ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.01.2020
Просмотров: 1327
Скачиваний: 3
Химические связи стали трактоваться как обменное взаимодействие электронов (перекрывание электронных облаков), что в известной мере изменило и трактовку самого понятия «молекула». Молекулой по-прежнему называется наименьшая частица вещества, способная определять его свойства и существовать самостоятельно. Но теперь в число молекул вошли ионные, атомныеи металлические монокристаллы и полимеры, образованные за счет водородных связей. Химическое соединение стало определяться как качественно выявленное вещество, состоящее из одного или нескольких элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия объединены в частицы (молекулы, комплексы, монокристаллы и пр.).
Химия изучает процессы превращения молекул при взаимодействиях и при воздействии на них внешних факторов, во время которых образуются новые химические связи. Под химической связью понимается результат взаимодействия между атомами, выражающийся в создании их определенной конфигурации, отличающий один тип молекулы от другого. Главная черта химической связи —обобществление валентных электронов и перенос заряда, если связь образуется между разными атомами. Наиболее распространены три вида химических связей: ионная, ковалентная и водородная**.
При ионной связи атом отдает другому один или несколько электронов, и так каждый атом становится обладателем стабильного набора электронов.
При ковалентной связи двух атомов возникает обобществленная пара электронов, по одному от каждого атома. Она бывает двух видов: полярная и неполярная.
Водородная связь названа из-за атома водорода, который соединен ковалентной связью с другим атомом так, что положительно заряженной оказывается водородная часть молекулы. Этот частично положительный водородный край притягивается третьим, отрицательно заряженным атомом. Данная связь слабее, чем две предыдущие, но широко распространена в живой материи.
Помимо названных, существуют очень короткие связи, которые обнаружены между атомами рения, молибдена или хрома.
Химические связи можно рассматривать и с точки зрения превращения энергии: связь будет устойчивой, если при создании молекулы ее энергия меньше, чем сумма энергий составляющих ее изолированных атомов.
Если атомные конфигурации подходят друг другу, то возникает одна округлая структура. Так получается насыщенная молекула. Насыщаемость молекул определяет их постоянный состав для данного вещества и связана с валентностью —свойством атома соединяться с некоторым числом других атомов. Величина валентности зависит от числа атомов водорода (или другого одновалентного элемента), с которым соединяется атом данного элемента. Валентности определяют структурные формулы молекул и многие их свойства.
Как отмечалось, среди проблем учения о составе вещества —вовлечение новых химических элементов в производство материалов. Возможности химии здесь огромны. Среди ее достижений: замена в различных областях человеческой деятельности металла керамикой (например, получение сверхтвердого материала — гексанита-Р), применение для синтеза элементоорганических соединений все новых химических элементов; создание химии фторорганических соединений и т.д.
7.2. Структурная химия
Данное понятие является условным,поскольку речь идет о таком уровне развития химических знаний, где центральную роль играет понятие «структура» (структура молекулы реагента, в том числе макромолекулы или монокристалла).
Представления о структуре вещества менялись: ранее в качестве первичной химической системы рассматривалась молекула (Берцелиус, Жерар, Кекуле). Так, попытку раскрыть структуру молекул и синтезировать новые вещества предпринял Ф. Кекуле. Он связывал трактовку структуры с понятием валентности элемента. В структурных формулах элементы связывались друг с другом по числу единиц их сродства, или валентности. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. А. Бутлеров обращал особое внимание в своих исследованиях на степень напряжения или энергии, с которой идет процесс образования новых молекул.
Вещество, в котором с помощью определенных связей и в определенном соотношении объединены атомы различных элементов, называется соединением, при этом мельчайшая частичка соединения, сохраняющая его свойства, называется молекулой. Попытки синтеза новых химических соединений предпринимаются в двух направлениях: органического синтеза и неорганического (поиск путей синтеза кристаллов) синтеза.
Отметим, что «эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей или элементов, а с другой —установления характера физико-химического взаимодействия между ними»*.
7.3. Учение о химических процессах
В основе этого учения — химическая термодинамика и кинетика, которые традиционно относятся к физической химии.
Для вступления в химическую реакцию необходимо преодолеть некоторый энергетический барьер. Реакция возможна, если она сопровождается уменьшением величины свободной энергии. Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций (термодинамические факторы, наличие катализаторов, влияние растворителей и т.д.).
Химические реакции обратимы и представляют собой перераспределение химических связей. Поскольку большинство химических реакций не идет до конца, постольку становится важным понятие равновесия между прямой и обратной реакциями. В зависимости от природы реагентов и условий протекания процесса на практике это равновесие смещается в ту или иную сторону. Я. Вант-Гофф, используя термодинамический подход, классифицировал химические реакции и исследовал их прохождение в растворах, а также открыл законы химической кинетики; А. Ле Шателье сформулировал общий закон смещения термодинамического равновесия в химических реакциях под влиянием внешних факторов. Н. Семенов и С. Хиншелвуд разработали теорию цепных реакций.
Подавляющее большинство химических реакцийтрудноуправляемы. Вместе с тем в науке разработаны методы управления химическими процессами, которые подразделяются на термодинамические и кинетические. Эффективное управление химическими реакциями достигается с помощью катализаторов и ингибиторов, а в последнее время все чаще используют селективные воздействия, так как с созданием лазеров разных типов появилась возможность концентрировать энергию в узком спектральном и временном интервалах.
Среди возможных соединений реагентов есть образования с разной степенью устойчивости. Менее устойчивое соединение обладает большей свободной энергией, поэтому вновь образованная группировка менее устойчивая, чем исходные компоненты. Чтобы преодолеть эту разницу в значениях свободной энергии, необходим дополнительный запас энергии — энергия активации. Она определяет скорость протекания реакции, но ее бывает недостаточно для преодоления барьера, и реакция не идет. Поэтому стараются снизить величину энергии активации путем введения катализаторов (каталитические реакции).
Реакции с утечкой тепла в окружающую среду называют экзотермическими. Например, таковой является реакция соединения углерода с кислородом:
С+О2=СО2+94250 кал.
Эндотермическая реакция связана с взятием энергии извне. Основы химической кинетики, изучающей скорость химических реакций и особенности их протекания, были заложены Вант-Гоффом и Аррениусом, открывшими закономерности, связывающие скорости реакций с концентрацией реагентов и температурой. Было выявлено, что скорость реакции зависит от локализации энергии и вероятности ее скопления в рассматриваемой области. Для вступления в химическую реакцию необходимо преодолеть некий энергетический барьер, соответствующий энергии активации, возможность накопления которой сильно зависит от температуры.
Обычно реакция протекает в несколько промежуточных стадий, которые, складываясь, дают суммарную реакцию. Скорость ее зависит от природы реагирующих веществ и от условий, в которых она протекает.
7.4. Эволюционная химия
Эволюционная химия вошла в науку в 50—60-х годах. Под эволюционными проблемами химии понимают процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высоко организованными продуктами по сравнению с исходными веществами*. Развитие эволюционной химии связано со стремлением ученых понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь. Разработкой этих вопросов занимались Й. Берцелиус, Ю. Либих, П.Э. Бертло и многие другие.
Исследования последнего времени направлены на выяснение как материального состава растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме.
Перечислим основные проблемы современной эволюционной химии:
• развитие исследований в области металлокомплексного катализа с ориентацией на соответствующие объекты природы;
• моделирование биокатализаторов (в частности, построение моделей ферментов);
• создание иммобилизованных систем (закрепление выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорбции);
• изучение и освоение всего каталитического опыта живой природы (формирование фермента, клетки и организма).
Одним из основных понятийэволюционной химии является понятие «самоорганизация». Самоорганизация отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности, или материальной организации*.
Существуют два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный. Субстратный подход к проблеме биогенеза связан с накоплением информации об отборе химических элементов и структур. Многие из химических элементов участвуют в жизнедеятельности биоорганизмов. Но основу живых систем составляют только шесть элементов (органогенов): углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера (общая их весовая доля в организмах составляет 97,4%). Еще двенадцать элементов принимают участие в построении компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель (весовая доля 1,6 %). К этому добавляются около двадцати элементов, участвующих в построении и функционировании узко специфических биосистем.
Известно около восьми миллионов химических соединений, из которых 96% —органические; 300 тысяч — неорганические.
Биохимические условия не играют существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем. Определяющими факторами здесь выступают требования соответствия между «строительным материалом» и объектами с высокоорганизованной структурой. Эти требования сводятся к отбору элементов, способных к образованию достаточно прочных и энергоемких химических связей, а также лабильных связей. В ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп.
Предполагают, что процесс химической эволюции включал в себя несколько этапов:
• протекание процессов физической и химической адсорбции, которые вносили элементарное упорядочение во взаимное расположение частиц, увеличивали их концентрацию и служили фактором проявления каталитического эффекта;
• создание группировок, обеспечивающих процессы переноса электронов и протонов;
• формирование группировок, дающих энергетическое обеспечение;
• развитие полимерных структур типа РНК и ДНК. На ранних стадиях химической эволюции отсутствовал катализ. Катализ начинает появляться по мере того, как физические условия приближаются к земным. Отбор активных соединений в природе происходил из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических способов и обладали широким каталитическим спектром.
Суть функционального подхода к осмыслению проблемы предбиологической эволюции состоит в исследовании самих процессов самоорганизации, в выявлении их закономерностей.
Синтез субстратного и функционального подходов к химической эволюции был осуществлен А. Руденко. Так появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, которая решает вопросы о движущих силах и механизме эволюционного процесса. Данная теория утверждает, что химическая эволюция —это саморазвитие каталитических систем, а эволюционирующим веществом выступают катализаторы. Происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. 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.
В данной теории выделяются следующие моменты:
• классификация этапов химической эволюции как классификация катализаторов по уровню их организации;
• новый метод изучения катализа как динамического явления, связанного с изменением катализаторов в ходе реакций;
• конкретная характеристика пределов химической эволюции и переход к биогенезу.
Эволюционная химия активно развивается. Среди новейших ее направлений —нестационарная кинетика, которая изучает управление нестационарными процессами.
Тема
8
Особенности биологического уровня
организации материи
К естественным наукам относится и биология —наука о живом, его строении, формах активности, природных сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой*.
Современная биология представляет собой систему наук о живой природе. Общие закономерности развития живой природы, раскрывающие сущность жизни, ее формы и развитие, изучает общая биология. По объектам изучения в биологии выделяют зоологию, ботанику, вирусологию, бактериологию, антропологию. По свойствам, проявлениям живого выделяются в биологии: морфология (изучающая строение организмов), физиология (рассматривающая процессы, которые протекают в живых организмах и обмен веществ между организмом и средой); молекулярная биология (исследующая микроструктуру живых тканей и клеток), экология (изучающая взаимодействия между организмами и окружающей средой, обуславливающей их выживание, развитие и размножение); генетика (раскрывающая закономерности изменчивости и наследственности).
По уровню организации исследуемых живых объектов подразделяются: анатомия, изучающая макроскопическую организацию животных и растений; гистология, исследующая ткани и микроскопическое строение тел; цитология —наука о клетке. Помимо названных, к числу биологических наук относят эмбриологию, геронтологию, палеонтологию, дарвинизм и другие.