Оказалось, что разгадка объяснения существа свойств  химических соединений, самого механизма  превращения веществ лежит в  строении атомов, в квантово-механических процессах его элементарных частиц и особенно электронов внешней оболочки, Именно новейшая физика сумела решить такие вопросы химии, как природа  химической связи, особенности химического  строения молекул органических и  неорганических соединений и т.д. 

В сфере соприкосновения  физики и химии возник и успешно  развивается такой сравнительно молодой раздел из числа основных разделов химии как физическая химия, которая оформилась в конце XIX в. в результате успешных попыток количественного  изучения физических свойств химических веществ и смесей, теоретического объяснения молекулярных структур. Экспериментальной  и теоретической базой для  этого послужили работы Д.И. Менделеева (открытие Периодического закона), Вант-Гоффа (термодинамика химических процессов), С. Аррениуса (теория электролитической  диссоциации) и т.д. Предметом ее изучения стали общетеоретические  вопросы, касающиеся строения и свойств  молекул химических соединений, процессов  превращения веществ в связи  с взаимной обусловленностью их физическими  свойствами, изучение условий протекания химических реакций и совершающихся  при этом физических явлений. Сейчас физхимия — это разносторонне  разветвленная наука, тесно связывающая  физику и химию. 

В самой физической химии к настоящему времени выделились и вполне сложились в качестве самостоятельных разделов, обладающих своими особыми методами и объектами  исследования, электрохимия, учение о  растворах, фотохимия, кристаллохимия. В начале XX в. выделилась также в само-стоятельную науку выросшая в недрах физической химии коллоидная химия. Со второй половины XX в. в связи с интенсивной разработкой проблем ядерной энергии возникли и получили большое развитие новейшие отрасли физической Химии — химия высоких энергий, радиационная химия (предметом ее изучения являются реакции, протекающие под действием ионизирующего излучения), химия изотопов. 

Физическая химия  рассматривается сейчас как наиболее широкий общетеоретический фундамент  всей химической науки. Многие ее учения и теории имеют большое значение для развития неорганической и особенно органической химии. С возникновением физической химии изучение вещества стало осуществляться не только традиционными  химическими методами исследования, не только с точки зрения его состава  и свойств, но и со стороны структуры, термодинамики и кинетики химического  процесса, а также со стороны связи  и зависимости последнего от воздействия  явлений, присущих другим формам движения (световое и радиационное облучение, световое и тепловое воздействие  и т.д.).

Примечательно, что  в первой половине XX в. сложилась  пограничная между химией и новыми разделами физики (квантовая механика, электронная теория атомов и молекул) наука, которую стали позднее  называть химической физикой. Она широко применила теоретические и экспериментальные  методы новейшей физики к исследованию строения химических элементов и  соединений и особенно механизма  реакций. Химическая физика изучает  взаимосвязь и взаимопереход  химической и субатомной форм движения материи.

В иерархии основных наук, данной Ф. Энгельсом, химия непосредственно  соседствует с физикой. Это соседство  и обеспечило ту быстроту и глубину, с которой многие разделы физики плодотворно вклиниваются в химию. Химия граничит, с одной стороны, с макроскопической физикой —  термодинамикой, физикой сплошных сред, а с другой — с микрофизикой — статической физикой, квантовой  механикой. 

Общеизвестно, сколь  плодотворными эти контакты оказались  для химии. Термодинамика породила химическую термодинамику — учение о химических равновесиях. Статическая  физика легла в основу химической кинетики — учения о скоростях  химических превращений. Квантовая  механика вскрыла сущность Периодического закона Менделеева. Современная теория химического строения и реакционной  способности — это квантовая  химия, т.е. приложение принципов квантовой  механики к исследованию молекул  и X превращений.

Еще одним свидетельством плодотворности влияния физики на химическую науку является все расширяющееся  применение физических методов в  химических исследованиях. Поразительный  прогресс в этой области особенно отчет-диво виден на примере спектроскопических методов. Еще совсем недавно из бесконечного диапазона электромагнитных излучений  химики использовали лишь узкую область  видимого и примыкающего к нему участков инфракрасного и ультрафиолетового  диапазонов. Открытие физиками явления  магнитного резонансного поглощения привело  к появлению спектроскопии ядерного магнитного резонанса, наиболее информативного современного аналитического метода и  метода изучения электронного строения молекул, и спектроскопии электронного парамагнитного резонанса, уникального  метода изучения нестабильных промежуточных  частиц— свободных радикалов. В  коротковолновой области электромагнитных излучений возникла рентгеновская и гамма-резонансная спектроскопия, обязанная своим появлением открытию Мессбауэра. Освоение синхротронного излучения открыло новые перспективы развития этого высокоэнергетического раздела спектроскопии. 

Казалось бы, освоен весь электромагнитный диапазон, и  в этой области трудно ждать дальнейшего  прогресса. Однако появились лазеры — уникальные по своей спектральной интенсивности источники — и  вместе с ними принципиально новые  аналитические возможности. Среди  них можно назвать лазерный магнитный  резонанс — быстро развивающийся  высокочувствительный метод регистрации  радикалов в газе. Другая, поистине фантастическая возможность — это  штучная регистрация атомов с  помощью лазера — методика, основная на селективном возбуждении, позволяющая  зарегистрировать в кювете всего  несколько атомов посторонней при-Л0еи. Поразительные возможности для  изучения механизмов радикальных реакций  дало открытие явления химической поляризации  ядер.