Химические концепции естествознания

     Одно  из самых молодых направлений  в исследовании химических процессов  – радиационная химия – зародилось во второй половине XX века. предметом разработок радиационной химии 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 обретают повышенную термостойкость и твёрдость.

     Важными процессами радиационно-химической  технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, в том числе получение полимербетонов путём пропитки обычного бетона каким – нибудь полимером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в 4 раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозийной стойкостью.

     Принципиально новой и исключительно важной областью учения о химических процессах  является  самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Обычно их производят методом порошковой металлургии, суть которого заключается  в прессовании и сжатии металлических порошков при высокой температуре ( 1200 – 2000 ⁰С ).  Самораспространяющийся синтез происходит гораздо  проще, он основан на горении одного металла в другом или металла в азоте, углероде, кремнии и т. п.

     Давно известно, что процесс горения представляет собой соединение кислорода с горючим веществом, поэтому горение – это реакция окисления горючего вещества. При этом электроны перемещаются 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 твёрдых телах. Он представляет собой, например, горение порошка титана в порошке бора или порошка циркония в порошке кремния. В результате такого синтеза получаются сотни тугоплавких соединений самого высокого качества. Важно также, что данная технология не требует громоздких процессов, отличается высокой технологичностью и легко поддаётся автоматизации.

     Ещё одна область  развития учения о  химических процессах – химия  высоких и сверхвысоких давлений. Химические превращения веществ  при давлении выше 100атм. относятся к химии высоких давлений,  а при давлениях выше 1000атм. – к химии сверхвысоких давлений. Высокие давления в химии используются с начала XX в. - аммиачное производство осуществлялось при давлении 300атм. и температуре 600 ⁰С. Но в последнее время используются установки, в которых достигается давление 5000атм., а испытания проводятся при давлении 600000атм., которое достигается за счёт ударной волны при взрыве в течение миллионной доли секунды. При ядерных взрывах возникают ещё более высокие давления.

     При высоком давлении сближаются и деформируются  электронные оболочки атомов, что  ведёт к повышению реакционной способности веществ. При давлении 10^{2 –} 10³ атм. исчезает различие между жидкой и газовой фазами, а при 10³ – 10⁵ атм. – между твёрдой и жидкой фазами. При высоком давлении сильно меняются физические и химические свойства вещества. Например, при 20 000 атм. металл становится эластичным, как каучук. Обычная вода при высоких температурах и давлении становится химически активной. С повышением давления многие вещества переходят в металлическое состояние. Так, в 1973 году учёные наблюдали металлический водород при давлении 2,8 млн. атм.

     Одним из важнейших достижений химии сверхвысоких давлений стал синтез алмазов. Он идёт при давлении 50 000 атм. и температуре 2000 ⁰С. При этом графит кристаллизуется в алмазы. Также алмазы можно синтезировать и с применением ударных волн. В последнее время ежегодно производятся тонны синтетических алмазов, которые лишь незначительно отличаются от природных по своим свойствам. Получающиеся алмазы используются для промышленных целей – в режущем и буровом оборудовании. Удалось синтезировать чёрные алмазы – карбонадо, которые твёрже природных алмазов. Они используются для обработки самих алмазов.

     Надёжно промышленное производство не только искусственных алмазов, но и других драгоценных камней – корунда (красного рубина), изумруда и других. При высоких давлениях синтезируют и другие материалы, отличающиеся высокой термостойкостью. Так, из нитрида бора при давлении 100 000 атм. и температуре 2000 ⁰С синтезирован боразон – материал, пригодный для сверления и шлифования деталей из чрезвычайно твёрдых материалов при очень высоких температурах. 
 

           Глава 5. Концепции эволюционной химии. 

     Под эволюционными процессами в химии  понимают процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза  новых химических соединений – продуктов, более сложных и высокоорганизованных по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию заслуженно считают предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

     До  последней трети XX века об эволюционной химии ничего не было известно. В отличии от биологов, которые использовали эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, для химиков вопрос о происхождении вещества не представлял интереса – ведь получение любого нового химического индивида всегда было В отличии от биологов, которые использовали эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, для химиков вопрос о происхождении вещества не представлял интереса – ведь получение любого нового химического индивида всегда было делом рук и разума человека. Молекулы новых химических соединений конструировались по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание из кирпичей. Живые же организмы из блоков собрать невозможно. Однако изучение и освоение опыта живой природы было давней мечтой учёных.

     Первые  шаги на этом пути были сделаны ещё  И. Берцелиусом, который установил, что в основе функционирования живого организма лежит биокатализ. Затем  исследования в этом направлении  велись немецким учёным Ю. Лихом, французом П. Бертло и, наконец, Н.Н. Семёновым. Работы этих учёных способствовали укреплению связи химии с биологией.

     Постепенное развитие науки XIX века, приведшие 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. На повестке дня стояло изучение характера химических процессов в живых тканях, обусловленность биологических функций химическими реакциями.

     Действительно, если посмотреть на обмен веществ  в организме с точки зрения химии, как это сделал А.И. Опарин, мы увидим совокупность большого числа  сравнительно простых и однообразных химических реакций, которые сочетаются между собой во времени, протекают не случайно, а в строгой взаимной последовательности, в результате чего образуются длинные цепи. И этот порядок закономерно направлен к постоянному самосохранению и самовоспроизведению всей живой системы в целом в данных условиях окружающей среды. Такие специфические свойства живого, как рост, размножение, подвижность, возбудимость, способность реагировать на изменения внешней среды, связаны с определенными комплексами химических превращений.

     Разумеется, нельзя сводить явления жизни только к химическим процессам. Это было бы грубым механистическим упрощением. Даже сама химия подчёркивает специфичность химических процессов в живых системах, показывает их отличия от происходящего в неживых системах. Специфичность и одновременно взаимосвязь химической и биологической форм движения материи подчёркиваются и другими науками, возникшими на границе биологии, химии и физики. Среди них биохимия – наука об обмене веществ и химических процессах в живых организмах; биоорганическая химия -  наука о строении, функциях и путях синтеза соединений, составляющих живые организмы; физико-химическая биология – наука о функционировании сложных систем передачи информации и регулировании биологических процессов на молекулярном уровне; а также биофизика, биофизическая химия и радиационная биология.

     Как было установлено ещё в XIX веке, основой исключительной эффективности биологических процессов является биокатализ. Поэтому химики ставят своей целью создать новую химию, основанную на каталитическом опыте живой природы. Они стремятся к новым принципам управления химическими процессами, где будет применяться синтез себе подобных молекул, по принципу ферментов будут созданы катализаторы с такими разнообразием качеств, которые далеко превзойдут существующие в промышленности до сих пор.

     Несмотря  на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют внутри живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире сталкиваются с серьёзными ограничениями. Пока речь может идти только о моделировании некоторых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем. Также возможно частичное практическое применение выделенных ферментов для ускорения некоторых химических реакций. Для этого нужно изучить весь каталитический опыт живой природы, в том числе и опыт формирования самого фермента, клетки и даже организма. На этой основе и возникла эволюционная химия как новая наука, пролагающая путь принципиально новой химической технологии, способной стать аналогом живых систем.

     Эволюционная  химия зародилась в 60-х годах XX века, когда были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно в процессе работы они дезактивировались, ухудшались и выбрасывались. Так, химики обратили внимание на процессы самоорганизации в химических системах, подняв тем самым химию на качественно новый уровень. При этом впервые было обращено внимание на существование в природе химических систем разной степени сложности, а также на процесс перехода от химических систем к биологическим. Также было отмечено, что ведущую роль на предбиологической стадии эволюции играл катализ. Роль каталитических процессов усиливалась по мере усложнения состава и структуры химических систем. Именно на этом основании некоторые учёные напрямую стали связывать химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Иными словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации 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  химическая эволюция представляет собой  саморазвитие каталитических систем, следовательно, эволюционирующим веществом  являются катализаторы, а не молекулы. В ходе реакции происходит естественный отбор каталитических центров, обладающих наибольшей активностью. При катализе, как мы знаем, идёт реакция химического взаимодействия катализатора с реагентами с образованием при этом промежуточных комплексов со свойствами переходного состояния. Именно такой промежуточный каталитический комплекс Руденко назвал элементарной каталитической системой. Если в ходе реакции происходит 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 счёт постоянного притока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии служит базисная реакция, то максимальное эволюционное преимущество получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций. Таким образом, базисная реакция является не только источником энергии, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

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

     Возникает явление автокатализа, когда продукты реакции выступают как катализаторы, ускоряющие дальнейшее протекание реакции. При этом реакция становится саморазвивающейся, и элементарная открытая каталитическая система подходит к первому пределу в своём развитии – рост скорости базисной реакции начинает ограничиваться постоянной температурой системы. И тогда некоторые элементарные каталитические центры оказываются способными осуществлять не один, а несколько циклов базисной реакции. На следующем этапе развития элементарной каталитической системы скорость реакции начинает ограничиваться концентрацией реагирующих веществ. При этом система подходит ко второму пределу в своём развитии, который преодолевается с помощью пространственного дублирования каталитических систем, их разъединения и дальнейшего самостоятельного существования. А самовоспроизведение (точнее – пространственное дублирование) служит признаком не химической, а биологической эволюции. Именно так с матричных молекул ДНК считывается наследственная информация, и на этой основе строится новая молекула. Таким образом, второй кинетический предел саморазвития элементарных отрытых каталитических систем является пределом добиологической химической эволюции. После этого возможности добиологической эволюции, проходящей по законам химии, исчерпываются и начинается эволюция биологическая.

     Практическим  следствием теории саморазвития открытых каталитических систем стала так  называемая нестационарная кинетика, которая занимается теорией управления нестационарными процессами – реакций с меняющимися условиями. Сегодня учёные приходят к выводу, что стационарный режим, надёжная стабилизация которого казалась залогом высокой эффективности промышленного процесса, выступает лишь частным случаем нестационарного режима. При этом было обнаружено множество нестационарных режимов, способствующих интенсификации реакции.