Эволюционная химия

Содержание

 

 Введение............................................................................................2

 

1. Система химии...............................................................................2

 

2. Учение о составе вещества............................................................4

 

3. Структурная химия.......................................................................5

 

4. Учение о химическом процессе.....................................................7

 

5. Эволюционная химия....................................................................9

 

  Заключение......................................................................................16

 

  Источники........................................................................................18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Одной из важнейших для  жизни человека естественных наук является химия.

Химия – наука о составе, внутреннем строении и превращении вещества, а также о механизмах этих превращений.

Практически ежедневно  каждый человек может наблюдать, как те или иные вещества подвергаются различным изменением: железный предмет под воздействием влаги покрывается ржавчиной, опавшие листья деревьев постепенно истлевают, превращаясь в перегной, и т.д. Результат этих изменений – появление новых веществ с совершенно иными свойствами. Такого рода процессы называются химическими явлениями, при которых из одних веществ образуются другие, новые вещества, а наука, изучающая превращения веществ, называется химией.

Еще Д. И. Менделеев обратил  внимание на то, что химия, в отличие от многих других наук (например, биологии или географии), сама создает свой предмет исследования. Как никакая другая наука, она является одновременно и наукой, и производством. Химия всегда была нужна человечеству для того, чтобы получать из природных веществ материалы с необходимыми для повседневной жизни и производства свойствами. Поэтому все химические знания, приобретенные за многие столетия и представленные в виде теорий, законов, методов, технологий, объединяет одна единственная главная задача химии – получение веществ с заданными свойствами. Но это – производственная задача, и, чтобы ее реализовать, нужно уметь из одних веществ производить другие, т.е. осуществлять качественные превращения веществ. А поскольку качество – это совокупность свойств вещества, то необходимо знать, от чего зависят эти свойства. Иначе говоря, чтобы решить названную производственную задачу, химия должна справиться с теоретической проблемой генезиса (происхождения) свойств вещества.

Таким образом, основанием химии выступает основная двуединая проблема – получение веществ с заданными свойствами (на достижение ее направлена производственная деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию этой задачи направлена научно-исследовательская работа ученых).

 

 

 

1. Система химии

 

 

Основная двуединая  проблема химии является системообразующим началом данной науки. Она возникла в глубокой древности и не потеряла своей актуальности и в наши дни. Естественно, что в разные исторические эпохи данная задача решалась по-разному, так как способы ее решения зависят от уровня материальной и духовной культуры общества, а также внутренних закономерностей, присущих ходу научного познания. Достаточно сказать, что изготовление таких материалов, как, например, стекло и керамика, краски и душистые вещества, в древности осуществлялось совершенно иначе, чем в XVIII в. и позже.

Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего четыре способа решения. Речь при этом идет не о частных методах изучения превращений веществ – их множество, а о самых общих способах решения вопроса: от чего, от каких факторов зависят свойства веществ. А зависят они от четырех факторов:

• от элементного и молекулярного состава вещества;
• структуры молекул вещества;
• термодинамических и кинетических (наличие катализаторов и ингибиторов, воздействие материала стенок сосудов и т.д.) условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции;
• высоты химической организации вещества.

Поскольку способы решения основной проблемы химии появлялись последовательно, то в истории химии можно выделить четыре последовательно сменявших друг друга этапа. В то же время с каждым из названных способов решения основной проблемы химии связана собственная концептуальная система знаний. Эти четыре концептуальных системы знания находятся в отношениях иерархии (субординации). В системе химии они являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистему естествознания в целом.

Концептуальные системы химии можно представить наглядно в виде схемы.

 

 

 

Середина XX века	Эволюционная химия
XX век	Учение о химических процессах
XIX век	Структурная химия
XVII век	Учение о составе  вещества

 

В развитии химии происходит не смена, а строго закономерное, последовательное появление концептуальных систем. При этом каждая вновь появляющаяся система не отрицает предыдущую, а, наоборот, опирается на нее и включает в себя в преобразованном виде. Таким образом, формируется система химии — единая целостность всех химических знаний, которые возникают и существуют не отдельно друг от друга, а в тесной взаимосвязи, дополняют друг друга и объединяются в концептуальные системы химических знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии.

 

 

 

2. Первый уровень химического знания. Учение о составе вещества

 

 

Первый по-настоящему действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился в XVII в. в работах английского ученого Р. Бойля. Его исследования показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких химических элементов эти тела составлены. У Бойля наименьшими частичками вещества оказывались неосязаемые органами чувств мельчайшие структуры – атомы. Эти частицы могли связываться друг с другом, образуя более крупные соединения – кластеры, по терминологии Бойля. В зависимости от объема и формы кластеров, от того, находились ли они в движении или покоились, зависели и свойства природных тел. Сегодня мы вместо термина «кластер» используем понятие «молекула».

На этом уровне химического знания ученые решали и решают три важнейшие проблемы: химического элемента, химического соединения и задачу создания новых материалов с использованием вновь открытых химических элементов.

 

 

3. Второй уровень химического знания. Структурная химия

 

 

Многочисленные эксперименты по изучению свойств химических элементов в первой половине XIX в. привели ученых к убеждению, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул. К этому времени мануфактурное производство сменилось фабричным, опирающимся на машинную технику и широкую сырьевую базу. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения. Качественное разнообразие данных веществ потрясающе велико – сотни тысяч химических соединений, состав которых, тем не менее, крайне однообразен, так как они состоят из нескольких элементов-органогенов. Это – углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор. Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном элементном составе было найдено в явлениях, получивших названия изомерии и полимерии. Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название структурной химии.

Структурная химия стала более  высоким уровнем по отношению  к учению о составе вещества. При этом химия из науки преимущественно аналитической превратилась в науку синтетическую. Главным достижением этого этапа развития химии стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.

Основы структурной химии были заложены еще Дж. Дальтоном, который показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Затем И. Берцелиус выдвинул идею, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами.

Современная структурная химия достигла больших результатов. Синтез новых органических веществ позволяет получить полезные и ценные материалы, отсутствующие в природе. Так, ежегодно в мире синтезируют тысячи килограммов аскорбиновой кислоты (витамина С), множество новых лекарств, среди которых – безвредные антибиотики, лекарства против гипертонии, язвенной болезни и др.

Исследования в области современной структурной химии идут по двум перспективным направлениям:

1) синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;

2) создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами кристаллической решетки для производства материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами.

Классическая структурная химия была ограничена рамками сведений только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии. Этих сведений недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения вещества. Так, согласно структурным теориям должны быть вполне осуществимы многие химические реакции, которые на практике не происходят. Большое количество реакций органического синтеза, основанных лишь на принципах структурной химии, имеют столь низкие выходы продукции и такие большие отходы в виде побочных продуктов, что не могут быть использованы в промышленности. К тому же подобный синтез требовал в качестве исходного сырья дефицитных активных реагентов и сельскохозяйственной продукции, в том числе и пищевой, что крайне невыгодно в экономическом отношении.

Поэтому изумление успехами структурной химии было недолгим. Интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики, приборостроения в первой половине XX в. выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получить высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов способ решения основной проблемы химии, основанный на учении о составе и структурных теориях, был явно недостаточен. Он не учитывал резких изменений свойств вещества в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость протекания химических процессов. Учет и использование этих факторов вывело химию на новый качественный уровень ее развития.

4. Третий уровень химического знания. Учение о химическом процессе

 

 

Под влиянием новых требований производства возникло учение о химических процессах, в котором учитывается изменение свойств вещества под влиянием температуры, давления, растворителей и других факторов. После этого химия становится наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, но и наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Благодаря этому она обеспечила создание производства синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных работах, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов. Производство искусственных волокон, каучуков, этилового спирта и многих растворителей стало базироваться на нефтяном сырье, а производство азотных удобрений – на основе азота воздуха.

Так, еще в 1935 г. такие  материалы, как кожа, меха, резина, волокна, моющие средства, олифа, лаки, уксусная кислота, этиловый спирт, производились всецело из животного и растительного сырья, в том числе из пищевого. На это расходовались десятки миллионов тонн зерна, картофеля, жиров, сырой кожи и т.д. Но уже в 1960-е гг. 100% технического спирта, 80% моющих средств, 90% олифы и лаков, 40% волокон, 70% каучука и около 25% кожевенных материалов изготовлялись на основе газового и нефтяного сырья. Помимо этого, химия дает ежегодно сотни тысяч тонн мочевины и нефтяного белка в качестве корма скоту и около 200 млн. тонн удобрений.

Столь впечатляющие успехи были достигнуты на основе учения о химических процессах – области науки, в которой осуществлена наиболее глубокая интеграция физики, химии и биологии. Одним из основоположников этого научного направления стал русский химик Н.Н. Семенов – лауреат Нобелевской премии, основатель химической физики. Он в своей Нобелевской лекции 1965 г. заявил, что химический процесс – это то основное явление, которое отличает химию от физики, делает ее более сложной наукой.

Подавляющее большинство  химических реакций находится во власти стихии. Конечно, есть реакции, которые не требуют особых средств управления или особых условий. Таковы всем известные реакции кислотно-основного взаимодействия (нейтрализации). Однако подавляющее большинство реакций являются трудноконтролируемыми. Есть реакции, которые просто не удается осуществить, хотя они в принципе осуществимы. Существуют реакции, которые трудно остановить: горения и взрывы. И, наконец, встречаются реакции, которые трудно ввести в одно желательное русло, так как они самопроизвольно создают десятки непредвиденных ответвлений с образованием сотен побочных продуктов. Поэтому важнейшей задачей для химиков становится умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов.

В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические и кинетические. Термодинамические методы влияют на смещение химического равновесия реакции. Кинетические методы влияют на скорость протекания химической реакции.

Кроме того, следует понять, что практически все химические реакции представляют собой отнюдь не простое взаимодействие исходных реагентов, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют не только друг с другом, но и со стенками реактора, могущими как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс.

Катализ – ускорение химической реакции в присутствии особых веществ – катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами. Катализ был открыт в 1812 г. русским химиком К.С. Кирхгофом.

Катализ необходим при производстве многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Почти вся промышленность основной химии (производство неорганических кислот, оснований и солей) и «тяжелого» органического синтеза, включая получение горюче-смазочных материалов, базируется на катализе. Химики не без основания говорят, что некаталитических процессов вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит своеобразным катализатором.