Химические концепции познания мира

3. Химические концепции познания мира

3.1. Химия в контексте интеллектуальной культуры

Современная химия по определению выдающегося химика ХХ в. Л. Полинга – это наука о веществах, их составе, строении, свойствах и взаимных превращениях.

Исходя из структурной организации материи в вещественной форме, достаточно трудно, по мнению , отделить предмет химии от физики. Однако попытки последовательно вывести предсказания химии на основе только физических законов, описывающих поведение микрочастиц, часто терпят неудачу. Это обусловлено определённым различием структурно-теоретических моделей химии и физики, хотя концепция моделирования и является общей для всего естествознания. С точки зрения физики вещества, а тем более вещества в процессах превращения – это объекты необычайной сложности, тогда как для химии они являются элементарными логическими “кирпичиками” науки.

Таким образом, химический срез естественнонаучной картины мира объективно существует, ибо превращения веществ происходят и в космосе, и в горных породах, и в океане, и в атмосфере, и в почве, и в живых организмах, не говоря уже о многочисленных химических производствах, созданных человеком. Это центральное положение химии в концепции вещества, определяющее пересечение химии не только с физикой, но и с науками о Земле и биологией, задаёт особое место химии и в контексте интеллектуальной культуры. Создание комфортных условий существования человеческой цивилизации тесно взаимосвязано как с энергетическими ресурсами и, прежде всего, с возобновляемыми источниками энергии, так с получением новых веществ, не нарушающих экологическую безопасность биосферы и существования семейства людей. Отсюда вытекает главная задача химии – получение веществ с заданными свойствами и установление способов управления свойствами веществ в процессе их превращения.

“Подражание живой природе есть химия будущего!”. Этот девиз, который был высказан академиком в 1930 году, является основополагающей идеей развития эволюционной концепции в химии.

Мы дадим определение химии, опираясь на распределение моделей химии по четырём концептуально-конструктивным уровням (см. схему 41), и в дальнейшем изложении рассмотрим каждый раздел (концептуально-конструктивный уровень) химии более детально.

Схема 41 . Становление четырёх концептуально-конструктивных уровней химии.

	4. Эволюционная химия
	3.Учение о химических процессах
	2.Структурная химия
1. Учение о составе

XVII в. XIX в. 1950-е годы 1970-е годы

Итак, современная химия – это наука о химических моделях вещества; химических элементах и соединениях, их составе и структуре, о химических процессах и химической эволюции природных систем.

3.2. Структурные уровни организации материи в рамках современной химии

Вполне очевидно, что мы можем рассматривать химию Вселенной как в рамках мегамира, так и в рамках макромира и микромира. Достаточно напомнить, что химическая эволюция природных систем охватывает все структурные уровни организации материи на основе пересечения химии с физикой в рамках физической химии, химии с геологией в рамках геохимии, химии с биологией в рамках биохимии. На существование химии микромира указывает так называемая радиационная химия.

Выделение “химических кирпичиков” вещества носит в значительной степени относительный характер с опорой прежде всего на классическую химию, хотя в основных моделях современной химии мы выделяем и неклассическую электронную модель, и эволюционную модель саморазвития элементарных каталитических систем. При таком подходе можно выделить следующие уровни материи в рамках современной химии (см. схему 42).

Схема 42. Структурные уровни организации материи в рамках современной химии.

Рассмотрим фрагментарно основные концептуально-конструктивные уровни (разделы) современной химии, в рамках которых мы более детально раскроем и структурные уровни организации материи в химии. Среди фундаментальных полей взаимодействия в химии доминирует электромагнитное взаимодействие, хотя в эволюции материи в форме вещества важную роль играли и играют все фундаментальные поля взаимодействия и, следовательно, современная физическая исследовательская программа – единая теория поля.

3.3. Учение о составе вещества

Учение о составе вещества охватывает три основные проблемы:

1.  Проблема химического элемента.

2.  Проблема химического соединения.

3.  Проблема вовлечения и применения всё большего числа химических элементов и соединений для производства новых материалов.

3.3.1. Проблема химического элемента

В ХVII в. Р. Бойль (1627-1691 гг.) дал первое научное определение понятия “химический элемент”, как предельного “простого вещества”, получаемого при химическом разложении веществ, переходящего без изменения из состава одного сложного тела в состав другого. Однако само открытие химических элементов произошло значительно позже (фосфор был открыт только в 1669 г., кобальт – в 1735г., никель – в 1751 г., водород – в 1766г., фтор – в 1771 г., азот и кислород – в 1772 г. и т. д.)

А. А Лавуазье (1743 – 1794 гг.) сделал первую попытку в истории химии систематизации химических элементов.

(1834 – 1907 гг.) открыл периодический закон и разработал Периодическую систему химических элементов (1889 г.). Он исходил из того, что основной характеристикой химических элементов являются их атомные массы. Дальнейшие уточнения показали, что место химического элемента в Периодической системе определяется не атомной массой, а зарядом атомного ядра. В этой связи можно утверждать, что химический элемент – это совокупность атомов (изотопов), обладающих одинаковым зарядом ядра. Каждый химический элемент имеет определённую массу, представляющую собой среднее значение масс всех его изотопов. Изотопы, с точки зрения радиационной химии – разновидности атомов данного химического элемента, обладающие одинаковым зарядом ядра, но различающиеся массой. Во времена было известно 62 химических элемента, сейчас – более 114.

Периодический закон формулируется следующим образом: химические свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера). Исключение – изотопы водорода: протий, тритий, дейтерий, обладающие различными химическими свойствами. Атомом называется электронейтральная совокупность элементарных частиц, состоящая из ядра (образованного протонами и нейтронами) и электронов.

В настоящее время раскрыт физико-химический смысл периодического закона, и дано квантово-механическое объяснение строения атомов химических элементов на основе понятия электронной оболочки и принципа Паули.

3.3.2. Проблема химического соединения

Все химические соединения подразделяются на неорганические и органические. Особой проблемы понятия химического соединения до недавнего времени не существовало. Было общепринято, что следует относить к химическим соединениям, а что – к смесям.

В начале XIX в. Ж. Пруст (1754-1826гг.) сформулировал закон постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определённым неизменным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей.

Теоретически закон постоянства состава обосновал Д. Дальтон (1766-1844гг.). Возникла модель веществ постоянного состава – дальтониды. На основе идеи об атомистическом строении вещества он утверждал, что химические соединения состоят из атомов двух или нескольких элементов, образующих определённые (он считал кратные) сочетания друг с другом. Возникла стехиометрическая модель химических соединений, а затем и типологии молекул.

(1748-1822), внёсший совместно с значительный вклад в номенклатуру химических соединений, считал, что в химии огромная роль принадлежит веществам переменного состава – бертоллидам.

С конца XIX в. возобновились исследования, подвергающие сомнению абсолютизацию закона постоянства состава. Результаты исследований показали, что суть проблемы химических соединений состоит не столько в постоянстве состава, сколько в природе химических связей, объединяющих атомы в единую квантово-механическую систему – молекулу. Молекула представляет собой электронейтральную наименьшую совокупность атомов, образующих определённую структуру посредством химических связей. Химические связи – это обменное взаимодействие электронов, обобщение валентных электронов, и “перекрывание электронных облаков”.

В результате открытия физической природы химизма, как обменного взаимодействия электронов, химия по-новому стала решать проблему химического соединения, которое определяется как качественно определённое вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счёт обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы (химические корпускулы по меткому выражению ) – молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты (системы).

Произошло пересечение (“вложение” друг в друга) стехиометрической, атомно-молекулярной, геометрической и электронной моделей химии. С современной точки зрения, стехиометрическая модель означает использование химических формул и уравнений, атомно-молекулярная модель – описание химических реакций как внутри - и межмолекулярных перегруппировок атомов, геометрическая модель определяет язык структурных формул и геометрических молекулярных параметров, а электронная модель выводит реакционную способность веществ из электронного строения молекул. Эти модели “вложены” друг в друга: каждая последующая использует и детализирует постулаты предыдущих:

*  На основании вышеизложенного можно дать определение химическим формулам и реакциям. Химическая формула отображает состав (структуру) вещества в виде химического соединения. Молекулярная формула указывает число атомов химического элемента в молекуле. Структурная (графическая) формула отражает порядок соединения атомов в молекуле и число связей между атомами. Химическая реакция отображает превращение веществ, сопровождающееся изменением их состава и (или) строения. Записывается схематически с помощью формул реагентов и продуктов реакции.

*  В рамках современной электронной модели можно дать и краткую характеристику основным типам химических связей (см. схему 43)

Схема 43. Характерные особенности основных типов химических связей.

	Тип связи	Характерные особенности
	Ковалентная связь	Взаимодействие между атомами обусловлено тем, что два электрона принадлежат одновременно двум атомам. В обобщенных парах электронов важную роль начинает играть обменная энергия, которая является существенно квантовой и зависит от обменной плотности зарядов р12(r)
	Ионная связь	Возникает в результате электрического взаимодействия между ионами, которые образуются в результате отдачи одним атомом другому одного или нескольких электронов.
	Металлическая связь	Эту связь образуют элементы, атомы которых на верхнем уровне имеют мало электронов по сравнению с общим числом внешних энергетически близких орбиталей, а валентные электроны из-за небольшой энергии ионизации образуют «электронный газ» и свободно перемещаются по всему кристаллу.
	Водородная связь	Образуется благодаря электрическому взаимодействию атома водорода с другими атомами, обладающими значительной электро-отрицательностью. Определяет геометрическую структуру белковых молекул, и является существенной в молекулярной генетике, открывая отчасти возможность спаривания двух спиралей ДНК.
	Ван-дер-	Силы взаимодействия между молекулами определяются наличием у молекул природных или индуцированных электрических моментов.
	Ваальсова связь

3.3.3. Проблема вовлечения и применения новых химических соединений

·  Практическое решение этой проблемы в разработке новых химических технологий синтеза и катализа.

·  Свойства вещества определяются его элементным и молекулярным составом, структурой его молекул, термодинамическими и кинетическими условиями, в которых вещество находится в процессе химической реакции, уровнем химической организации веществ.

·  Все химические вещества можно разделить на органические, неорганические и смеси двух или нескольких веществ, гомогенные и гетерогенные смеси.

3.4. Структурная химия

(«Структурная химия» - термин условный. Речь идет об уровне развития химических знаний, при котором особую роль играет понятие «структура химического соединения», а также структура молекул)

*  В основе структурной химии лежит химическая атомистика Д. Дальтона, согласно которой любые химические соединения состоят из молекул, а молекулы из атомов, при этом молекулы обладают строго количественным и качественным составом.

*  Более конкретные представления о структуре молекул содержатся в теории И. Берцелиуса (1779-1848гг), согласно которой структура молекул возникает благодаря взаимодействию атомов или атомных групп. Дополняя эти представления, Ш. Жерар (1816 - 1856гг) отмечал, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так что в результате возникает определенная целостность (система). Так оформилась атомно-молекулярная модель вещества.

*  Ф. Кекуле (1829-1896гг) предпринял попытку раскрыть структуры молекул и синтезировать новые вещества. Он связал структуру с понятием валентности элемента или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли структурные формулы органической химии и появился термин «органический синтез».

*  В это время были синтезированы на основе простейших углеводов анилиновые красители. Затем были поучены новые вещества (лекарственные препараты, взрывчатые вещества и т. д.)

*  Определяющей идеей понятия химической структуры была теория химического строения (1828-1886гг). Характерной, неклассической концепцией стало представление об изомерии и её взаимосвязи со структурой веществ и типологии молекул. Бутлеров первым чётко сформулировал определение химического строения как способа химических связей в молекуле и в химических соединениях. Он же ввёл понятие энергоёмкости химических связей. Так с помощью структурной теории развивалась систематика органических соединений.

*  Важно было также введение Вант-Гоффом стереоскопических структурных моделей.

*  Современная структурная химия использует кооперативное взаимодействие классических химических моделей вещества и типологии молекул (атомно-молекулярной, геометрической как в двумерном, так и в трехмерном виде, с неклассической электронной моделью) и опирается на взаимосодействие классической и квантовой химии. Особое значение приобретают квантовомеханические представления о типах химической связи в пересечении и с угловой геометрией между ними и геометрией распределения электронной плотности. Особую роль в становлении и развитии структурной химии сыграли физические методы исследования структуры органических и неорганических соединений и прежде всего рентгеноструктурный анализ, оптическая, рентгеновская и электронная спектроскопия, нейтронография и др.

*  По современным представлениям, структура молекул – это пространственная и энергетическая упорядоченность квантовомеханической системы, состоящей из атомных ядер и электронов. Органические соединения – структурные образования из органических молекул. Главная роль в структуре органических соединений принадлежит углероду, который строит сложные циклические, ветвистые, линейные цепи, вовлекая в них и другие химические элементы, прежде всего – водород.

*  Структура неорганических соединений взаимосвязана с химией твердых и жидкокристаллических тел, пересекающейся с квантовой физикой. Структура задается квантовомеханическим взаимодействием атомов в неорганических молекулах, атомов химических элементов и (или) неорганических молекул в неорганических соединениях.

3.5. Проблемы учения о химических процессах

*  Способность к взаимодействию различных реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций.

*  К условиям протекания химических процессов относятся термодинамические (характеризующие зависимость реакции от температуры, давления, энтропии и т. п.) и кинетические факторы.

*  Термодинамическое взаимодействие влияет преимущественно на направленность и энергетическую составляющую реакции. Опирается теория этих воздействий на первое и второе начала термодинамики и на принцип Ле-Шателье.

Для примера рассмотрим несколько простейших реакций:

1.  Необратимые реакции: реакция горения углерода

Cr + О2 + Q0 CО2 + Q; Q>Q0

Выделяется много тепла - экзотермическая реакция (Q>Q0), а энтропия системы при этом убывает, но не самопроизвольно (есть начальное нагревание Q0)

2. Самопроизвольные (и необратимые) реакции: реакция разложения перекиси водорода

2Н2О2→2Н2О+О2↑

Чтобы узнать энергетическую составляющую, надо знать энергии разрыва связей. Что же касается энтропии, то энтропия возрастает, так как Н2О2 – более упорядочена.

3. Обратимые реакции: реакция горения водорода в кислороде:

2Н2+ O2+Q0→2H2О+Q; Q > Q0;

реакция разложения воды при электролизе:

2H2О + Q0→2H2↑+О2↑+Q; Q0 > Q.

Обратим внимание, что обратимость реакции реализуется только при сообщении реагентам некоторого количества теплоты, т. е. реализуется подвижное равновесие. Подвижное равновесие определяет принцип Ле-Шателье:

а) при увеличении (уменьшении) концентрации любого из веществ равновесие смещается в сторону его расходования (образования);

б) увеличение (уменьшение) температуры смещает равновесие в сторону
эндотермической (экзотермической) реакции;

в) повышение давления увеличивает концентрации газообразных веществ, находящихся в равновесной системе в меньшем объеме.

Химическим равновесием называется состояние, в котором скорость обратной реакции равна скорости прямой реакции. Количественной характеристикой является константа химического равновесия, равная отношению произведения равновесных концентраций продуктов реакции и исходных веществ.

Скорость химических реакций при постоянной температуре пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ — закон действующих масс:

!!!

Для приближенной оценки температурной зависимости константы скорости (коэффициента пропорциональности, не зависящего от концентрации реагирующих веществ) используется правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10º скорость гомогенной реакции возрастает в γ раз:

Зная величину γ, можно рассчитать изменение скорости реакции при изменении температуры от T1 до Т2 по формуле:

Причина повышения скорости реакции при увеличении температуры была установлена С. Аррениусом.

Закон сохранения энергии не позволяет всем реагентам (молекулам) соединиться друг с другом; существует некоторый энергетический барьер (определяемый количеством связей, порядком расположения атомов), только преодолев который, вещества вступят в реакцию (см. схему 44)

Схема 44. Потенциальный барьер химической реакции.

С. Аррениус доказал, что в реакцию могут вступать только те молекулы (реагенты), которые обладают избыточной энергией, т. е. активные молекулы. При обычной температуре их доля увеличивается в соответствии с правилом Вант-Гоффа. Энергия активации - высота максимума (горба) на кривой потенциальной энергии взаимодействия реагентов (двух атомов или молекул). Обычно, энергия активации гораздо больше тепловой энергии движения атомов (молекул) КбT. Тогда закон Аррениуса записывается в виде:

, т. е. он определяет долю атомов (молекул), способных прореагировать.

В XX веке особую роль приобрела физическая химия цепных химических реакций: большинство реакций идет не прямо, а через промежуточные продукты, потому что при этом значительно понижается энергия активации. Она уменьшается особенно заметно, если атомы или соединения, входящие в промежуточные реакции, имеют свободные, ненасыщенные валентности. Такие атомы и соединения называются радикалами. Их обычно обозначают точкой над химическим символом.

Академик открыл в 1926-1932гг класс цепных реакций, где взамен одной валентности (радикала) получается несколько валентностей. В 1956г за эти работы ему была присуждена Нобелевская премия по химии. Особую роль в учении о химических процессах приобрел катализ, который позволил перебросить мостик от классической к неклассической (квантовой) химии и эволюционной химии.

Катализ определяет положительное воздействие на химический процесс, а ингибирование определяет сдерживающий процесс.

Катализом обычно называют ускорение химической реакции в присутствии веществ – катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечного продукта. Различают гомогенный и гетерогенный катализы, а также ферментный катализ и автокатализ.

Гомогенный катализ - катализ, который происходит либо в газовой смеси, либо в растворе, в котором растворены как катализатор, так и реагенты.

Гетерогенный катализ - катализ, при котором химическая реакция совершается в поверхностных слоях на границе раздела твердого тела, который обычно и выполняет роль катализатора, и газообразной или жидкой смеси реагентов.

Ферментный катализ - катализ, в котором в качестве катализаторов используются ферменты, как природные, так и искусственные сложнейшие молекулярные системы - биологические катализаторы.

Автокатализ - катализ, в котором в качестве катализатора выступают те или иные продукты химической реакции.

Катализ играет решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим.

3.6. Эволюционная химия.

Предметом эволюционной химии является самоорганизация предбиологических систем.

Существует два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный.

3.6.1. Субстратный подход.

Отличительная черта субстратного подхода состоит в исследовании вещественной основы биологических систем, т. е. определённого состава элементов – органогенов и определённой структуры входящих в живой организм химических соединений.

Результатом субстратного подхода к проблеме биогенеза является накопленная информация об отборе химических элементов и структур.

Отбор химических элементов в процессе самоорганизации предбиологических систем внёс определённые закономерности в этот процесс:

· Основу живых систем составляют только шесть элементов, получивших название органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, общая весовая доля которых в организме составляет более 97%. За ними следует 11 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организме - 1,6%. Есть ещё 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных узкоспецифических биосистем, доля которых составляет около 1%. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано.

· Картина химического мира свидетельствует об отборе элементов. В настоящее время насчитывается около 8 млн. химических соединений. Из них 96% - органические, состоящие из тех же 6-18 элементов. Из остальных 90 химических элементов Природа создала всего около 300 тыс. неорганических соединений.

· Геохимические условия не играют существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических и биологических систем. Определяющим фактором в отборе химических элементов в данном случае выступают условия соответствие этих элементов определённым требованиям: а) способность образовывать прочные и энергоёмкие химические связи; б) эти связи должны быть лабильны, т. е. легко подвергающиеся гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению. Вот почему углерод отобран из многих других элементов как органоген № 1.

3.6.2. Функциональный подход

Отличительная черта функционального подхода состоит в исследовании процессов самоорганизации предбиологических систем, выявлении законов, которым подчиняются такие процессы.

· Под эволюционными проблемами в химии понимают процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию считают предтечей биологии – наукой о самоорганизации и о саморазвитии химических систем.

· В физико-химическом образе неклассической биологии все функции и процессы, происходящие в живом организме, можно изложить на языке физики и химии в виде конкретных физико-химических процессов.

· Основой исключительной эффективности биологических процессов является биосинтез. Поэтому новая химия должна основываться на каталитическом опыте живой природы.

· Для освоения каталитического опыта живой природы перспективным направлением являются исследования, ориентированные на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, что предполагает изучение закономерностей живой природы, в том числе и опыта формирования фермента, клетки, организма. Здесь и заложены основы эволюционной химии, предполагающей пути новых химических технологий, способных стать аналогами живых систем.

· Эволюционная химия – это новое управление химическими процессами, предполагающее применение принципов синтеза себе подобных молекул. По принципу ферментов создадутся катализаторы с таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут катализаторы, существующие в химической промышленности.

· Возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов и реально ощутимые успехи «нестационарной кинетики» или динамики химических систем.

· Ведущее положение в развитии нестационарной кинетики занимает теория саморазвития открытых каталитических систем, способствующая существенному улучшению свойств катализаторов.

· Теория саморазвития элементарных каталитических систем в самом общем виде является общей теорией химической эволюции и биогенеза. Основы данной теории были разработаны в 1964 г.

· Основные проблемы данной теории – это вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. вопросы выявления и определения основных закономерностей химической эволюции, отбора элементов и структур, уровня химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции.

· Суть данной теории – химическая эволюция есть не что иное, как саморазвитие каталитических систем. Эволюционирующим доминантам являются катализаторы.

· Саморазвитие, самоорганизация, самоусложнение происходит за счет естественного отбора активных каталитических центров и постоянного притока трансформируемой энергии. Поскольку источником энергии в основном является базисная реакция, то эволюционное преимущество получают каталитические системы, протекающие на основе экзотермических реакций. Отсюда базисная реакция является источником энергии, средством отбора прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

· Практическим результатом теории открытых каталитических систем является «нестационарная технология» характеризующаяся меняющимися условиями химической реакции. В настоящее время обнаружено большое количество нестационарных режимов, способствующих интенсификации реакции. Частным случаем нестационарного режима является стационарный режим, который до недавнего времени считался гарантом высокой эффективности промышленного процесса.

· Перспектива развития новой химии – это создание малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных технологий.

· Важным результатом открытия цикличности химических процессов и в общем понимании цикла, как основы мироздания, было обнаружение и исследование различных химических автоколебательных и автоволновых процессов типа реакции Белоусова-Жаботинского.

Проблема биологической эволюции непосредственным образом связана с проблемой химической самоорганизации (и химической эволюции). Одна из задач химии, а именно самого новейшего ее направления – эволюционной химии, понять, как из неорганической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией».

«Подражание живой природе есть химия будущего!» Этот девиз, который был высказан академиком в 1930 г., является целеполагающей идеей развития эволюционной концепции в химии.