Кукк В.А., Сергеев С.В., Решетников Б.А. Учебное пособие концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

180

более сложной наукой. Химический процесс становится первой ступенью

при восхождении от таких относительно простых физических объектов, как

электрон, протон, атом, молекула, к живой системе, потому что любая клетка

живого организма, по существу, представляет собой своеобразный сложный

реактор. Это — мост от объектов физики к объектам биологии.

Подавляющее большинство химических реакций находится во власти сти-

хии. Они трудноконтролируемы: в одних случаях их просто не удается

осуществить, хотя они в принципе осуществимы, в других — трудно

остановить, например, горения и взрывы, в третьих случаях их трудно ввести

в одно желаемое русло, так как они самопроизвольно создают десятки

непредвиденных ответвлений с образованием сотен побочных продуктов. В

самом общем виде методы управления химическими процессами можно

подразделить на термодинамические и кинетические, а среди последних

ведущую роль играют каталитические методы.

Выделение химической термодинамики в самостоятельное направление

учения о химических процессах обычно связывают с появлением в 1884 г.

книги "Очерки по химической динамике" голландского химика Я. Вант-

Гоффа. В ней обоснованы законы, устанавливающие зависимость

направления химической реакции от изменения температуры и теплового

эффекта реакции. Тогда же Ле-Шателье сформулировал свой "принцип

подвижного равновесия", вооружив химиков методами смещения равновесия

в сторону образования целевых продуктов.

Основными рычагами управления реакцией выступают: температура, дав-

ление (если реакция происходит в газовой фазе) и концентрация

реагирующих веществ (если реакция идет в жидкой фазе).

Каждая химическая реакция в принципе обратима. Например, реакция

типа:

АВ + СО <=> АС + ВО.

Обратимость реакций служит основанием равновесия между прямой и об-

ратной реакциями. На практике равновесие смещается в ту или иную

сторону. Представим себя на месте химика, которому во что бы то ни стало

необходимо получить вещество АС. Он сливает растворы с веществами АВ и

CD и ждет, получится ли желанное вещество АС. У нашей истории, как вы

догадываетесь, возможно существование двух различных финалов.

Такое случается, если равновесие смещается вправо, т.е. в сторону

образования нужного нам вещества АС.

В данном случае равновесие реакции смещено влево, в сторону исходных

веществ АВ и СО. Поэтому для того, чтобы реакция пошла в нужном нам на-

правлении, необходимо либо увеличить концентрацию веществ АВ и CD,

либо изменить температуру или давление.

Но термодинамические методы позволяли управлять только

направлением реакций, а не их скоростями.

Управлением скоростью химических реакций в зависимости от различных

факторов занимается специальная наука — химическая кинетика. На

181

скорость химической реакции может влиять очень многое, даже стенки

сосуда, в котором протекает реакция.

В 1812 г. русским академиком К.С. Кирхгофом было открыто явление хи-

мического катализа. Катализ представляет собой наиболее общий и распро-

страненный способ проведения химических реакций, особенность которого

состоит в активации молекул реагента при их контакте катализатором. При

этом происходит как бы "расслабление" химических связей в исходном

веществе, "растаскивание" его на отдельные части, которые затем легче

вступают во взаимодействие друг с другом.

Задача исследования химических реакций является исключительно слож-

ной. 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 целесообразно поэтапное решение, при

котором вначале выделяется наиболее сильное действие какого-нибудь од-

ного из "третьих тел", чаще всего катализатора.

Здесь следует понять, что практически все химические реакции представ-

ляют 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, которые могут, как

катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс.

Опыты показывают, что на интенсивность химических процессов оказы-

вают влияние также случайные примеси. Вещества различной степени

чистоты проявляют себя в одних случаях как более активные реагенты, в

других — как инертные. Примеси могут оказывать как каталитическое, так и

ингибиторное действие. Поэтому для управления химическим процессом в

реагирующие вещества вносят те или иные добавки.

Таким образом, влияние "третьих тел" на ход химических реакций может

быть сведено к катализу, то есть положительному воздействию на

химический процесс, и к ингибированию, сдерживающему процесс.

На современном этапе своего развития учение о химических процессах за-

нимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная

химия, химия высоких давлений и температур [7].

Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной

плазме (плазма — это ионизированный газ). Она исследует протекание

химических реакций при температурах от 1000 до 10000° С. Такие процессы

характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями

молекул с заряженными частицами и очень высокими скоростями реакций.

В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических

связей очень высока: длительность элементарных актов химических

превращений составляет 10…13с при почти полном отсутствии обратимости

реакции. Скорость этих химических процессов в обычных реакторах из-за

обратимости снижается в тысячи раз. Поэтому плазмохимические процессы

очень производительны.

Плазменная химия в последнее время все больше внедряется в промыш-

ленное производство. Уже созданы технологии производства сырья для

182

порошковой металлургии, разработаны методы синтеза для целого ряда

химических соединений. В 70-х гг. ХХ в. были созданы плазменные

сталеплавильные печи, позволяющие получать самые высококачественные

металлы. Разработаны методы ионно-плазменной обработки поверхности

инструментов, износостойкость которых увеличивается в несколько раз [7].

Плазмохимия позволяет синтезировать ранее неизвестные материалы, та-

кие как металлобетон, в котором в качестве связующего элемента

используются различные металлы. При сплавлении частиц горной породы

благодаря прочному сжатию их с металлом образуется металлобетон,

превосходящий по своим качествам обычный бетон в десятки и сотни раз.

В отличие от каталитической химии, занимающейся проблемами

катализа, химия экстремальных состояний решает вопрос управления

химической реакцией иначе — здесь химики пытаются "расшатать" атомы в

исходной молекуле за счет дополнительной внешней энергии. Они

используют при этом простой нагрев или энергию света, а иногда для "очень

крепких орешков" (молекул с сильными внутримолекулярными связями) и

радиационное облучение. Этим вопросом занимается радиационная химия, и

является одним из самых молодых направлений в исследовании химических

процессов, которое зародилось во второй половине ХХ столетия. 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. Наиболее важными процессами радиационно-химической

технологии являются полимеризация, вулканизация, производство

композиционных материалов, в том числе получение полимербетонов путем

пропитки обычного бетона каким-нибудь полимером с последующим облуче-

нием. Такие бетоны имеют в 4 раза более высокую прочность, обладают

водонепроницаемостью и высокой коррозийной стойкостью.

Сегодня также принципиально новой и исключительно важной областью

учения о химических процессах является самораспространяющийся высоко-

температурный синтез тугоплавких и керамических материалов. Обычно их

производство осуществляется методом порошковой металлургии, суть кото-

рого заключается в прессовании и сжатии при высокой температуре

(1200…2000° С) металлических порошков. Самораспространяющийся синтез

происходит гораздо проще, так как основан на реакции горения одного

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

Сегодня абсолютно точно известно, что процесс горения представляет со-

бой соединение кислорода с горючим веществом. В химии принято считать

горение реакцией окисления горючего вещества, что означает 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 основан самораспространяющийся высокотемпературный

синтез — тепловой процесс горения в твердых телах. Он представляет собой,

183

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

порошке кремния. В результате такого синтеза получаются сотни

тугоплавких соединений самого высокого качества.

10.8. Эволюционная химия — высшая ступень

развития химических знаний

Еще до недавнего времени об эволюционной химии ничего не было из-

вестно. 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 индивида всегда было делом рук и разума человека: молекула

нового химического соединения конструировалась по законам структурной

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

организмы из блоков собрать нельзя.

Начало эволюционной химии связывают с 1950–1960 гг. Под эволюцион-

ными проблемами следует понимать проблемы синтеза новых сложных,

высокоорганизованных соединений без участия человека.

Сегодня химики пришли к выводу, что, используя те же принципы, на ко-

торых построена химия живых организмов, в будущем (не повторяя в

точности природу) можно будет "построить" принципиально новую химию,

новое управление химическими процессами — так, как это происходит в

любой живой клетке [6]. Химики надеются получить катализаторы нового

поколения, которые бы позволили создавать, например, необычные

преобразователи солнечного света. Всем известно, что в простом зеленом

листочке энергия солнца превращается в энергию химических связей. А что,

если подобный принцип использовать в нашем преобразователе света?

Энергия солнечного излучения будет трансформироваться в химическую и

электрическую, а затем, при необходимости — обратно в энергию света. Вот

было бы замечательно! Исследуя биохимические процессы, протекающие в

мышцах, ученые "загорелись" идеей создания новых полимеров, в которых

химическую энергию можно было бы использовать для сокращения и

растяжения таких материалов, т.е. превращать ее в механическую.

Сегодня ученые стремятся создавать промышленные аналоги химических

процессов, происходящих в живой природе. Они исследуют опыт работы

биохимических катализаторов и создают такие катализаторы в лабораторных

условиях. Особой сложностью работы с биохимическими катализаторами —

ферментами, является то обстоятельство, что они очень неустойчивы при

хранении и быстро портятся, теряя свою активность. Поэтому химики долгое

время работали над созданием стабилизации ферментов и в результате

научились получать так называемые иммобилизованные ферменты — это

ферменты, выделенные из живого организма и прикрепленные к твердой

поверхности путем их адсорбции. Такие биокатализаторы очень стабильны и

184

устойчивы в химических реакциях, и их можно использовать многократно.

Основоположником химии иммобилизованных систем является русский

химик И.В. Березин.

Изучение строения и функционирования ферментов в живой природе —

это такая ступень химического познания, которая откроет в дальнейшем

создание принципиально новых химических технологий.

В 1960-х гг. были отмечены случаи самосовершенствования некоторых

химических катализаторов в ходе химической реакции. Обычные

катализаторы со временем (как и все на свете) стареют и изнашиваются. Но

химикам удалось обнаружить такие катализаторы, которые не только не

старели, а напротив, "молодели" с каждой химической реакцией! Почему это

происходило?

Ответ на этот вопрос попыталась дать теория химической эволюции и

биогенеза, предложенная ученым мира в 1964 г. русским профессором

А.П. Руденко.

Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представ-

ляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюцио-

нирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакции происходит

естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наиболь-

шей активностью. Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение

каталитических систем происходит за счет постоянного притока

трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии

является базисная реакция, то максимальные эволюционные преимущества

получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических

реакций. Отсюда базисная реакция является не только источником энергии,

но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений

катализаторов.

Тем самым А.П. Руденко сформулировал основной закон химической эво-

люции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образу-

ются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых

происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.

Практическим следствием теории саморазвития открытых каталитических

систем является так называемая "нестационарная технология", то есть

технология с меняющимися условиями реакции. Сегодня исследователи

приходят к выводу, что стационарный режим, надежная стабилизация

которого казалась залогом высокой эффективности промышленного процес-

са, является лишь частным случаем нестационарного режима. При этом

обнаружено множество нестационарных режимов, способствующих

интенсификации реакции [11].

Сегодня уже совершенно ясны перспективы создания и развития новой

химии, на основе которой будут созданы малоотходные, безотходные и

энергосберегающие промышленные технологии.

Необходимость этих технологий стала остро ощущаться в 70-е гг.

прошлого столетия, особенно после мирового нефтяного кризиса 1973 г. Из-

за высоких темпов роста капиталистической экономики в 1950–1960-е гг.

185

возросло мировое потребление первичных видов энергии, которое

увеличилось за 1950–1972 гг. в три раза. Изменилась структура

энергобаланса — резко возросла доля нефти, ее потребление за эти годы

увеличилось в пять раз. Рост потребления нефти обусловил усиление

зависимости развитых капиталистических стран от импорта энергоресурсов,

падение их доли в производстве источников тепла и энергии, ухудшение их

положения как импортеров. В то же время в мире происходили важные

сдвиги в соотношении сил между ведущими капиталистическими и

развивающимися странами. Освободившиеся от колониального господства

страны стали добиваться увеличения своей доли в доходах от нефти и

поставили вопрос о повышении цен.

В условиях резкого повышения цен капиталистические страны

вынуждены были пересмотреть свою энергетическую политику. Они

ограничили импорт нефти за счет энергосберегающих мероприятий,

увеличили производство собственных энергоресурсов (например, Англия

стала добывать нефть со дна Северного моря), осуществили замену нефти

углем, ядерным топливом, активизировали научные исследования,

разработки и использование энергосберегающего оборудования и

технологий, поиск новых источников энергии.

Наиболее ярким проявлением сырьевого кризиса был бурный рост цен на

сырье, так как многих видов сырья не хватало. За 1970–1974 гг. цены на

сырьевые товары возросли на 87%. Развитые страны использовали в качестве

поставщиков сырья бывшие колонии. Рост производительных сил усилил

зависимость капиталистических стран от импорта минерального сырья. В

1970-е гг. молодые национальные государства — экспортеры сырья

предприняли шаги к повышению доходов. Но здесь они не смогли выступить

единым фронтом, как в случае с нефтью. Добыча сырья — капиталоемкое

производство, а развитые страны перешли к политике создания заменителей.

Вопросы для повторения

1. От каких факторов зависят свойства веществ?

2. Каковы основные этапы развития химии?

3. Что такое катализаторы?

4. Какой вклад в развитие химических знаний внесли физики?

5. Кто и почему стал основоположником системного подхода в развитии хи-

мических знаний?

6. Каковы потенциальные возможности эволюционной химии?

Библиографический список

1. Будрейко, Н.А. Философские вопросы химии / Н.А. Будрейко. — М.:

Наука, 1970.

186

2. Васильева, Т.С. В.В. Химическая форма материи / Т.С. Васильева, В.В.

Орлов. — М.: Наука, 1983.

3. Данцев, А.А. Философия и химия / А.А. Данцев. — Ростов-на-Дону: Рост.

кн. изд-во, 1991.

4. Кузнецов, В.И. Диалектика развития химии / В.И. Кузнецов. — М.: Наука,

1973.

5. Кузьменко, Н.Е., Еремин В.В. Химия. Ответы на вопросы / Н.Е.

Кузьменко, В.В. Еремин. — М.: Просвещение, 1997.

6. Пиментел, Дж. Возможности химии сегодня и завтра / Дж. Пиментел, Дж.

Кунрод. — М.: Мир, 1992.

7. Поллер, З. Химия на пути в третье тысячелетие / З. Поллер. — М.: Мир,

1982.

8. Соловьев, Ю.И. Эволюция основных теоретических проблем химии /

Ю.И. Соловьев. — М.: Химия, 1971.

9. Соловьев, Ю.И. Химия на перекрестке наук / Ю.И. Соловьев, В.И.

Курашов. — М.: Наука, 1989.

10. Фигуровский, Н.А. История химии

Н.А.

Фигуровский.

—

М.:

Наука, 1979.

11. Шамин, А.Н. Химия и мировоззрение / А.Н. Шамин. — М.: Наука, 1986.

Темы рефератов

1. Порядок и беспорядок в природе.

2. Динамические и статические закономерности в природе.

3. Компьютеризация научных знаний.

4. Пространство и время.

5. Принципы относительности.

6. Принципы симметрии.

7. Закон сохранения.

8. Возникновение учения о строении атома.

9. Строение атома.

10. Классификации элементарных частиц.

11. Ядерные силы.

12. Кварковая модель адронов.

13. Дуализм волны и частицы.

14. Принцип неопределенности в квантовой механике.

15. Звезды, их типы. "Черные и белые дыры".

16. Гипотезы происхождения звезд.

17. "Наша" Галактика.

18. Галактика, квазары.

19. Метагалактика.

20. Космологические модели Вселенной.

21. Стандартная модель эволюции Вселенной.

22. Будущее Вселенной.

23. Жизнь во Вселенной.

24. Достижимость других миров.

187

25. НЛО - различные суждения.

26. Уровни организации материи.

27. Проблема создания новых материалов.

28. Катализ и химия экстремальных состояний.

29. Эволюционные проблемы химии. Пути освоения опыта живой природы.

30. Что такое организация и самоорганизация?

31. Что изучает кибернетика? Эмерджентные свойства систем. Значение

кибернетики.

32. Какова роль времени в теории относительности и синергетики?

188

Раздел III

НАУЧНОЕ ПОНИМАНИЕ СУЩНОСТИ ЖИЗНИ

Глава 11. ВНУТРЕНЕЕ СТРОЕНИЕ И ИСТОРИЯ

ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ЗЕМЛИ

11.1. От физики и химии к геологии и биологии

Химические и физические преобразования единым фронтом через боль-

шой ряд усложнений химических соединений и физических состояний, в

конце концов, приводят к биологической форме движения и, с другой

стороны, объединяются в геологических процессах, создавших условия для

самого возникновения жизни на земле [1]. В соответствии с этим самый

общий вид перехода от физических процессов в мире элементарных частиц

до биологических и геологических процессов можно представить схемой,

изображенной на рис. 12.

В современной естественно-научной и философской литературе все еще

не преодолены две крайности при обсуждении соотношения химии и физики.

Представители одной из них усматривают в успехах квантово-механического

описания и объяснения химических процессов основание для их полного ото-

ждествления со всеми другими ядерно-электронными взаимодействиями, для

отказа от какой бы то ни было специфики химических процессов и химиче-

ского познания по сравнению с физическими внутри- и межатомными явле-

ниями и физическим познанием их. Представители другой точки зрения, так

или иначе, связывают признание специфики химической формы движения и

ее познания с принципиальной или практической ограниченностью квантово-

механического и вообще количественного описания и объяснения

химических явлений.

В связи с этим уместно подчеркнуть, что закон перехода количественных

изменений в качественные предполагает не только качественные скачки, но и

количественную обусловленность их. Этот закон вовсе не связывает

признание скачков от одних явлений к другим с непознаваемостью самих

этих скачков. Напротив, суть закона как раз в том, что он не допускает

никакой таинственности в характеристике скачков, а прямо нацеливает на

раскрытие конкретного "механизма" вполне естественного процесса их

осуществления, на точное отражение в научных теориях количественного

содержания качественных скачков. Поэтому, признавая и отстаивая

Физические

взаимодействия на

уровне

элементарных

частиц

Химические и

физические

атомно-

молекулярные

процессы

Биологические

процессы в

белково-

нуклеиновых

системах

Геологические

процессы

Рис

.12.

Схема

качественных

изменений

происходящих

на

Земле

189

специфику химической формы движения, надо отыскивать не границы

применимости различных математических и физических методов, а все более

точную формулировку конкретных условий их применения в данном случае

соответствующий способ преобразования общих методов.

11.2. Эволюция земной коры

Начало образования земной коры можно отнести ко времени не позднее

3,8 миллиарда лет назад. Образование коры не было кратковременным

процессом, а происходило непрерывно на протяжении почти всей истории

Земли. Земная кора континентов, по-видимому, формировалась в ходе

последовательно повторявшихся орогенических

движений. При этом в

центре образующегося континента располагался более древний массив,

являвшийся "ядром" континента, а вокруг него в ходе орогенических

движений постепенно нарастала новая кора [2].

Образующаяся в ходе повторяющихся орогенических движений земная

кора имеет складчатое строение, аналогом которого является, например, при-

вычное нашему взгляду чередование горных хребтов и ущелий. В рамках

разработанной в последнее время новой теории, так называемой тектоники

литосферных плит, не только дается единое, "унифицированное" объяснение

движений земной коры, но и связывается воедино геологическое развитие от-

дельных континентов, удаленных друг от друга, на огромные расстояния и,

на первый взгляд, не очень связанных между собой.

Особенно много геофизических и геологических исследований,

оказавших сильную поддержку теории тектоники плит, согласно которой

океаническое дно образуется за счет мантийного вещества.

Земная кора является наиболее хорошо изученной твердой оболочкой

Земли. Название "кора" исторически связано с представлением о твердой

оболочке, образовавшейся в результате остывания поверхностных слоев

расплавленного огненно-жидкого вещества Земли, из которого она состояла

первоначально, как это представлялось по ранее господствовавшим

космогоническим гипотезам.

Земная кора состоит из нескольких слоев, толщина и строение которых

различны в пределах океанов и материков. В связи с этим выделяют

океанический, материковый и промежуточный типы земной коры.

По составу в земной коре выделяют обычно три слоя — осадочный,

гранитный и базальтовый.

Осадочный слой сложен осадочными горными породами, являющимися

продуктом разрушения и переотложения материала нижних слоев. Этот слой

хотя и покрывает всю поверхность Земли, но местами настолько тонок, что

практически можно говорить о его прерывистости. В то же время иногда он

достигает толщины в несколько километров.

Орогенез ( от греч. оros — гора и … генез) — совокупность интенсивных

восходящих вертикальных тектонических движений, складчатости и разрывов.