Учение о химических процессах

 

1. Химические процессы представляют собой сложнейшие явления в неживой и живой природе. Эти процессы изучает химия, физика, биология, что является наглядным примером глубокой взаимосвязи знаний данных дисциплин. В основе данного учения лежит химическая термодинамика и кинетика – традиционные области физической химии.

2. Перед химической наукой стоит принципиальная задача – научиться управлять химическими процессами. Для их управления разработаны термодинамический и кинетический методы.

3. Вант-Гофф – нидерландский физико-химик, используя термодинамический подход (зависимость реакций от температуры, давления и т.п), классифицировал химические реакции и исследовал их прохождение в растворах, а также сформулировал основные положения химической кинетики. Химическая кинетика выполняет функции управления скоростью химических процессов, она устанавливает зависимость протекания химических процессов от множества структурно-кинетических факторов: строения исходных реагентов; их концентрации; материала и конструкции реактора и т.п. Влияние такого типа факторов на ход химических реакций может быть сведено и к катализу, т.е. к положительному воздействию на химический процесс, и к ингибированию, сдерживающему процесс.

Ингибиторы – вещества, замедляющие химическую реакцию.

Катализ – это процесс изменения скорости или возбуждения химической реакции веществами-катализаторами, которые участвуют в реакции, но не входят в состав конечных продуктов. Катализ играет решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим.

 

Химическая кинетика

Химическая кинетика илитеория химического процесса начала формироваться в конце прошлого века. В эти годы появились фундаментальные труды Вант-Гоффа и С. Арениуса, в которых закон действия масс (открытый Гильбергом и Ваге) превратился в рабочий инструмент химических исследований, были установлены концепты «элементарный акт», «порядок и механизм химической реакции», прослежена зависимость константы скорости от температуры и выдвинуто понятие энергии активации.

Однако взгляд на химическую кинетику как на принципиально новое направление возникает только в 30-х гг. XX в., когда создается теория элементарного акта химической реакции и, что самое главное, учение о сложных химических реакциях, состоящих из множества последовательных, параллельных и конкурирующих элементарных стадий.

Частично химическая кинетика – результат второго этапа физикализации химии. Теория элементарного акта химического процесса возникла на базе квантовой механики и строилась в рамках парадигм, заданных квантовой трактовкой простейших взаимодействий молекул. Центральной задачей химической кинетики стала задача изучения увязки элементарных актов в химическую реакцию.

Дальнейшие исследования показали, что концептуальный аппарат структурной химии ограничен и поэтому необходимы принципиально новые идеи. Одним из первых стало понятие «механизм реакции». Механизм реакции – это развертывание структуры реагирующих веществ во времени. В узком смысле «механизм» – это, в первую очередь, совокупность элементарных стадий, составляющих реакцию. В широком смысле «механизм» – это содержательная интерпретация опытных данных, являющаяся сущностью всех накопленных сведений о протекании сложной реакции. Однако исследования показали некоторую ограниченность понятия «механизм» – потребовались новые понятия, среди которых на первый план вышли «динамика химического превращения» (Г.С. Яблонский) и «внутренняя кибернетика католитической системы» (С.З. Рогинский). Фактически эти понятия выражают «организацию химической системы».

Хотя понятие организации все-таки не получило широкого распространения в химии, оно хорошо показывает логику перехода от структурных теорий к теориям самоорганизации. Подобно тому, как кинетические теории возникли при объяснении функции – реакционной способности химического соединения, теория самоорганизации зародилась при объяснении поведения химических систем – изменения их целостных характеристик. Организация реакционной системы – это внутреннее устройство данной системы вместе со схемой ее реагирования на изменение пограничных условий, а также структурирование, отражающее внутренние ресурсы этой системы.

 

Эволюционная химия

 

Под эволюционными проблемами в химии понимают процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами, поэтому эволюционную химию считают предтечей биологии – наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

И.Я.Берцелиус первым установил, что основой жизни является биокатализ.

Биокатализ – присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание и ферментов.

Ферменты – это белковые структуры, синтезируемые живыми клетками.

Эволюционная химия – это новое управление химическими процессами, предполагающее применение принципов синтеза себе подобных молекул. По принципу ферментов создадутся катализаторы с таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут катализаторы, существующие в химической промышленности.

 

2 подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем

 

1. Субстратный подход – исследование вещественной основы биологических систем, т.е. определенного состава элементов – органогенов и определенной структуры входящих в живой организм химических соединений. Результатом подхода к проблеме биогенеза является накопленная информация об отборе химических элементов и структур.

2. Функциональный подход – исследование процессов самоорганизации материальных систем, выявление законов, которым подчиняются такие процессы. Это позиция физиков и математиков, которые считают, что живые системы могут быть смоделированы даже из металлических.