Элементный и молекулярный состав веществ.
С момента зарождения первых знаний в области химии и вплоть до первой половины 19-столетия основным направлением было изучение веществ, элементного и молекулярного их состава. Уже в работах натурфилософов древней Греции более 2,5 тыс. лет назад рассматриваются вопросы природы веществ, но наибольший вклад в развитии химии связывается с поисками египтян. Безусловно, все достижения в области химии в древнее время определялись насущными вопросами практики в сфере металлургии, крашения тканей, алхимии и т. д. Первое обобщение всех накопленных знаний в виде энциклопедии было выполнено в третьем столетии н. э. египтянином Зосимой.
Развитие химии как науки относят к 17-му – 18-му векам и в первую очередь с исследованиями английского ученого Р. Бойля, предложившего метод определения свойств веществ через его элементный состав. Он впервые и разработал понятие – химического элемента. Громадную роль в развитие химии как науки внесли российский ученый М. Ломоносов и французский химик А. Лавуазье, открыв один из фундаментальных законов природы – закон сохранения массы вещества. Он гласит – масса веществ, вступающих в реакцию равна массе всех продуктов реакции. Сформулированный закон имел большое значение для развития атомно-молекулярной теории, показав, что при химических реакциях при получении новых веществ атомы остаются неделимыми и только образуют другие молекулы другого вещества. Закон сохранения массы вещества не работает при ядерных реакциях, когда часть вещества может переходить в энергию и наоборот. Кроме этого, А. Лавуазье сделал еще очень много для развития химии. Во-первых, он обосновал процесс горения веществ как химическую реакцию их взаимодействия с кислородом, т. е. создал кислородную теорию, объяснявшую процессы горения, дыхания. Тем самым А. Лавуазье отверг существовавшую в то время теорию флогистона, утверждавшую, что все горючие вещества содержат «огненную материю флогистон», выделяющуюся из них при горении. Во-вторых, он разработал систему названий химических соединений или химическую номенклатуру. Одновременно с этим он попытался систематизировать, известные к тому времени элементы. С этого времени, т. е. с конца 18-го столетия, начинается бурное развитие химии: открывается закон постоянства состава, закон кратных отношений, закон простых объемных отношений, закон Авогадро. В 1860 году в Германии состоялся первый международный химический конгресс, где были впервые определены положения атомно-молекулярной теории:
Вещества состоят из молекул – наименьших частиц вещества, обладающих его химическими свойствами;
Молекулы состоят из атомов, которые соединяются друг с другом в определенном порядке;
Атом – наименьшая частица элемента в химических соединениях;
Разным элементам соответствуют разные атомы;
Атомы и молекулы находятся в постоянном самопроизвольном движении;
При химических реакциях молекулы одних веществ превращаются в молекулы других веществ;
Атомы при химических реакциях не изменяются;
Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов (О2, Р2, N2 и т. д.), молекулы сложных веществ – из разных атомов (Н2О, НCl и т. д.).
Данные законы послужили мощной основой дальнейшего развития химии. И, наконец, в 1869 году Д.Менделеевым был открыт путем систематизации химических элементов в зависимости от атомных весов универсальный закон, периодический закон химических элементов. Периодический закон гласит, что свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от значения атомных весов элементов. При этом свойства элементов подчиняются строгой периодичности. Данное положение позволило Д. Менделееву предсказать существование доселе неизвестных элементов со строго определенными свойствами. В то время открытие Д. Менделеева - это гениальное предвидение, сделанное на основе эмпирического обобщения, физический смысл, которого долго оставался непонятным. В то время еще ни чего не было известно о строении атома, поэтому даже сам Д. Менделеев писал: “Периодическая изменяемость простых и сложных тел подчиняется некоторому высшему закону, природу которого, а тем более причину еще нет средств охватить. По всей вероятности, она кроется в основных началах внутренней механики атомов и частиц”.
– В наше время, с учетом знаний о строении атома, периодический закон трактуется несколько иначе и точнее - свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома (порядкового номера).
Новый всплеск в развитии химии начинается со второй половины 19-го столетия и может быть охарактеризован как время серьезных теоретических достижений в изучении структуры молекул. Среди последних, выдающееся место занимает сформулированная А. Бутлеровым, теория химического строения вещества, позволяющая определять строение молекул химических веществ. До этого открытия считалось невозможным узнать строение молекулы, и порядок химических связей между атомами. Только с момента разработки этой теории А. Бутлеровым стало понятным явление изомерии, т. е. явления, когда химические соединения имеют одну и ту же молекулярную массу, один и тот же состав атомов, но пространственное построение их в молекуле различно, вследствие чего они могут серьезно отличаться по своим качествам. К примеру, этиловый спирт и диметиловый эфир имеют совершенно одинаковый качественный и количественный состав С2Н6О, но в то же время они резко различаются по своим физическим свойствам. Этиловый спирт при комнатной температуре - жидкость, диметиловый эфир – газ, этиловый спирт легко растворим в воде, диметиловый эфир почти не растворим и т. д. Теория А. Бутлерова способствовала развитию органического синтеза и получению громадного числа, так широко известных сегодня, органических соединений, а в последние годы и неорганических.
В связи с этими достижениями возникла необходимость понимания механизмов химических реакций для управления получения веществ. К основным методам управления можно отнести термодинамические (управление направленностью химического процесса) и кинетические (управление скоростью химического процесса). Поэтому стали развиваться новые направления исследований по выяснению термодинамики и кинетики химических процессов, которые могут определяться строением молекул вступающих в реакцию веществ, концентрацией веществ, особенностями каталитических материалов и т. д. В реальности, очень редко вступающие в реакцию вещества сразу образуют необходимый продукт. Обычно химические реакции проходят ряд последовательных и параллельных стадий, где образуются и расходуются промежуточные вещества. Число стадий может быть очень большим, достигая иногда сотен тысяч. Поэтому продолжительность промежуточных реакций и продолжительность существования промежуточных веществ могут быть как доли секунды, так и более длительное время. Часто скорость химических реакций зависит от температуры, давления и концентрации вступающих в реакцию веществ. Так при увеличении последних скорость протекания реакции существенно ускоряется из-за увеличения вероятности столкновения молекул вступающих в реакцию компонентов. Также на скорость реакций может влиять присутствие и других веществ – катализаторов, которые сами по себе не вступают в химическую реакцию. Просто фантастическую роль катализаторов в ускорении реакций можно показать на примере системы пирольных циклов в гемине, обеспечивающей повышение активности атома железа в окислительно-восстановительных реакциях в миллиарды раз. Сегодня катализаторы широко используются в промышленных технологиях и могут и ускорять реакции, а могут и замедлять их, если это необходимо. Тем самым экономическая эффективность применения катализаторов может быть весьма ощутимой.
Вообще вопросы катализа относятся к одним из самых актуальных в современной химии, в том числе и в эволюционной химии, особенно активно начавшей свое развитие при изучении химических реакций в живых системах. Эволюционные аспекты в химии стали развивать не так давно – в последней трети 20-го столетия, при изучении биокатализа, имеющего место в живой природе. Ученые давно мечтают о разгадке тайн катализа в живых организмах, но возможность открытия многих механизмов процессов в клетках так и остается пока далекой мечтой. Зная, основополагающую роль каталитических реакций в живых организмах, исследователи полагают, используя природные принципы катализа, можно экономически эффективно преобразовывать световую энергию солнца в химическую (как это происходит при фотосинтезе) и электрическую. Они также пытаются получить искусственные ферменты и применить их в промышленности по аналогии с живыми системами. В будущем очевидно будет совершенно новая химия, когда можно будет использовать принципы эффективного образования себе подобных молекул как это происходит при синтезе РНК и ДНК в клетках живых организмов.
Кроме того, есть очень смелые, но в то же время и очень логичные предположения ученых о роли катализа в возникновении жизни. Они утверждают, что эволюция катализа как самосовершенствующегося явления - основа возникновения жизни. Логически предполагается, что в ходе эволюции отбирались те каталитические структуры, которые были эффективнее, причем образование их шло путем саморазвития. Случаи самосовершенствования катализаторов в ходе химических реакций впервые экспериментально наблюдались в начале 70-х годов 20-го столетия, тогда как обычно во время пользования свойства катализаторов ухудшались. В настоящее время, активно развиваясь, эволюционная химия дает надежду на решение многих актуальных проблем. В частности, на дешевое получение водорода из воды и обеспечение Человечества практически неисчерпаемым энергоресурсом, на синтез многих органических соединений (метанола, этанола, формальдегида и т. д.) при использовании избытка углекислого газа в атмосфере, на ферментативную очистку загрязненных органическими веществами сточных вод и решение других проблем.
Эволюционная химия также пытается разобраться с проблемой природного отбора химических элементов для построения живых систем. В построении и функционировании организмов из 112 известных химических элементов участвуют только 6 (углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера). В весовых долях в организме они составляют – 97,4%. Еще 12 элементов (натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель) также принимают участие в построении систем клеток и организмов и их доля - 1,6%. В организмах специфических сред, например, морских водорослях, встречается еще 20 элементов. Остальные элементы не принимают участия в построении и функционировании организмов. Что определяет такой отбор химических элементов для жизни? Пока неясно. Хорошо обоснованного ответа еще не существует. Именно эти, отобранные природой, элементы образуют великое множество органических соединений, насчитывающих сегодня чуть менее 8 млн. или около 96% всех химических соединений. Но в построении живого принимают участие совсем немногие. Из 100 известных аминокислот в состав белков входит лишь 20. Всего пять разновидностей нуклеотидов образуют сложные полимерные цепи нуклеиновых кислот, РНК и ДНК, ответственные за наследственность и синтез белков в живых системах.
В 1969 году разработана общая теория химической эволюции и биогенеза. Данная теория рассматривает в комплексе проблемы движущих сил химической эволюции и механизмов эволюционного процесса, т. е. законы химической эволюции, причинах отбора элементов и структур и их взаимообусловленности. В основе теории лежит утверждение, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем.