Основные концепции химии и биологии

Основные концепции  химии и биологии.

Химическая наука и  ее основные концептуальные системы:

• учение о химических процессах;

Введение.

Химией называют науку  о химических элементах и их соединениях. Любое вещество состоит из химических элементов и их соединений. 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  вещества.

История развития химических концепций начинается с древних  времен. Демокрит, Эпикур и другие представители  древней натурфилософии высказывали  гениальные мысли о том, что все  тела состоят из атомов различной  величины и разной формы, что и  обусловливает их качественное различие. Аристотель и Эмпедокл объясняли  все видимое разнообразие тел  природы с антиатомистических позиций: они считали, что в телах сочетаются различные элементы-стихии или элементы-свойства: тепло и холод, сухость и влажность. Подобное учение об элементах-свойствах  было развито в алхимии, которая  изобиловала такими, например, рецептами  приготовления необходимых веществ: " возьмите немного горючести, прибавьте  к нему текучести, отнимите влажность..." и т.п. Однако ни идеи Демокрита об атомах, ни представления Эмпедокла  об элементах-стихиях не нашли применения ни в металлургии, ни в стеклоделии, ни в гончарном ремесле.

Первый по-настоящему действенный  способ определения свойств вещества был предложен во второй половине XVII в. английским ученым Р. Бойлем (1627- 1691).

Результаты экспериментальных  исследований Р. Бойля показали, что  качества и свойства тел зависят  от того, из каких материальных элементов  они состоят. Возникшее таким  образом учение о составе вещества существует сегодня и продолжает развиваться на качественно новом уровне.

Учение о составе занимало монопольное положение вплоть до 30-40-х годов прошлого века. К тому времени мануфактурная стадия производства с ручной техникой и ограниченным ассортиментом сырья сменялась фабричной стадией с машинной техникой и широкой сырьевой базой. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс веществ растительного и животного происхождения, качественные разнообразия которых потрясающе велики - сотни тысяч химических соединений, а состав крайне однообразен - лишь несколько элементов-органогенов: углерод, водород, кислород, сера, фосфор. Объяснения необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь многообразном их элементном составе стали искать не только в их составе, но и в структуре молекул.

В 1860 г. выдающимся русским  химиком А.М. Бутлеровым (1828- 1886) была создана теория химического строения вещества - возник более высокий уровень развития химических знаний - структурная химия.

Период становления структурной  химии иногда называют, "триумфальным маршем органического синтеза". В  этот период зарождалась технология органических веществ. Были получены всевозможные красители для тканей, препараты  для фармации, искусственный шелк и т.п.

Интенсивное развитие автомобильной  промышленности, авиации, энергетики и  приборостроения в первой половине XX в. выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получать высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические  каучуки, пластмассы, высокостойкие  изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения таких материалов знаний о составе и структуре  вещества было недостаточно.

Под влиянием новых требований производства возникло учение о химических процессах, в котором учитывалось изменение свойств вещества под влиянием температуры, давления, растворителей и других факторов. Такое учение способствовало организации многотоннажного производства синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных работах, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов. Производство искусственных волокон, каучуков, этилового спирта и многих растворителей стало базироваться на нефтяном сырье, а производство азотных удобрений - на основе азота воздуха. Появилась технология нефтехимических производств с ее поточными системами, обеспечивающими непрерывные высокопроизводительные процессы.

В 1960- 1970 гг. появился следующий, более высокий, уровень химических знаний - эволюционная химия. В основе ее лежит принцип самоорганизации химических систем, т. е. принцип применения химического опыта высокоорганизованной живой природы.

Химические процессы.

Под влиянием новых требований производства возникло учение о химических процессах, в котором учитывается изменение  свойств вещества под влиянием температуры, давления, растворителей и других факторов. После этого химия становится наукой уже не только и не столько  о веществах как законченных  предметах, но и наукой о процессах  и механизмах изменения вещества. Благодаря этому она обеспечила создание производства синтетических  материалов, заменяющих дерево и металл в строительных работах, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов. Производство искусственных волокон, каучуков, этилового спирта и многих растворителей стало базироваться на нефтяном сырье, а производство азотных удобрений — на основе азота воздуха. Появилась технология нефтехимических производств с ее поточными системами, обеспечивающими непрерывные высокопроизводительные процессы.

Так, еще в 1935 г. такие материалы, как  кожа, меха, резина, волокна, моющие средства, олифа, лаки, уксусная кислота, этиловый спирт, производились всецело из животного и растительного сырья, в том числе из пищевого. На это расходовались десятки миллионов тонн зерна, картофеля, жиров, сырой кожи и т.д. Но уже в 1960-е гг. 100% технического спирта, 80% моющих средств, 90% олифы и лаков, 40% волокон, 70% каучука и около 25% кожевенных материалов изготовлялись на основе газового и нефтяного сырья. Помимо этого, химия дает ежегодно сотни тысяч тонн мочевины и нефтяного белка в качестве корма скоту и около 200 млн. т удобрений.

Столь впечатляющие успехи были достигнуты на основе учения о химических процессах  — области науки, в которой  осуществлена наиболее глубокая интеграция физики, химии и биологии. В основу данного учения положены химическая термодинамика и кинетика, поэтому  этот раздел науки в равной степени  принадлежит физике и химии. Одним  из основоположников этого научного направления стал русский химик  Н.Н. Семенов — лауреат Нобелевской  премии, основатель химической физики. Он в своей Нобелевской лекции 1965 г. 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 относительно 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  становится мостом от объектов физики к объектам биологии.

Учение  о химических процессах базируется на идее, что способность к взаимодействию различных химических реагентов  определяется кроме всего прочего  и условиями протекания химических реакций. Эти условия могут оказывать  воздействие на характер и результаты химических реакций.

Подавляющее большинство химических реакций  находится во власти стихии. Конечно, есть реакции, которые не требуют  особых средств управления или особых условий. Таковы всем известные реакции  кислотно-основного взаимодействия (нейтрализации). Однако подавляющее  большинство реакций являются трудно-контролируемыми. Есть реакции, которые просто не удается осуществить, хотя они в принципе осуществимы. Существуют реакции, которые трудно остановить: горения и взрывы. И, наконец, встречаются реакции, которые трудно ввести в одно желательное русло, так как они самопроизвольно создают десятки непредвиденных ответвлений с образованием сотен побочных продуктов. Поэтому важнейшей задачей для химиков становится умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов.

В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические и кинетические. Термодинамические методы влияют на смещение химического равновесия реакции. Кинетические методы влияют на скорость протекания химической реакции.

Выделение химической термодинамики в самостоятельное  направление обычно связывают с  появлением в 1884 г. книги голландского химика Я. Вант-Гоффа «Очерки по химической динамике». В ней обоснованы законы, устанавливающие зависимость направления  химической реакции от изменения  температуры и теплового эффекта  реакции. Энергетика химических процессов  тесно связана с законами термодинамики. Химические реакции, протекающие с  выделением энергии, называются экзотермическими реакциями. В них энергия высвобождается одновременно с уменьшением внутренней энергии системы. Существуют также эндотермические реакции, протекающие с поглощением энергии. В этих реакциях идет повышение внутренней энергии системы за счет притока тепла. Измеряя количество энергии, выделяющейся при реакции (тепловой эффект химической реакции), можно судить об изменении внутренней энергии системы.

Тогда же французский химик А. Ле-Шателье  сформулировал свой знаменитый принцип  подвижного равновесия, вооружив химиков  методами смещения равновесия в сторону  образования целевых продуктов. Эти методы управления и получили название термодинамических методов.

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 протекания процесса. Существует много реакций, равновесие в которых смещено в сторону образования конечных продуктов: к ним относятся реакция нейтрализации, реакции с удалением готовых продуктов в виде газов или осадков.

Однако  существует немало химических реакций, равновесие в которых смещено  влево, в сторону образования  исходных веществ. Чтобы их осуществить, требуются особые термодинамические  рычаги — увеличение температуры  и давления (если реакция происходит в газовой фазе), а также концентрации реагирующих веществ (если реакция протекает в жидкой фазе).

Термодинамические методы преимущественно влияют на направление  химических процессов, а не на их скорость. Управлением скоростью химических процессов занимается химическая кинетика, в которой изучается зависимость  протекания химических процессов от различных структурно-кинетических факторов — 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 целесообразно  поэтапное решение, при котором  вначале выделяется наиболее сильное  действие какого-нибудь одного из «третьих тел», чаще всего катализатора.

Кроме того, следует понять, что 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.

Также на интенсивность химических процессов  оказывают влияние случайные  примеси. Вещества различной степени  чистоты проявляют себя в одних  случаях как более активные реагенты, а в других — как инертные. Примеси могут оказывать как  каталитическое, так и ингибирующее воздействие. Поэтому для управления химическим процессом в реагирующие  вещества вносятся те или иные добавки.

Таким образом, влияние «третьих тел» на ход  химических реакций может быть сведено  к катализу, т.е. положительному воздействию  на химический процесс, или ингибированию, сдерживающему процесс.

Как уже отмечалось выше, способность  химических элементов к взаимосвязи  определяется не только их молекулярной структурой, но и условиями, при которых происходит соединение. Эти условия оказывают воздействие на результат химических реакций. Наибольшее воздействие испытывают при этом вещества с переменным составом, у которых связи между отдельными компонентами слабее. Именно на реакцию таких веществ оказывают сильное влияние различные катализаторы.

Катализ — ускорение химической реакции  в присутствии особых веществ  — катализаторов, которые взаимодействуют  с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечных продуктов. Катализ был открыт в 1812 г. русским химиком К.С. Кирхгофом. Каталитические процессы различаются по своей физической и химической природе на следующие типы:

• гетерогенный катализ — химическая реакция взаимодействия жидких или газообразных реагентов идет на поверхности твердого катализатора;
• гомогенный катализ — химическая реакция идет либо в газовой смеси, либо в жидкости, где растворены как катализатор, так и реагенты;
• электрокатализ — реакция идет на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока;
• фотокатализ — реакция идет на поверхности твердого тела или в жидком растворе и стимулируется энергией поглощенного излучения.