Современная картина химических знаний

Оглавление:

Список литературы 
 
 
 
 
 
 
 

1. СОВРЕМЕННАЯ КАРТИНА ХИМИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ

    Важнейшей особенностью основной проблемы химии  является то, что она имеет всего  четыре способа решения вопроса. Свойства вещества зависят от четырех  факторов:

             1) от элементного и молекулярного  состава вещества;

             2) от структуры молекул вещества;

             3)  от  термодинамических  и   кинетических  условий,  в  которых   вещество  находится  в  процессе  химической реакции; 

           4) от уровня химической организации  вещества.

         Поскольку  эти  способы   появлялись  последовательно,  мы  можем  в  истории  химии   выделить  четыре последовательно  сменявших друг друга этапа  ее развития. В то же время  с каждым из названных способов  решения  основной  проблемы  химии  связана  своя  концептуальная  система  знаний.  Эти  четыре  концептуальных системы знания  находятся в отношениях иерархии (субординации). В системе химии  они являются подсистемами, так  же как сама химия представляет  собой подсистему всего естествознания  в целом.  Современную картину  химических знаний объясняют  с позиций четырех концептуальных  систем, которые схематично представлены  на рис. 1.

    Рис.1.

    На  рисунке  показано  последовательное  появление  новых,  концепций  в  химической  науке,  которые  опирались на предыдущие достижения, сохраняя в себе все необходимое  для дальнейшего развития.

2. ПЕРВЫЙ УРОВЕНЬ ХИМИЧЕСКОГО ЗНАНИЯ.   УЧЕНИЕ О СОСТАВЕ ВЕЩЕСТВА

          Учение о составе веществ является  первым уровнем химических знаний. До 20-30-х гг. XIX в. вся химия не  выходила за пределы этого  подхода. Но постепенно рамки  состава (свойств) - стали тесны  химии, и во второй  половине  XIX  в.  главенствующую  роль  в  химии  постепенно  приобрело  понятие  «структура», ориентированное, что и отражено непосредственно в самом понятии, на структуру молекулы реагента.     Первый действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился в XVII в. в работах английского ученого Р. Бойля. Его исследования показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких химических элементов эти тела составлены. У Бойля наименьшими  частичками  вещества  оказывались  неосязаемые  органами  чувств  мельчайшие  частички (атомы), которые могли связываться друг с другом, образуя более крупные соединения - кластеры (по терминологии Бойля). В зависимости от объема и формы кластеров, от того, находились они в движении или покоились, зависели и свойства природных тел. Сегодня мы вместо термина «кластер» используем понятие «молекула».

    В период с середины XVII в. до первой половины XIX в. учение о составе вещества представляло собой всю химию того времени. Оно существует и сегодня, представляя  собой первую концептуальную систему  химии. На этом уровне химического знания Ученые решали и решают три важнейшие  проблемы: химического элемента, химического  соединения и задачу создания новых  материалов с вновь открытыми  химическими элементами.

    Химическим  элементом называют все атомы, имеющие  одинаковый заряд ядра. Особой разновидностью химических элементов являются изотопы, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов (поэтому у 

них разная атомная  масса), но содержат одинаковое число  протонов и поэтому занимают одно и тоже место в периодической  системе элементов. Термин «изотоп» был введен в 1910 г. английским радиохимиком Ф. Содди. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы.

    С  момента  открытия  изотопов  наибольший  интерес  вызвали  радиоактивные  изотопы,  которые  стали широко использоваться в атомной энергетике, приборостроении, медицине и т. д.

    Первое  научное определение химического  элемента, когда еще не было открыто  ни одного из них, сформулировал английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г.,  потом  кобальт,  никель  и  другие.     Открытие  французским  химиком  А.  Л.  Лавуазье  кислорода  и установление его роли в образовании различных  химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об «огненной  материи» (флогистоне). 

      В Периодической системе Д.И.  Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась  ураном. В 1999 г. было сообщено, что путем физического синтеза  атомных ядер открыт 114-й элемент.   

    Концепция  химических  соединений.  Долгое  время  химики  эмпирическим  путем  определяли,  что относится  к  химическим  соединениям,  а  что  -  к  простым  телам  или смесям.  В  начале  XIX  в.  Ж.  Пруст сформулировал закон постоянства состава, в соответствии с которым любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом и тем самым отличается от смесей.

    Теоретическое обоснование закона Пруста было  дано  Дж. Дальтоном  в законе  кратных  отношений. Согласно  этому  закону  состав  любого  вещества  можно  было  представить  как  простую  формулу,  а эквивалентные составные части молекулы - атомы, обозначавшиеся соответствующими символами, - могли замещаться на другие атомы.

    Химическое  соединение - понятие более широкое, чем «сложное вещество», которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента.

    Это О2, графит, алмаз и другие кристаллы  без посторонних включений в  их решетку в идеальном случае». Дальнейшее развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили  химиков к мысли, что наряду с  веществами, имеющими определенный состав, существуют еще и соединения переменного  состава - бертоллиды. В результате были переосмыслены представления  о молекуле в целом. Молекулой, как  и прежде,  продолжали  называть  наименьшую  частичку  вещества,  способную  определять  его  свойства  и существовать  самостоятельно.  Но  в  XX  в.  была  понята  сущность  химической  связи,  которая  стала пониматься как  вид взаимодействия между атомами  и атомно-молекулярными частицами, обусловленный совместным использованием их электронов. 

      На этой концептуальной основе  была разработана стройная атомно-молекулярная  теория того времени, которая  впоследствии оказалась не в  состоянии объяснить многие экспериментальные  факты конца XIX - начала XX вв. Картина  прояснилась с открытием сложного  строения атома, когда стали  ясны причины связи атомов, взаимодействующих друг с другом

3. ВТОРОЙ УРОВЕНЬ ХИМИЧЕСКОГО ЗНАНИЯ. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ

    Многочисленные  эксперименты по изучению свойств химических элементов в первой половине XIX в. привели ученых к убеждению, что  свойства веществ и их качественное разнообра зие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул. К этому времени в  химическом производстве стала преобладать  переработка  огромных  масс  вещества  растительного  и  животного  происхождения.  Их качественное разнообразие потрясающе велико - сотни тысяч химических соединений, состав которых крайне  однообразен,  так  как  они  состоят  из  нескольких  элементов-органогенов  (углерода,  водорода, кислорода, серы, азота, фосфора). 

    Наука  считает, что только эти шесть  элементов  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. 

      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.

    Объяснение  необычайно  широкому  разнообразию  органических  соединений  при  столь  бедном  элементном составе было найдено в явлениях изомерии и полимерии. Так было положено начало второму

уровню развития химических знаний, который получил  название структурной химии.

    Структура - это устойчивая упорядоченность  качественно неизменной системы (молекулы). Под данное определение подпадают  все структуры, которые исследуются  в химии: квантово-механические, основанные на понятиях валентности и химического  сродства, и др. 

    Она стала более высоким уровнем  по отношению к учению о составе  вещества, включив его в себя. При этом  химия  из  преимущественно  аналитической  науки  превратилась  в  синтетическую.  Главным достижением  этого  этапа  развития  химии  стало  установление  связи  между  структурой  молекул  и реакционной  способностью веществ.

    Термин  «структурная химия» условен. В нем  подразумевается такой уровень  химических знаний, при котором,  комбинируя  атомы  различных  химических  элементов,  можно  создать  структурные  формулы  любого химического соединения. Возникновение  структурной химии означало, что  появилась возможность для  целенаправленного  качественного  преобразования  веществ,  для  создания  схемы  синтеза  любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

    Основы  структурной химии были заложены Дж. Дальтоном, который показал, что  любое химическое вещество  представляет  собой  совокупность  молекул,  состоящих  из  определенного  количества  атомов одного,  двух  или  трех  химических  элементов.  Затем  И.-Я.  Берцелиус  выдвинул  идею,  что  молекула представляет собой не простое нагромождение  атомов, а определенную упорядоченную  структуру атомов, связанных между  собой электростатическими силами.

      Важнейшим шагом в развитии  структурной химии стало появление  теории химического строения органических соединений русского химика A.M. Бутлерова, который считал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но при этом он указывал на то, с какой энергией (большей или меньшей) это сродство связывает вещества между собой. Иными словами, Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Эта теория  позволила  строить  структурные  формулы  любого  химического  соединения,  так  как  показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других.

    В XX в. структурная химия получила дальнейшее развитие. В частности, было уточнено понятие структуры, под  которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы. Также было введено  понятие  атомной  структуры  - устойчивой  совокупности  ядра  и  окружающих  его  электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом, - и молекулярной структуры - сочетания ограниченного  числа  атомов,  имеющих  закономерное  расположение  в  пространстве  и  связанных  друг  с другом химической связью с помощью валентных электронов.

      Однако дальнейшее развитие химической  науки и основанного на ее  достижениях производства показали  более точно возможности и  пределы структурной химии. 

    Например, 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.

    Структурная химия неорганических соединений  ищет пути  получения кристаллов для производства высокопрочных  материалов  с  заданными  свойствами,  обладающих  термостойкостью,  сопротивлением агрессивной  среде  и  другими  качествами,  предъявляемыми  сегодняшним  уровнем  развития  науки  и  техники.  Решение  этих    вопросов  наталкивается  на  различные  препятствия.  Выращивание,  например, некоторых кристаллов требует исключения условий гравитации. Поэтому такие  кристаллы выращивают в космосе, на орбитальных станциях. 

4. ТРЕТИЙ УРОВЕНЬ ХИМИЧЕСКОГО ЗНАНИЯ.  УЧЕНИЕ О ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ .

    Учение  о химических процессах - область  науки, в которой существлена  наиболее глубокая интеграция физики,  химии  и  биологии.  В  основе  этого  учения  находятся  химическая  термодинамика  и  кинетика, поэтому  оно в равной степени принадлежит  физике и химии. Одним из основоположников этого научного направления стал русский химик Н.Н. Семенов, основатель химической физики. Учение  о  химических  процессах  базируется  на  идее,  что  способность  к  взаимодействию  различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условиями протекания химических реакций, которые могут оказывать воздействие на характер и результаты этих реакций. Важнейшей задачей химиков становится умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические (влияют на смещение химического равновесия реакции) и кинетические (влияют на скорость протекания химической реакции).  Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.

    Французский  химик  А.  Ле  Шателье  в  конце  XIX  в.  сформулировал  принцип  подвижного  равновесия, обеспечив химиков методами смещения равновесия в сторону образования  целевых продуктов. Эти методы управления и получили название термодинамических.  Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Это зависит как от природы реагентов, так и от условий процесса.

    Термодинамические методы преимущественно влияют на направление  химических процессов, а не на их скорость. 

    Задача исследования химических реакций является очень сложной. Ведь практически все химические реакции представляют собой отнюдь не простое взаимодействие исходных реагентов, а сложные цепи последовательных  стадий,  где  реагенты  взаимодействуют  не  только  друг  с  другом,  но  и  со  стенками реактора, могущими как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс.

    Катализ  -  ускорение  химической  реакции  в  присутствии  особых  веществ  -  катализаторов,  которые взаимодействуют  с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в конечный состав продуктов. Он был открыт в 1812 г. российским химиком К. Г. С. Кирхгофом. 

    Сущность  катализа сводится к следующему: 

    1) активная молекула реагента достигается  за счет их неполновалентного  взаимодействия с веществом катализатора  и состоит в расслаблении химических  связей реагента;

     2) в общем случае любую каталитическую  реакцию можно представить проходящей  через промежуточный комплекс,  в  котором  происходит  перераспределение   расслабленных  (неполновалентных)  химических связей.

    Каталитические  процессы различаются по своей физической и химической природе на следующие  типы:

    1) гетерогенный  катализ  -  химическая  реакция  взаимодействия  жидких  или  газообразных  реагентов  на

    2) поверхности твердого катализатора;

    3) гомогенный катализ - химическая реакция в газовой смеси или в жидкости, где растворены катализатор и реагенты;

    4) электрокатализ  -  реакция  на  поверхности  электрода  в  контакте  с  раствором  и  под  действием электрического тока;

    5) фотокатализ - реакция на поверхности твердого тела или в жидком растворе, стимулируется энергией поглощенного излучения.

      Применение  катализаторов  изменило  всю  химическую  промышленность.  Катализ  необходим  при  производстве  маргарина,  многих  пищевых  продуктов,  а  также   средств  защиты  растений.  Почти  вся промышленность  основной  химии  (60-80  %)  основаны  на  каталитических  процессах.  Химики  не  без основания говорят,  что некаталитических процессов  вообще не существует, поскольку  все они протекают в реакторах,  материал стенок которых служит  своеобразным катализатором. С   участием  катализаторов  скорость  некоторых  реакций  возрастает  в  10  млрд  раз.  Есть  катализаторы, позволяющие не просто контролировать  состав конечного продукта, но  и способствующие образованию  молекул  определенной  формы,  что  сильно  влияет  на  физические  свойства  продукта  (твердость,  пластичность).

    В современных условиях одно из важнейших  направлений развития учения о химических процессах - создание  методов  управления  этими  процессами.  Поэтому  сегодня  химическая  наука  занимается разработкой  таких  проблем,  как  химия  плазмы,  радиационная  химия,  химия  высоких  давлений  и  температур.

    Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной плазме при 1000-10 000 °С. Такие процессы  характеризуются  возбужденным  состоянием  частиц,  столкновением  молекул  с  заряженными  частицами и очень высокими скоростями химических реакций. В плазмохимических процессах скорость перераспределения  химических связей очень высока, поэтому  они очень производительны. Одним  из  самых молодых  направлений  в  исследовании  химических процессов  является  радиационная химия, которая  зародилась во второй половине XX в. Предметом  ее разработок - стали превращения  самых разнообразных  веществ  под  воздействием  ионизирующих  излучений.  Источниками  ионизирующего  излучения  служат  рентгеновские  установки,  ускорители  заряженных  частиц,  ядерные  реакторы, радиоактивные изотопы. В результате радиационно-химических реакций вещества получают повышенную термостойкость и твердость.

    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.

5. ЧЕТВЕРТЫЙ УРОВЕНЬ ХИМИЧЕСКОГО ЗНАНИЯ. ЭВОЛЮЦИОННАЯ ХИМИЯ

    Эволюционная  химия зародилась в 1950 - 1960 гг. В основе эволюционной химии лежат процессы биокатализа, ферментологии; ориентирована она главным образом на исследование молекулярного уровня живого,  что  основой  живого  является  биокатализ,  т.е.  присутствие  различных  природных  веществ  в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что и служит идеалом для многих химиков. 

    Идея  концептуального  представления  о  ведущей  роли  ферментов,  биорегуляторов  в  процессе жизнедеятельности, предложенная французским естествоиспытателем  Луи Пастером в ХIX веке, остается основополагающей и сегодня.     Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия.

    Ферменты- это белковые молекулы, синтезируемые  живыми клетками. В каждой клетке имеются  сотни различных  ферментов.  С  их  помощью  осуществляются  многочисленные  химические  реакции,  которые  благодаря  каталитическому  действию  ферментов  могут  идти  с  большой  скоростью  при  температурах, подходящих для данного организма, т.е. в пределах примерно от 5 до 40 градусов. Можно сказать, что ферменты - это биологические  катализаторы.

    В  основе  эволюционной   химии   принцип  использования  таких  условий,  которые  приводят  к  самосовершенствованию катализаторов  химических реакций, т. е. к самоорганизации  химических систем. 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 сущности, речь идет об использовании химического  опыта живой природы. Это своеобразная биологизация химии. Химический реактор  предстает как некое подобие  живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты  поведения. Так появилась эволюционная химия как высший уровень развития химического знания. Под  эволюционными  проблемами   понимают  проблемы  самопроизвольного  синтеза  новых  химических соединений  (без  участия  человека).  Эти  соединения  являются  более  сложными  и  более высокоорганизованными  продуктами  по  сравнению  с  исходными  веществами.   Поэтому  эволюционную химию заслуженно считают  предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

    До  последней трети XX в. об эволюционной химии ничего не было известно. В  отличие от биологов, которые вынуждены  были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения  многочисленных  видов  растений  и  животных,  химики  не  интересовались  вопросом  происхождения вещества, потому что получение любого нового химического соединения всегда было делом рук и разума человека.

    Постепенное развитие науки XIX в., приведшее к  раскрытию  структуры атома и  детальному познанию строения и состава  клетки, открыло перед химиками и  биологами практические возможности  совместной работы над химическими  проблемами учения о клетке. Для  освоения опыта живой природы и реализации полученных знания в промышленности химики наметили ряд перспективных путей:

1. ведутся  исследования  в  области  металлокомплексного  катализа,  который  обогащается приемами, используемыми живыми организмами в реакциях с участием ферментов (биокатализаторов).
2. ученые  пытаются  моделировать  биокатализаторы.  Уже  удалось  создать  модели  многих ферментов, которые извлекаются из живой клетки и используются в химических реакциях. Но проблема осложняется тем, что ферменты, устойчивые внутри клетки, вне нее быстро разрушаются.
3. развивается  химия  иммобилизованных  систем,  благодаря  которой  биокатализаторы  стали стабильными,  устойчивыми  в  химических  реакциях,  появилась  возможность  их  многократного использования.
4. химики пытаются освоить и использовать весь опыт живой природы. Это позволит ученым создать полные аналоги живых систем, в которых будут синтезироваться самые разнообразные вещества. Таким образом, будут созданы принципиально новые химические технологии.

    Изучение  процессов  самоорганизации  в  химии  привело  к  формированию  двух  подходов  к  анализу предбиологических  систем: субстратного и функционального.

      Результатом субстратного подхода  стала информация об отборе  химических элементов и структур. Химикам важно понять, каким образом  из минимума химических элементов  (основу жизнедеятельности живых   организмов  составляют  38  химических  элементов)  и  химических  соединений  (большинство образовано на основе 6—18 элементов) образовались сложнейшие  биосистемы.

    Функциональный  подход в эволюционной химии. В рамках этого подхода также изучается  роль катализа и выявляются законы, которым подчиняются процессы самоорганизации химических систем. Роль каталитических процессов усиливалась по мере усложнения состава и структуры химических систем. Именно на этом основании некоторые ученые стали связывать химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем.

    На  основе  этих  наблюдений  профессор  МГУ  А.П.  Руденко  выдвинул  теорию  саморазвития  открытых каталитических систем. Очень скоро она была преобразована в общую теорию химической эволюции и биогенеза. В ней решены вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической  эволюции,  об  отборе  элементов  и  структур  и  их  причинной  обусловленности,  о  высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.

    Сущность  этой теории состоит в том, что  эволюционирующим веществом являются катализаторы, а не молекулы.  При  катализе  идет  реакция  химического  взаимодействия  катализатора  с  реагентами  с образованием при  этом промежуточных комплексов со свойствами переходного состояния. Именно такой  комплекс Руденко назвал элементарной каталитической системой. Если в ходе реакции идет постоянный приток извне  новых реактивов, отвод готовой  продукции, а также выполняются  некоторые дополнительные условия, реакция может идти неограниченно  долго, находясь на одном и том  же стационарном уровне. Такие  многократно  возобновляемые  комплексы  являются  элементарными  открытыми  каталитическими  системами.

    Саморазвитие,  самоорганизация  и  самоусложнение  каталитических  систем  происходят  за  счет постоянного  притока  трансформируемой  энергии.  А  так  как  основным  источником  энергии  является базисная  реакция,  то  максимальное  эволюционное  преимущество  получают  каталитические  системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций. Таким образом, реакция является не только источником энергии, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.