Одно из наиболее эффективных средств воздействия на скорость протекания химических процессов – использование катализаторов. Напомним, что катализаторы – это вещества, которые изменяют скорость реакции, а сами к концу процесса остаются неизменными как по составу, так и по массе. Иначе говоря, в момент самой реакции катализатор активно участвует в химическом процессе, как и реагенты. Но к концу реакции между ними возникает принципиальное отличие – реагенты изменяют свой химический состав, превращаясь в продукты, а катализатор выделяется в первоначальном виде. Чаще всего роль катализатора заключается в увеличении скорости реакции, хотя некоторые катализаторы не ускоряют, а замедляют химический процесс. Явление ускорения химических реакций благодаря присутствию катализаторов, носит название катализа, а замедление – ингибирования.
Существуют два вида катализа – гомогенный и гетерогенный. При гомогенном катализе реагенты, продукты и катализатор составляют одну фазу (газовую или жидкую). В этом случае отсутствует поверхность раздела между катализатором и реагентами.
Особенность гетерогенного катализа состоит в том, что катализаторы (обычно твердые вещества) находятся в ином фазовом состоянии, чем реагенты и индукторы реакции. Реакция развивается на поверхности твердого тела, которая всегда имеет много дефектов, в том числе свободные электронные пары, не участвующие в образовании связи. Молекулы реагентов легко взаимодействуют с этими электронами и благодаря образующимся связям легко удерживаются на поверхности катализатора. В результате некоторые связи внутри адсорбированных молекул настолько ослабевают, что молекулы либо разрушаются, либо превращаются в активные радикалы. Каталитическая активность твердого вещества тем выше, чем лучше реагенты адсорбируются на его поверхности, и чем слабее продукты реакции удерживают его. При этом важно, чтобы, изменяя энергетическое состояние молекул реагента, катализатор сам не образовывал с ними прочных химических связей.
Согласно современным воззрениям, каталитическая активность твердого тела обусловлена не всей поверхностью, а лишь отдельными ее частями, называемыми ее активными центрами. Их природа пока точно не установлена. Как правило, химики стремятся получать твердый катализатор с максимально большой поверхностью. Однако площадь сама по себе еще не определяет эффективность катализатора. Более важно – состояние поверхности, т.е. число активных центров на единицу поверхности.
В 1960 году были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно катализаторы в ходе их работы дезактивизировались, ухудшались и выбрасывались. В 1964 году отечественный химик А.П. Руденко выдвинул теорию химической эволюции, напрямую связанную с процессами самосовершенствования катализаторов.
Для современной картины мира, пронизанной идеей развития, идея эволюции может показаться достаточно тривиальной. Однако в познании неживой природы проследить генетическую цепочку становления, возникновения, функционирования и гибели отдельных форм и образований на фоне «глобального эволюционизма» – задача не простая. Для химиков эволюция не исчерпывается возникновением и распадом межатомных, молекулярных структур. Химический процесс приводит к постепенному усложнению вещественной структуры космоса, к обогащению энергетических связей. В то же время он, как верно подметил Гегель, отягощен разрывами, подчас длительными остановками развития.
Появление идеи химической эволюции было подготовлено большими успехами в области изучения механизма химических превращений, развитием химической кинетики. В 1951 году Б.П. Белоусов открыл гомогенную периодическую химическую реакцию – окисление лимонной кислоты броматом при катализаторе ионами церия в сернокислой среде. Вопреки вековому опыту химиков, количество вещества, вступающего в реакцию, не убывало, не оставалось равновесным, а колебалось. Явно неживая химическая смесь проявила как бы способность к самоорганизации. До сих пор химики утверждали: никаких колебательных процессов в однородных растворах быть не может. Однако в последние годы накоплено достаточно фактов, свидетельствующих о множестве колебательных явлений типа реакции Белоусова. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет появления новых и удаления использованных химических реагентов. Однако в отличие от самоорганизации других открытых систем в указанных химических реакциях, важное значение приобретают каталитические процессы. Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Химическая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем.
Таким образом, химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. Орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений является базисная реакция.
В настоящее время химические процессы исследуются такими отраслями как химия плазмы, реакционная химия, химия высоких давлений и температур. Анализ химических процессов выходит на фундаментальный теоретический уровень. В результате развития квантовой химии многие проблемы механизма реакции решаются на основании теоретических расчетов.
5. Проблемы самоорганизации в современной химии
Понятие самоорганизации имеет в эволюционной химии большое значение. Сложились два подхода к решению проблем самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный. Субстратный подход позволил получить информацию об отборе химических элементов и структур, который происходил в процессе самоорганизации предбиологических систем. На Земле из органогенов наиболее распространены только кислород и водород, распространенность других очень мала. В космосе господствуют два элемента – водород и гелий. Существенную роль в отборе химических элементов, способных к образованию прочных энергоемких связей, в первую очередь, сыграл углерод, который вмещает и удерживает внутри себя самые редкие химические противоположности, а также обладающие лабильностью органогены – азот, фосфор и сера, и элементы, которые являются центрами ферментов – железо и магний.
В ходе эволюции наряду с отбором химических элементов для биосистем осуществлялся также отбор химических соединений. Из небольшого числа органических веществ природа создала огромный мир растений и животных. Химики считают, что когда период химической подготовки сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция остановилась. Им очень важно понять, как происходила эта химическая подготовка, чтобы научиться у природы из менее организованных материалов создавать более организованные.
Функциональный подход к проблеме предбиологической эволюции характеризуется исследованием самоорганизации материальных систем, выявлением механизмов этих процессов. Такой подход преимущественно используется физиками и математиками, они рассматривают эволюционные процессы с позиций кибернетики. Многие из них утверждают, что для функционирования механизмов самоорганизации природа систем никакой особой роли не играет: живые системы, даже интеллект, можно смоделировать и из металла.
Тот факт, что катализ сыграл решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим, в настоящее время подтверждается многими данными. Наиболее убедительные результаты, как мы уже видели, связаны с опытами по самоорганизации химических систем, которые проводили Б.П. Белоусов и А.М. Жаботинский. Эти реакции сопровождаются образованием новых структур, причем важное значение в них приобретают каталитические процессы, роль которых усиливается по мере усложнения структуры химических систем.
Основные понятия темы:
Атом – система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра и электронов.
Молекула – нейтральная по заряду наименьшая совокупность атомов, обладающая определенной структурой и способностью к самостоятельному существованию.
Валентность – количественная характеристика, показывающая число взаимодействующих между собой атомов в образовавшейся молекуле.
Катализатор – вещество, влияющее на скорость химической реакции.
Катализ – ускорение химической реакции, благодаря присутствию специального вещества.
Ингибирование – замедление химической реакции, благодаря присутствию специального вещества.
Органогены – химические элементы, участвующие в создании и жизнедеятельности организмов.
Химическая связь – это взаимодействие, связывающее отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы.
Химическая кинетика – описание и объяснение химических процессов.
Тема 12. Проблемы и перспективы современной геологии
1. Основные этапы развития наук о Земле
Физические, космологические и химические концепции подвели нас вплотную к представлениям о Земле, ее происхождении, строении и разнообразных свойствах. Исследователи и путешественники, наблюдатели и философы создали единую географическую картину мира, рисующую Землю как сложную систему, состоящую из различных, но взаимосвязанных элементов: горных пород и почвы, климата и воды, флоры и фауны.
Различные науки о Земле, имея один объект исследования – Землю, развиваются вместе, взаимно обогащая друг друга. Они тесно взаимодействуют с физикой, химией, биологией, на стыках, с которыми возникают новые научные направления, решающие задачу объяснения единства вещества Земли, баланса ее энергии, глобальных процессов, объединяющих различные сферы Земли, а также отдельные участки ее поверхности.