Концептуальные системы в химии

Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.

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

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

Скоростью химических процессов управляет химическая кинетика, в которой изучается зависимость протекания химических процессов от строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реактора и т. п. 

Химическая кинетика. Объясняет качественные и количественные изменения в химических процессах и выявляет механизм реакции. Реакции проходят, как правило, ряд последовательных стадий, которые составляют полную реакцию. Скорость реакции зависит от условий протекания и природы веществ, вступивших в нее. К ним относятся концентрация, температура и присутствие катализаторов. Описывая химическую реакцию, ученые скрупулезно отмечают все условия ее протекания, поскольку в других условиях и при иных физических состояниях веществ эффект будет разный.  

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

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

 Сущность катализа сводится к следующему:

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

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

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

1. гетерогенный катализ - химическая реакция взаимодействия жидких или газообразных реагентов на поверхности твердого катализатора;
2. гомогенный катализ - химическая реакция в газовой смеси или в жидкости, где растворены катализатор и реагенты;
3. электрокатализ - реакция на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока;
4. фотокатализ - реакция на поверхности твердого тела или в жидком растворе, стимулируется энергией поглощенного излучения.

    Применение катализаторов изменило  всю химическую промышленность. Катализ необходим при производстве маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Почти вся промышленность основной химии (60-80 %) основаны на каталитических процессах. Химики не без основания говорят, что некаталитических процессов вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит своеобразным катализатором.

С участием катализаторов скорость некоторых реакций возрастает в 10 млрд раз. Есть катализаторы, позволяющие не просто контролировать состав конечного продукта, но и способствующие образованию молекул определенной формы, что сильно влияет на физические свойства продукта (твердость, пластичность). 

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

Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной плазме при 1000-10 000 °С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновением молекул с заряженными частицами и очень высокими скоростями химических реакций. В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока, поэтому они очень производительны.

Одним из самых молодых направлений в исследовании химических процессов является радиационная химия, которая зародилась во второй половине XX в. Предметом ее разработок - стали превращения самых разнообразных веществ под воздействием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы. В результате радиационно-химических реакций вещества получают повышенную термостойкость и твердость.

Еще одна область развития учения о химических процессах - химия высоких и сверхвысоких давлений. Химические превращения веществ при давлениях выше 100 атм относятся к химии высоких давлений, а при давлениях выше 1000 атм - к химии сверхвысоких давлений.  

При высоком давлении сближаются и деформируются электронные оболочки атомов, что ведет к повышению реакционной способности веществ. При давлении 102-103 атм исчезает различие между жидкой и газовой фазами, а при 103-105 атм - междутвердой и жидкой фазами. При высоком давлении сильно меняются физические и химические свойства вещества. Например, при давлении 20 000 атм. металл становится эластичным, как каучук. 

Химические процессы представляют собой сложнейшее явление, как в неживой, так и в живой природе. Эти процессы изучают химия, физика и биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача - научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы, другие трудно остановить - реакции горения, взрывы, а часть из них трудноуправляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов.        

§4. Четвертый уровень химического знания.

Эволюционная химия

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

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

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

 В основе эволюционной  химии  принцип использования таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т. е. к самоорганизации химических систем.

В эволюционной химии существенное место отводится проблеме «самоорганизации» систем. Теория самоорганизации «отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности в системной упорядоченности, или материальной организации».  В сущности, речь идет об использовании химического опыта живой природы. Это своеобразная биологизация химии. Химический реактор предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты поведения. Так появилась эволюционная химия как высший уровень развития химического знания.

Под эволюционными проблемами  понимают проблемы самопроизвольного синтеза новых химических соединений (без участия человека). Эти соединения являются более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.  Поэтому эволюционную химию заслуженно считают предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем. 

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

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

Во-первых, ведутся исследования в области металлокомплексного катализа, который обогащается приемами, используемыми живыми организмами в реакциях с участием ферментов (биокатализаторов).

Во-вторых, ученые пытаются моделировать биокатализаторы. Уже удалось создать модели многих ферментов, которые извлекаются из живой клетки и используются в химических реакциях. Но проблема осложняется тем, что ферменты, устойчивые внутри клетки, вне нее быстро разрушаются.

В-третьих, развивается химия иммобилизованных систем, благодаря которой биокатализаторы стали стабильными, устойчивыми в химических реакциях, появилась возможность их многократного использования.

В-четвертых, химики пытаются освоить и использовать весь опыт живой природы. Это позволит ученым создать полные аналоги живых систем, в которых будут синтезироваться самые разнообразные вещества. Таким образом, будут созданы принципиально новые химические технологии. Изучение процессов самоорганизации в химии привело к формированию двух подходов к анализу предбиологических систем: субстратного и функционального. Результатом субстратного подхода стала информация об отборе химических элементов и структур. Химикам важно понять, каким образом из минимума химических элементов (основу жизнедеятельности живых организмов составляют 38 химических элементов) и химических соединений (большинство образовано на основе 6—18 элементов) образовались сложнейшие биосистемы.

Функциональный подход в эволюционной химии. В рамках этого подхода также изучается роль катализа и выявляются законы, которым подчиняются процессы самоорганизации химических систем.

Роль каталитических процессов усиливалась по мере усложнения состава и структуры химических систем. Именно на этом основании некоторые ученые стали связывать химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем.

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

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

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

Тем самым Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются те пути эволюционных изменений катализаторов, которые связаны с ростом их абсолютной каталитической активности. При этом по параметру абсолютной каталитической активности складываются механизмы конкуренции и естественного отбора.   

     Теория саморазвития каталитических систем дает следующие возможности: выявлять этапы химической эволюции и на этой основе классифицировать катализаторы по уровню их организации; использовать принципиально новый метод изучения катализа; дать конкретную характеристику пределов в химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления) к биогенезу, связанного с преодолением второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.