Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

сивных

средах кислот и

шелочей

и к тому же обладают

особен

поверхностной активностью, способностью поглощать

кислорц

и перекиси, поэтому изделия из фторуглерода являются материя

лом для изготовления внутренних органов человека, а также

ис

пользуются в медицине для создания всевозможных покрытий.

16.3.

Второй способ решения

основной проблемы химии.

Второй уровень химического знания

Монопольное положение учения о составе вещества в

химш

сохранялось до 1830-х годов. К этому времени мануфактурное

производство сменилось фабричным, опирающимся на

мащинл

ную технику и широкую сырьевую базу. В химическом

проиэ

водстве стала преобладать переработка огромных масс веществ

растительного и животного происхождения. Их качественное раз-

нообразие потрясающе велико — сотни тысяч химических

соеди>

нений, состав которых, тем не менее, крайне однообразен, так как

они состоят из нескольких элементов-органогенов: углерода, водо-

рода, кислорода, серы, азота, фосфора. Объяснение необычайна

широкому разнообразию органических соединений при столь

бед.

ном элементном составе было найдено в явлениях, получивших

название изомерии и полимерии. Стало совершенно ясно, что

свой'

ства веществ, а следовательно, и их качественное разнообразие

обусловливаются не только составом, но еще и структурой моле-

кул. Появилось новое решение проблемы генезиса

свойства.

Кроме того, разграничились понятия «свойства» и «реакционная

способность». Под реакционной способностью стали понимать

химическую активность отдельных фрагментов молекулы — ато-

мов, атомных групп и даже отдельных химических связей.

Так было положено начало второму уровню развития хими-

ческих знаний, который получил название структурной химии.

При этом химия из науки преимущественно аналитической пре-

вратилась в науку синтетическую. Главным достижением этого

этапа стало установление связи между структурой молекул и ре-

акционной способностью веществ.

Структура Характер любой системы, как известно, за-

химических

висит не только от состава и строения эле

соединений ментов, но и от специфики их взаимодейст-

вия, то есть от структуры. Именно такое

взаимодействие определяет специфические, целостные свойств

самой системы. Поэтому при исследовании веществ и их реак-

ционной способности химикам приходится заниматься изучени- '

386

см

их структуры. При этом соответственно уровню достигнутых

знаний менялись представления о химической структуре веще-

ства. И, хотя в этом разделе химии существовали разные кон-

цепции, в соответствии с которыми ученые по-разному истол-

ковывали характер взаимодействия между элементами химиче-

ских систем, все они подчеркивали, что целостные свойства

лих

систем определяются именно специфическими особенно-

стями взаимодействия между элементами.

Сам термин «структурная химия» — понятие условное. Под

ним прежде всего подразумевается такой уровень химических

знаний,

при котором, комбинируя атомы различных химических

элементов, можно создать структурные формулы любого хими-

ческого соединения. Возникновение структурной химии означало,

что появилась возможность для целенаправленного качествен-

ного преобразования веществ, для создания схемы синтеза лю-

бых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

Основы структурной химии были заложены еще Дж. Дальто-

ном, который показал, что любое химическое вещество пред-

ставляет собой совокупность молекул, состоящих из определен-

ного количества атомов одного, двух или трех химических эле-

ментов. Затем И. Берцелиус выдвинул идею, что молекула пред-

ставляет собой не простое нагромождение

атомов,

а определенную

упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электро-

статическими силами. Как позже показал химик Ш. Жерар, это

утверждение было верным не всегда, поэтому еще в

середине

XIX в. структура молекул оставалась загадочной.

Структурная химия позволяет наглядно демонстрировать ва-

лентность

химических элементов как число единиц

сродства,

присущих атому: =С=; -О-;

Н-.

Комбинируя атомы различных

химических элементов с учетом их единиц сродства, можно соз-

дать структурные формулы любого химического соединения. А

это означает, что химик в принципе может создавать план син-

теза любого химического соединения, как уже известного, так и

неоткрытого.

Важнейшим шагом в развитии структурной химии стало по-

явление теории химического строения органических соединений рус-

ского химика А.М. Бутлерова. Бутлеров вслед за Кекуле призна-

вал, что образование молекул из атомов происходит за счет замы-

кания свободных единиц сродства, но при этом он указывал на

то, с какой энергией (большей или меньшей) это сродство связы-

вает вещества между собой. Иными словами, Бутлеров впервые в

истории химии обратил внимание на энергетическую неравно-

ценность разных химических связей.

Эта

теория позволила стро-

387

ить структурные формулы любого химического соединения, таи

как показывала взаимное влияние атомов

структуре

молекулы^

а через это объясняла химическую активность одних веществ я

пассивность других. Кроме того, она указывала на наличие

ак-1

тивных центров и активных группировок в структуре молекул.

]

Теория химического строения Бутлерова смогла стать

дтий

химиков практическим руководством в синтезе органических

веч,

шеств.

Поя&тение

этой теории позволило превратить химию и»

науки аналитической, занимающейся изучением состава готовых

веществ, в науку преимущественно синтетическую, способную

создавать новые вещества и новые материалы.

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 валент-

ных электронов.

Кроме того, современная наука дает возможность определять

не только состав, но и строение молекул. Изучить пространст-

венное расположение атомов позволяет метод

рентгеноструктур-

кого

анализа, основанный на явлении дифракции. Он позволяет

изучить все соединения, которые удается получить в кристалли-

ческом состоянии, причем для определения параметров

кри-

сталлической структуры требуется всего 10

мкг

вещества.

Также

существует метод

нейтронографии,

основанный на дифракции

нейтронов. Он позволяет с высокой точностью определить от-

носительное расположение атомов.

С появлением методов структурной химии у

•машииммн

ученых появилась уверенность в положитель-

органичбского

* —

синтеза

ном

исх

оде

экспериментов в области органи-

ческого синтеза. Сам термин «органический

синтез» появился в

1860—1880-е

годы и стал обозначать целую

область науки, названную так в противоположность общему ув-

лечению анализом природных веществ. Этот период в химии был

назван триумфальным шествием органического синтеза. Химики

гордо заявляли о своих ничем не сдерживаемых возможностях,

обещая синтезировать из угля, воды и воздуха все самые сложные

тела вплоть до белков, гормонов и пр. И действительность, каза-

лось, подтверждала эти заявления: за вторую половину XIX в.

388

число органических соединений за счет вновь синтезированных

возросло с пятисот тысяч до двух

миллионов.

В это время появились всевозможные красители для текстиль-

ной промышленности, различные препараты для фармацеи, искус-

ственный шелк и т.д. До этого подобные материалы добывались в

ограниченных количествах и с огромными затратами низкопроиз-

водительного, преимущественно сельскохозяйственного труда.

Тем не менее, классическая структурная химия была

ограни-

чена рамками сведений только о молекулах вещества, находяще-

го в

дореакционном

состоянии. Этих сведений недостаточно для

того, чтобы управлять процессами превращения вещества. Так,

согласно структурным теориям, должны быть вполне осущест-

вимы многие реакции, которые на практике не происходят.

Большое количество реакций органического синтеза, основан-

ных лишь на принципах структурной химии, имеют столь низ-

кие выходы продукции и такие большие отходы в виде побоч-

ных продуктов, что не могут быть использованы в промышлен-

ности. К тому же такой синтез требовал в качестве исходного

сырья дефицитные активные реагенты и сельскохозяйственную

продукцию, в том числе и пищевую, что крайне невыгодно в

экономическом отношении.

Поэтому изумление успехами структурной химии было не-

долгим. Интенсивное развитие автомобилестроения, авиации,

энергетики, приборостроения в первой половине XX в. выдви-

нуло новые требования к производству материалов.

Необходимо

было получить высокооктановое моторное топливо, специаль-

ные синтетические

каучуки,

пластмассы, высокостойкие изоля-

торы, жаропрочные органические и неорганические полимеры,

полупроводники. Для получения этих материалов способ реше-

ния основной проблемы химии, основанный на учении о соста-

ве и структурных теориях, был явно недостаточен. Он не учиты-

вал резкие изменения свойств вещества в результате влияния

температуры, давления, растворителей и многих других факто-

ров, воздействующих на направление и скорость химических

процессов. Учет и использование этих факторов вывел химию

на новый качественный уровень ее развития.

Современная структурная химия достигла больших результа-

тов. Сегодня синтез новых органических веществ позволяет по-

лучить полезные и ценные материалы, отсутствующие в природе.

Так, ежегодно в мире синтезируют тысячи килограммов аскорби-

новой кислоты (витамина С), множество новых лекарств, среди

которых безвредные антибиотики, лекарства против гипертонии,

язвенной болезни и т.д.

389

Самым последним достижением структурной химии

являете

открытие совершенно нового класса металлоорганических с<

единений, которые за свою двухслойную структуру получил

название

«сэндвичевых»

соединений. Молекула этого

вещесп

представляет

собой две пластины из соединений водорода и

у!

лерода, между которыми находится атом какого-либо металла.

Исследования в области современной структурной

хими

идут по двум перспективным направлениям:

• синтез кристаллов с максимальным приближением

к;

идеаль

ной решетке для получения материалов с высокими

техниче

скими показателями: максимальной прочностью, термине

ской стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;

•

создание кристаллов с заранее запрограммированными де

фектами для производства материалов с заданными элек-

трическими,

магнитными и другими свойствами.

Решение каждой из этих проблем имеет свои

сложности;

Так, для решения первой проблемы необходимо соблюдение

таких условий

вырашивания

кристаллов, которые исключали бы

воздействие на процесс всех внешних факторов, в том числе и

поля гравитации (земного притяжения). Поэтому такие кристал-

лы выращиваются на орбитальных станциях в космосе. Решение

второй проблемы затруднено тем, что наряду с запрограммиро-

ванными дефектами практически всегда образуются и нежела-

тельные нарушения.

16.4. Третий способ решения основной

проблемы химии. Третий уровень

развития химического знания

Под влиянием новых

требований

производства возник тре-

тий способ решения проблемы генезиса свойств, учитывающий

всю сложность организации химических процессов в реакторах

и обеспечивающий их экономически приемлемую производи-

тельность. После этого химия становится наукой уже не только

и не столько о веществах, но и наукой о процессах и механиз-

мах изменения вешества. Благодаря этому она обеспечила мно-

готоннажное производство синтетических материалов, заменяю-

щих дерево и металл в строительных работах, пищевое сырье

производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных мате

риалов. Производство искусственных волокон, каучуков, этило

вого спирта и многих растворителей стало базироваться на

нес]

тяном сырье, а производство азотных удобрений — на основ

азота воздуха. Появилась технология нефтехимических произ-

390

иодств

с ее поточными системами, обеспечивающими непре-

рывные высокопроизводительные процессы.

Столь впечатляющие успехи были достигнуты на основе

учения о химических процессах — области науки, в которой су-

ществует наиболее глубокая интеграция физики, химии и био-

логии. В его основе лежат химическая термодинамика и кинети-

ка, поэтому данный раздел науки в равной степени принадле-

жит физике и химии. Одним из основоположников учения о

химических процессах стал русский химик

Н.Н.

Семенов — лау-

реат Нобелевской премии, основатель химической физики. В

своей Нобелевской лекции 1965 г. он заявил, что химический

процесс — это то основное явление, которое отличает химию от

физики, делает ее более сложной наукой. Химический процесс

становится первой ступенью при восхождении от таких относи-

тельно простых физических объектов, как электрон, протон,

атом, молекула, к сложным, многоуровневым живым системам.

Ведь любая клетка живого организма по существу представляет

собой своеобразный сложный реактор. Поэтому химия стано-

вится мостом от объектов физики к объектам биологии.

Учение о химических процессах базируется на идее, что спо-

собность к взаимодействию различных химических реагентов

определяется кроме всего прочего и условиями протекания хи-

мических реакций. Эти условия могут оказывать воздействие на

характер и результаты химических реакций.

Подавляющее большинство химических реакции находится во

власти стихии. Конечно, есть реакции, которые не

требуют

"осо-

бых способов управления или особых условий. Таковы всем из-

вестные еще со школы реакции кислотно-основного взаимодей-

ствия (нейтрализации). Но подавляющее большинство реакция

находится во власти стихии, поэтому они трудно контролируют-

ся. Есть реакции, которые просто не удается осуществить, хотя

они в принципе осуществимы. Существуют реакции, которые

трудно остановить — горения и взрывы. И наконец, встречаются

реакции, которым трудно задать одно желательное направление,

так как они самопроизвольно создают десятки непредвиденных

ответвлений с образованием сотен побочных продуктов, Поэтому

важнейшей задачей для химиков становится умение управлять хи-

мическими процессами, добиваясь нужных результатов.

В самом общем виде методы управления хи-

мическими процессами можно подразделить

на термодинамические и кинетические. Сре-

ди последних ведущую роль играют катали-

тические методы. Термодинамические методы

Методы

управления

химическим

процессом

влияют на смещение химического равновесия реакции.

Кинети-

ческие

методы влияют на скорость протекания химической

ре-1

акции.

Выделение

химической

термодинамики в самостоятельное на-

правление обычно связывают с появлением в 1884 г. книги гол-

ландского химика Я.

Вант-Гоффа

«Оперт

по

химической

дина*

мике». В

ней

обоснованы законы, устанавливающие зависимость

направления химической реакции от изменения температуры и

теплового

эффекта

реакции. Тогда же французский химик А.

Ле-

Шателье

сформулировал свой знаменитый принцип подвижного

равновесия, вооружив химиков методами смешения равновесия в

сторону образования целевых

продуктов.

Поскольку основными

рычагами управления реакцией выступают температура,

давление

(если реакция происходит

газовой фазе) и концентрация реа] й-

рующих веществ (если реакция идет в жидкой фазе), эти методе

управления и получили название термодинамических методов.

Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на

практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Это за-

висит как от природы реагентов, так и от условий протекания

процесса. Есть много реакций, равновесие в которых смешено в

сторону конечных продуктов: к ним относятся уже упоминав- '

шаяся реакция нейтрализации, реакции с удалением готовых I

продуктов в виде газов или осадков. Но существует немало

рс-

•

акций, равновесие в которых смещено влево, к исходным веще-

ствам. Для их

осуществления

требуются особые термодинамиче-

ские рычаги — изменение температуры, давления и концентра-

ции реагирующих веществ.

Но термодинамические методы преимущественно влияют на

направление химических процессов, а не на их скорость. Управ-

лением скоростью химических процессов занимается химическая

кинетика, которой изучается зависимость протекания химиче-

ских процессов от различных

структурно-кинетических

факто-

ров — строения исходных реагентов, их концентрации, наличия

в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения

реагентов, материала и конструкции реактора и т.п.

Задача исследования химических реакций является очень

сложной. Ведь при ее решении необходимо выяснить механизм

взаимодействия не просто двух реагентов, а еще и «третьих тел»,

которых может быть несколько. В этом случае наиболее целесо-

образно поэтапное решение, при котором вначале выделяется

наиболее сильное действие какого-либо одного из «третьих тел»,

чаще всего катализатора.

Кроме того, следует понять, что практически все химические

реакции представляют собой отнюдь не простое взаимодействие

392

исходных реагентов, а сложные цепи последовательных

стадий,

где реагенты взаимодействуют не только друг с

другом,

но и со

сгенками

реактора, могущими как катализировать (ускорять),

гак и ингибировать (замедлять) процесс.

Также на интенсивность химических процессов оказывают

влияние случайные примеси. Вещества различной степени чисто-

1Ы

проявляют себя в одних случаях как более активные реагенты,

в других — как инертные. Примеси могут оказывать как

катали-

гическое,

так и ингибирующее действие. Поэтому для управления

химическим процессом в реагирующие вещества вносятся те или

иные добавки.

Таким образом, влияние «третьих

тел»

на ход химических ре-

акций может быть сведено к катализу, то есть положительному

воздействию на химический процесс, и к

ингибированию,

сдер-

живающему процесс.

Ка

апиз

и Явление катализа было открыто еще в 1812 г.

роль в химии русским химиком

К.С.

Кирхгофом. Но меха-

низм катализа долгое время оставался загад-

кой природы, вызывая к жизни самые разнообразные теории, как

чисто химические, так и физические. Эти теории, будучи оши-

бочными, оказывались полезными хотя бы потому, что наталки-

вали ученых на новые эксперименты. Ведь дело было в том, что

для большинства промышленно важных химических процессов

катализаторы подбирались путем бесчисленных проб и ошибок.

Катализ — ускорение химической реакции в присутствии

особых веществ — катализаторов, которые взаимодействуют с

реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в конеч-

ный состав продуктов.

Каталитические процессы

рахчичаются

по своей физической

и химической природе:

. гетерогенный катализ — химическая реакция взаимодейст-

вия жидких или газообразных реагентов идет на поверхно-

сти твердого катализатора;

• гомогенный катализ — химическая реакция идет либо в га-

зовой смеси, либо в жидкости, где растворены как катали-

затор, так и реагенты;

• электрокатализ — реакция идет на поверхности электрода

в контакте с раствором и под воздействием электрическо-

го тока;

• фотокатализ -— реакция идет на поверхности твердого те-

ла или в растворе и стимулируется энергией поглощенного

излучения.

393

Наибольшее распространение имеет гетерогенный катализ, <

его помощью осуществляется до 80% всех каталитических

реак*

ций

в современной химии.

Применение катализаторов послужило основанием коренной

ломки всей химической промышленности. Благодаря им оказалос

возможным использование в качестве сырья для

органического

синтеза парафинов и циклопарафинов, до сих пор считавшихся

«химическими мертвецами». Катализ необходим при

производств

ве маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств заши-

ты растений. Почти вся промышленность основной химии (про-

изводства неорганических кислот, оснований и солей) и «тяжело

го» органического синтеза, включая получение горюче-смазочных

материалов, базируется на

катализе

Последнее время тонкий ор-

ганический синтез становится все более каталитическим. 60—80%

всей химии основаны на каталитических процессах. Химики не

без основания говорят, что некаталитических процессов вообще

не существует, поскольку все они протекают в реакторах, матери-

ал стенок которых служит своеобразным катализатором.

Сегодня мы уже можем сделать некоторые выводы о сущно-

сти катализа.

1. Реагирующие вещества вступают в контакт с катализато-,

ром, взаимодействуют с ним, в результате чего происходит рас-

слабление химических связей. Если реакция происходит в отсут-

ствие катализатора, то активация молекул реагирующих веществ

должна происходить за счет подачи в реактор энергии извне.

2. В общем случае любую каталитическую реакцию можно

представить

проходящей

через промежуточный комплекс, в ко-

тором происходит перераспределение расслабленных химических

связей.

3. В подавляющем большинстве случаев в качестве катализа-

торов выступают соединения

бертоллидного

типа — соединения

переменного состава, отличающиеся наличием в них ослаблен-

ных химических связей или даже свободных валентностей, что

придает им высокую химическую активность. Их молекулы со-

держат широкий набор энергетически неоднородных связей или

даже свободные атомы на поверхности.

4. Следствием взаимодействия реагентов с катализатором яв-

ляется ход реакции в заданном направлении, увеличение скоро-

сти реакции, так как на поверхности катализатора увеличивается

число встреч реагируюших молекул. Кроме того, катализатор

захватывает некоторую часть энергии экзотермической реакции

для энергетической подпитки все новых актов реакции и ее об-

щего ускорения.

394

На современном этапе своего развития химия открыла мно-

жество эффективных катализаторов. Среди них ионнообменные

смолы, металлоорганические соединения, мембранные катализа-

торы. Каталитическими свойствами обладают многие химические

элементы периодической системы, но важнейшую роль играют

металлы платиновой группы и редкоземельные металлы.

С участием катализаторов скорость некоторых реакций воз-

растает в 10 млрд раз. Есть катализаторы, позволяющие не про-

сто контролировать состав конечного продукта, но и способст-

вующие образованию молекул определенной формы, что сильно

илияет

на физические свойства продукта (твердость, пластичность).

Одно из перспективных направлений повышения эффектив-

ности катализа заключается в разработке молекулярных сит —

природных или синтетических материалов, содержащих

алюми-

ний, кремний и кислород и обладающих структурой мельчай-

ших пустот и каналов. Такие сита выполняют функцию катали-

затора: попавшие внутрь пустот или каналов молекулы вступают

в реакцию, которая при обычных условиях возможна только при

высокой температуре. Молекулярные сита применяются для

производства высокооктанового бензина и

превращения

полу-

ченного из древесины метанола в бензин.

*-™™.-.....

На

современном этапе исследования в облас-

исследования

ТИ

управления химическими процессами на-

в области управле- правлены на разработку таких проблем, как

ния химическими химия плазмы, радиационная химия, химия •

процессами высоких давлений и температур.

Химия плазмы изучает химические про-

цессы в низкотемпературной плазме при температурах от 1000

до 10 000°С. Такие процессы характеризуются возбужденным со-

стоянием частиц, столкновением молекул с заряженными час-

тицами и очень высокими скоростями химических реакций.

В плазмохимических процессах скорость перераспределения

химических связей очень высока: длительность элементарных ак-

тов химических превращений составляет около

1(Н

с при почти

полном отсутствии обратимости реакции. Скорость этих хими-

ческих процессов в обычных реакторах из-за обратимости сни-

жается в тысячи раз, поэтому плазмохимические процессы очень

производительны.

Например, производительность метанового

плазмохимиче-

ского реактора (его размеры: длина — 65 см,

диаметр

— 15 см)

составляет 75 т ацетилена в сутки. В этом реакторе при темпера-

туре

3000—35ООХ

за одну десятитысячную долю секунды около

80% метана превращается в ацетилен.

395

Плазменная химия в последнее время все больше

внедряете!

в промышленное производство. Уже созданы технологии произ

водства сырья для порошковой металлургии, разработаны мето

ды синтеза для

целого

ряда химических соединений. В 70-х го

дах были созданы плазменные сталеплавильные печи, позво

ляюшие

получать самые высококачественные металлы. Разрабо

таны методы ионно-плазменной обработки поверхности

инстр;

ментов, износостойкость которых увеличивается в несколько раз

Плазмохимия позволяет синтезировать ранее неизвестные ма

териалы,

такие, как металлобетон, в котором в качестве свя

зующего элемента используются различные металлы. Пр

сплавлении частиц горной породы благодаря прочному сжатию

их с металлом образуется металлобетон, превосходящий по сво-

им качествам обычный бетон в десятки и сотни раз.

Одним из самых молодых направлений в исследовании хи-

мических процессов является радиационная химия, которая заро-

дилась во второй половине XX в. Предметом ее разработок ста-

ли превращения самых разнообразных веществ под воздействием

ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излу-

чения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных

частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы. В результа-

те радиационно-химических реакций вещества получают повы-

шенную термостойкость и твердость.

Наиболее важными процессами радиационно-химической

технологии являются полимеризация, вулканизация, производ-

ство композиционных материалов, в том числе получение по-

лимербетонов путем пропитки обычного бетона каким-либо по-

лимером с последующим облучением. Такие бетоны имеют бо-

лее высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и вы-

сокой коррозионной

стойкостью.

Сегодня также принципиально новой и исключительно важ-

ной областью учения о химических процессах является саморас-

пространяющийся

высокотемпературный синтез тугоплавких и

керамических материалов. Обычно их производство осуществля-

ется методом порошковой металлургии, суть которого заключа-

ется в прессовании и сжатии при высокой температуре (1200—

2000°С) металлических порошков. Самораспространяющийся син-

тез происходит гораздо проще, он основан на горении одного

металла в другом, или металла в азоте, углероде, кремнии и т.п.

Давно известно, что процесс горения представляет собой со-

единение кислорода с горючим веществом, поэтому горение —

это реакция окисления горючего вещества. При этом

происхо-

396

дит перемещение электронов от атомов горючего тела к атомам

кислорода. С этой точки зрения горение возможно не только в

кислороде, но и в других окислителях. На этом выводе и осно-

ван самораспространяющийся высокотемпературный синтез —

тепловой

процесс горения в твердых телах. Он представляет со-

бой, например, горение порошка титана в порошке бора, или

порошка циркония в порошке кремния. В результате такого

синтеза получаются сотни тугоплавких соединений самого вы-

сокого качества.

Еще одна область развития учения о химических процессах —

химия высоких и сверхвысоких давлений. Химические превращения

веществ при давлениях выше 100 атм относятся к химии высо-

ких давлений, а при давлениях выше 1000 атм — к химии сверх-

высоких давлений. Высокие давления в химии используются с

начала XX в. — аммиачное производство осуществлялось при

давлении 300 атм и температуре 600°С. Но в последнее время ис-

пользуются установки, в которых достигается давление в 5000 атм,

а испытания проводятся при давлении 600 000 атм, которое дос-

тигается за счет ударной волны при взрыве в течение миллион-

ной доли секунды. При ядерных взрывах возникают еше более

высокие давления.

При высоком давлении сближаются и деформируются элек-

тронные оболочки атомов, что ведет к повышению реакционной

способности веществ. При давлении

—10

атм исчезает

разли-

чие между жидкой и газовой, а при

—10

атм — между твер-

дой и жидкой фазами. При высоком давлении сильно изменя-

ются физические и химические свойства вещества. Например,

при

20 000 атм металл становится эластичным, как каучук. Обыч-

ная вода при высоких температурах и давлениях становится хи-

мически активной. С повышением давления многие вещества

переходят в металлическое состояние. Так, в 1973 г. ученые

наблюдали металлический водород при давлении 2,8 млн атм.

Одним из важнейших достижений химии сверхвысоких дав-

лений стал синтез алмазов. Он идет при давлении 50 000 атм и

температуре

2000°С,

При этом графит кристаллизуется в алмазы.

Также алмазы можно синтезировать и с применением ударных

волн. В последнее время ежегодно производятся тонны синтетиче-

ских алмазов, которые лишь незначительно отличаются от при-

родных по своим свойствам. Получающиеся алмазы используются

для промышленных целей — в режущем и буровом оборудовании.

Удалось синтезировать черные алмазы — карбонадо, которые

тверже природных и используются для обработки самих алмазов.

397

При высоких давлениях синтезируют и другие

материалы,!

отличающиеся высокой термостойкостью. Так, из нитрида бора

при давлении 100 000 атм и температуре 2000°С синтезирован I

боразон — материал, пригодный для сверления и шлифования/

деталей из чрезвычайно твердых материалов при очень

высоких!

температурах.

16.5. Четвертый способ решения

основной проблемы химии.

Четвертый уровень химического знания

60—70-е

годы XX в. появился четвертый способ решения ос-

новной проблемы химии, открывающий пути использования в

производстве материалов самые

высокоорганизованные

химиче- |

ские системы, какие только возможны в настоящее время. В осно- '

ве этого способа лежит принцип использования в процессах полу- ]

чения целевых продуктов таких условий, которые приводят к са- |

мосовершенствованию катализаторов химических реакций, то есть

к самоорганизации химических систем. В сущности, речь идет об

использовании химического опыта живой природы. Это своеоб-

разная биологизация химии. Химический реактор предстает как |

некое подобие живой системы, для которой характерны самораз-

витие и определенные черты поведения. Так появилась эволюци-

онная химия как высший уровень развития химического знания.

Эволюционная

Под

ЭВОлК)

ионными

проблемами в химии

химия понимают процессы самопроизвольного (без

и ее основные участия человека) синтеза новых

.химических

проблемы соединений, являющихся более сложными и

высокоорганизованными продуктами по срав-

нению с исходными веществами. Поэтому эволюционную хи-

мию заслуженно считают

предбиологией,

наукой о самоорганиза-

ции 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,

химиков вопрос о происхождении вещества не волновал, потому

что получение любого нового химического соединения всегда

было

делом

рук и разума человека. Молекулы новых химических

соединений конструировались по законам структурной химии из

атомов и атомных групп, как здание из кирпичей. Живые же ор-

ганизмы из блоков собрать было нельзя. Но изучение и освоение

опыта живой природы было давней мечтой ученых.

Первые шаги на этом пути были сделаны еще И. Берцели-

усом, который установил, что в основе функционирования живого

организма лежит

биокагализ.

Затем исследования в этом направле-

нии велись немецким ученым Ю.

Либихом,

французом П. Бертло

I!.

наконец,

Н.Н.

Семеновым, что способствовало укреплению

связи химии с биологией.

Постепенное развитие науки XIX века, приведшее к раскры-

тию структуры атома и детальному познанию строения и состава

клетки, открыло перед химиками и биологами практические

возможности совместной работы над химическими проблемами

учения о клетке. На повестке дня стояло изучение характера

химических процессов в живых тканях, обусловленности биоло-

гических функций химическими реакциями.

Действительно, если посмотреть на обмен веществ в организ-

ме с точки зрения химии, то можно увидеть совокупность боль-

шого числа сравнительно простых и однообразных химических

реакций, которые сочетаются между собой во времени, протека-

ют не случайно, а в строгой взаимопоследовательности, в резуль-

тате чего образуются длинные цепи реакций. И этот порядок за-

кономерно направлен к постоянному самосохранению и само-

воспроизведению всей живой системы в целом в данных услови-

ях окружающей среды. Так что такие специфические свойства

живого, как рост, размножение, подвижность, возбудимость, спо-

собность реагировать на изменения внешней среды, связны с оп-

ределенными комплексами химических превращений.

Поэтому химии среди наук, изучающих жизнь, принадлежит

ведущая роль. Именно химией была выявлена важнейшая роль

хлорофилла как химической основы фотосинтеза, гемоглобина —

как основы процесса дыхания, установлена химическая природа

передачи нервного возбуждения, определена структура нуклеино-

вых кислот и т.д. Но главное заключалось в том, что объективно

в самой основе биологических процессов, функций живого лежат

химические механизмы. Все функции и процессы, происходящие

в живом организме, оказывается возможным изложить на языке

химии, в виде конкретных химических реакций.

Конечно, было бы неверным сводить явления жизни только

к химическим процессам. Это было бы грубым механистиче-

ским упрощением. Даже сама химия подчеркивает специфич-

ность химических процессов в живых системах, показывает их

отличия от того, что происходит в неживых системах. Специ-

фичность и одновременно взаимосвязь химической и биологи-

ческой форм движения материи подчеркиваются и другими нау-

399

ками,

возникшими на границе биологии, химии и физики,

Срв

ди них биохимии — наука об обмене веществ и химических

пр<

цессах

в живых организмах; биоорганическая химия — наука

строении, функциях и путях синтеза соединений,

составляюцц

живые организмы; физико-химическая биология — наука о функ

ционирошнии

сложных систем, передаче информации и

регулиро

вании биологических процессов на молекулярном уровне; а

такж

биофизика, биофизическая химия и радиационная биология.

В рамках перечисленных наук были определены

химичесет

продукты клеточного метаболизма (обмена веществ);

установл*

ны

циклы биосинтеза этих продуктов и реализован их

искусе

венный синтез; открыты материальные основы

регулятивного

наследственного молекулярного механизма, а также

выяснец

значение химических процессов в энергетических

пропессад

клетки и живых организмов в целом.

Сейчас для химии особенно важным становится применение

биологических принципов, в которых

сконцентрирован

опыт при-

способления

Живых

организмов к условиям Земли в течение

мно

гих миллионов лет, опыт создания наиболее совершенных меха-

низмов и процессов.

Как было понято учеными еще в XIX в., основой исключи-

тельной

эффективности биологических процессов является био-

катализ. Поэтому

химикя

ставят своей целью создать новую хи-

мию, основанную на каталитическом опыте живой природы.

Они стремятся к новым принципам управления химическими

процессами, в которых будет применяться синтез себе подобнь

молекул, по принципу ферментов будут созданы катализаторы

таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут суще

ствуюшие в нашей промышленности до сих пор.

Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами,

присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождествен-

ны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем.

Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ус-

корения химических процессов в неорганическом мире сталкива-

ются с серьезными ограничениями. Пока речь может идти только

о моделировании некоторых функций ферментов и использовании

этих моделей для теоретического анализа деятельности живых сис-

тем. Также возможно частичное практическое применение выде-

ленных ферментов для ускорения некоторых химических реакций.

Для этого нужно изучить весь каталитический опыт живой приро-

ды, в том числе и опыт формирования самого фермента, клетки и

даже организма. На эгой основе и возникла эволюционная химия

400

:1К

новая наука, прелагающая пути принципиально новой

хими-

сскоа

технологии, способной стать аналогом живых систем.

Таким образом, возникновению эволюционной химии спо-

собствовали исследования в области моделирования биокатали-

уторов — ферментов. Для освоения опыта живой природы и

реализации полученных знаний в промышленности химики на-

метили ряд перспективных путей.

Во-первых, химики ведут исследования в области металло-

комилексного

катализа, который обогащается приемами, исполь-

)\емыми

живыми организмами в реакциях с участием ферментов.

Во-вторьгх, ученые пытаются моделировать биокатализаторы.

Уже удалось создать модели многих ферментов, которые извле-

каются из живой клетки и используются в химических реакциях.

Но проблема осложняется тем, что ферменты, устойчивые внут-

ри живой клетки, вне ее быстро разрушаются.

В-третьих, развивается химия иммобилизованных систем.

1ри

этом ферменты, выделенные из живого организма, закреп-

1яются

на твердой поверхности путем адсорбции. Пионером в

)гой области выступил русский химик

И.В.

Березин. Благодаря

ею исследованиям биокатализаторы стали стабильными, устой-

чивыми в химических реакциях, появилась возможность их мно-

гократного использования.

В-четвсртых, глобальной целью современной химии является

решение самой широкой задачи — освоение и

использование

всего опыта живой природы. Это позволит химикам создать

полные аналоги живых систем, в которых будут синтезироваться

самые

разнообразные вещества. Таким образом, будут созданы

принципиально новые химические технологии.

Зарождение

эволюционной

химии произошло в

1960-х

годах,

[чогда

были открыты случаи самосовершенствования катализато-

ров в ходе реакции, тогда как обычно в процессе работы они

[езактивировались,

ухудшались и выбрасывались. Так химики

обратили внимание на процессы самоорганизации в химических

системах, на существование в природе химических систем раз-

ной степени сложности, а также на процесс перехода от химиче-

ских систем к биологическим, подняв тем самым химию на ка-

чественно новый, четвертый уровень.

Также было отмечено, что ведущую роль на предбиологиче-

ской

стадии эволюции играл катализ. Роль каталитических про-

цессов усиливалась по мере усложнения состава и структуры

химических систем. Именно на этом основании некоторые уче-

ные напрямую стали связывать химическую эволюцию с само-

401

организацией и саморазвитием каталитических систем.

Иным)

''словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной

мер

связана с процессами самоорганизации каталитических систем.

Изучение процессов самоорганизации в химии привело

формированию двух подходов к анализу предбиологических си<

тем: субстратного и функционального.

Субстратный

рамках этого подхода было отмечено,

подход к проблеме

при

пе

ех

°Д

простейшим формам

жизт

биогенеза

шел

особый дифференцированный

отбо)

лишь таких химических элементов и их со

единений, которые являются основным строительным материа

лом для образования биологических систем. Эти элементы в

хи

мии получили название органогенов.

Результатами субстратного подхода стала информация об от-

боре химических элементов и структур, который оказался по

лобным биологической эволюции. В настоящее время

науко!

открыто

110

химических элементов. Большинство из них попа-

дает в живые организмы и участвует в их жизнедеятельности

Однако основу жизнедеятельности обеспечивают только шеста

химических элементов, которые называются органогенами:

угле-

род, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их суммарная ве-

совая доля в структуре живого организма составляет 97,4%. ЗА

ними следуют 12 элементов, которые принимают участие в по

строении многих физиологически важных компонентов биоло-

гических систем. Это натрий, калий, кальций, магний, алюми-

ний, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель. Их

весовая

лоля

в организме составляет

1,6%.

Кроме того, сущест-

вуют еще 20 элементов, участвующих в построении и функцио-

нировании отдельных узкоспецифических биосистем, весовая

доля которых составляет около 1%. Все остальные элементы в

построении биосистем практически не участвуют.

Общая картина химического мира также весьма убедительно

свидетельствует об отборе элементов. В настоящее время хими-

. ческой науке известно около 8 млн химических соединений. Из

них подавляющее большинство (96%) составляют органические

соединения, которые образованы на основе тех же 6—18 эле-

ментов. А из остальных 90 химических элементов природа соз-

дала всего лишь около 300 тысяч неорганических соединений.

Такая резкая диспропорция между органическими и неорга-

ническими соединениями, а также исключительно дифференци-

рованный отбор минимума органогенов не могут быть объясне-

ны различной распространенностью химических элементов

402

космосе и на Земле, поскольку в космосе безраздельно господ-

ствуют только два элемента — водород и гелий, а на Земле боль-

ше всего кислорода и водорода. Распространенность остальных

органогенов (углерода, азота, фосфора и серы) в поверхностных

слоях Земли примерно одинакова и в общем невелика — около

0,24 весовых процента.

Таким образом, можно сделать вывод, что определяющими

факторами в отборе химических элементов при формировании

органических систем, а тем более биосистем, выступают условия

соответствия этих элементов определенным требованиям:

• способность образовывать прочные и, следовательно, энер-

гоемкие связи;

• эти связи должны быть лабильными (изменчивыми), спо-

собными к образованию новых разнообразных связей.

Данным условиям отвечает углерод — органоген номер один.

Он, как никакой другой элемент, способен вмещать и удержи-

вать внутри себя самые редкие химические противоположности,

рсализовывать

их единство, выступать в качестве носителя внут-

реннего противоречия.

Азот, фосфор и сера как органогены, а также железо и маг-

ний (они составляют активные центры ферментов) также ла-

бильны. Кислород и водород свойством лабильности обладают в

меньшей мере, поэтому являются носителями окислительных и

восстановительных процессов.

О том, как происходил отбор структур, каков его механизм,

сказать довольно трудно. Но этот процесс оставил нам своего

рода музей. Подобно тому, как из всех химических элементов

только 6 органогенов и

10—15

других элементов были отобраны

природой, чтобы составить основу биосистем, так же в результа-

те эволюции шел тщательный отбор химических соединений.

Из миллионов органических соединений в построении живо-

го участвуют лишь несколько сотен. Из ста известных амино-

кислот в состав белков входит только 20. Лишь по четыре нук-

леотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных

нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регу-

ляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Химикам важно понять, каким образом из минимума хими-

ческих элементов и химических соединений образовались слож-

нейшие биосистемы. Без этого ученые не смогут приспособить к

своим нуждам простые химических системы, чтобы получить из

них более сложные соединения.

Сегодня ясно, что в ходе эволюции отбирались те структуры,

которые способствовали резкому повышению активности и се-

403

лективности

действия каталитических групп. Есть уже и

некото-1

рые выводы:

• на ранних этапах химической эволюции мира катализ

во*

все отсутствовал. Условия высоких температур

(выше

5000 К), электрических разрядов и радиации, с одной сто-

роны, препятствовали образованию конденсированного

состояния вещества, а с другой — с лихвой

перекрыв&чи

те порции энергии, которые необходимы для протекания

большинства реакций;

• первые проявления катализа Начались при смягчении

ус-

ловий и образовании первичных твердых тел;

•

роль катализатора возрастала по мере того, как физиче-

ские условия приближались к земным. Но обшее значение

катализа вплоть до образования более или менее сложных

органических молекул все еще не могло быть высоким;

• после того, как был накоплен определенный количествен-

ный минимум органических и неорганических соедине-

ний, прежде всего Сахаров и аминокислот, роль катализа

начала резко возрастать.

Функциональный

№

мках

этого

подхода при анализе процес-

подход

сов

биогенеза основное внимание уделяется

в эволюционной выявлению законов, которым подчиняются

химии процессы самоорганизации химических сис-

тем. Так, в 1964 г. профессор МГУ АЛ. Ру-

денко выдвинул теорию саморазвития открытых каталитических

систем. Очень скоро она была преобразована в общую теорию

химической эволюции и биогенеза. В ней решены вопросы о дви-

жущих силах и механизмах эволюционного процесса, то есть о

законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их

причинной обусловленности, уровне химической организации и

иерархии химических систем как следствии эволюции.

Сущность этой теории состоит в том, что химическая эво-

люция представляет собой саморазвитие каталитических систем,

следовательно, эволюционирующим веществом являются ката-

лизаторы, а не молекулы. Выше мы упоминали, что при катали-

зе идет реакция химического взаимодействия катализатора с

реагентами с образованием при этом промежуточных комплек-

}

сов со свойствами переходного состояния. Именно такой про- <

межуточный каталитический комплекс Руденко назвал элемен-

тарной

каталитической

системой.

Если в ходе реакции идет по-

стоянный приток извне новых реактивов, отвод готовой продук-

ции, а также выполняются некоторые дополнительные условия,

реакция может идти неограниченно долго, находясь на одном и

404

гом

же стационарном уровне. Такие многократно возобновляе-

мые комплексы являются элементарными открытыми катали-

тическими системами.

Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение катали-

тических систем происходит за счет постоянного притока транс-

формируемой энергии. А так как основным источником энергии

является базисная реакция, то максимальное эволюционное пре-

имущество получают каталитические системы, развивающиеся

на базе экзотермических реакций. Таким образом, базисная реак-

ция является не только источником энергии, но и орудием отбора

наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

Тем самым Руденко сформулировал основной закон химиче-

ской эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и

вероятностью реализуются те пути эволюционных изменений

катализаторов, которые связаны с ростом их абсолютной ката-

литической активности. При этом по параметру абсолютной ка-

талитической активности складываются механизмы конкурен-

ции и естественного отбора.

Возникает явление автокатализа, при котором продукты реак-

ции выступают в роли катализаторов, ускоряющих дальнейшее

протекание реакции. При этом реакция становится саморазви-

вающейся, и элементарная открытая каталитическая система под-

ходит к первому пределу в своем развитии, когда рост скорости

базисной реакции начинает ограничиваться постоянной темпера-

турой системы. Тогда некоторые элементарные

каталитические

центры становятся способными осуществлять не один, а несколько

циклов базисной реакции. На следующем этапе развития элемен-

тарной каталитической системы скорость реакции начинает огра-

ничиваться концентрацией реагирующих веществ. При этом сис-

тема подходит ко второму пределу в своем развитии, который пре-

одолевается с помощью пространственного дублирования катали-

тических систем, их разъединения и дальнейшего самостоятельно-

го существования. А самовоспроизведение (точное пространствен-

ное дублирование) является признаком не химической, а биологи-

ческой эволюции. Именно так с матричных молекул ДНК

считы-

вается наследственная информация и на этой основе строится но-

вая молекула. Таким образом, второй кинетический предел само-

развития элементарных открытых каталитических систем является

пределом добиологической химической эволюции. После этого

возможности добиологической эволюции, проходящей по законам

химии, исчерпываются, и начинается эволюция биологическая.

Практическим следствием теории саморазвития открытых

каталитических систем является так называемая нестационарная

405