Концептуальные системы химии и их эволюция реферат

Обновлено: 02.07.2024

Роль химии в системе современного научного знания определяется, во-первых, местом химической формы материи в закономерном мировом процессе развития и, во-вторых, комплексом задач, которые ставит общество перед химическими технологиями в сфере материального производства и охраны окружающей среды.

1. Особенности химии как науки

2. Химическая форма материи

3. Теория химической эволюции

Список использованной литературы

Нужна помощь в написании реферата?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Химическое вещество возникло из физической формы материи, и поэтому все химические процессы могут быть достаточно глубоко объяснены только на основе изучения их физических механизмов.

1. Особенности химии как науки

С древних времен химия была непосредственно связана с хозяйственной деятельностью общества. Можно считать, что основная проблема химии — это проблема генезиса свойств вещества как ключ к производственной задаче получения веществ с нужными свойствами. Специалисты по истории естествознания выделяют четыре сменявшие друг друга концептуальные схемы химии. Смена этих концептуальных схем вела к углублению теоретических представлений о строении и свойствах химической формы материи. Углубление теоретического анализа химизма, в свою очередь, использовалось для создания все более крупномасштабных химических технологий в сфере производства. Рассмотрим основные концептуальные схемы химического знания более подробно.

До возникновения научных способов анализа свойств вещества древнегреческие философы предложили первые умозрительные объяснения качественного разнообразия тел природы. Такие мыслители, как Левкипп, Демокрит, Эпикур, римлянин Тит Лукреций Кар предложили атомистическую теорию строения материи. Это была гениальная догадка о существовании атомов — мельчайших неделимых частиц, различиями которых объяснялись и различия свойств макроскопических тел. При всей своей наивности идея атома оказалась пророческой: теории современной химии фактически основываются на этом понятии (которое, конечно, было многократно уточнено в ходе развития науки). В противовес атомизму Гераклит, Эмпедокл и Аристотель разрабатывали континуалистское (антиатомистическое) видение мира. По их мнению, вещи состоят из различных сочетаний четырех дискретных стихий: земли, воды, воздуха и огня. И атомистическая, и континуалистская концепции вещества были слабо связаны с практической производственной деятельностью и уже не удовлетворяют современным критериям научности, сохраняя преимущественно историческое значение.

Первая строго научная концептуальная система химии, сохраняющая до настоящего времени теоретическую и практическую ценность, — учение, разработанное во 2-й половине XVII века английским ученым Р. Бойлем. В это время потребности раннекапиталистической промышленности привели к формированию экспериментальной науки. Экспериментальный подход в области физики позволил опровергнуть многочисленные ошибочные взгляды на законы природы, установить, например, постоянство ускорения свободного падения (Г. Галилей), сформулировать законы механики (И. Ньютон) и т.д. В химии метод научного эксперимента привел к не менее значительной научной революции. Р. Бойль отверг представления о четырех стихиях как основе вещественного мира, ввел понятие элементов как простых, далее неразложимых тел, из которых состоят химические соединения, и показал, что наименьшей частицей простого тела является состоящая из атомов корпускула. Экспериментальная химия становится наукой о составе веществ, или, по определению Д.И. Менделеева, наукой о химических элементах и их соединениях. В рамках первой концептуальной системы химии создается возможность целенаправленного изменения химического состава веществ. Технологические процессы этого типа господствовали в химическом производстве вплоть до начала промышленной революции конца XVIII — начала XIX вв.

Однако триумф структурной химии длился не так долго. В начале XX в. интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики и приборостроения стало предъявлять к науке более высокие требования. Возникает потребность получения в очень большом количестве материалов с заранее заданными свойствами: высокооктанового моторного топлива, особых смазок, специальных каучуков и пластмасс, высокостойких изоляторов, жаропрочных органических и неорганических полимеров, полупроводников. Методы структурной химии, основанные на использовании веществ растительного происхождения, не могли обеспечить достаточных масштабов производства и качественного многообразия синтезируемых продуктов.

Нужна помощь в написании реферата?

В последние десятилетия намечается переход к наиболее сложной, четвертой концептуальной системе химической науки — эволюционной химии. Рассмотрение химической формы материи в развитии — как ступени закономерного процесса эволюции материального мира в центом — позволит выйти на новый уровень и в сфере химической технологии. Этот уровень связан прежде всего с реализацией идеи крупнейших ученых прошлого — возможностью копирования, воспроизведения сложных химических процессов, происходящих в живом организме (самоорганизация химических систем, ферментативный катализ и т.п.). Химия на этом уровне впервые берет на вооружение метод историзма и с его помощью пытается решить проблему биогенеза, освоить каталитический опыт живой природы, моделировать биосистемы с целью осуществления самых разнообразных процессов — от фотохимического разложения воды на кислород и водород до синтеза моделей биополимеров в комплексе с биорегуляторами. К наиболее интересным исследованиям в области эволюционной химии можно отнести работы М. Кальвина по химической эволюции, И. Пригожина — по термодинамике необратимых процессов и теорию саморазвития открытых каталитических систем А.П. Руденко.

2. Химическая форма материи

Одной из актуальных теоретических проблем современной химии является вопрос о статусе химической формы материи. От решения этой проблемы непосредственно зависит определение самостоятельного или подчиненного характера химии как науки, ее места в системе научного знания и стратегии дальнейшего развития.

Согласно первой, получившей распространение в результате создания квантовой химии, химическое можно полностью свести к физическому. С этой точки зрения химия является наукой о поведении электронов в атомах и молекулах, а химическое качество, поскольку его носители слагаются из физических компонентов, есть не что иное, как физическое, принявшее особо сложную форму. Химия в таком случае превращается в одну из отраслей физической науки.

Согласно второй точке зрения атомы, молекулы и другие надатомные структуры следует рассматривать как специфические химические субстраты, обладающие в то же время физическим способом взаимодействия. Если не существует специфического химического взаимодействия, то не существует и химической формы движения материи, так как определенная форма движения всегда включает в себя и определенное взаимодействие такого же уровня сложности. Отрицание особой химической формы движения ведет, в свою очередь, к отрицанию специфического химического субстрата, химической формы материи, поскольку каждая форма движения и взаимодействия находится в прямой связи с формой материи.

Согласно третьей точке зрения существует самостоятельная химическая форма материи, способом существования которой является специфическая химическая форма движения, представляющая собой химические реакции. Химическими носителями, то есть субстратами химических процессов, являются атомы, молекулы, свободные радикалы, каталитические системы и другие надатомные структуры. Элементарной (простейшей) субстратной единицей химической реакции выступает особое химическое образование — атом. Специфически химическая природа атома, молекулы и других химических систем выражается в существовании специфической химической формы движения. Этот подход, наиболее точно соответствующий данным современной науки, может быть обоснован рядом аргументов в пользу существования самостоятельного химического качества. Существование самостоятельной химической формы материи, обладающей особым химическим качеством, подтверждается следующими фактами.

Нужна помощь в написании реферата?

В-третьих, химические связи между качественно различными атомами с физической точки зрения различаются только количественно, например, величиной электроотрицательности. С точки зрения химии они, наоборот, качественно различны, так как качественно различаются образующие их химические элементы. Синтез совершенно новых классов химических веществ с самыми удивительными свойствами не ведет к появлению каких-либо принципиально новых физических энергий. В этой ситуации проявляется общая закономерность взаимосвязи основных форм материи: качественные изменения высшего опираются на количественные изменения включенных в него элементов низшей формы материи.

В-пятых, химические качества намного разнообразнее физических. Если весь вещественный мир состоит из трех типов элементарных частиц, то его химическое многообразие выражается в существовании миллионов соединений (даже без учета полимеров и намного большего числа белков и нуклеиновых кислот). Многообразие химического превосходит многообразие физической формы материи и в процессуальном плане. Так, одинаковые с точки зрения макроскопической физики явления — изменения температуры, превращение энергии из одного вида в другой — оказываются физически одинаковыми результатами процессов, которые по своему химическому содержанию различаются не только количественно, но и качественно. Такое физическое явление, как разогрев, может быть следствием тысяч разнообразных химических процессов.

Таким образом, данные современной науки достаточно убедительно показывают, что химическая форма материи — не одна из разновидностей физических явлений, а новая, самостоятельная, качественно более сложная ступень эволюции материального мира, обладающая собственным специфическим субстратом и законами развития.

3. Теория химической эволюции

Как отмечалось выше, основной особенностью современного уровня анализа химической формы материи является переход от третьей теоретической системы — учения о химических процессах — к четвертой, получившей название эволюционной химии. Само возникновение эволюционной химии стало результатом предшествующего пути развития, пройденного этой наукой. Оно подготовлено изучением и созданием все более сложных веществ и все более глубоким проникновением в законы их строения и механизмы изменений.

Нужна помощь в написании реферата?

Идея перехода химического знания к эволюционной парадигме в своем наиболее абстрактном аспекте связана с общефилософской концепцией развитии как бесконечного восхождения от низшего к высшему, роста богатства содержания предметов и явлений. Эта интерпретация учения о развитии основана на большом ансамбле фактов из всех областей научного знания — физики, химии, биологии, наук об обществе. Факты показывают, например, что в известной нам части Вселенной действует ярко выраженная тенденция материальных объектов к усложнению, доминирующая над тенденциями деградации и распада. По подсчетам Г. Кастлера и Л. Блюменфельда, в случае равенства вероятности процессов упрощения и усложнения материи вероятность возникновения жизни из аминокислот, пиримидинов, пуринов, полифосфатов, сахаров и т.д. за 2 на 10 в 9-й степени лет развития Земли оказалась бы равной 10 в минус 255-й степени или даже 10 в минус 800-й, что делает это событие, по существу, невозможным. С точки зрения уровня квантово-механических процессов вероятность появления жизни оказывается практически равной нулю. Таким образом, направленность процесса развития материи в целом от низшего к высшему, от простого к сложному должна быть признана объективной закономерностью, изучение которой становится одной из главных задач научного знания на достаточно высокой ступени его развития. Именно такая ступень достигнута в настоящее время химической наукой.

Перспективный путь исследования процессов химической эволюции основывается на анализе реакционной способности химических веществ как важнейшего проявления природы химического объекта.

Реакционная способность химических элементов (то есть их способность вступать в реакции с другими веществами) включает в себя две стороны: количественную и качественную. Количественная сторона реакционной способности — это легкость и быстрота образования связей, а также число атомов, которые может интегрировать данный элемент. Качественная сторона выражается в многообразии различных химических элементов, с которыми может вступать в реакции данный элемент, и многообразие образуемых ими соединений. Реакционная способность одного и того же элемента может оцениваться по-разному в зависимости от того, с какой точки зрения — качественной или количественной — мы будем подходить к ней. Так, с количественной точки зрения наибольшей реакционной способностью обладает фтор: он легко и быстро вступает в реакции со множеством веществ, является, например, единственным элементом, который окисляет кислород. Почти такой же активностью обладают другие галогены, все они в количественном плане намного активнее, чем элементы-органогены. Однако соединения, которые образуют галогены, в большинстве своем оказываются низкомолекулярными и обладают слабой реакционной способностью, которая ограничивает возможности дальнейших превращений. Элементы-органогены, наоборот, образуют огромное количество высокомолекулярных и очень активных соединений. Это объясняется прежде всего природой атомов углерода, их уникальной способностью образовывать сложные разветвленные цепи, обладать разными степенями окисления в составе одной и той же молекулы. Благодаря этому они могут создавать чрезвычайно сложные органические вещества. Следовательно, с качественной стороны углерод превосходит по реакционной способности все остальные химические элементы.

В химии ярко проявляется одна из общих закономерностей материального мира — неравномерность распределения интенсивности процесса развития в пространстве и во времени. Преобладание прогрессивного направления развития в живой природе не означает, что все биологические виды во все эпохи эволюционируют с одинаковой интенсивностью. Идея общественного прогресса также не подразумевает, что все человеческие индивиды и все социальные структуры постоянно находятся в состоянии прогрессивного развития. Аналогичным образом современная химия обнаруживает в природе два существенно различных типа реакций. Первый из них не включает в себя в непосредственном виде процессы эволюции веществ, второй, наоборот, закладывает основы для эволюционных изменений.

Нужна помощь в написании реферата?

Таким образом, химический индивид приобретает способность изменить свою природу, сохранив себя. На данном этапе развития материи становится хорошо заметен диалектический процесс отрицания отрицания. Слабые и эфемерные физические силы, проявляющие себя при взаимодействии частиц и лишь слегка модифицирующие молекулу при сохранении ее химической структуры, накапливаются в макромолекулах и их комплексах. Эти силы формируют специфическую структуру живого, включающую фермент-субстратные агрегаты, межмолекулярные образования нуклеопротеидов, гликолепидов, комплементарные соответствия в двойной спирали ДНК, взаимодействия ДНК, РНК и белков. Все эти слабые физические взаимодействия определяются водородными связями, полярными, диполь-дипольными и вандерваальсовыми силами, которые предваряют химический процесс, готовят его, но еще не исчерпывают.

химия естествознание эволюционный материя

История развития химии представляет процесс последовательного формирования четырех концептуальных систем. Можно, таким образом, установить прямое соответствие между уровнями организации химических систем и исторической последовательностью теоретических концепций, лежащих в основе химической науки. По степени сложности химические системы могут быть разделены на четыре уровня:

1) атом химического элемента;

2) молекула химического соединения как унитарная система;

3) система реагирующих веществ;

4) высокоорганизованная каталитическая система, способная к саморазвитию.

Нужна помощь в написании реферата?

Эта иерархия материальных систем программирует, предопределяет формирование иерархии из четырех концептуальных систем химии:

1) учение о составе;

2) структурная химия;

3) учение о химическом процессе;

4) эволюционная химия.

Список использованной литературы

Нужна помощь в написании реферата?

Аистов И. А., Голиков П. А., Зайцев В. В. Концепция современного естествознания. — СПб.: Питер, 2005.

Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения — М., 1987.

Войткевич Г. В. Химическая эволюция Солнечной системы. — М.: Наука, 1991.

М.В. Ломоносов как родоначальник российской химии. Современные концепции химии, ее взаимосвязь с физикой и биологией. Концепции структуры химических соединений. Учение о химических процессах. Появление в химической науке концепции химического элемента.

Рубрика	Химия
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	28.11.2016
Размер файла	126,1 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Здесь самым перспективным направлением, очевидно, являются исследования, ориентированные на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, для чего нужно изучить весь каталитический опыт живой природы, в том числе и опыт формирования самого фермента, клетки и даже организма. Здесь и возникли основы эволюционной химии как новой науки, пролагающей пути принципиально новой химической технологии, способной стать аналогом живых систем.

Тот факт, что катализ играл решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим, то есть на предбиологической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет образования новых и удаления использованных химических реагентов. Однако в отличие от самоорганизации открытых физических систем в данных химических реакциях важное значение приобретают каталитические процессы.

Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Именно на этом основании некоторые ученые напрямую связывают 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. Здесь, однако, следует помнить, что переход к простейшим формам жизни предполагает также особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются основным строительным материалов для образования биологических систем. Такие элементы в химии получили название органогенов.

В результате такого подхода появилась информация об отборе химических элементов и структур, который оказался подобен биологической эволюции. В настоящее время химической наукой открыто 110 химических элементов. Большинство из них попадает в живые организмы и участвует в их жизнедеятельности. Однако основу жизнедеятельности организмов обеспечивает только шесть химических элементов-органогенов. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их суммарная весовая доля в структуре живого организма составляет 97,4%. За ними по степени важности следуют 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биологических систем. Это натрии, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель. Их весовая доля в организме составляет 1,6%. Кроме того есть еще 20 элементов, которые участвуют в построении и функционировании отдельных узко-специфичных биосистем и весовая доля которых составляет около 1%. Все остальные элементы в построении биосистем практически не участвуют.

Общая картина химического мира также весьма убедительно свидетельствует об отборе элементов. В настоящее время химической науке известно около 8 млн. химических соединений. Из них подавляющее большинство (96%) составляют органические соединения, которые образованы на основе все тех же 6 - 18 элементов. А из остальных 95 - 99 химических элементов природа создала всего лишь 300 тысяч неорганических соединений. Из органогенов на Земле наиболее распространены кислород и водород. Степень распространенности углерода, азота, фосфора и серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и в общем невелика - около 0,24 весовых процента. В космосе безраздельно господствуют только два элемента - водород и гелий, а остальные элементы можно рассматривать только как добавки к ним.

Такая резкая диспропорция между органическими и неорганическими соединениями, а также исключительно дифференцированный отбор минимума органогенов не могут быть объяснены различной распространенностью химических элементов в космосе и на Земле.

Это означает, что определяющими факторами в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем выступают условия соответствия этих элементов определенным требованиям:

1. Способность образовывать прочные и, следовательно, энергоемкие химические связи.

2. Эти связи должны быть лабильны (то есть способны к образованию новых разнообразных связей).

Вот поэтому углерод и отобран из многих других элементов как органоген номер один. Он, как никакой другой элемент, способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химические противоположности, реализовывать их единство, выступать в качестве носителя внутреннего противоречия.

О том, как происходит отбор структур, каков его механизм, сказать довольно трудно. Но этот процесс оставил нам своего рода музей. Подобно тому, как из всех химических элементов только 6 органогенов да 10 - 15 других элементов отобраны природой, чтобы составить основу биосистем, так же в результате эволюции шел тщательный отбор химических соединений.

Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен, из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20, лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Сегодня ясно, что в ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп. Есть уже и некоторые выводы:

1. На ранних этапах химической эволюции мира катализ вовсе отсутствует. Условия высоких температур (более 5000 К), электрических разрядов и радиации, с одной стороны, препятствуют образованию конденсированного состояния, а с другой -с лихвой перекрывают те порции энергии, которые необходимы для преодоления энергетических барьеров.

2. Первые проявления катализа начинаются при смягчении условий и образовании первичных твердых тел.

3. По мере того, как физические условия приближались к земным, роль катализатора возрастала. Но общее значение катализа вплоть до образования более или менее сложных органических молекул все еще не могло быть высоким.

4. Роль катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния, то есть известного количественного минимума органических и неорганических соединений, начала возрастать с фантастической быстротой.

Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем, в самом общем виде выдвинутая профессором МГУ А.П. Руденко в 1964 г., является общей теорией химической эволюции и биогенеза. Она решает вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, то есть 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 и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакции происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходит за счет постоянного притока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальные эволюционные преимущества получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций. Отсюда базисная реакция является не только источником энергии, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

Тем самым А.П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.

Сегодня уже совершенно ясны перспективы создания и развития новой химии, на основе которой будут созданы малоотходные, безотходные и энергосберегающие промышленные технологии.

На протяжении длительного развития человечество не раз сталкивалось с большим числом проблем, от которых нередко зависело само его существование. Чтобы выжить, наш предок научился изготавливать и использовать простейшие орудия труда, чем компенсировал свои природные недостатки. В дальнейшем первобытный человек, оказавшись перед проблемой обеспечения пищей, освоил охоту, затем земледелие и скотоводство. Освоение все более сложных орудий и предметов труда вызвало энергетическую проблему, потребовало перехода от естественных источников энергии к более совершенным. Энергетическая проблема последовательно привела человека к освоению энергии пара, тепловой, электрической энергии, и, наконец, энергии атома.

Содержание работы

Введение 3
1.Фундаментальные основы современной химии 4
2.Учение о химических процессах 5
3.Эволюционная концепция в химии 7
4.Сущность химической эволюции 10
5. Особенность и двуединая задача современной химии 13
6.Концептуальные уровни современной химии 14
7. Основные направления современной химии 18
Заключение 22
Список использованной литературы: 26

Содержимое работы - 1 файл

история формирования основных химических концепций.doc

Резкая диспропорция между громадным множеством органических соединений и малым количеством составляющих их элементов, а также факт принадлежности этих же элементов к органогенам, нельзя объяснить на основе различной распространенности элементов. На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо, тогда как углерод занимает лишь 16-е место. Совместная же весовая доля важнейших органогенов (С, N, P, S) в поверхностных слоях Земли всего около 0,24%. Следовательно, геохимические условия не сыграли сколько-нибудь существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем.

Именно поэтому углерод был отобран эволюцией как органоген № 1. Он в полной мере отвечает перечисленным выше требованиям. Атом углерода образует почти все типы химических связей, какие знает химия, с самыми разными значениями энергии связи. Он образует углерод-углеродные связи, строя таким путем длинные и стабильные углеродные скелеты молекул в виде цепей и (или) колец. Углеродные атомы образуют связи с остальными элементами-органогенами (Y, N, О, Р и S). Соединение с этими и другими элементами в различных комбинациях обеспечивает колоссальное разнообразие органических соединений, Оно проявляется в размерах, форме молекул и их химических свойствах.

Кислород и водород нельзя считать столь же лабильными, как углерод; их, скорее, следует рассматривать в качестве носителей крайних и односторонних свойств — окислительных и восстановительных. Лабильные атомы серы, фосфора и железа имеют большое значение в биохимии, в то время как стабильные — кремний, алюминий, натрий, составляющие несравненно большую часть земной коры, играют второстепенную роль.

Подобно тому, как из всех химических элементов только 6 органогенов, да еще 10-15 других элементов отобраны природой в основу биосистем, так же и в предбиологической эволюции шел отбор и химических соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав белка входит только 20.

Каким образом из минимума химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс — биосистема? Химикам важно это понять для того, чтобы научиться у природы создавать технологии синтеза сложных соединений из самого простого сырья. В связи с этой проблемой уже могут быть сделаны следующие предварительные выводы.

1. На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствует. Высокие температуры и радиация обеспечивают энергию, необходимую для активации любых химических взаимодействий.

2. Первые проявления катализа возникают при смягчении условия (температура менее 5 000 К). Роль катализаторов возрастала по мере того, как физические условия становились все менее экстремальными. Но общее значение катализа вплоть до образования достаточно сложных органических молекул еще не могло быть высоким.

3. После достижения некоторого минимального набора неорганических и органических соединений роль катализа начала резко возрастать. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.

4. В ходе дальнейшей эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп.

5. 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.

Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем, выдвинутая в 1964 г. А.П. Руденко, по существу представляет собой единую теорию хемо- и биогенеза. Она решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизме эволюционного процесса, то есть о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур, о сложности химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции. Сущность этой теории состоитв том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы.

Эта теория является в настоящее время основанием эволюционной концепции в химии. Одно из важнейших следствий этой теории — установление пределов химической эволюции и перехода от хемогенеза к биогенезу.

Таким образом, эволюционная химия совместно другими естественными науками, постепенно подступает к расшифровке механизма предбиологической эволюции и зарождения живого, а вместе с этим — и к созданию новейших технологий на принципах, позаимствованных у живой природы.

Как и другие составляющие естествознания, химия имеет многочисленные практические приложения. Однако еще Д.И. Менделеевым было обращено внимание на существенную особенность этой науки: химия в значительной мере сама создает свой объект изучения. Самые разнообразные исследования в ней направлены на раскрытие закономерностей химических превращений, которые реализованы искусственно, на получение и изучение веществ, большинство из которых в природе не встречается. Химия как наука теснейшим образом связана с химией как производством. Д.И. Менделеев рассматривал химические заводы как лаборатории больших размеров. Основная цель современной химии, вокруг которой строится вся исследовательская работа, заключается в получении веществ с заданными свойствами. Это и определяет содержание двуединой центральной задачи химии: исследование генезиса (то есть происхождения) свойств веществ и разработка на этой основе методов получения веществ с заранее заданными свойствами.

По мере развития химии до ее современного уровня в ней сложились четыре совокупности подходов к решению основной задачи. Развитие этих подходов обусловило формирование четырех концептуальных систем химических знаний. Для их представления воспользуемся наглядной схемой.

4. Эволюционная химия

3. Учение о химических процессах

2. Структурная химия

1. Учение о составе

17 век 19 век 1950-е годы 1970-е годы Развитие химии

Концептуальные подходы к решению основной проблемы химии, показанные на схеме, появлялись последовательно.

Первоначально свойства веществ связывались исключительно с их составом (в этом суть учения о составе). На этом уровне развития содержание химии исчерпывалось ее традиционным, менделеевским определением - как науки о химических элементах и их соединениях.

Затем было развито учение о химических процессах. В рамках этой концепции с помощью методов физической кинетики и термодинамики были выявлены факторы, влияющие на направленность и скорость протекания химических превращений и на их результат. Химия вскрыла механизмы управления реакциями и предложила способы изменения свойств получаемых веществ.

Последний этап концептуального развития химии связан с использованием в ней некоторых принципов, реализованных в химизме живой природы. В рамках эволюционной химии осуществляется поиск таких условий, при которых в процессе химических превращений идет самосовершенствование катализаторов реакций. По существу речь идет об изучении и применении самоорганизации химических систем, происходящих в клетках живых организмов.

Каждая новая концептуальная ступень в развитии химии, означает не отрицание подходов, использовавшихся ранее, а опору на них как на основание. Все показанные на схеме концептуальные системы используются не порознь, а во взаимосвязи. Последовательное дополнение химии названными концептуальными системами составляет логику развития этой науки.

В физически доступном слое Земли всего восемь химических элементов представлены в значительном количестве. Это кислород 47,0%, кремний 27,5%, алюминий 8,8%, железо 4,6%, кальций 3,6%, натрий 2,6%, калий 2,5% и магний 2,1%.

Итак, выше в общих чертах было объяснено, что изучает химия, каков предмет этой науки. Более конкретную характеристику того, что изучает химия, дает, однако, настоящий раздел: в нем речь пойдет о четырех относительно замкнутых системных понятиях, составляющих современную химическую теорию.

Эти системы были названы концептуальными системами химии[164] по аналогии с концептуальными системами физики, рассмотренными В. Гейзенбергом[165]. Это следующие системы: 1) учение о химических элементах и составе вещества (сюда относятся периодическая система элементов Д.И. Менделеева и связанные с ней обобщения, концепции соединений постоянного и переменного состава, теория валентности), 2) структурная химия (учение о строении орга- нических и неорганических соединений, координационная теория, кристаллохимия и т.д.), 3) учение о химическом процессе (кинетика и теория катализа) и 4) химия самоорганизации (концепция диссипативных систем И. Пригожина, теория реакции Белоусова—Жаботинского, эволюционный катализ, учение о химической эволюции).

Концептуальные системы последовательно формировались в ходе исторического развития химии. Хотя периодический закон был установлен Д.И. Менделеевым в 1869 г., учение о химических элементах в целом сложилось в начале XIX в. В первой половине XIX в. обозначились две концепции химического состава — концепция дальтонидов и концепция бертоллидов. В начале второй половины XIX в. формируется структурная химия, и учение о химических элементах развивается в контексте структурных представлений. Решающие события в становлении химической кинетики произошли в последней трети XIX в. И наконец, химия самоорганизации заявила о себе в 1970-х гг. Каждая новая концептуальная система не отменяла и не поглощала предыдущую, а, так сказать, надстраивалась над ней.

Формирование концептуальных систем химии может быть выражено следующей категориальной схемой:

Каждый треугольник этой схемы символизирует построение новой концептуальной системы.

От структурной химии к учению о процессе

Средний треугольник приведенной выше схемы символизирует формиро- нание кинетических теорий. Он указывает, что кинетика химических систем стала изучаться с целью объяснения функций этих систем, их реакционных способностей: подобно тому как состав химического вещества не всегда может объяснить его свойства и для этого объяснения требуется по- I іятие структуры, структура вещества не всегда может объяснить его функцию, реакционную способность, и для этого объяснения требуется изучение организации, кинетики той реакционной системы, в которую включено данное вещество.

Вообще говоря, эта характеристика вещества не может быть выведена из структуры этого вещества. Чтобы объяснить реакцион- I іую способность, надо вникнуть в природу соответствующего химического процесса, раскрыть организацию реакционной системы, в которой протекает данный процесс, т.е. изучить ход реакции, его зависимость от характеристик сореагента, от условий реакции, от показателей того сосуда, в котором происходит реакция, от скорости перемешивания и т.д.

Частично химическая кинетика — результат физикализации химии. Вышеупомянутая теория элементарного акта химического процесса возникла на базе квантовой механики и строилась в рамках парадигм, заданных квантовой трактовкой простейших взаимодействий молекул. Однако теория элементарного акта — лишь часть химической кинетики. С выяснением физической природы элементарного акта центральной задачей химической кинетики становится задача изучения увязки элементарных актов в химическую реакцию. Эта задача уже не решалась на базе теоретической физики. Увязка элементарных актов (точнее элементарных стадий, основу которых составляют элементарные акты) химических процессов проводилась на базе химического опыта, эксперимента с привлечением идей физики и путем математической обработки экспериментальных данных.

Как замечает Г.С.

Становление химии самоорганизации не было безболезненным.

Открытие Белоусова не было признано его современниками. Статья ученого, описывающая открытую им реакцию, не была полностью опубликована при его жизни. Был опубликован лишь ее сокращенный текст в малоизвестном сборнике рефератов, выпускаемом институтом, где он работал.

Причиной тому была парадигма классической термодинамики. В рамках этой парадигмы рассматривалось лишь монотонное, а не колебательное изменение параметров реакционной системы. Вспомним, что термодинамические потенциалы, представляющие собой величины, определяющие необходимое условие протекания химических реакций, монотонно изменяются при приближении реакционной смеси к равновесному состоянию.

Однако к началу 1970 г. стало фактом появление новой термодинамики — нелинейной и неравновесной. Речь идет о работах И.Р. Пригожина j и его соавторов, в которых было введено понятие неравновесных стацио-: нарных состояний и исследовались условия устойчивости этих состояний.1

Нелинейная неравновесная термодинамика сделала понятной открытую Белоусовым реакцию. Объяснение состояло в том, что при возрастающем отклонении от термодинамического равновесия термодинамическая ветвь, служащая своеобразным неравновесным равновесием (экстраполяцией термодинамического равновесия), теряет свою устой - чивость, и система (реакция Белоусова—Жаботинского) переходит в неравновесное стационарное состояние. Иными словами, при достаточно сильном отклонении от термодинамического равновесия, отклонении, означающем потерю системой того порядка, который характерен для ее равновесного состояния, система обретает новый порядок, правда, порядок особого типа, поддерживаемый за счет поступления в систему энергии и/или вещества и оттока их из системы (в случае реакции Белоусова одно из веществ — лимонная кислота — должно быть в избытке). Пригожин назвал этот необычный порядок диссипативной структурой.

По сути дела, нелинейная термодинамика, построенная Пригожи- иым и его соавторами, объединяет в себе термодинамику и химическую кинетику. Возникла новая теория, в контексте которой кинетические уравнения приобрели новый смысл и повысили свою объединительную способность. Чтобы проследить эту трансформацию, надо вернуться к учителю Пригожина Т. де Донде (1873—1957), который строил термодинамику в понятиях термодинамической силы и потока. Потоками он называл то, что химическая кинетика понимала под скоростью реакции. Потоками у него также были перенос тепла и диффузия вещества. Силы — это причины, вызывающие потоки: химическое сродство, по Донде, уточняющее старые теории химического сродства, градиент температур и т.д. В равновесной термодинамике потоки и силы равны нулю. В слабо неравновесной области потоки и силы незначительны. Термодинамика сильно неравновесных процессов, развитая Пригожиным и его соавторами, рассматривает потоки, которые являются нелинейными функциями термодинамических сил.

Итак, в химии к концепциям самоорганизации привели две альтернативные тенденции, наблюдаемые в истории этой науки, — тенденция к ее физикализации и тенденция к развитию в ней собственных системных представлений. При этом некоторые концепции самоорганизации (например, концепция диссипативных структур) явились продуктом сразу двух указанных тенденций, а другие (например, теория саморазвития открытых каталитических систем) — в основном продуктом второй тенденции.

Читайте также: