Водородная связь - межмолекулярная связь, образованная за счет притяжения более электроотрицательного атома (F, O, N), и атома водорода с частичным положительным зарядом. Например, водородная связь реализуется между молекулами воды, спирта, органических кислот. Она оказывает влияние на температуру кипения вещества.

Водородная связь может образоваться и внутри молекул. Например, внутримолекулярные водородные связи существуют в молекулах нуклеиновых кислот, белков, полипептидов и др. и определяют структуру этих макромолекул

3.1.2 Учение о строении вещества

Химическая связь образуется в определенном направлении в пространстве и задает пространственную ориентацию (структуру) молекулы. Теория химического строения вещества была разработана в середине 19 века благодаря трудам шотландского химика А.Купера, немецкого химика А.Кекуле и русского химика А. М. Бутлерова. Эта теория объясняла огромное разнообразие органических веществ, которые образованы весьма небольшим числом химических элементов.

Основные положения теории строения вещества.

1. Атомы в молекулах соединены между собой в определенной последовательности согласно их валентности. Строение молекулы можно выразить структурной формулой, которая для данного вещества является единственной.

2. Атомы углерода могут связываться друг с другом в линейные и разветвленные цепи, а также циклы с образованием одинарных, двойных и тройных связей.

3. Свойства веществ зависят не только от количественного и качественного состава вещества, но и от последовательности соединения атомов в молекуле.

4. Атомы и группы атомов в молекулах оказывают взаимное влияние.

5. Зная свойства вещества, можно установить его строение, и наоборот, химическое строение позволяет судить о его свойствах.

Структура молекулы – пространственная и энергетическая упорядоченность атомов в молекуле. Со структурой молекулы связано важное явление в органической химии, которое называется изомерией. Изомеры – вещества, имеющие одинаковый состав, но разное строение молекулы. Изомерия может быть структурной и пространственной.

Пространственная структура есть и у неорганических соединений. Она проявляется в образовании кристаллов – надмолекулярных комплексов с объемной пространственной структурой (кристаллической решеткой).

3.1.3 Учение о химических процессах

Развитие химии в 20 веке привело к развитию учения о химическом процессе. Оно изучает возможности и условиях протекания химических процессов и способы управления ими. Учение о химическом процессе рассматривает энергетику химических реакций, химическое равновесие и условия его смещения, кинетику и механизмы реакций.

Химическая реакция – процесс превращения исходных веществ в отличающиеся по химическому составу и строению другие вещества.

---

Классификация химических реакций.

Химические реакции классифицируют по изменению числа и состава исходных веществ и продуктов реакции на следующие виды:

реакции соединения — несколько веществ соединяются в один продукт;

реакции разложения — из одного исходного вещества образуется несколько продуктов;

реакции замещения — простое вещество замещает часть атомов сложного вещества;

реакции обмена — сложные вещества обмениваются своими составными частями.

По тепловому эффекту химические реакции можно подразделить на экзотермические — протекающие с выделением теплоты и эндотермические — протекающие с поглощением теплоты.

С учетом явления катализа реакции могут быть каталитические — с применением катализаторов и некаталитические — без применения катализаторов.

По изменению степени окисления реакции делятся на окислительно-восстановительные – в них происходит изменение степеней окисления атомов, и на реакции без изменения степеней окисления атомов.

По признаку наличия поверхности раздела фаз реакции делятся на гомогенные и гетерогенные. Гомогенные протекают в одной фазе, гетерогенные – на поверхности раздела фаз.

По признаку обратимости реакции делят на обратимые и необратимые. Необратимые реакции протекают до конца, пока вещества не прореагируют полностью; обратимые – до достижения химического равновесия, которое характеризуется равными скоростями протекания прямой и обратной реакций и наличием в реакционной смеси одновременно и исходных веществ, и продуктов реакции.

Химическое равновесие является динамическим, и его можно сместить в ту или иную сторону изменяя условия реакции (концентрации веществ, температуру, давление). Предсказать направление смещения равновесия можно с помощью принципа Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывают воздействие внешние факторы, то равновесие в системе смещается в сторону той реакции, которая ослабляет это воздействие.

Химические реакции протекают с определенными скоростями. Раздел химии, который изучает влияние различных факторов на скорость химической реакции, а также механизмы химических превращений, называется химическая кинетика.

Факторы, влияющие на скорость протекания химической реакции: температура, давление, концентрация веществ, присутствие катализатора.

Влияние температуры на скорость реакций определяется правилом Вант-Гоффа: в интервале температур от 0^оС до 100^оС при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость химической реакции возрастает в 2-4 раза.

Катализ — избирательное ускорение одного из направлений химической реакции под действием катализатора. Катализаторы принимают участие в промежуточных процессах, но восстанавливаются в конце реакции. Явление катализа распространено в природе (большинство процессов, происходящих в живых организмах, являются каталитическими) и широко используется в технике (в нефтепереработке и нефтехимии, в производстве серной кислоты, аммиака, азотной кислоты и др.). Большая часть всех промышленных реакций — это каталитические.

---

Существует отрицательный катализ или ингибирование. Ингибиторы – вещества, замедляющие протекание химической реакции (например, ингибиторы коррозии).

Особую группу образуют автокаталитические реакции. В них один из продуктов реакции служит катализатором превращения исходных веществ.

Природные катализаторы называются ферментами, ферменты ускоряют биохимические процессы внутри организма. Исходными веществами для синтеза ферментов являются коферменты. Ряд коферментов организм не может синтезировать из пищи и должен получать их в готовом виде. Это, например, витамины.

Главное отличие ферментов от других катализаторов заключается в исключительно высокой активности и ярко выраженной специфичности. Чем выше уровень организации организма, тем большее количество ферментов он использует (например, в организме человека несколько тысяч ферментов). Ферментный катализ играет решающую роль в переходе от химических систем к биологическим, т.е. в процессах, которые изучает эволюционная химия.

3.2. Особенности современной химии. Эволюционная химия

Возникновение эволюционной химии связано с необходимостью понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь. Эволюционная химия – наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем. Она изучает процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными по сравнению с исходными веществами.

Главным предметом изучения в эволюционной химии является эволюция химических соединений (хемогенез), которая обеспечила переход к биогенезу. Биогенез — образование органических соединений живыми организмами. Понимание механизма хемогенеза важно для прояснения проблемы происхождения жизни на Земле и процессов самоорганизации материальных систем.

Существует два разных подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем - субстратный и функциональный.

Согласно субстратному подходу в процессе самоорганизации предбиологических систем шел отбор тех химических элементов, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. Известно, что только шесть элементов — углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера — составляют основу живых систем. Они называются органогены, и их доля в живом организме составляет 97,4%. Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор. Их доля составляет 1,6%. Еще около 20 элементов участвуют в жизнедеятельности живых систем в зависимости от среды обитания и состава питания. Их доля равна 1%. Следовательно, из 118 химических элементов, открытых к настоящему времени, химическая эволюция для построения основы жизни «отобрала» всего 37.

---

Особая роль в химической эволюции отведена углероду. На основе химических элементов природа создала около 8 млн. различных соединений, но из них 96% являются органическими, т.е. соединениями углерода. Этот элемент обладает особыми свойствами. Атомы углерода образуют почти все типы химических связей с самыми разными элементами, с помощью которых он способен создавать самые разнообразные структуры, может формировать цепи и полимерные молекулы. Его соединения активны при невысокой температуре, они хорошо растворяются в воде.

Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен. Например, 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.

Почему же именно эти элементы и соединения были отобраны в процессе химической эволюции? На это вопрос отвечают теории, которые лежат в основе функционального подхода в решении вопросов химической эволюции.

Отличительной чертой функционального подхода является исследование закономерностей самоорганизации химических систем. В 1964 г. советским ученым А.П. Руденко была предложена теория, где было показано, что преимущества в эволюции предбиологических систем получали те структуры и органические соединения, которые усиливали активность и селективность действия катализаторов. Химическая эволюция представляет собой саморазвитие именно каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом в хемогенезе являются катализаторы. При протекании реакций происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Катализаторы, изменение которых связано с уменьшением активности реагирующих веществ, «выключаются» из химических реакций.

Саморазвитие, самоорганизация каталитических систем происходит за счет постоянного притока энергии, источником которой является химическая реакция. Следовательно, преимущество получают те системы, которые развиваются на базе экзотермических (с выделением энергии) реакций.

Химическая эволюция создала все предпосылки для появления живого из неживой природы, а планета Земля оказалась в таких специфических условиях, что эти предпосылки смогли реализоваться. Эволюционная химия углубляет представления о мире, ее концепции являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной. Сегодня химики пришли к выводу, что, используя принципы, на которых построена химия организмов, в будущем можно создать принципиально новую химию, новое управление химическими процессами, где начнут применять принципы синтеза себе подобных молекул, будут созданы катализаторы высокой степени специфичности, построят преобразователи, способные с большим КПД фиксировать солнечную энергию.

---

3.3 Выводы

1. Химия – наука о веществах и их превращениях, которые сопровождаются изменением состава и строения вещества.

2. В истории развития химии как науки выделяют четыре этапа, в течение каждого формируется определенная концептуальная система знаний: учение о составе вещества, учение о структуре вещества, учение о химических процессах, эволюционная химия.

3. Основой химии являются атомно-молекулярное учение о составе вещества и основные химические законы: закон сохранения массы, закон постоянства состава вещества, закон кратных отношений, закон объемных отношений, закон Авогадро, периодический закон Д.И.Менделеева.

4. Вещество состоит из молекул. Молекула - это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы состоят из атомов. Химический элемент – определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Атомы способны образовывать химические связями согласно валентности. Различают ковалентную, ионную, металлическую и водородную химические связи.

5. Химическая связь образуется в определенном направлении в пространстве и задает пространственную ориентацию (структуру) молекулы. Теория химического строения вещества определяет зависимость свойств вещества от структуры молекулы. Изомеры – вещества, имеющие одинаковый состав, но разное строение молекулы. Изомерия может быть структурной и пространственной.

6. Учение о химическом процессе изучает возможности и условиях протекания химических реакций и способы управления ими. Химическая реакция – процесс превращения исходных веществ в отличающиеся по химическому составу и строению другие вещества. Учение о химическом процессе рассматривает энергетику химических реакций, химическое равновесие и условия его смещения, кинетику (скорость) и механизмы реакций. Особое значение имеют каталитические реакции, так как основой процессов в живом организме является биокатализ, который протекает под действием ферментов.

7. Эволюционная химия изучает процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными по сравнению с исходными веществами. Существует два разных подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем - субстратный и функциональный.

8. Согласно субстратному подходу в процессе самоорганизации предбиологических систем были отобраны те химические элементы, которые являются основным строительным материалом живого. Основу живых систем составляют шесть элементов-органогенов: углерод С, водород Н, кислород О, азот N, фосфор Р и сера S.

9. Согласно функциональному подходу из продуктов, которые получались в результате разнообразных химических реакций, отбирались те химические соединения, которые обладали широким спектром каталитического действия. Следовательно, химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и эволюционирующим веществом являются катализаторы.

---

Смотрите также файлы

• М-535.Основы права в вопросах и ответах.doc

• Мен._ в вопросах_и_ответах.doc

• УМП_Пробл. макроэк.нестаб. Бондарь.doc

• УМП_Макроэкономика в вопросах и ответах Ч. 3.doc

• УМП_Макроэкономика в вопросах и ответах Ч. 2.doc