Химические концепции познания мира

Химические концепции познания мира

Химия в контексте интеллектуальной культуры

Современная химия по определению выдающегося химика ХХ в. Л. Полинга – это наука о веществах, их составе, строении, свойствах и взаимных превращениях.

Исходя из структурной организации материи в вещественной форме, достаточно трудно, по мнению Л.И. Мандельштама, отделить предмет химии от физики. Однако попытки последовательно вывести предсказания химии на основе только физических законов, описывающих поведение микрочастиц, часто терпят неудачу. Это обусловлено определённым различием структурно-теоретических моделей химии и физики, хотя концепция моделирования и является общей для всего естествознания. С точки зрения физики вещества, а тем более вещества в процессах превращения – это объекты необычайной сложности, тогда как для химии они являются элементарными логическими “кирпичиками” науки.

Таким образом, химический срез естественнонаучной картины мира объективно существует, ибо превращения веществ происходят и в космосе, и в горных породах, и в океане, и в атмосфере, и в почве, и в живых организмах, не говоря уже о многочисленных химических производствах, созданных человеком. Это центральное положение химии в концепции вещества, определяющее пересечение химии не только с физикой, но и с науками о Земле и биологией, задаёт особое место химии и в контексте интеллектуальной культуры. Создание комфортных условий существования человеческой цивилизации тесно взаимосвязано как с энергетическими ресурсами и, прежде всего, с возобновляемыми источниками энергии, так с получением новых веществ, не нарушающих экологическую безопасность биосферы и существования семейства людей. Отсюда вытекает главная задача химии – получение веществ с заданными свойствами и установление способов управления свойствами веществ в процессе их превращения.

“Подражание живой природе есть химия будущего!”. Этот девиз, который был высказан академиком А.Е. Арбузовым в 1930 году, является основополагающей идеей развития эволюционной концепции в химии.

Мы дадим определение химии, опираясь на распределение моделей химии по четырём концептуально-конструктивным уровням (см. схему 41), и в дальнейшем изложении рассмотрим каждый раздел (концептуально-конструктивный уровень) химии более детально.

Схема 41 . Становление четырёх концептуально-конструктивных уровней химии.

	4. Эволюционная химия
	3.Учение о химических процессах
	2.Структурная химия
1. Учение о составе

XVII в. XIX в. 1950-е годы 1970-е годы

Итак, современная химия – это наука о химических моделях вещества; химических элементах и соединениях, их составе и структуре, о химических процессах и химической эволюции природных систем.

Учение о составе вещества

Учение о составе вещества охватывает три основные проблемы:

1. Проблема химического элемента.

2. Проблема химического соединения.

3. Проблема вовлечения и применения всё большего числа химических элементов и соединений для производства новых материалов.

Проблема вовлечения и применения новых химических соединений

· Практическое решение этой проблемы в разработке новых химических технологий синтеза и катализа.

· Свойства вещества определяются его элементным и молекулярным составом, структурой его молекул, термодинамическими и кинетическими условиями, в которых вещество находится в процессе химической реакции, уровнем химической организации веществ.

· Все химические вещества можно разделить на органические, неорганические и смеси двух или нескольких веществ, гомогенные и гетерогенные смеси.

Структурная химия

(«Структурная химия» - термин условный. Речь идет об уровне развития химических знаний, при котором особую роль играет понятие «структура химического соединения», а также структура молекул)

* В основе структурной химии лежит химическая атомистика Д.Дальтона, согласно которой любые химические соединения состоят из молекул, а молекулы из атомов, при этом молекулы обладают строго количественным и качественным составом.

* Более конкретные представления о структуре молекул содержатся в теории И. Берцелиуса (1779-1848гг), согласно которой структура молекул возникает благодаря взаимодействию атомов или атомных групп. Дополняя эти представления, Ш. Жерар (1816 - 1856гг) отмечал, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так что в результате возникает определенная целостность (система). Так оформилась атомно-молекулярная модель вещества.

* Ф. Кекуле (1829-1896гг) предпринял попытку раскрыть структуры молекул и синтезировать новые вещества. Он связал структуру с понятием валентности элемента или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли структурные формулы органической химии и появился термин «органический синтез».

* В это время были синтезированы на основе простейших углеводов анилиновые красители. Затем были поучены новые вещества (лекарственные препараты, взрывчатые вещества и т.д.)

* Определяющей идеей понятия химической структуры была теория химического строения А.М.Бутлерова (1828-1886гг). Характерной, неклассической концепцией стало представление об изомерии и её взаимосвязи со структурой веществ и типологии молекул. Бутлеров первым чётко сформулировал определение химического строения как способа химических связей в молекуле и в химических соединениях. Он же ввёл понятие энергоёмкости химических связей. Так с помощью структурной теории развивалась систематика органических соединений.

* Важно было также введение Вант-Гоффом стереоскопических структурных моделей.

* Современная структурная химия использует кооперативное взаимодействие классических химических моделей вещества и типологии молекул (атомно-молекулярной, геометрической как в двумерном, так и в трехмерном виде, с неклассической электронной моделью) и опирается на взаимосодействие классической и квантовой химии. Особое значение приобретают квантовомеханические представления о типах химической связи в пересечении и с угловой геометрией между ними и геометрией распределения электронной плотности. Особую роль в становлении и развитии структурной химии сыграли физические методы исследования структуры органических и неорганических соединений и прежде всего рентгеноструктурный анализ, оптическая, рентгеновская и электронная спектроскопия, нейтронография и др.

* По современным представлениям, структура молекул – это пространственная и энергетическая упорядоченность квантовомеханической системы, состоящей из атомных ядер и электронов. Органические соединения – структурные образования из органических молекул. Главная роль в структуре органических соединений принадлежит углероду, который строит сложные циклические, ветвистые, линейные цепи, вовлекая в них и другие химические элементы, прежде всего – водород.

* Структура неорганических соединений взаимосвязана с химией твердых и жидкокристаллических тел, пересекающейся с квантовой физикой. Структура задается квантовомеханическим взаимодействием атомов в неорганических молекулах, атомов химических элементов и (или) неорганических молекул в неорганических соединениях.

Эволюционная химия.

Предметом эволюционной химии является самоорганизация предбиологических систем.

Существует два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный.

3.6.1.Субстратный подход.

Отличительная черта субстратного подхода состоит в исследовании вещественной основы биологических систем, т.е. определённого состава элементов – органогенов и определённой структуры входящих в живой организм химических соединений.

Результатом субстратного подхода к проблеме биогенеза является накопленная информация об отборе химических элементов и структур.

Отбор химических элементов в процессе самоорганизации предбиологических систем внёс определённые закономерности в этот процесс:

· Основу живых систем составляют только шесть элементов, получивших название органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, общая весовая доля которых в организме составляет более 97%. За ними следует 11 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организме - 1,6%. Есть ещё 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных узкоспецифических биосистем, доля которых составляет около 1%. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано.

· Картина химического мира свидетельствует об отборе элементов. В настоящее время насчитывается около 8 млн. химических соединений. Из них 96% - органические, состоящие из тех же 6-18 элементов. Из остальных 90 химических элементов Природа создала всего около 300 тыс. неорганических соединений.

· Геохимические условия не играют существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических и биологических систем. Определяющим фактором в отборе химических элементов в данном случае выступают условия соответствие этих элементов определённым требованиям: а) способность образовывать прочные и энергоёмкие химические связи; б) эти связи должны быть лабильны, т. е. легко подвергающиеся гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению. Вот почему углерод отобран из многих других элементов как органоген № 1.

Функциональный подход

Отличительная черта функционального подхода состоит в исследовании процессов самоорганизации предбиологических систем, выявлении законов, которым подчиняются такие процессы.

· 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 о саморазвитии химических систем.

· В физико-химическом образе неклассической биологии все функции и процессы, происходящие в живом организме, можно изложить на языке физики и химии в виде конкретных физико-химических процессов.

· Основой исключительной эффективности биологических процессов является биосинтез. Поэтому новая химия должна основываться на каталитическом опыте живой природы.

· Для освоения каталитического опыта живой природы перспективным направлением являются исследования, ориентированные на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, что предполагает изучение закономерностей живой природы, в том числе и опыта формирования фермента, клетки, организма. Здесь и заложены основы эволюционной химии, предполагающей пути новых химических технологий, способных стать аналогами живых систем.

· 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.

· Возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов и реально ощутимые успехи «нестационарной кинетики» или динамики химических систем.

· Ведущее положение в развитии нестационарной кинетики занимает теория саморазвития открытых каталитических систем, способствующая существенному улучшению свойств катализаторов.

· Теория саморазвития элементарных каталитических систем в самом общем виде является общей теорией химической эволюции и биогенеза. Основы данной теории были разработаны А.П. Руденко в 1964 г.

· Основные проблемы данной теории – это вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т.е. вопросы выявления и определения основных закономерностей химической эволюции, отбора элементов и структур, уровня химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции.

· Суть данной теории – химическая эволюция есть не что иное, как саморазвитие каталитических систем. Эволюционирующим доминантам являются катализаторы.

· Саморазвитие, самоорганизация, самоусложнение происходит за счет естественного отбора активных каталитических центров и постоянного притока трансформируемой энергии. Поскольку источником энергии в основном является базисная реакция, то эволюционное преимущество получают каталитические системы, протекающие на основе экзотермических реакций. Отсюда базисная реакция является источником энергии, средством отбора прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

· Практическим результатом теории открытых каталитических систем является «нестационарная технология» характеризующаяся меняющимися условиями химической реакции. В настоящее время обнаружено большое количество нестационарных режимов, способствующих интенсификации реакции. Частным случаем нестационарного режима является стационарный режим, который до недавнего времени считался гарантом высокой эффективности промышленного процесса.

· Перспектива развития новой химии – это создание малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных технологий.

· Важным результатом открытия цикличности химических процессов и в общем понимании цикла, как основы мироздания, было обнаружение и исследование различных химических автоколебательных и автоволновых процессов типа реакции Белоусова-Жаботинского.

Проблема биологической эволюции непосредственным образом связана с проблемой химической самоорганизации (и химической эволюции). Одна из задач химии, а именно самого новейшего ее направления – эволюционной химии, понять, как из неорганической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией».

«Подражание живой природе есть химия будущего!» Этот девиз, который был высказан академиком А.Е.Арбузовым в 1930 г., является целеполагающей идеей развития эволюционной концепции в химии.

Химические концепции познания мира