AB + CD<=>AC + BD

Обратимость реакций служит основанием равновесия между прямой и обратной реакциями. На практике равновесие смещается в ту или иную сторону. В действительности равновесие зависит от условий прохождения процесса и чистоты реагентов. Для того, чтобы химическая реакция пошла в сторону увеличения продуктов реакции АС и BD, необходимо либо увеличить концентрацию веществ AB и CD, либо изменить температуру или давление. Поскольку основными управляющими рычагами в данном случае выступали температура, давление и концентрация реагирующих веществ, поэтому эти методы управления получили название термодинамических.

Термодинамические методыпозволяли управлять только направлением реакций, а не их скоростями. Управлением скоростью химических реакций в зависимости от различных факторов занимается специальная наука - химическая кинетика. Химическая кинетика объясняет качественные и количественные изменения в химических процессах и выявляет механизм реакции. Реакции происходят, как правило, ряд последовательных стадий, которые составляют полную реакцию. Описывая химическую реакцию, ученые скрупулезно отмечают все условия ее протекания, поскольку в других условиях и при иных физических состояниях веществ эффект будет разный. На скорость химической реакции может влиять очень многое, даже стенки сосуда, в котором протекает реакция, о чем говорят исследования Вант-Гоффа.Скорость реакции зависит от условий протекания и природы веществ, вступивших в нее. К ним относятся концентрация, температура, присутствие катализаторов, материал и конструкция реакторов и т.д.

Катализ. Катализпредставляет собой наиболее общий и распространенный способ проведения химических реакций, особенность которого состоит в активации молекул реагента при их контакте с катализатором. При этом происходит как бы «расслабление» химических связей в исходном веществе, «растаскивание» его на отдельные части, которые затем легче вступают во взаимодействие друг с другом. Явление химического катализа было открыто русским академиком К.С.Кирхгофом в 1812 г.

И.Я.Берцелиус установил, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой.

В отличие от каталитической химии, химия экстремальных состояний решает вопрос управления химической реакцией иначе: здесь химики пытаются расшатать атомы в исходной молекуле за счет дополнительной внешней энергии. Они используют при этом простой нагрев или энергию света, а иногда для очень «крепких орешков» (молекул с сильными внутримолекулярными связями) и радиационное облучение. Этим вопросом занимается радиационная химия.

Новейшее направление, расширяющее представление об эволюции химических систем – нестационарная кинетика. В 1970 годы было обнаружено много химических систем, в которых использовались катализаторы, в которых с течением времени все происходило наоборот, - процесс не стабилизировался, как обычно, а становился нестационар­ным. Было открыто несколько типов автоколебательныххимических реакций, в которых с течением времени происходят периодические изменения выхода продуктов реакции. Другими словами, необходимый продукт химической реакции то выделяется в большом количестве, то, напротив, реакция почти не идет или даже изменяет свое направление, а затем все это повторяется вновь. Оказалось, что в ряде случаев общее количество вещества, получаемое в ходе такой нестабильной химической реакции, даже превышает то количество вещества, которое выделялось бы в ходе реакции, если бы она проходила стационарно или, т.е. имела бы постоянную скорость. Изучение нестационарной кинетикиначалось недавно. Но уже есть и практические результаты. С ее помощью были исследованы некоторые энергетически сопряженные процессы (когерентные), т.е. такие химические процессы, в которых принимают участие сразу несколько реакций, обменивающихся энергией друг с другом. Нестационарные химические процессы были обнаружены и в живой природе.

Эволюционная химия. Химики давно пытались понять, каким образом из неорганической материи возникает органическая как основа жизни на Земле. Под эволюционными проблемами химии следует понимать проблемы синтеза новых сложных, высокоорганизо­ванных соединений без участия человека. Началоэволюционной химиисвязывают с 1950-1960 гг. В 1960-х годах были отмечены случаи самосовершенствования некоторых химических катализаторов в ходе химической реакции. Обычные катализаторы со временем (как и все на свете) стареют и изнашиваются. Но химикам удалось обнаружить такие катализаторы, которые не только не старели, а, напротив, «молодели» с каждой химической реакцией. Ответ на этот вопрос попыталась дать теория химической эволюции и биогенеза, предложенная в 1964 г. русским профессором А. П. Руденко. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем.

Основной закон химической эволюции состоит в том, что эволюционные изменения катализатора происходят в том направлении, где проявляется его максимальная активность. По мысли автора, в ходе реакции происходит отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Саморазвитие систем происходит за счет постоянного поглощения катализаторами потока энергии, которая выделяется в ходе самой химической реакции, поэтому эволюционируют каталитические системы с большей энергией. Такие системы разрушают химическое равновесие и в результате являются инструментом отбора наиболее устойчивых эволюционных изменений в катализаторе.

Таким образом, появился новый способ решения основной проблемы химии, который получил название эволюционная химия. В основе этого способа лежит принцип использования в процессах получения химических продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем. Четвертый этап развития химии, который продолжает­ся и до настоящего времени,устанавливает связь самоорганизации системы реагентов с поведением этой системы:

САМООРГАНИЗАЦИЯ —————> ПОВЕДЕНИЕ СИСТЕМЫ РЕАГЕНТОВ СИСТЕМЫ РЕАГЕНТОВ

Появление эволюционной химии является следствием проникновения в естествознание идей и принципов эволюционной теории. Главным предметом изучения в эволюционной химии является химогенез, который рассматривается как неотъемлемая часть эволюционных процессов на нашей планете, начиная от космогенеза и заканчивая антропосоциогенезом. Эволюционная химия утверждает, что на протяжении длительного времени происходил отбор химических элементов по тем свойствам, которые давали преимущество при переходе на более высокий уровень организации материи – биологический. Химическая эволюция обеспечивала переход от химогенеза к биогенезу, поэтому понимание ее механизмов важно для прояснения проблемы происхождения жизни на Земле. и процессов самоорганизации систем.

В процессе самоорганизации предбиологических систем шел отбор необходимых элементов для появления жизни и ее функционирования. Из более 100 химических элементов только 6 составляют основу живых систем, из-за чего они получили название органогенов. К ним относятся углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера.. Особая роль отведена углероду. Весовая доля этих элементов составляет 97,4 %. В состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов – натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор. Еще около 20 элементов участвуют в жизнедеятельности живых систем в зависимости от среды обитания и состава питания. Все эти элементы распределены по всей поверхности Земли, и жизнь возникала в любом месте, где для этого создавались благоприятные условия. В космосе же преимущественно господствуют 2 элемента – водород и гелий, остальные существуют в виде примесей и составляют ничтожно малую массу

Поиски различного рода природных катализаторов позволяет химикам сделать ряд выводов:

ü На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствовал. Условия высоких температур, электрических разрядов и радиации препятствуют образованию конденсированного состояния;

ü Проявления катализа начинаются при смягчении условий ниже 5 000^οК и образования первичных тел;

ü Роль катализа возрастала по мере того, как физические условия приближались к земным;

ü Появление несложных систем было своеобразной некаталитической подготовкой старта для большого катализа;

ü Роль катализа после достижения стартового состояния начала возрастать с фантастической быстротой. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получились относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.

Несмотря на то, что химия в настоящее время все еще далека от совершенства, которым обладает «лаборатория живого организма», пути к этому идеалу намечены. Сегодня химики пришли к выводу, что используя те же принципы, на которыхпостроена химия живых организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно будет «построить» принципиально новую химию, новое управление химическими процессами – так, как это происходит в любой живой клетке. Химики надеются получить катализаторы нового поколения, которые бы позволили создавать, например, необычные преобразователи солнечного света. А исследуя биохимические процессы, протекающие в мышцах, ученые загорелись идеей создания новых полимеров, в которых химическую энергию можно было бы использовать для сокращения и растяжения таких материалов, т.е. превращать ее в механическую.

Ученые стремятся создавать промышленные аналоги химических процессов, происходящих в живой природе. Они исследуют опыт работы биохимических катализаторов и создают такие катализаторы в лабораторных условиях. Особой сложностью работы с биохимическими катализаторами – ферментами, является то обстоятельство, что они очень неустойчивы при хранении и быстро портятся, теряя свою активность. Поэтому химики долгое время работали над созданием стабилизации ферментови в результате научились получать так называемые иммобилизованные ферменты - это ферменты, выделенные из живого организма и прикреплен­ные к твердой поверхности путем их адсорбции. Такие биокатализаторы очень стабильны и устойчивы в химических реакциях и их можно использовать многократно. Основоположником химии иммобилизованных систем является русский химик И. В. Березин. Изучение строения и функционирования ферментов в живой природе – это такая ступень химического познания, которая откроет в дальнейшем создание принципиально новых химических технологий.

Наиболее интересные открытия в ХХ в., имеющие отношение к развитию химического знания, были осуществлены на стыке химии и других естественнонаучных дисциплин. Развитие х имии в ХХ в. шло по линии возрастания дифференцированности внутри комплекса химического знания. Этот процесс привел к разделению на неорганическую и органическую химию и созданию аналитической и физической химии, возникновению целого ряда междисциплинарных исследований, которые со временем обрели самостоятельный научный статус (космохимия, геохимия, агрохимия, биохимия и др.). Среди перспективных направлений химии XXI века особый интерес вызывают:

Ø Химия мозга

Ø Макрохимия Земли

Ø Когерентная химия

Ø Спиновая химия и химическая радиофизика

Ø Химия экстремальных состояний

Ø Холодный синтез

Ø Физика химических реакций.

Дата добавления: 2013-12-12