Концепции современного естествознания

                         Более поздние исследования  показали, что свойства химических элементов определяются не просто атомной массой, а зарядом ядра. Атомный же вес является средним арифметическим величин масс изотопов, из которых состоит элемент. Изотопами называются разновидности атомов, имеющие одинаковый заряд ядра, но отличающиеся по своей массе. Так была решена проблема химического элемента. В настоящее время химическим элементом  называют вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра, хотя и различаются по своей массе, вследствие чего атомные веса элементов не выражаются целыми числами.

                        С позиции атомизма решается  также проблема химического соединения. До недавнего времени химики  считали ясным, что считать  химическим соединением, что смесью и каким составом – постоянным или переменным – обладает соединение. В начале 19 века  французский химик Ж.Пруст установил закон постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей. С позиций атомно-молекулярного учения этот закон в последствии теоретически обосновал  английский химик Дж.Дальтон. Он показал, что все индивидуальные вещества – простые или сложные – состоят из однородных мельчайших частиц – «сложных атомов» или молекул, которые в свою очередь состоят из простых атомов разных химических элементов. Именно молекулы являются наименьшими частицами, обладающими свойствами вещества. Например, вода  как жидкость образована молекулами, состоящими из атомов двух газов - водорода и кислорода. И каким бы способом она или другое химическое соединение ни были бы получены, они всегда будут иметь тот же самый состав.

                         Абсолютную истинность закона  Пруста опровергал еще его современник Клод Бертоле, указывавший на существование соединений переменного состава в форме растворов и сплавов. В начале 20 века русский физико-химик Николай Курнаков открыл соединения металлов (марганец и медь, магний и серебро), состав которых, зависел от способов их получения, названные им бертолидами. Однако, это и последующие открытия не изменили основного содержания понятия молекулы, которую по-прежнему считают наименьшей частицей вещества, определяющей его свойства и способной существовать самостоятельно. Однако, к молекулам теперь относят также разнообразные квантово-механические системы: ионные, атомные монокристаллы, полимеры и др. макромолекулы. Таким образом, в свете современных физических представлений исчезает не только, прежнее, резкое противопоставление химических соединений постоянного состава, как обладающих молекулярным строением и соединений переменного состава, лишенных этого строения, но и отождествление химического соединения со сложным веществом, состоящим из нескольких элементов. В принципе соединение может состоять и из одного элемента. Во времена Менделеева было известно всего 62 элемента. В настоящее время их число с учетом крайне неустойчивых синтезированных элементов достигло 110.

2. Структурная  химия и учение о химических процессах. Реакционная способность химических веществ. Эволюционная химия  и самоорганизация химических систем.

                           Структурная химия основывается  на изучении особенностей взаимодействий  между элементами химических  систем, которые  определяют целостные свойства последних. Поэтому при исследовании различных веществ и их реакционных способностей ученым приходилось изучать их структуры, представление о которых постоянно менялись. В качестве первичной химической системы всегда рассматривалась молекула и поэтому под структурой вещества имелась в виду именно структура молекулы, как наименьшей единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы непрерывно уточнялись и детализировались. Например,  шведский химик Йенс Берцелиус, в середине 19 века считал, что структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов и атомных групп. А французкий химик Шарль Жерар утверждал, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но и определенным образом преобразуют друг друга, так, что в результате, возникает определенная целостность, т.е. система. Но этих в целом правильных, но общих представлений было недостаточно для понимания конкретного механизма химических взаимосвязей, а значит и практических технологий химического синтеза, получения новых химических соединений с заранее заданными свойствами.

                          Такую попытку раскрытия структуры  молекул и синтезирования новых  веществ осуществил немецкий  химик Фридрих Кекуле в конце 19 века. Он связал структуру с понятием валентности элемента или числом единиц его сродства. На этой основе и возникли те структурные формулы, которыми с некоторыми изменениями пользуются при изучении органической химии. В этих формулах элементы связывались друг с другом по числу их сродства или валентности. Таким образом, валентность -  это свойства атомов (группы атомов) соединяться с некоторым числом других атомов. Величина валентности зависит от  числа атомов водорода (или другого одновалентного элемента), с которыми соединяется атом данного элемента. Валентности определяют структурные формулы молекул и многие их свойства. Структурные формулы химических соединений более громоздки, чем буквенные, но зато дают представления не только о природе и числе атомов, но и  об их расположении и связях. Так, структурная формула воды     Н – О -  Н  показывает, что каждый из двух атомов водорода присоединен к кислороду по отдельности, а черточки означают ковалентные связи (с обобществленными электронами между элементами). Иногда только по структурной формуле записи можно различить два соединения,  имеющие одинаковое число одних и тех же атомов, что особенно важно в органической химии. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение разных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем уже можно было управлять процессом синтеза разных веществ с заданными свойствами, что  и составляет важнейшую задачу химии.

                          Дальнейший шаг эволюции понятия химической структуры связан с теорией химического строения А.М.Бутлерова (1828 – 1886), который, признавая, что образование новых молекул из атомов происходит за счет их химического сродства,  обращал особое внимание на степень напряжения или энергии, с которой они связываются друг с другом. Эти идеи имели большое практическое значение и получили свое дальнейшее обоснование в квантовой механике. Так, после открытия электрона, сразу же начали предприниматься попытки связать его с природой химической связи. Немецкий физик Й.Штарк, развивая идеи Дж. Томсона в этом направлении, ввел понятие валентных электронов, связав валентность элемента с числом электронов на периферии атома. Начало квантовой химии было положено работами Ф.Лондона и В.Гайтлера (1927), которые уже не считали электрон двигающимся по определенной орбите, а говорили об электронном облаке, и вероятность его нахождения в какой-то области определяли как квадрат волновой функции. В 30-е годы американский физик и химик Лайнус Карл Полинг  усовершенствовал метод атомных орбиталий, применив его для расчета достаточно сложных молекул. Наибольшую известность и Нобелевскую премию ему принесли расчеты атомной структуры молекул белков.

                          Еще в конце прошлого века ученый Вант-Гофф  в книге «Химия в пространстве» изложил свою стереохимическую гипотезу, которая стала успешно использоваться в органической и биологической химии. Так, он предположил, что четырехвалентный атом углерода в органических соединениях, расположенный в центре тетраэдра, в вершинах которого находятся связанные с углеродом атомы или атомные группы является асимметрическим. Из анализа оптических свойств органических соединений он заключил, что любое соединение, вызывающее в растворе поворот плоскости поляризации содержит атом углерода. Дальнейшие исследования молекулярных структур в 20 веке связаны с методами рентгеноструктурного анализа, спектроскопии, ядерного магнитного резонанса и др., что позволило определить строение огромного числа молекул.

                           Молекулы находятся в непрерывном  движении и взаимодействии. Так  как электронные оболочки молекул  отталкиваются, то они при столкновениях  отскакивают. При сильных соударениях   может высвободиться достаточное  количество энергии для перегруппировки электронов в столкнувшихся молекулах и формирования нового набора связей, т.е. образования новых соединений. Так происходят химические реакции  - основа химии, которые представляют в виде уравнений, причем слева записывают исходные вещества, а справа – продукты после реакции. Обычно стрелка в химическом уравнении обращена в сторону более низкой суммарной энергии связей, т.е. показывает, в какую сторону реакция стремится идти самопроизвольно. Одни реакции идут в обе стороны (обратимые), другие только в одну (необратимые), третьи вообще не идут. Важно понять, отчего зависит возможность осуществления реакции, перестройки химических связей.

                             Принципиальный ответ дают законы  термодинамики. Например, для получения тепла требуется определенное топливо. Переход тепла от нагретого тела к окружающей среде объясняется распределением энергии между ними - атомы вещества хаотически отдают энергию своего теплового движения окружающим атомам, не меняя своего состояния. При химических реакциях энергия тоже рассеивается, но окружение атомов меняется, исходное вещество становится другим, и может возникнуть новое вещество.

                            Ключевым  понятием, раскрывающим  сущность процессов химических  реакций, является понятие реакционной способности химических веществ. Понятие это многогранное. Если рассматривать его с точки зрения активности химических элементов, то наиболее активными являются неметаллы, обладающие минимальной атомной массой и имеющие во внешней оболочке 6 или 7 электронов. Таковыми являются кислород (в чистом кислороде горит даже железо) и фтор (смесь водорода с фтором взрывается даже при низких температурах при отсутствии освещения). Наиболее активными металлами являются, обладающие большой атомной массой и имеющие на внешней оболочке 1 или 2 электрона. Таковыми являются барий, легко разлагающий воду при комнатной температуре и цезий, соприкосновение которого с водой чревато взрывом.               

                             Рассматривая реакционную способность химических веществ, с точки зрения скорости протекания реакции, можно установить, что скорости эти тем выше, чем выше концентрация реагирующих веществ, и чем выше температура. Ответ на вопрос в какую сторону пойдет самопроизвольно химическая реакция зависит от соотношения внутренней энергии системы и произведения ТS: абсолютной температуры (т.е. температуры отсчитанной от абсолютного нуля равного – 273 градуса Цельсия (Т) на энтропию (S).

                            Одним из крупных достижений 19 века явилось выяснения характера  протекания химических реакций:  направленности, скорости. Способность  взаимодействия различных химических  реагентов определяется не только  их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций, к которым относятся, прежде всего, термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакции от температуры, давления и некоторых других условий. В еще большей степени характер и особенно скорость химических реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий. При этом следует помнить, что перечисленные выше условия оказывают воздействие на характер и результат химических реакций лишь при определенной структуре молекул химических соединений. Наиболее активны в этом отношении соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них и направлено в первую очередь действие разных так называемых катализаторов, значительно ускоряющих ход химических реакций, известных еще в 18 веке, но объясненных только в 20 веке. Целенаправленное изучение катализа позволило в середине 20 века получать широкий круг органических продуктов (например, синтез аммиака из азота и водорода, в присутствии металлоорганического катализатора для производства азотных удобрений), регулировать скорость и заданную направленность химических реакций. Считают, что удельный вес каталитических процессов химической промышленности сейчас достигает 80%.

                          В начале 20 века были открыты  биокатализаторы. Природным катализатором  является хлорофилл – комплексное  металлоорганическое соединение  в живой ткани зеленого листа. Можно считать, что процесс фотосинтеза происходит при фото-биокатализаторе. По существу можно утверждать, что возникновение и эволюция жизни на земле были бы невозможны без таких  катализаторов как ферменты, функционирующих исключительно в рамках живых систем. Именно ферменты ускоряют процессы в клетках в десятки и сотни тысяч раз, придавая химическим системам характер неравновесных, самоорганизующихся и эволюционирующих. Так химическая кинетика – область химической науки, изучающая скорость химических реакций и особенности их протекания стала не только основой для теории управления ходом химических реакций, но и одним из краеугольных камней синергетики и эволюционной теории химии.

                         Эволюционная химия вошла в  науку и практику в середине прошлого, 20 века, когда эволюционная теория Дарвина в биологии уже занимала ведущие позиции. Невозможность собрать живые организмы, используя законы структурной химии, поставила вопрос о существовании самопроизвольного синтеза новых химических соединений. Наиболее перспективным направлением в решении этой проблемы стала теория катализа. Еще в середине  19 века шведский ученый, один из основателей органической химии Якоб Берцелиус, первым осознал, что основой лаборатории живого организма является биокатализ, обеспечивающий в нем высокую упорядоченность, организованность и эффективность процессов. Химический анализ живой природы – биохимия является фундаментальным и поныне. После исследований процессов дыхания и брожения, ассимиляции и диссимиляции, вклада в стержневую науку о процессах жизнедеятельности – ферментологию, внесенного трудами Л.Пастера, наблюдавшего за деятельностью молочнокислых бактерий, получающих необходимую им энергию для жизнедеятельности путем брожения, было доказано, что живая и неживая материя образуют противоречивое единство. С одной стороны, установлено, что состав и структура биополимерных молекул представляют собой единый набор для всех живых существ, доступные для исследования их физических и химических свойств, что одни и те же физические и химические законы управляют как абиогенными процессами, так и процессами жизнедеятельности. С другой стороны, доказана исключительная специфичность живого, проявляющаяся не только в высших уровнях организации клетки, но, и в поведении фрагментов живых систем на молекулярном уровне. Специфичность молекулярного уровня живого в существенном различии принципов действия катализаторов и ферментов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров, структура которых определяется только генетическим кодом и, наконец, в таком необычном факте: многие химические реакции окисления - восстановления живой клетки могут происходить без непосредственного контакта между реагирующими молекулами. А это означает, что в живых системах могут происходить такие химические превращения, которые не обнаружены в неживой природе. Более подробно же об особенностях пред биологической эволюции  на уровне химических систем вещества мы поговорим в следующей теме.