Краткое содержание. Место и роль химии в современной цивилизации. Успехи человека в решении больших и малых проблем выживания были достигнуты благодаря развитию химии: энергетика, пищевая и легкая промышленность, металлургия, машиностроение, сельское хозяйство, фармацевтика и др. Сегодня - химизация общественного производства. Понятие: равновесия природных процессов. Польза: решение технических, экономических, социальных проблем. Вред: влияние на компоненты окружающей среды – сушу, атмосферу, воду Мирового океана – природный круговорот. Нарушено равновесие природных процессов, влияние на здоровье и жизнь людей. Химическая экология – наука, занимающаяся проблемами экологии, связанные с химизацией.
Фундаментальные основы современной химии. Определенный набор атомов способен образовывать новую систему – молекулу. Организация материи на атомно-молекулярном уровне приводит к появлению новых свойств материи – к возможности существования множества веществ с громадным разнообразием свойств. Химия – наука, которая исследует закономерности, проявляющиеся на атомно-молекулярном уровне организации материи. Задача химии – изучать строение молекул и процессов изменения этого строения в результате их взаимодействия.
Фундаментальные основы химии: квантовая механика, атомная физика, термодинамика, статистическая физика, кинетика. Химия «выводится» из физики, но не сводится к ней. Базовое понятие химии – валентность – это макроскопическое, химическое отображение квантово-механических взаимодействий. Эмпирическая химическая формула соединения показывает, какие элементы и в каком соединении входят в состав химического соединения; устанавливается опытным путем. Молекулярная формула отображает химические превращения. Химические уравнения служат для эффективного способа описания химических процессов. Методика составления уравнений химических реакций с учетом характера конкретных веществ и взаимодействий и взаимодействий хорошо разработана современной химией. Структурная формула показывает последовательность и пространственный порядок соединения атомов в молекулах. Атомно-молекулярный уровень организации материи сложно описывается на фундаментальном уровне – уровне квантовой механики, что потребовало выработки химического языка. Развитие современной химии, ее основные концепции связаны с физикой, биологией и другими естественными науками. Особенность и двуединая задача современной химии. Химия имеет большое прикладное значение. Д.И. Менделеев указал на особенность химии, которая сама создает свой объект изучения. Задачи: -Выявить закономерности химических превращений, которые реализованы искусственно. -Получение и изучение веществ, которые не встречаются в природе. Задача современной химии: получение веществ с заданными свойствами. Двуединая центральная задача химии: исследование генезиса (происхождения) свойств веществ и разработка на этой основе методов получения веществ с заранее заданными свойствами.
Концептуальные уровни химии. Развитие химии определило 4 совокупности подходов к решению основной задачи, что сформировало 4 концептуальных системы химических знаний: Учение о составе - 17 век. Структурная химия - 19 век. Учение о химических процессах - 1950-е годы Эволюционная химия - 1970 –е годы и далее. Суть учения о составе: свойства веществ зависят от состава. Далее – концепция структурной химии, которая добавила состав +структура молекул. Реакционная способность – химическая активность отдельных фрагментов молекулы (атомов, отдельных химических связей) и атомных групп. Структурная концепция превратила химию из аналитической науки в синтетическую, что создало промышленные технологии синтеза органических веществ. Учение о химических процессах - концепция, используя методы кинетики и термодинамики, вывила факторы, механизмы управления реакциями и способы изменения свойств получаемых веществ. Эволюционная химия - последний этап развития связан с химизмом живой природы. В рамках эволюционной химии осуществляется поиск таких условий, при которых в процессе химических превращений идет самосовершенствование катализаторов реакций. По существу, речь идет о самоорганизации химических процессов, происходящих в клетках живых организмов. Все концептуальные системы используются во взаимосвязи, что составляет логику развития химии.
Понятие «химический элемент» и «химическое соединение» с точки зрения современности. В основу систематизации свойств химических элементов Д.И. Менделеев положил идею зависимости свойств элемента от атомной массы. Химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, то есть совокупность изотопов. Под это определение попадают как отдельные атомы, так и находящиеся в химической связи с другими атомами. Во времена Менделеева было известно 62 элемента В начале 19 века английский химик Дж. Дальтон обосновал закон постоянства состава, отражающий неизменное соотношение компонентов данного вещества. Современник французский химик К. Бертолле указывал на возможность существования химических соединений переменного состава. Суть проблемы химического соединения не в постоянстве химического состава, а в физической природе сил, которые символизируются химическими связями. Химические связи обусловлены проявлением волновых свойств валентных электронов: перекрытием электронных облаков, обобществлением электронов. В результате выяснения физической сущности химической связи понятие молекулы претерпело изменение. В категорию молекулы вошли квантово-механические системы – монокристаллы, полимеры (макромолекулы, образованные за счет водородных связей). Ранее к полимерам относили только органические молекулы с молекулярной массой 10\6, построенные из мономеров. Химическое соединение – это вещество, атомы которого за счет химических связей объединены в молекулы, комплексы, макромолекулы, монокристаллы или иные вантово-механические системы. Состав любого вещества в строго математическом смысле переменен. Современное содержание понятия «химического соединения» сопряжено также с новыми направлениями в химии (химия твердого тела). Отдельную область химических соединений непостоянного состава образовали «поверхностные соединения», которыми стала заниматься химия поверхности. Проблема химического соединения, как и химического элемента, решена в современной химии на основе представлений квантовой физики.
Учение о химических процессах, его вклад в развитие химии. Способность к взаимодействию химических реагентов определяется атомарно- молекулярной структурой и условиями протекания химических реакций: термодинамические факторы (температура, давление и пр.), кинетические факторы (все, что связано с переносом веществ, образованием их промежуточных форм) – учение о химических процессах. Учение о химических процессах является областью глубокого взаимопроникновения физики, химии и биологии (термодинамика, кинетика, живая клетка). Изучая условия протекания и закономерности химических процессов, человек вскрывает глубокую связь, существующую между физическими, химическими и биологическими явлениями, перенимает опыт, для получения новых веществ и материалов. Катализатор – вещество, служащее для увеличения скорости реакции, не расходуясь в ней. Энергетическая активация реагента – подача энергии (больших энергий) извне – до состояния полного разрыва исходных связей. Этот принцип лежит в основе химии экстремальных состояний, которая использует высокие температуры, большие давления, излучения с большой величиной энергии кванта – ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. К этой области относятся плазмохимия (плазменное состояние реагентов), элионные технологии, в которых активация достигается за счет направленных электронных или ионных пучков. Химия электронных состояний получает вещества и материалы уникальные по своим свойствам: композитные материалы, высокотемпературные сплавы и металлические порошки, нитриды, силициды и карбиды тугоплавких металлов, разнообразные по своим свойствам покрытия (нитрид титана – «золотой» блеск куполов). Эффективность технологий – энергосбережение, высокая производительность, автоматизация и простота управления технологическими процессами, небольшие размеры технологических установок.
Эволюционная концепция в химии. При изучении химизма живой природы биохимией и молекулярной биологией установлено, что состав и структура биополимерных молекул представляют собой единый набор для всех живых существ, доступных для исследования химическими и физическими методами. В живых системах осуществляются такие типы химических превращений, какие ранее не обнаруживались в живом мире. Основа химии живого – биокатализ. «Подражание живой природе есть химизм будущего!» (академик А.Е. Арбузов) – целеполагающая идея развития эволюционной концепции в химии. Химиков, биологов, медиков объединяет представление о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности. Идея принадлежит Луи Пастеру. Ферменты – это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками, являются биологическими катализаторами. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции. Биокатализаторы обладают высокой селективностью (избирательностью) – один фермент катализирует одну реакцию. По этому принципу создают искусственные катализаторы. Биогенез (происхождение жизни) изучает и осваивает многообразие каталитических процессов в живой природе. Изучение химической эволюции – это установление закономерностей самопроизвольного (без вмешательства человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. В1960-х гг. было обнаружено явление самосовершенствование катализаторов в ходе реакции – проявление самоорганизации в химическом процессе. Самоорганизация в химическом процессе - это такое изменяющееся состояние химической системы, которому присущи все более высокие уровни сложности и упорядоченности Задача новейшего направления химии – эволюционной - понять, как из неорганической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией».
Сущность химической эволюции. Картина хемогенеза свидетельствует о химическом «естественном отборе» веществ. Сегодня известно 112 химических элементов, а основу живых систем составляют 6, получившие название органогены: углерод C, водород H, кислород O, азот N, фосфор P, сера S. Их доля в живой материи – 97,4%. 12 элементов - Na, K, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co, Mn – 1,6%. Остальные слабо представлены в живой материи. Сегодня известно 8млн. химических соединений, из них 96% - органические соединения, остальные химические элементы - около 300 тыс. неорганических соединений. На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо. Углерод – 16 место. Совместная весовая доля органогенов в поверхностных слоях Земли составляет – 0,24%. Следовательно, геохимические условия не сыграли сколько-нибудь существенной роли в отборе химических элементов при формировании органическим систем, а тем более биосистем. Признаки отбора: 1 способность образовывать достаточно прочные, энергоемкие химические связи; 2. образуемые связи должны быть достаточно лабильными (изменчивыми), перестраиваемые. Углерод – органоген № 1 – образует почти все типы химических связей. Из 100 известных аминокислот в состав белка входят 20. Предварительные выводы: На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствует. Высокие температуры и радиация обеспечивают энергию, необходимую для активации любых химических взаимодействий. Первые проявления катализа возникают при температуре менее 5000 К. Роль катализаторов возрастала по мере уменьшения эстремальных физических условий. После достижения минимального набора неорганических и органических соединений возросла роль катализатора. Отбор активных соединений происходил в природе из тех, продуктов, которые получались относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром. В ходе дальнейшей эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп. Следующим фрагментом эволюции, сшивающим химическую и биологическую линию эволюции, являются развитые полимерные структуры типа РНК и ДНК. Выполняющие роль каталитических матриц, на которых осуществляется воспроизведение себе подобных структур. В 1964 году А.П. Руденко предложил теорию саморазвития элементарных открытых каталитических систем – единую теорию хемо- и биогенеза. Главный вопрос теории: о движущих силах и механизме эволюционного процесса – законы химической эволюции; - отбор элементов и структур; - сложность химической организации; иерархия химических систем как следствие эволюции. Сущность теории: химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, следовательно, катализаторы являются эволюционирующим веществом. Следствие теории: установление пределов химической эволюции и перехода от хемогенеза к биогенезу. Вывод. Эволюционная химия совместно с другими естественными науками решает задачу расшифровки механизма предбиологической эволюции и зарождения живого, и разрабатывает новейшие технологии на принципах, заимствованных у живой природы.
Дополнительный материал. «Химический взгляд» на природу: истоки и современное состояние. Химия – древняя наука. Происхождение слова «химия»? Kham – древнее название Египта – египетское искусство. Греческое cumoz (сок растения) – искусство выделения сока.
|
