Зарождение и развитие основных концептуальных систем химии

Решение задач стоящих перед химией на протяжении трех последних столетий осуществлялось в четыре основных этапа, породив соответствующие четыре концептуальные системы в развитии химии с XVII века по настоящее время.

Концепции химии об элементах и периодический закон Менделеева химических элементов. Первая концептуальная система началась с трудов Роберта Бойля (1627−1691 гг.) изучением химических элементов и в определенной степени завершилась созданием Периодической таблицы элементов Д. И. Менделеева в 1869 г. Эта система дала элементный состав вещества.

Представление о химических элементах возникает при попытках установить состав вещества. Простейшей процедурой для этого является химическое разложение или химический анализ, в результате которого получаются вещества, не подвергающиеся дальнейшему разложению. Эти вещества и есть химические элементы, первоначально называвшиеся «простыми телами», в отличие от «сложных тел», состоящих из нескольких простых тел. Решающее значение в химии элементов сыграло открытие кислорода, в результате чего была опровергнута бытовавшая до того гипотеза о флогистоне — некотором «невесомом теле». Постепенно химикам стали известны, наряду с уже известными алхимикам семи металлами, также водород, азот, сера, фосфор, углерод, а Д. И. Менделееву к 1869 г. были известны уже 62 элемента. В эти же годы параллельно решалась другая, не менее важная проблема, проблема химического соединения. Первым начал решать ее немецкий химик И. Рихтер, открывший в результате законы стехиометрии и введший понятия эквивалентов и эквивалентного веса. Замечательный французский химик Ж. Пруст первым в 1801—1808 гг. установил закон постоянства состава вещества, согласно которому любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом и тем самым отличается от смесей. Точная его современная формулировка такова: всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет один и тот же состав. Теоретически обосновал этот закон Пруста и установил в 1803 г. другой, не менее важный закон, закон кратных отношений, английский химик и физик, фактический создатель химического атомизма Дж. Дальтон. (Он же первым описал дефект зрения, которым страдал сам и который получил позже название дальтонизм). Закон кратных отношений Дальтона гласит: если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества первого и второго элементов относятся между собой как целые числа. После трудов Берцелиуса, Гей-Люссака и Либиха этот закон стал одним из самых фундаментальных законов химии. Дальтон ввел в химию такое, как оказалось, основополагающее понятие как атомный вес, которое сыграло во многих случаях решающую роль. Так, например, его роль в поисках системно образующего и системно упорядочивающего факторов в проблеме элементов, предпринимаемых в течение столетия со времени открытия кислорода англичанином Дж. Пристли, шведом К. Шееле и французом А. Л. Лавуазье, оказалась решающей и удалась великому русскому химику Д. И. Менделееву. Савченко В. Н., Смагин В. П. Начала современного естествознания. Концепции и принципы: учебное пособие. — М.: Феникс 2006. — 608 с.

Концепции структуры химических соединений (структурной химии). Вторая концептуальная система познания химических свойств вещества позволила установить их структуру и определила развитие структурной химии примерно с конца XVIII столетия.

Концепции структурной химии основываются на концепции атомистики, возрожденной англичанином Дж. Дальтоном, на учении шведа Йенса Берцелиуса, позднее подробно разработанных и уточненных немецким химиком Ф. Кекуле и нашим выдающимся соотечественником А. М. Бутлеровым. Берцелиуса интересовал вопрос об упорядоченности или произволе в объединении атомов в молекулах, на путях решения которого он разработал новую теорию строения химического вещества, а также произвел такое точное измерение атомных весов элементов, что они практически совпадают с современными данными. Символика химических элементов, формулы соединений и химических уравнений также предложены Берцелиусом в 1814 г. В качестве символа элемента он предложил принимать первую букву его латинского или греческого названия. В тех случаях, когда элементы начинаются с одних и тех же букв, к ним добавляется вторая буква названия. Берцелиус предложил все вещества разделить на органические и неорганические.

Дальнейшее развитие теория Берцелиуса получила в работах немецкого химика Ф. Кекуле. Он сформировал основные положения теории валентности, обосновал наличие для углерода четырех единиц сродства, а для азота, кислорода и водорода соответственно трех, двух и одной. Впоследствии, через несколько десятилетий, в квантовой механике все это получило объяснение. Число единиц сродства, присущее атому того или иного элемента, получило название «валентность». Объединение атомов в молекулу происходит в результате замыкания свободных единиц сродства (валентности). Так образуются простейшие молекулы вроде молекул водорода, воды, и так же образуются очень важные в органике углерод углеродные цепи. Комбинируя атомы разных элементов, можно создать структуры (структурные формулы) любого химического соединения. Но не каждая из формул, которая может быть записана, осуществляется в природе. Заслугой теории валентности Кекуле стало представление об атомной структуре сначала углеводородов, а затем и для других органических соединений. Несколько позднее, в 1874 г., датский химик Я.Г. Вант-Гофф выдвинул смелое предположение, согласно которому четыре связи атома углерода направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится этот атом. Так в химии возникли и стали укрепляться пространственные модели молекул, после чего началось бурное развитие структурной химии.

Несколько позднее наш ученый-химик А. М. Бутлеров показал, что необходимо учитывать, еще так называемую химическую активность реагентов. Идеи Бутлерова блестяще подтвердились квантовой механикой, так что, согласно современным воззрениям, структура молекул — это пространственная и энергетическая упорядоченность системы, состоящей из атомных ядер и электронов. Главное, чему способствовали учения Кекуле и Бутлерова, так это синтезу сначала простейших, а затем и более сложных углеводородов. Но, вместе с тем, структурная химия не смогла решить проблемы получения этилена, бензола, ацетилена, дефинила (необходимого при производстве каучука) и других углеводородов с цепочкой из четырех атомов углерода. Решение этой проблемы требовало нефтехимическое производство, и оно оказалось возможным лишь гораздо позднее, посредством химической кинетики и термодинамики. Савченко В. Н., Смагин В. П. Начала современного естествознания. Концепции и принципы: учебное пособие. — М.: Феникс 2006. — 608 с.

Концепции и законы химических процессов (реакций). Третья концептуальная система в химии возникла на стыке химии, физики и открывает пути к пониманию биологических систем. Эта концептуальная система — появилось с середины XX столетия, и установила особенности протекания химических реакций, позволила создать основы крупномасштабных химических технологий.

Согласно данной концепции — химический процесс представляет собой мост от объектов физики к объектам биологии, так как возникает возможность последовательно проследить путь от простых микрообъектов, таких как электрон, протон, атом, молекула и полимер, в конечном итоге к биополимеру, к клетке, в которой совершаются немыслимые химические реакции. Течение многих химических реакций весьма сложно, а иногда попросту трудноуправляемо: одни из них почему-то невозможны, другие невозможно или сложно остановить (горение, взрыв), третьи ветвятся и т. п. Методы управления химическими реакциями подразделяются на термодинамические и кинетические, при которых главенствующую роль играют те или иные катализаторы.

Всякой химической реакции свойственна ее обратимость, которая является основанием равновесия между прямой и обратимой реакциями. В зависимости от природы реагентов и условий процесса, равновесие может смещаться в прямую либо в обратную сторону изменением температуры, давления и концентрации реагентов. Тем не менее, подобрать условия осуществления тех или иных, на первый взгляд простых, реакций, иногда не удавалось в течение ста и более лет. Такой реакцией оказалась реакция синтеза аммиака из молекулярных азота и водорода, впервые успешно осуществленная в 1913 г., после открытий Я. Вант-Гоффом и А. Ле Шателье принципа, получившего их имена. Согласно этому принципу любое изменение одного из условий равновесия вызывает смещение системы в таком направлении, которое уменьшает первоначальное изменение. Оказалось, что аммиак может синтезироваться в присутствии металлоорганического катализатора (первоначально специально обработанного железа) при высоком давлении и нормальной температуре.

Термодинамическое воздействие оказывает влияние на направленность реакции, а вот функции управления скоростью химической реакцией выполняет химическая кинетика, ускоряя или замедляя реакции с помощью катализаторов и ингибиторов, соответственно. Химический катализ был открыт в 1812 г. русским химиком Константином Кирхгофом (не путать с немецким физиком Густавом Кирхгофом, установившим законы для электрической цепи, первооткрывателем спектроскопии вместе с Р. Бунзеном и т. д.). Среди катализаторов особая роль принадлежит ферментам, своеобразным живым катализаторам, сыгравшим ключевую роль в возникновении жизни. Савченко В. Н., Смагин В. П. Начала современного естествознания. Концепции и принципы: учебное пособие. — М.: Феникс 2006. — 608 с.

Концепции и принципы эволюционной химии и самоорганизации эволюционных химических систем. Четвертая концептуальная система развивается с конца прошлого века и по сей день. Она связана с глубоким и всесторонним изучением природы реагентов, роли катализаторов в химических реакциях. Эта система получила название эволюционная химия и в своих простейших проявлениях дает нам примеры самоорганизации и саморазвития, предопределившие начало биологической эволюции как основы зарождения жизни.

Система и концепции эволюционной химии стали формироваться в 60−70-е годы XX века и в своей основе отвечают давней мечте химиков освоить и перенять опыт лаборатории живого организма, понять, как из неорганической (косной) материи возникает органическая, а затем и живое вещество — жизнь. Здесь опять можно упомянуть И. Берцелиуса, а дополнительно немца Ю. Либиха, француза М. Бертло.

Известный во всем мире советский ученый, Нобелевский лауреат по химии Николай Николаевич Семенов представлял химические процессы в тканях растений и животных как химическое производство живой природы, как производство неких «молекулярных машин» совершенно исключительной точности, быстроты и необычайного совершенства. Это подтверждается открытым недавно синтезом больших белковых молекул со строгим чередованием аминокислот. Клетки имеют в своем составе субмикроскпические «сборные заводики» — рибосомы, содержащие рибонуклеиновые кислоты (РНК), как сборные «машины». Каждый вид коротких молекул транспортных РНК захватывает один определенный вид аминокислот, несет их в рибосому и ставит каждую аминокислоту на свое место согласно информации, содержащейся в молекулах РНК. Тут же к аминокислотам подходят катализаторы-ферменты и осуществляют «сшивку» аминокислот в одну молекулу белка со строгим чередованием. Это настоящий природный завод, строящий молекулу по плану, выработанному организмами в процессе эволюции. Вот эти планы живых организмов и предполагается использовать в новой эволюционной химии.

Особенное значение для развития этого направления сыграла реакция по самоорганизации химических систем, проведенная выдающимся советским биохимиком Борисом Павловичем Белоусовым, затем тщательно изученная А. М. Жаботинским, вошедшая в арсенал современной эволюционной химии под названием реакции Белоусова-Жаботинского. Эта реакция сопровождается образованием специфических пространственных и временных структур (например, периодическое чередование цвета жидкости) за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Вот в этих реакциях самоорганизации как раз решающая роль принадлежит именно каталитическим процессам. Савченко В. Н., Смагин В. П. Начала современного естествознания. Концепции и принципы: учебное пособие. — М.: Феникс 2006. — 608 с.

Понятие «самоорганизации» означает упорядоченность существования материальных динамических, качественно изменяющихся систем. Роль каталитических процессов в них усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Помимо всего этого, эволюционный процесс предполагает особый дифференцированный отбор лишь тех химических элементов и соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим достаточно упомянуть, что более чем из ста химических элементов лишь шесть — углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера — общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%, получивших название органоили биогенов, служат основой для построения живых систем.

Отрадно, что определяющее значение в исследовании этого плана сыграли работы отечественных ученых И. В. Березина, А. А. Баландина и особенно А. П. Руденко, создавшего в 1964;1969 гг. единую теорию химической эволюции и биогенеза. Эта теория решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, уровне химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции.

Сегодня уже совершенно ясны перспективы создания и развития новой химии, на основе которой будут созданы малоотходные, безотходные и энергосберегающие промышленные технологии.