Несколько позднее, уже в Древнем Египте (III-IV века до н. э.), были известны способы производства металлов и сплавов семи известных к тому времени металлов: золота, серебра, меди, железа, свинца, олова и ртути. Наибольшей ценностью обладало, конечно, золото, получение которого из других металлов стало одной из главных целей алхимии, наряду с поисками «магистерия», создания «эликсира жизни», дававшего бессмертие, и универсального растворителя. Фактически полагалось, что все эти функции может выполнить просто некий камень -- эликсир, получивший у европейцев название «философский камень».
У арабов же это предопределило два пути развития алхимии: поиски трансмутаций золота и поиска эликсира жизни. На каждом из этих направлений были достигнуты большие успехи в познании химических превращений.
Проникновение алхимии в Европу стало возможным благодаря Крестовым походам (1096-1270 гг.) на Ближний Восток (в Сирию, Палестину, Северную Африку), организованным западноевропейскими феодалами и католической церковью под знаменем борьбы против «неверных» (мусульман), освобождения гроба Господня и Святой земли (Палестины). Европейская алхимия находилась в этот начальный период под покровительством астрологии, в связи с чем приобрела характер тайной науки, впрочем, такой же она была и у египтян. В конечном итоге развитие алхимии выразилось в открытии или усовершенствований (в процессе поиска чудодейственных средств) способов получения практических ценных продуктов (минеральной и растительной краски, стекла, эмали, металлических сплавов, кислоты, щелочи, соли), а также в разработке некоторых приемов лабораторной техники.
3. Главная задача химии и основные этапы ее развития
Все отмеченное выше и в главе 2 подготовило соответствующие условия для исследования химических соединений, их применение в медицине, в практической науке и предопределило возникновение научной химии. С этого момента, примерно с 60-х годов XVII столетия, химия определилась в своей главной задаче, породила и пережила к настоящему времени, к началу XXI столетия, четыре концептуальные системы.
Наш великий химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), называл химию «наукой о химических элементах и их соединениях»; другие определяют ее как «науку о веществах и их превращениях» либо как «науку, изучающую процессы качественного превращения веществ», и т. д. По-видимому, все эти определения правильные, так что можно согласиться и с таким, наиболее полным: «химия -- наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения».
Химия, а точнее химики, всегда ставили своей главной практической целью получать из природных веществ по возможности все необходимые металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и лекарства, взрывчатые вещества и горюче-смазочные материалы, каучук и пластмассы, химические волокна и материалы для электроники с заданными свойствами. Это определяет главную задачу химии -- задачу получения веществ с необходимыми свойствами. Эта задача и научная и производственная, что определяет основную, можно сказать, двуединую основную проблему химии: 1. Получение веществ с заданными свойствами как производственная, практическая задача; 2. Выявление способов управления свойствами веществ как задача научно-исследовательская.
Решение этих проблем осуществлялось в четыре основных этапа, породив соответствующие четыре концептуальные системы в развитии химии с XVII века по настоящее время.
Первая концептуальная система началась с трудов Роберта Бойля (1627-1691 гг.) изучением химических элементов и в определенной степени завершилась созданием Периодической таблицы элементов Д. И. Менделеева в 1869 г. Эта система дала элементный состав вещества.
Вторая концептуальная система познания химических свойств вещества позволила установить их структуру и определила развитие структурной химии примерно с конца XVIII столетия.
Третья концептуальная система -- детище середины XX столетия, установила особенности протекания химических реакций, позволила создать основы крупномасштабных химических технологий.
Четвертая концептуальная система развивается последние 25-30 лет, связана с глубоким и всесторонним изучением природы реагентов, роли катализаторов в химических реакциях. Эта система получила название эволюционная химия и в своих простейших проявлениях дает нам примеры самоорганизации и саморазвития, предопределившие начало предбиологической эволюции как основы зарождения жизни.
4. Концепции химии об элементах и периодический закон Менделеева химических элементов
Представление о химических элементах возникает при попытках установить состав вещества. Простейшей процедурой для этого является химическое разложение или химический анализ, в результате которого получаются вещества, не подвергающиеся дальнейшему разложению. Эти вещества и есть химические элементы, первоначально называвшиеся «простыми телами», в отличие от «сложных тел», состоящих из нескольких простых тел. Решающее значение в химии элементов сыграло открытие кислорода, в результате чего была опровергнута бытовавшая до того гипотеза о флогистоне -- некотором «невесомом теле». Постепенно химикам стали известны, наряду с уже известными алхимикам семи металлами, также водород, азот, сера, фосфор, углерод, а Д. И. Менделееву к 1869 г. были известны уже 62 элемента. В эти же годы параллельно решалась другая, не менее важная проблема, проблема химического соединения. Первым начал решать ее немецкий химик Иеремий Рихтер, открывший в результате законы стехиометрии и введший понятия эквивалентов и эквивалентного веса. Замечательный французский химик Ж. Пруст первым в 1801-1808 гг. установил закон постоянства состава вещества, согласно которому любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом и тем самым отличается от смесей. Точная его современная формулировка такова: всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет один и тот же состав. Теоретически обосновал этот закон Пруста и установил в 1803 г. другой, не менее важный закон, закон кратных отношений, английский химик и физик, фактический создатель химического атомизма Дж. Дальтон. (Он же первым описал дефект зрения, которым страдал сам и который получил позже название дальтонизм). Закон кратных отношений Дальтона гласит: если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества первого и второго элементов относятся между собой как целые числа. После трудов Берцелиуса, Гей-Люссака и Либиха этот закон стал одним из самых фундаментальных законов химии. Дальтон ввел в химию такое, как оказалось, основополагающее понятие как атомный вес, которое сыграло во многих случаях решающую роль. Так, например, его роль в поисках системно образующего и системно упорядочивающего факторов в проблеме элементов, предпринимаемых в течение столетия со времени открытия кислорода англичанином Дж. Пристли, шведом К. Шееле и французом А. Л. Лавуазье, оказалась решающей и удалась великому русскому химику Д. И. Менделееву.
В качестве системного фактора он установил именно атомный вес, который упорядочивает химические элементы в периодический закон. Исследование этого периодического закона, или периодической таблицы элементов, через 70 лет после Менделеева уже в квантовой механике, показало, что индивидуальные свойства и положение каждого из элементов в таблице определяются, на самом деле, не атомным весом, а электрическим зарядом атомного ядра. Кроме того, оказалось, что атомов одного и того же элемента, например, хлора, может быть два, различающихся по атомному весу, но имеющих один и тот же ядерный заряд. Такие различающиеся по массе элементы стали называть изотопами. Всего же разных элементов к началу XXI столетия известно 118. Распространенность же элементов различна. Так, установлено, что в составе земной коры, морской воды и атмосферы содержится приблизительно 49,5% -- кислорода, 25,3% -- кремния, 7,5% -- алюминия, 5,1% -- железа, 3,4% -- кальция, 2,6% -- натрия, 2,4% - калия, 1,9% -- магния, 0,9% -- водорода, остальных же элементов менее 1%. В этом последнем проценте скрыта и доля углерода, основы жизни на Земле.
Из элементов, указанных выше, человечество особо интенсивно использует металлы и керамики, изготавливаемые на основе кремния. Предполагается, что в недалеком будущем основными материалами станут керамики, а также элементоорганические соединения, использующие в своем синтезе редко распространенные, а потому дорогие такие элементы, как цирконий, титан, бор, германий, хром, молибден, вольфрам и ряд редкоземельных элементов.
5. Концепции структуры химических соединений (структурной химии)
Концепции структурной химии основываются на концепции атомистики, возрожденной англичанином Дж. Дальтоном, на учении шведа Йенса Берцелиуса, позднее подробно разработанных и уточненных немецким химиком Ф. Кекуле и нашим выдающимся соотечественником А. М. Бутлеровым. Берцелиуса интересовал вопрос об упорядоченности или произволе в объединении атомов в молекулах, на путях решения которого он разработал новую теорию строения химического вещества, а также произвел такое точное измерение атомных весов элементов, что они практически совпадают с современными данными. Символика химических элементов, формулы соединений и химических уравнений также предложены Берцелиусом в 1814 г. В качестве символа элемента он предложил принимать первую букву его латинского или греческого названия. В тех случаях, когда элементы начинаются с одних и тех же букв, к ним добавляется вторая буква названия. Берцелиус предложил все вещества разделить на органические и неорганические.
Но главное, что необходимо знать, так это то, что Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы химических элементов обладают различной электра отрицательностью и, объединяясь между собой в молекулы, не компенсируют полностью свои заряды, оставаясь электра заряженными. Так были заложены основания понятия «структура» и «электрохимия».
Дальнейшее развитие теория Берцелиуса получила в работах немецкого химика Ф. Кекуле. Он сформировал основные положения теории валентности, обосновал наличие для углерода четырех единиц сродства, а для азота, кислорода и водорода соответственно трех, двух и одной. Впоследствии, через несколько десятилетий, в квантовой механике все это получило объяснение. Число единиц сродства, присущее атому того или иного элемента, получило название «валентность». Объединение атомов в молекулу происходит в результате замыкания свободных единиц сродства (валентности). Так образуются простейшие молекулы вроде молекул водорода, воды, и так же образуются очень важные в органике углерод углеродные цепи. Комбинируя атомы разных элементов, можно создать структуры (структурные формулы) любого химического соединения. Но не каждая из формул, которая может быть записана, осуществляется в природе.
Заслугой теории валентности Кекуле стало представление об атомной структуре сначала углеводородов, а затем и для других органических соединений. Несколько позднее, в 1874 г., датский химик Я. Г. Вант-Гофф выдвинул смелое предположение, согласно которому четыре связи атома углерода направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится этот атом. Так в химии возникли и стали укрепляться пространственные модели молекул, после чего началось бурное развитие структурной химии.
Русский химик А. М. Бутлеров показал, что необходимо учитывать, помимо методики составления формул по Кекуле, еще так называемую химическую активность реагентов. Идеи Бутлерова блестяще подтвердились квантовой механикой, так что, согласно современным воззрениям, структура молекул -- это пространственная и энергетическая упорядоченность системы, состоящей из атомных ядер и электронов. Главное, чему способствовали учения Кекуле и Бутлерова, так это синтезу сначала простейших, а затем и более сложных углеводородов. Но, вместе с тем, структурная химия не смогла решить проблемы получения этилена, бензола, ацетилена, дефинила (необходимого при производстве каучука) и других углеводородов с цепочкой из четырех атомов углерода. Решение этой проблемы требовало нефтехимическое производство, и оно оказалось возможным в третьей из указанных нами концептуальных химических систем, посредством химической кинетики и термодинамики. Другими крупными недостатками органического синтеза являются низкие выходы продуктов, большие побочные отходы, но особенно использование дорогостоящего сырья сельскохозяйственного производства -- зерна, жиров, молочных продуктов.
6. Концепции и законы химических процессов (реакций)
Третья концептуальная система в химии возникла на стыке химии, физики и открывает пути к пониманию биологических систем. Химический процесс в этой концепции -- это мост от объектов физики к объектам биологии, так как возникает возможность последовательно проследить путь от простых микрообъектов, таких как электрон, протон, атом, молекула и полимер, в конечном итоге к биополимеру, к клетке, в которой совершаются немыслимые химические реакции.
Течение многих химических реакций весьма сложно, а иногда попросту трудноуправляемо: одни из них почему-то невозможны, другие невозможно или сложно остановить (горение, взрыв), третьи ветвятся и т. п. Методы управления химическими реакциями подразделяются на термодинамические и кинетические, при которых главенствующую роль играют те или иные катализаторы.
Каждая химическая реакция обратима. Обратимость служит основанием равновесия между прямой и обратимой реакциями. В зависимости от природы реагентов и условий процесса, равновесие может смещаться в прямую либо в обратную сторону изменением температуры, давления и концентрации реагентов. Подобрать, однако, условия осуществления тех или иных, на первый взгляд простых, реакций, иногда не удавалось в течение ста и более лет. Такой реакцией оказалась реакция синтеза аммиака из молекулярных азота и водорода, впервые успешно осуществленная в 1913 г., после открытий Я. Вант-Гоффом и А. Ле Шателье принципа, получившего их имена. Согласно этому принципу любое изменение одного из условий равновесия вызывает смещение системы в таком направлении, которое уменьшает первоначальное изменение. Оказалось, что аммиак может синтезироваться в присутствии металлоорганического катализатора (первоначально специально обработанного железа) при высоком давлении и нормальной температуре.
Термодинамическое воздействие оказывает влияние на направленность реакции, а вот функции управления скоростью химической реакцией выполняет химическая кинетика, ускоряя или замедляя реакции с помощью катализаторов и ингибиторов, соответственно. Химический катализ был открыт в 1812 г. русским химиком Константином Кирхгофом (не путать с немецким физиком Густавом Кирхгофом, установившим законы для электрической цепи, первооткрывателем спектроскопии вместе с Р. Бунзеном и т. д.). Среди катализаторов особая роль принадлежит ферментам, своеобразным живым катализаторам, сыгравшим ключевую роль в возникновении жизни.
7. Концепции и принципы эволюционной химии и самоорганизации эволюционных химических систем
Система и концепции эволюционной химии стали формироваться в 60-70-е годы XX века и в своей основе отвечают давней мечте химиков освоить и перенять опыт лаборатории живого организма, понять, как из неорганической (косной) материи возникает органическая, а затем и живое вещество -- жизнь. Здесь опять можно упомянуть И. Берцелиуса, а дополнительно немца Ю. Либиха, француза М. Бертло.
Наш выдающийся химико-физик, Нобелевский лауреат по химии Николай Николаевич Семенов представлял химические процессы в тканях растений и животных как химическое производство живой природы, как производство неких «молекулярных машин» совершенно исключительной точности, быстроты и необычайного совершенства. Это подтверждается открытым недавно синтезом больших белковых молекул со строгим чередованием аминокислот. Клетки имеют в своем составе субмикроскпические «сборные заводики» -- рибосомы, содержащие рибонуклеиновые кислоты (РНК), как сборные «машины». Каждый вид коротких молекул транспортных РНК захватывает один определенный вид аминокислот, несет их в рибосому и ставит каждую аминокислоту на свое место согласно информации, содержащейся в молекулах РНК. Тут же к аминокислотам подходят катализаторы-ферменты и осуществляют «сшивку» аминокислот в одну молекулу белка со строгим чередованием. Это настоящий природный завод, строящий молекулу по плану, выработанному организмами в процессе эволюции. Вот эти планы живых организмов и предполагается использовать в новой эволюционной химии.
А начиналось это направление в трудах великого французского биолога Луи Пастера при исследовании процесса брожения, осуществляемого деятельностью молочнокислых бактерий. Из своих наблюдений Пастер сделал вывод об особом уровне материальной организации ферментов, что в конечном итоге привело к созданию такой науки, как ферментология, к успехам эволюционного катализа и молекулярной биологии. Так было установлено, что состав и структура биополимеров имеют единый набор для всех живых организмов и что одни и те же физические и химические законы управляют как абиогенными процессами, так и процессами жизнедеятельности. Кроме того, была доказана уникальная специфичность живого, проявляющаяся не только на высших уровнях организации клетки, но и в поведении фрагментов живых организмов на молекулярном уровне, на котором также действуют закономерности других уровней.
Специфика молекулярного уровня живых и неживых систем -- в существенном различии принципов действия ферментов и катализаторов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров. Структура указанных полимеров определяется только генетическим кодом (сегодня точно известным науке), и, наконец, в таком поразительном факте, что многие химические реакции окислительно-восстановительного характера могут происходить в клетке без непосредственного контакта между реагирующими молекулами. Таким образом, в живых организмах могут происходить и происходят такие химические превращения, которые, казалось бы, невозможно было встретить в неживой природе. Но постепенно они стали доступны химикам, когда удалось освоить каталитический опыт природы, живой клетки.
Факт того, что ферментный катализ играл решающую, фундаментальную роль в процессе перехода от химических систем к системам биологическим, т. е. на пред биологической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными. Исключительно важную роль сыграла реакция по самоорганизации химических систем, проведенная выдающимся советским биохимиком Борисом Павловичем Белоусовым, затем тщательно изученная А. М. Жаботинским, вошедшая в арсенал современной эволюционной химии под названием реакции Белоусова -Жаботинского. Эта реакция сопровождается образованием специфических пространственных и временных структур (например, периодическое чередование цвета жидкости) за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Вот в этих реакциях самоорганизации как раз решающая роль принадлежит именно каталитическим процессам.
Понятие «самоорганизации» (более подробно см. в гл. 12) означает упорядоченность существования материальных динамических, качественно изменяющихся систем. Роль каталитических процессов в них усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Отрадно, что определяющее значение в исследовании этого плана сыграли работы отечественных ученых И. В. Березина, А. А. Баландина и особенно А. П. Руденко, создавшего в 1964-1969 гг. единую теорию химической эволюции и биогенеза. Эта теория решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, уровне химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции. Сущность теории Руденко состоит в утверждении и обосновании принципа того, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие открытых каталитических систем, и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакций происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью.
Александр Прокопьевич 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.
Следует также отметить, что эволюционный процесс предполагает особый дифференцированный отбор лишь тех химических элементов и соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим достаточно упомянуть, что более чем из ста химических элементов лишь шесть -- углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера -- общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%, получивших название органо- или биогенов, служат основой для построения живых систем.
Список литературы:
1. Горохов В.Г. Концепции современного естествознания. -- М., 2003. -- 412 с.
2. Степин В.С., Горохов В.Г., Розов М.А. Философия науки и техники. -- М., 1995. -- 384 с.
3. Крюков Р. В. Концепции современного естествознания (конспект лекций). -- М., 2005. -- 176 с.
4. Галимов Э.М. Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции. -- М., 2001. -- 256 с.
5. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. -- М., 1994.
Страницы: 1, 2
