Модель химического соединения.
Химические элементы образуют химические соединения в соответствии с законом постоянства состава. С точки зрения атомного строения вещества, атом легче вступает в химические реакции, если он имеет незаполненные электронные оболочки. Атом отдает или приобретает электроны на свою внешнюю электронную оболочку в зависимости от валентности – способности атома к образованию химической связи. Под химической связью понимается определенное взаимодействие атомов, которое приводит к заданной конфигурации атомов, отличающей одни молекулы от других. Вещество, которое состоит из атомов в определенном соотношении, объединенных определенной химической связью, является химическим веществом.
Ионная связь
Атомы могут терять или приобретать электроны, превращаясь в ионы (анионы и катионы). Анионы и катионы с полностью заполненной электронной оболочкой имеют устойчивую электронную конфигурацию. Между анионами и катионами возникает электростатическое притяжение. Химическая связь такого рода называется ионной связью. Наиболее типичные ионные соединения состоят из катионов металлом I и II групп и анионов неметаллических элементов VI и VII групп (например, NaCl).
Ковалентная связь
Ковалентная связь образуется парой электронов, обобществленных между двумя соседними атомами (например, Н2, О2)
Металлическая связь
Металлы в твердом состоянии существуют в форме кристаллов. Эти кристаллы состоят из положительных ионов, которые удерживаются в определенных положениях кристаллической решетки квазисвободными электронами. Электроны, участвующие в образовании металлической связи, являются внешним, или валентными электронами. Эти электроны уже не принадлежат отдельным атомам, а делокализованы между положительными ионами.
Структурная концепция
В соответствии со структурной концепцией молекулы представляют собой не произвольную, а пространственно упорядоченную совокупность атомов, входящих в нее. Химические связи в молекуле имеют пространственное распределение, а форма молекул определяется углами между направлениями связей, соединяющих атомы в данную молекулу (линейные молекулы, уголковые молекулы). Комбинируя атомы различных элементов, можно создавать структурные формы любого химического соединения, т.е. находить путь химического синтеза.
Однако с практической точки зрения важным явилось и знание химической активности реагентов. Созданная А.М.Бутлеровым теория химического строения объяснила причины химической активности одних веществ и пассивности других. Позже теория Бутлерова нашла обоснование на основе квантовой механики.
Химическую активность можно рассматривать с точки зрения превращения энергии: если при образовании химической связи сумма энергий связываемых компонент (атомов) больше, чем энергия образующейся молекулы, то такая связь оказывается устойчивой. Образование такой химической связи происходит с выделением энергии, такие реакции называются экзотермическими.
| Вид связи | N-O | C-C | H-H | C=C | CºC | O-O | O=O | C=O | N=N | NºN |
| Энергия кДж/моль |
Видно, насколько энергия двойных и тройных связей больше энергии одинарных связей. Становится также понятно, почему углерод и азот так распространены в окружающем нас мире – их двойные связи самые прочные.
Чтобы разорвать химическую связь, необходимо затратить энергию, называемую энергией химической связи. В двухатомных молекулах энергия связи и энергия диссоциации молекул совпадают. В многоатомных молекулах они могут различаться. Одним из способов сообщения достаточной энергии является поддержание необходимой температуры.
Представление о химических связях и реакциях тесно связано с понятиями химической системы и химического процесса. Химические системы могут быть равновесными и неравновесными. В равновесных системах идут обратимые химические процессы, а в неравновесных – необратимые процессы, как правило, цепные и разветвленные. Именно в них возникают флуктуации и неустойчивости, а их развитие починяется законам нелинейной динамики.
Область химии, объясняющая типы реакций, их ход и возможность изменения направлений процессов, называется химической кинетикой. Самопроизвольные химические реакции идут в сторону образования более устойчивых химических соединений и сопровождаются выделением энергии. Скорость реакции зависит от температуры, при этом каждая молекула проходит стадию активации.Катализаторы уменьшают энергию активации, что увеличивает скорость химической реакции. Если скорости прямой и обратной реакции равны, то система находится в динамическом равновесии.
В современной химии важнейшее значение имеет проблема поиска эффективных катализаторов для различных химических технологий. В то же время в биохимии установлено, что основой химии живого являются каталитические реакции, т.н. биокатализ. Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение механизмов химических превращений, присущих живой материи. Химиков-органиков интересуют перспективы синтеза сложных веществ, аналогичных образующимся в живом организме. Изучив принципы, заложенные эволюцией в химизм живой природы, можно использовать их для развития химической науки и технологии.
Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов. Ферменты – это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками, и являются биологическими катализаторами. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма. Биокатализаторы обладают высокой селективностью – один фермент катализирует обычно только одну реакцию.
Проблемы моделирования биокатализаторов показали необходимость детального изучения химической эволюции, т.е. установления закономерностей самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более высокоорганизованными по сравнению с исходными веществами.
Примером самопроизвольных периодических химических реакций является реакция окисления лимонной кислоты в присутствии катализатора, впервые открытая Б.Белоусовым в 1951 г. При этом чередовались окислительно-восстановительные процессы, и раствор самопроизвольно периодически менял цвет. Подобные реакции в дальнейшем широко исследовались для различных веществ и получили название реакций Белоусова-Жаботинского.
В 1960-х годах было обнаружено самосовершенствование катализаторов в ходе реакции (обычно катализаторы в ходе реакции дезактивировались), что позволило говорить о самоорганизация химического процесса – такое состояние химической системы, которому присущи все более высокие уровни сложности и упорядоченности. Роль процессов самоорганизации катализаторов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем.
Одна задач из эволюционной химии – понять, как из неорганической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией».Есть два подхода к изучению предбиологических систем:
ü Синергетический, который в химии получил название функционального;
ü Субстратный, связанный с вещественной основой процессов химической самоорганизации.
Результатом субстратного подхода является накопление информации о роли отдельных химических элементов и структур в ходе химической эволюции. В настоящее время известно более ста химических элементов, но основу живых систем составляют только шесть из них, т.н. органогенов (углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера). Их общая весовая доля в живой материи составляет 97.4%. Еще двенадцать элементов (Na, К, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co, Mn) составляют в живом примерно 1.6%, остальные слабо представлены в живой материи.
Таким образом, наблюдается резкая диспропорция между громадным множеством органических соединений и малым количеством составляющих их элементов. Это явление не связано с распространенностью элементов. На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо, а углерод занимает только 16-е место. Совместная весовая доля четырех органогенов (C, N, P, S) в поверхностных слоях Земли составляет 0.24%. Следовательно, геохимические условия не сыграли сколько-нибудь существенной роли при формировании органических систем.
С химической точки зрения отбор элементов происходил по следующим признакам:
ü Способность образовывать достаточно прочные энергоемкие связи;
ü Образованные связи должны быть достаточно лабильными, т.е. изменчивыми.
Поэтому углерод был отобран эволюцией как органон №1. Он участвует почти во всех типах химических связей, известных в химии, образует углерод-углеродные связи, строя длинные и стабильные скелеты молекул в виде цепей, колец и даже сложных трехмерных образований (т.н. фуллеренов).
| Структура фулерена C60 |
Нобелевская премия 1996 года по химии присуждена З. Керл, Р. Смэлли (США) и Г. Крото (Англия) за открытие и исследование фуллеренов - замкнутых объемных структур из атомов углерода. Этим открытием к известным "со школы" структурам углерода типа графита и алмаза добавились более сложные - типа экзотического бакминстерфуллерена с химической формулой С60, представляющий собой "шар" из шестидесяти атомов углерода. Разнообразие и богатство возникающих пространственных структур фуллеренов создает целую новую область химии с интереснейшими проблемами фазовых переходов, замещений, легирования и т.д., открывающую новые горизонты в катализе, материаловедении, синтезе.
Углеродные атомы создают связи с атомами H, N, O, P, S в различных комбинациях, что обеспечивает колоссальное разнообразие органических соединений, проявляющееся в размерах, структуре и химических свойствах молекул. Таким образом, лабильные атомы (S, P, Fe) имеют большое значение в биохимии, а стабильные атомы (SI, Al, Na) играют второстепенную роль. Кислород и водород можно рассматривать в качестве носителей крайних и односторонних свойств – окислительных и восстановительных.
Подобно тому, как только шесть органогенов отобраны природой в основу биосистем, также в предбиологической эволюции из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен (из ста известных аминокислот в состав белков входят только двадцать). В природе происходит отбор тех соединений, которые получаются относительно большим числом химических путей и обладают широким каталитическим спектром.
В ходе дальнейшей эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности каталитических групп. Следующим фрагментом эволюции, сливающим химическую и биологическую линии эволюции, является развитие полимерных структур типа РНК и ДНК, выполняющих роль каталитических матриц, на которых осуществляется воспроизведение себе подобных структур.
Согласно теории развития элементарных открытых каталитических систем (1964 г., профессор МГУ А.П.Руденко), химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. Одно из важнейших следствий этой теории – установление пределов химической эволюции и перехода хемогенеза в биогенез (т.е. зарождение живого).