Реферат
«Концепції та принципи хімічного природознавства»
1. Еволюція зірок, походження хімічних елементів і планетна хімічна еволюція
Процес утворення хімічних елементів у Всесвіті нерозривно пов'язаний з еволюцією Всесвіту. Ми вже познайомилися з процесами, що відбуваються поблизу «Великого вибуху», знаємо деякі деталі процесів, що відбувалися в «первинному бульйоні» елементарних частинок. Перші атоми хімічних елементів, що знаходяться на початку таблиці Д. І. Менделєєва (водень, дейтерій, гелій), почали утворюватися у Всесвіті ще до виникнення зірок першого покоління. Саме в зірках, їх надрах, розігрітих знову (після Big Bang температура Всесвіту почала стрімко падати) до мільярдів градусів, і були проведені ядра хімічних елементів, наступних за гелієм. Враховуючи значення зірок як джерел, генераторів хімічних елементів, розглянемо деякі етапи зоряної еволюції. Без розуміння механізмів зореутворення і еволюції зірок неможливо уявити процес утворення важких елементів, без яких, у кінцевому рахунку, не виникла б життя. Без зірок у Всесвіті так би вічно і існувала воднево-гелієва плазма, в якій організація життя, очевидно, неможлива (на сучасному рівні розуміння цього явища).
Раніше ми відзначили трьох наглядових факту або тесту сучасної космології, що тягнуться на сотні парсек, тепер зазначимо четвертий - поширеність легких хімічних елементів у космосі. Необхідно підкреслити, що освіта легких елементів у перші три хвилини і поширеність їх в сучасному Всесвіті вперше була розрахована в 1946 р. міжнародної трійцею видатних вчених: американцем Альфером, німцем Гансом Бете та російською Георгієм Гамовим. З тих пір фізики, займаються атомної та ядерної фізикою, неодноразово розраховували освіта легких елементів у ранньому Всесвіті і поширеність їх сьогодні. Можна стверджувати, що стандартна модель нуклеосинтезу добре підтверджується спостереженнями.
Еволюція зірок. Механізм утворення і еволюції основних об'єктів Всесвіту - зірок, вивчений найбільш xoponio. Тут ученим допомогла можливість спостерігати величезну кількість зірок на самих різних стадіях розвитку - від народження до смерті, - в тому числі велика кількість так званих «зоряних асоціацій» - груп зір, що народилися майже одночасно. Допомогла і порівняльна «простота» будови зірки, яке досить успішно піддається теоретичного опису і комп'ютерного моделювання.
Зірки утворюються з газових хмар, які, за певних обставин, розпадаються на окремі «згустки», які далі стискаються під дією власного тяжіння. Стисненню газу під дією власного тяжіння перешкоджає підвищується тиск. При адіабатичному стисненні має підвищуватися і температура - у вигляді тепла виділяється гравітаційна енергія зв'язку. Поки хмара розріджений, все тепло легко йде з випромінюванням, але в щільному ядрі згущення винос тепла утруднений, і воно швидко розігрівається. Відповідне підвищення тиску гальмує стиснення ядра, і воно продовжує відбуватися тільки за рахунок продовжує падати на рождающуюся зірку газу. Із зростанням маси зростає тиск і температура в центрі, поки нарешті остання не досягає величини 10 мільйонів кельвінів. У цей момент у центрі зірки починаються ядерні реакції, що перетворюють водень в гелій, які підтримують стаціонарний стан знову утворилася зірки мільйони, мільярди, або десятки мільярдів років, в залежності від маси зірки.
Зірка перетворюється у величезний термоядерний реактор, у якому стійко і стабільно протікає, загалом, та ж реакція, яку людина поки навчився здійснювати тільки в некерованому варіанті - у водневій бомбі. Виділяється при реакції тепло стабілізує зірку, підтримуючи внутрішній тиск і перешкоджаючи її подальшому стисненню. Невелике випадкове посилення реакції злегка «роздуває» зірку, і відповідне зменшення щільності призводить знову до ослаблення реакції і стабілізації процесу. Зірка «горить» з майже незмінною яскравістю.
Температура і потужність випромінювання зірки залежить від її маси, причому залежить нелінійно. Грубо кажучи, при збільшенні маси зірки в 10 разів потужність її випромінювання збільшується в 100 разів. Тому більш масивні, більш гарячі зірки витрачають свої запаси палива набагато швидше, ніж менш масивні, і живуть відносно недовго. Нижня межа маси зірки, при якому ще можливе досягнення в центрі температур, достатніх для початку термоядерних реакцій, становить приблизно 0,06 сонячної. Верхня межа - близько 70 сонячних мас. Відповідно, самі слабкі зірки світять у кілька сот разів слабше Сонця і можуть так світити сотню мільярдів років, набагато більше часу існування нашого Всесвіту. Масивні гарячі зірки можуть світити в мільйон разів сильніше Сонця і живуть лише кілька мільйонів років. Час стабільного існування Сонця приблизно 10 мільярдів років, і з цього терміну вона прожило поки половину.
Стабільність зірки порушується, коли вигорає значна частина водню в її надрах. Утворюється позбавлене водню гелиевое ядро, а горіння водню продовжується в тонкому шарі на його поверхні. При цьому ядро стискується, в центрі його тиск і температура підвищується, в той же час верхні шари зірки, розташовані вище шару горіння водню, навпаки, розширюються. Діаметр зірки зростає, а середня щільність падає. Завдяки зростанню площі випромінюючої поверхні, повільно зростає також її повна світність, хоча температура поверхні зірки падає. Зірка перетворюється на червоного гіганта. У якийсь момент часу температура і тиск всередині гелієвого ядра виявляються достатніми для початку наступних реакцій синтезу більш важких елементів - вуглецю і кисню з гелію, а на наступному етапі і ще більш важких. У надрах зірки можуть утворитися з водню і гелію багато елементів Періодичної системи, але тільки аж до елементів групи заліза, що володіє найбільшою енергією зв'язку, що припадає на одну частинку. Більш важкі елементи утворюються в інших більш рідкісних процесах, а саме при вибухах наднових зірок і частково нових, і тому в природі їх мало.
Відзначимо цікаве, парадоксальне, на перший погляд, обставина. Поки поблизу центру зірки йде горіння водню, температура там не може піднятися до порога гелієвої реакції. Для цього необхідно, щоб горіння припинилося, і ядро зірки початок остигати! Холонуче ядро зірки стискається, при цьому підвищується напруженість поля тяжіння і виділяється гравітаційна енергія, яка нагріває речовина. При підвищеної напруженості поля необхідна більш висока температура, щоб тиск могло протистояти стисненню, і гравітаційної енергії виявляється достатньо, щоб забезпечити цю температуру. Аналогічний парадокс ми маємо при зниженні космічного апарату: щоб перевести його на більш низьку орбіту, його треба пригальмувати, але при цьому він виявляється ближче до Землі, де сила тяжіння більше, і швидкість його зросте. Остигання збільшує температуру, а гальмування збільшує швидкість! Такими удаваними парадоксами сповнена природа, і далеко не завжди можна довірятися «здоровому глузду».
Після початку горіння гелію витрачання енергії йде дуже швидкими темпами, так як енергетичний вихід усіх реакцій з важкими елементами набагато нижче, ніж при реакції горіння водню і, крім того, загальна світність зірки на цих етапах значно зростає. Якщо водень горить мільярди років, то гелій мільйони, а всі інші елементи - не більше тисяч років. Коли в надрах зірки всі ядерні реакції затухають, ніщо вже не може перешкоджати її гравітаційного стиску, і воно відбувається катастрофічно швидко (як кажуть, колапсує). Верхні шари падають до центру з прискоренням вільного падіння (величина його на багато порядків перевершує земне прискорення падіння через неспівставною різниці мас), виділяючи величезну гравітаційну енергію. Речовина стискається. Частина його, переходячи в нове стан високої щільності, утворює зірку-залишок, а частина (звичайно велика) викидається в простір у вигляді відбитої ударної хвилі з величезною швидкістю. Відбувається вибух наднової зірки. (Крім гравітаційної енергії в кінетичну енергію ударної хвилі вносить свій внесок і термоядерна Догорание частини залишився в зовнішніх шарах зірки водню, коли падає газ стискається поблизу зоряного ядра-відбувається вибух грандіозною «водневої бомби»).
На якій стадії еволюції зірки зупиниться стиснення і що буде являти собою залишок наднової, всі ці варіанти залежать від її маси. Якщо ця маса менше 1,4 сонячної, це буде білий карлик, зірка з густиною 10 9 кг / м 3, повільно остигають без внутрішніх джерел енергії. Від подальшого стиснення її утримує тиск виродженого електронного газу. При більшій масі (приблизно до 2,5 сонячної) утворюється нейтронна зірка (їх існування передбачене великим радянським фізиком, нобелівським лауреатом Левом Ландау) з щільністю приблизно рівною щільності атомного ядра. Нейтронні зірки були відкриті як так звані пульсари. При ще більшій вихідної масі зірки утворюється чорна діра - нестримно стискується об'єкт, який не може залишити жоден об'єкт, навіть світло. Саме при вибухах наднових відбувається утворення елементів важче заліза, для яких потрібні надзвичайно щільні потоки частинок високої енергії, щоб були досить вірогідні багаточастинкові зіткнення. Все матеріальне в цьому світі є нащадками наднових, в тому числі і люди, оскільки атоми, з яких ми складаємося, виникли колись при вибухах наднових.
Таким чином, зірки є не лише потужним джерелом енергії високої якості, розсіювання якої сприяє виникненню складних структур, які включають і життя, але і реакторами, в яких проводиться вся таблиця Менделєєва - необхідний матеріал для цих структур. Вибух закінчуючої своє життя зірки викидає в простір величезну кількість різноманітних елементів важче водню й гелію, які змішуються з галактичним газом. За час життя Всесвіту закінчили своє життя дуже багато зірок. Усі зірки типу Сонця і більш масивні, що виникли з первинного газу, вже пройшли свій життєвий шлях. Так що зараз Сонце і йому подібні зірки - це зірки другого покоління (а може бути, і третього), істотно збагачені важкими елементами. Без такого збагачення навряд чи біля них могли б виникнути планети земного типу і життя.
Наведемо інформацію про поширеність деяких хімічних елементів у Всесвіті:
Як бачимо з цієї таблиці, переважними хімічними елементами і в даний час є водень і гелій (майже 75% і 25% кожний). Щодо малого вмісту важких елементів, втім, виявилося достатнім для утворення життя (принаймні, на одному з острівців Всесвіту поблизу «рядовий» зірки, Сонця - жовтого карлика). Крім вже зазначеного нами раніше, треба пам'ятати, що у відкритому космічному просторі присутні космічні промені, що по суті є потоками елементарних частинок, в першу чергу, електронів і протонів різних енергій. У деяких областях міжзоряного простору є локальні області підвищеної концентрації міжзоряної речовини, що отримали назву міжзоряних хмар. На відміну від плазмового складу зірки, речовина міжзоряних хмар вже містить (про це свідчать численні астрономічні спостереження) молекули і молекулярні іони. Наприклад, виявлені міжзоряні хмари з молекулярного водню Н 2, дуже часто присутні в спектрах поглинання такі сполуки, як іон гідроксилу ОН, молекули СО, молекули води та ін Зараз число виявлених у міжзоряних хмарах хімічних сполук становить понад сто. Під дією зовнішнього опромінення і без нього в хмарах відбуваються різноманітні хімічні реакції, часто такі, які неможливо здійснити на Землі з причин особливих умов у міжзоряному середовищі. Ймовірно, приблизно 5 мільярдів років тому, коли утворилася наша сонячна система, первинним матеріалом при утворенні планет були такі ж прості молекули, які зараз ми спостерігаємо в інших міжзоряних хмарах. Іншими словами, процес хімічної еволюції, що почався в міжзоряному хмарі, потім продовжився вже на планетах. Хоча зараз у деяких міжзоряних хмарах виявлені досить складні органічні молекули, ймовірно, хімічна еволюція призвела до появи «живого» речовини (тобто клітин з механізмами самоорганізації та спадковості) вже тільки на планетах. Дуже важко уявити організацію життя в обсязі міжзоряних хмар.
Планетна хімічна еволюція.
Розглянемо процес хімічної еволюції на Землі. Первинна атмосфеpa Землі містила в основному найпростіші сполуки водню Н 2, H 2 О, NH 3, CH 4. Крім цього, атмосфера була багата інертними газами, перш за все гелієм і неоном. В даний час велика кількість благородних газів на Землі мізерно мало, що означає, що вони свого часу дисонували в міжпланетний простір. Наша сучасна атмосфера має вторинне походження. Перший час хімічний склад атмосфери мало відрізнявся від первинної. Після утворення гідросфери з атмосфери практично зник аміак NH 3, що розчинився у воді, атомарний і молекулярний водень випарувався в міжпланетний простір, атмосфера була насичена переважно азотом N. Насичення атмосфери киснем відбувалося поступово, спочатку завдяки дисоціації молекул води ультрафіолетовим випромінюванням Сонця, потім, і головним чином, завдяки фотосинтезу рослин.
Не виключено, що певну кількість органічних речовин було принесено на Землю при падінні метеоритів і, можливо, навіть комет. Наприклад, в кометах присутні такі сполуки, як N, NH 3, CH 4 і ін Відомо, що вік земної кори приблизно дорівнює 4,5 млрд. років. Є також геологічні та геохімічні дані, які вказують на те, що вже 3,5 млрд. років тому земна атмосфера була багата киснем. Таким чином, первинна атмосфера Землі існувала не більше 1 млрд. років, а життя виникла, ймовірно, навіть раніше.
В даний час накопичений значний експериментальний матеріал, який ілюструє, яким чином такі прості речовини, як вода, метан, аміак, окис вуглецю, амонійні і фосфатні сполуки перетворюються на високоорганізовані структури, що є будівельними цеглинками клітини. Американські вчені Кельвін, Міллер і Юрі провели ряд дослідів, в результаті яких було показало, як в первинній атмосфері могли виникнути амінокислоти. Вчені створили суміш газів - метану СН4, молекулярного водню Н 2, аміаку NH 3 і парів води Н 2 O, що моделює складу первинної атмосфери Землі. Через ату суміш пропускали електричні розряди, в результаті у вихідній суміші газів були виявлені гліцин, аланін і інші амінокислоти. Ймовірно, істотний вплив на хімічні реакції в первинній атмосфері Землі справляло Сонце своїм ультрафіолетовим випромінюванням, яке не затримувалося в атмосфері у зв'язку з відсутністю озону.
Важливе значення на хімічну еволюцію надали не тільки електричні розряди і ультрафіолетове випромінювання Сонця, але і вулканічне тепло, ударні хвилі, радіоактивний розпад калію К (частка енергії розпаду калію приблизно 3 млрд. років тому на Землі була другою, після енергії ультрафіолетового випромінювання Сонця). Наприклад, гази, що виділяються з первинних вулканів (O 2, СО, N 2, Н 2 O, Н 2, S, H 2 S, СН 4, SО 2), при впливі різних видів енергії реагують з утворенням різних малих органічних сполук, типу: ціаністий водень HCN, мурашина кислота HCO 2 H, оцтова кислота H 3 CO 2 H, гліцин H 2 NCH 2 CO 2 H і т. д. Надалі, знову ж таки при впливі різних видів енергії, малі органічні сполуки реагують з утворенням більш складних органічних сполук: амінокислоти
«Концепції та принципи хімічного природознавства»
1. Еволюція зірок, походження хімічних елементів і планетна хімічна еволюція
Процес утворення хімічних елементів у Всесвіті нерозривно пов'язаний з еволюцією Всесвіту. Ми вже познайомилися з процесами, що відбуваються поблизу «Великого вибуху», знаємо деякі деталі процесів, що відбувалися в «первинному бульйоні» елементарних частинок. Перші атоми хімічних елементів, що знаходяться на початку таблиці Д. І. Менделєєва (водень, дейтерій, гелій), почали утворюватися у Всесвіті ще до виникнення зірок першого покоління. Саме в зірках, їх надрах, розігрітих знову (після Big Bang температура Всесвіту почала стрімко падати) до мільярдів градусів, і були проведені ядра хімічних елементів, наступних за гелієм. Враховуючи значення зірок як джерел, генераторів хімічних елементів, розглянемо деякі етапи зоряної еволюції. Без розуміння механізмів зореутворення і еволюції зірок неможливо уявити процес утворення важких елементів, без яких, у кінцевому рахунку, не виникла б життя. Без зірок у Всесвіті так би вічно і існувала воднево-гелієва плазма, в якій організація життя, очевидно, неможлива (на сучасному рівні розуміння цього явища).
Раніше ми відзначили трьох наглядових факту або тесту сучасної космології, що тягнуться на сотні парсек, тепер зазначимо четвертий - поширеність легких хімічних елементів у космосі. Необхідно підкреслити, що освіта легких елементів у перші три хвилини і поширеність їх в сучасному Всесвіті вперше була розрахована в 1946 р. міжнародної трійцею видатних вчених: американцем Альфером, німцем Гансом Бете та російською Георгієм Гамовим. З тих пір фізики, займаються атомної та ядерної фізикою, неодноразово розраховували освіта легких елементів у ранньому Всесвіті і поширеність їх сьогодні. Можна стверджувати, що стандартна модель нуклеосинтезу добре підтверджується спостереженнями.
Еволюція зірок. Механізм утворення і еволюції основних об'єктів Всесвіту - зірок, вивчений найбільш xoponio. Тут ученим допомогла можливість спостерігати величезну кількість зірок на самих різних стадіях розвитку - від народження до смерті, - в тому числі велика кількість так званих «зоряних асоціацій» - груп зір, що народилися майже одночасно. Допомогла і порівняльна «простота» будови зірки, яке досить успішно піддається теоретичного опису і комп'ютерного моделювання.
Зірки утворюються з газових хмар, які, за певних обставин, розпадаються на окремі «згустки», які далі стискаються під дією власного тяжіння. Стисненню газу під дією власного тяжіння перешкоджає підвищується тиск. При адіабатичному стисненні має підвищуватися і температура - у вигляді тепла виділяється гравітаційна енергія зв'язку. Поки хмара розріджений, все тепло легко йде з випромінюванням, але в щільному ядрі згущення винос тепла утруднений, і воно швидко розігрівається. Відповідне підвищення тиску гальмує стиснення ядра, і воно продовжує відбуватися тільки за рахунок продовжує падати на рождающуюся зірку газу. Із зростанням маси зростає тиск і температура в центрі, поки нарешті остання не досягає величини 10 мільйонів кельвінів. У цей момент у центрі зірки починаються ядерні реакції, що перетворюють водень в гелій, які підтримують стаціонарний стан знову утворилася зірки мільйони, мільярди, або десятки мільярдів років, в залежності від маси зірки.
Зірка перетворюється у величезний термоядерний реактор, у якому стійко і стабільно протікає, загалом, та ж реакція, яку людина поки навчився здійснювати тільки в некерованому варіанті - у водневій бомбі. Виділяється при реакції тепло стабілізує зірку, підтримуючи внутрішній тиск і перешкоджаючи її подальшому стисненню. Невелике випадкове посилення реакції злегка «роздуває» зірку, і відповідне зменшення щільності призводить знову до ослаблення реакції і стабілізації процесу. Зірка «горить» з майже незмінною яскравістю.
Температура і потужність випромінювання зірки залежить від її маси, причому залежить нелінійно. Грубо кажучи, при збільшенні маси зірки в 10 разів потужність її випромінювання збільшується в 100 разів. Тому більш масивні, більш гарячі зірки витрачають свої запаси палива набагато швидше, ніж менш масивні, і живуть відносно недовго. Нижня межа маси зірки, при якому ще можливе досягнення в центрі температур, достатніх для початку термоядерних реакцій, становить приблизно 0,06 сонячної. Верхня межа - близько 70 сонячних мас. Відповідно, самі слабкі зірки світять у кілька сот разів слабше Сонця і можуть так світити сотню мільярдів років, набагато більше часу існування нашого Всесвіту. Масивні гарячі зірки можуть світити в мільйон разів сильніше Сонця і живуть лише кілька мільйонів років. Час стабільного існування Сонця приблизно 10 мільярдів років, і з цього терміну вона прожило поки половину.
Стабільність зірки порушується, коли вигорає значна частина водню в її надрах. Утворюється позбавлене водню гелиевое ядро, а горіння водню продовжується в тонкому шарі на його поверхні. При цьому ядро стискується, в центрі його тиск і температура підвищується, в той же час верхні шари зірки, розташовані вище шару горіння водню, навпаки, розширюються. Діаметр зірки зростає, а середня щільність падає. Завдяки зростанню площі випромінюючої поверхні, повільно зростає також її повна світність, хоча температура поверхні зірки падає. Зірка перетворюється на червоного гіганта. У якийсь момент часу температура і тиск всередині гелієвого ядра виявляються достатніми для початку наступних реакцій синтезу більш важких елементів - вуглецю і кисню з гелію, а на наступному етапі і ще більш важких. У надрах зірки можуть утворитися з водню і гелію багато елементів Періодичної системи, але тільки аж до елементів групи заліза, що володіє найбільшою енергією зв'язку, що припадає на одну частинку. Більш важкі елементи утворюються в інших більш рідкісних процесах, а саме при вибухах наднових зірок і частково нових, і тому в природі їх мало.
Відзначимо цікаве, парадоксальне, на перший погляд, обставина. Поки поблизу центру зірки йде горіння водню, температура там не може піднятися до порога гелієвої реакції. Для цього необхідно, щоб горіння припинилося, і ядро зірки початок остигати! Холонуче ядро зірки стискається, при цьому підвищується напруженість поля тяжіння і виділяється гравітаційна енергія, яка нагріває речовина. При підвищеної напруженості поля необхідна більш висока температура, щоб тиск могло протистояти стисненню, і гравітаційної енергії виявляється достатньо, щоб забезпечити цю температуру. Аналогічний парадокс ми маємо при зниженні космічного апарату: щоб перевести його на більш низьку орбіту, його треба пригальмувати, але при цьому він виявляється ближче до Землі, де сила тяжіння більше, і швидкість його зросте. Остигання збільшує температуру, а гальмування збільшує швидкість! Такими удаваними парадоксами сповнена природа, і далеко не завжди можна довірятися «здоровому глузду».
Після початку горіння гелію витрачання енергії йде дуже швидкими темпами, так як енергетичний вихід усіх реакцій з важкими елементами набагато нижче, ніж при реакції горіння водню і, крім того, загальна світність зірки на цих етапах значно зростає. Якщо водень горить мільярди років, то гелій мільйони, а всі інші елементи - не більше тисяч років. Коли в надрах зірки всі ядерні реакції затухають, ніщо вже не може перешкоджати її гравітаційного стиску, і воно відбувається катастрофічно швидко (як кажуть, колапсує). Верхні шари падають до центру з прискоренням вільного падіння (величина його на багато порядків перевершує земне прискорення падіння через неспівставною різниці мас), виділяючи величезну гравітаційну енергію. Речовина стискається. Частина його, переходячи в нове стан високої щільності, утворює зірку-залишок, а частина (звичайно велика) викидається в простір у вигляді відбитої ударної хвилі з величезною швидкістю. Відбувається вибух наднової зірки. (Крім гравітаційної енергії в кінетичну енергію ударної хвилі вносить свій внесок і термоядерна Догорание частини залишився в зовнішніх шарах зірки водню, коли падає газ стискається поблизу зоряного ядра-відбувається вибух грандіозною «водневої бомби»).
На якій стадії еволюції зірки зупиниться стиснення і що буде являти собою залишок наднової, всі ці варіанти залежать від її маси. Якщо ця маса менше 1,4 сонячної, це буде білий карлик, зірка з густиною 10 9 кг / м 3, повільно остигають без внутрішніх джерел енергії. Від подальшого стиснення її утримує тиск виродженого електронного газу. При більшій масі (приблизно до 2,5 сонячної) утворюється нейтронна зірка (їх існування передбачене великим радянським фізиком, нобелівським лауреатом Левом Ландау) з щільністю приблизно рівною щільності атомного ядра. Нейтронні зірки були відкриті як так звані пульсари. При ще більшій вихідної масі зірки утворюється чорна діра - нестримно стискується об'єкт, який не може залишити жоден об'єкт, навіть світло. Саме при вибухах наднових відбувається утворення елементів важче заліза, для яких потрібні надзвичайно щільні потоки частинок високої енергії, щоб були досить вірогідні багаточастинкові зіткнення. Все матеріальне в цьому світі є нащадками наднових, в тому числі і люди, оскільки атоми, з яких ми складаємося, виникли колись при вибухах наднових.
Таким чином, зірки є не лише потужним джерелом енергії високої якості, розсіювання якої сприяє виникненню складних структур, які включають і життя, але і реакторами, в яких проводиться вся таблиця Менделєєва - необхідний матеріал для цих структур. Вибух закінчуючої своє життя зірки викидає в простір величезну кількість різноманітних елементів важче водню й гелію, які змішуються з галактичним газом. За час життя Всесвіту закінчили своє життя дуже багато зірок. Усі зірки типу Сонця і більш масивні, що виникли з первинного газу, вже пройшли свій життєвий шлях. Так що зараз Сонце і йому подібні зірки - це зірки другого покоління (а може бути, і третього), істотно збагачені важкими елементами. Без такого збагачення навряд чи біля них могли б виникнути планети земного типу і життя.
Наведемо інформацію про поширеність деяких хімічних елементів у Всесвіті:
| Атоми | Відносний вміст атомів | Атоми | Відносний вміст атомів |
| Водень Гелій Літій Вуглець Азот Кисень Неон | 10000 000 1400000 0,003 3000 910 6800 2800 | Натрій Магній Алюміній Фосфор Калій Аргон Кальцій Залізо | 17 290 19 3 0,8 42 17 80 |
Планетна хімічна еволюція.
Розглянемо процес хімічної еволюції на Землі. Первинна атмосфеpa Землі містила в основному найпростіші сполуки водню Н 2, H 2 О, NH 3, CH 4. Крім цього, атмосфера була багата інертними газами, перш за все гелієм і неоном. В даний час велика кількість благородних газів на Землі мізерно мало, що означає, що вони свого часу дисонували в міжпланетний простір. Наша сучасна атмосфера має вторинне походження. Перший час хімічний склад атмосфери мало відрізнявся від первинної. Після утворення гідросфери з атмосфери практично зник аміак NH 3, що розчинився у воді, атомарний і молекулярний водень випарувався в міжпланетний простір, атмосфера була насичена переважно азотом N. Насичення атмосфери киснем відбувалося поступово, спочатку завдяки дисоціації молекул води ультрафіолетовим випромінюванням Сонця, потім, і головним чином, завдяки фотосинтезу рослин.
Не виключено, що певну кількість органічних речовин було принесено на Землю при падінні метеоритів і, можливо, навіть комет. Наприклад, в кометах присутні такі сполуки, як N, NH 3, CH 4 і ін Відомо, що вік земної кори приблизно дорівнює 4,5 млрд. років. Є також геологічні та геохімічні дані, які вказують на те, що вже 3,5 млрд. років тому земна атмосфера була багата киснем. Таким чином, первинна атмосфера Землі існувала не більше 1 млрд. років, а життя виникла, ймовірно, навіть раніше.
В даний час накопичений значний експериментальний матеріал, який ілюструє, яким чином такі прості речовини, як вода, метан, аміак, окис вуглецю, амонійні і фосфатні сполуки перетворюються на високоорганізовані структури, що є будівельними цеглинками клітини. Американські вчені Кельвін, Міллер і Юрі провели ряд дослідів, в результаті яких було показало, як в первинній атмосфері могли виникнути амінокислоти. Вчені створили суміш газів - метану СН4, молекулярного водню Н 2, аміаку NH 3 і парів води Н 2 O, що моделює складу первинної атмосфери Землі. Через ату суміш пропускали електричні розряди, в результаті у вихідній суміші газів були виявлені гліцин, аланін і інші амінокислоти. Ймовірно, істотний вплив на хімічні реакції в первинній атмосфері Землі справляло Сонце своїм ультрафіолетовим випромінюванням, яке не затримувалося в атмосфері у зв'язку з відсутністю озону.
Важливе значення на хімічну еволюцію надали не тільки електричні розряди і ультрафіолетове випромінювання Сонця, але і вулканічне тепло, ударні хвилі, радіоактивний розпад калію К (частка енергії розпаду калію приблизно 3 млрд. років тому на Землі була другою, після енергії ультрафіолетового випромінювання Сонця). Наприклад, гази, що виділяються з первинних вулканів (O 2, СО, N 2, Н 2 O, Н 2, S, H 2 S, СН 4, SО 2), при впливі різних видів енергії реагують з утворенням різних малих органічних сполук, типу: ціаністий водень HCN, мурашина кислота HCO 2 H, оцтова кислота H 3 CO 2 H, гліцин H 2 NCH 2 CO 2 H і т. д. Надалі, знову ж таки при впливі різних видів енергії, малі органічні сполуки реагують з утворенням більш складних органічних сполук: амінокислоти
Таким чином, на Землі були умови для утворення складних органічних сполук, необхідних для створення клітини.
В даний час ще немає єдиної логічно послідовної картини, як з первинною «суперкаплі матерії» під назвою Всесвіт після Великого Вибуху виникло життя. Але вже багато елементів цієї картини вчені представляють і вважають, що так все і відбувалося насправді. Одним з елементів цієї єдиної картини еволюції є хімічна еволюція. Мабуть, хімічна еволюція - це один з аргументованих елементів єдиної картини еволюції хоча б тому, що допускає експериментальне моделювання хімічних процесів (чого, наприклад, не можна зробити щодо умов, аналогічних тим, що були поблизу «великого вибуху»). Хімічна еволюція простежується аж до елементарних цеглинок живої матерії: амінокислот, нуклеїнових кислот.
2. Донаучний етап хімії - реміснича хімія і алхімія античності та середньовіччя
У попередньому пункті було розказано про те, як відбувалася природна хімічна еволюція в надрах зірок, космічному просторі і на нашій планеті, тепер треба розглянути, як відбувалася еволюція поглядів людей на пізнання сутності хімічних елементів і перетворення речовини. Так само, як і в пізнанні фізичного устрою світу, слід розрізняти два етапи цієї еволюції - перший донаукових, що йде з давніх часів, і другий - науковий, що виник в Новий час, як і вся сучасна наука.
Перший донаукових етап хімії відомий під назвою алхімія, що прийшов до нас (до західноєвропейцям) від арабів, а до них від греків (еллінів античних часів), а до греків від єгиптян, в результаті перетворення єгипетського слова «хеми» в «альхімія», з подальшої транскрипцією в європейських мовах в слово «алхімія».
Таким чином, абсолютно прозоро виділяються три основні періоди у розвитку алхімії: єгипетсько-грецький, арабський і західно-європейський.
Алхімія (від пізньолат. Alchymia, alchimia, через араб, алькімія, можливо, від грец. Chymeia, chemeia - мистецтво виплавки металів, або chyma - рідина, лиття, або від Хемія (грец. Chemia) - одна з назв Стародавнього Єгипту, від давньоєгипетського хам, Хамі - чорний, буквально - чорна країна, країна чорної землі), поряд з іншими, таємними, окультними науками (астрологією і каббалой) явище культури, супутнє протягом більше 1,5 тисяч років різним епохам (еллінізм, європейське середньовіччя, Відродження). Алхімія зв'язується зі спробами отримати вчинені метали (золото, срібло) з металів недосконалих, тобто з ідеєю трансмутації (перетворення) металів за допомогою гіпотетичного речовини - «філософського каменя» або еліксиру. Мета алхімії, в період II-XI ст., Не утилітарна, а глобальна, спрямована на побудову особливої Всесвіту, виражена в специфічних образах - поняттях, таких як «філософський камінь», цілющі панацеї, алкагест - універсальний розчинник, гомункул - штучна людина. Вона здійснює тим самим єднання мікро-і макрокосмосу, співвідносячи духовне і природне, вселенське і людське на шляху до знання. У період середньовіччя і пізніше, у взаємодії з умоглядним пріродознаніем і хімічним ремеслом, алхімія поступово трансформується в наукову хімію.
В античний час робляться перші спроби пояснити походження властивостей речовин. Одна з найбільш значущих спроб - атомістична натурфілософія Демокріта, що вводила атоми, що розрізняються за розміром, формою, положенням, а звідси і потужне різноманітність речовин. Навпаки, Емпідокла і Аристотель виходили з антіатомістіческой концепції і пояснювали все видиме різноманітність тел шляхом поєднання в них різних елементів: стихій або першоелементів; властивостей, таких як тепла і холоду, вологості та сухості та ін Однак успіху це не принесло, так як натурфілософія і реміснича хімія існували роздільно.
Дещо пізніше, вже у Стародавньому Єгипті (III-IV століття до н. Е..), Були відомі способи виробництва металів і сплавів семи відомих на той час металів: золота, срібла, міді, заліза, свинцю, олова і ртуті. Найбільшою цінністю мало, звичайно, золото, отримання якого з інших металів стало однією з головних цілей алхімії, поряд з пошуками «магістер», створення «еліксиру життя», який давав безсмертя, і універсального розчинника. Фактично вважалося, що всі ці функції може виконати просто якийсь камінь - еліксир, що одержав у європейців назва «філософський камінь».
У арабів ж це зумовило два шляхи розвитку алхімії: пошуки трансмутацій золота та пошуку еліксиру життя. На кожному з цих напрямків були досягнуті великі успіхи в пізнанні хімічних перетворень.
Проникнення алхімії до Європи стало можливим завдяки Хрестовим походам (1096-1270 рр..) На Близький Схід (в Сирію, Палестину, Північну Африку), організованим західноєвропейськими феодалами і католицькою церквою під прапором боротьби проти «невірних» (мусульман), звільнення гробу Господнього і Святої землі (Палестини). Європейська алхімія перебувала в цей початковий період під заступництвом астрології, у зв'язку з чим набула характеру таємницею науки, втім, такою ж вона була і в єгиптян. У кінцевому підсумку розвиток алхімії виразилося у відкритті або удосконалень (в процесі пошуку чудодійних засобів) способів отримання практичних цінних продуктів (мінеральної та рослинної фарби, скла, емалі, металевих сплавів, кислоти, луги, солі), а також у розробці деяких прийомів лабораторної техніки .
3. Головне завдання хімії та основні етапи її розвитку
Все зазначене вище і в розділі 2 підготувало відповідні умови для дослідження хімічних сполук, їх застосування в медицині, в практичній науці і визначило виникнення наукової хімії. З цього моменту, приблизно з 60-х років XVII століття, хімія визначилася у своїй головній меті, породила і пережила до теперішнього часу, до початку XXI століття, чотири концептуальні системи.
Наш великий хімік Дмитро Іванович Менделєєв (1834-1907), називав хімію «наукою про хімічні елементи і їх з'єднаннях»; інші визначають її як «науку про речовини та їх перетворення» або як «науку, що вивчає процеси якісного перетворення речовин», і т . д. Мабуть, всі ці визначення правильні, так що можна погодитися і з таким, найбільш повним: «хімія - наука, що вивчає властивості і перетворення речовин, що супроводжуються зміною їх складу та будови».
Хімія, а точніше хіміки, завжди ставили своєю головною практичною метою отримувати з природних речовин по можливості всі необхідні метали і кераміку, вапно і цемент, скло і бетон, барвники та ліки, вибухові речовини і паливно-мастильні матеріали, каучук і пластмаси, хімічні волокна і матеріали для електроніки із заданими властивостями. Це визначає головне завдання хімії - завдання одержання речовин з необхідними властивостями. Це завдання і наукова і виробнича, що визначає основну, можна сказати, двоєдину основну проблему хімії: 1. Отримання речовин із заданими властивостями як виробнича, практичне завдання; 2. Виявлення способів керування властивостями речовин як завдання науково-дослідницька.
Вирішення цих проблем здійснювалося в чотири основних етапи, породивши відповідні чотири концептуальні системи в розвитку хімії з XVII століття по теперішній час.
Перша концептуальна система почалася з праць Роберта Бойля (1627-1691 рр.). Вивченням хімічних елементів і певною мірою завершилася створенням Періодичної таблиці елементів Д. І. Менделєєва в 1869 р. Ця система дала елементний склад речовини.
Друга концептуальна система пізнання хімічних властивостей речовини дозволила встановити їх структуру і визначила розвиток структурної хімії приблизно з кінця XVIII століття.
Третя концептуальна система - дітище середини XX століття, встановила особливості перебігу хімічних реакцій, дозволила створити основи великомасштабних хімічних технологій.
Четверта концептуальна система розвивається останні 25-30 років, пов'язана з глибоким і всебічним вивченням природи реагентів, ролі каталізаторів в хімічних реакціях. Ця система отримала назву еволюційна хімія і у своїх найпростіших проявах дає нам приклади самоорганізації та саморозвитку, що визначили початок передбіологічній еволюції як основи зародження життя.
4. Концепції хімії про елементи і періодичний закон Менделєєва хімічних елементів
Уявлення про хімічних елементах виникає при спробах встановити склад речовини. Найпростішою процедурою для цього є хімічне розкладання або хімічний аналіз, в результаті якого виходять речовини, що не піддаються подальшому розкладанню. Ці речовини і є хімічні елементи, спочатку називалися «простими тілами», на відміну від «складних тіл», що складаються з декількох простих тіл. Вирішальне значення в хімії елементів відіграло відкриття кисню, в результаті чого була спростована побутувала до того гіпотеза про флогістон - деякому «невагомому тілі». Поступово хімікам стали відомі, поряд з уже відомими алхімікам семи металами, також водень, азот, сірка, фосфор, вуглець, а Д. І. Менделєєву на 1869 р. були відомі вже 62 елемента. У ці ж роки паралельно вирішувалася інша, не менш важлива проблема, проблема хімічної сполуки. Першим почав вирішувати її німецький хімік Єремія Ріхтер, який відкрив у результаті закони стехіометрії й увів поняття еквівалентів та еквівалентного ваги. Чудовий французький хімік Ж. Пруст першим в 1801-1808 рр.. встановив закон сталості складу речовини, згідно з яким будь-яка індивідуальна хімічна сполука має строго певним, незмінним складом і тим самим відрізняється від сумішей. Точна його сучасне формулювання така: всяке чиста речовина незалежно від його походження і способу одержання має один і той же склад. Теоретично обгрунтував цей закон Пруста і встановив в 1803 р. інший, не менш важливий закон, закон кратних відносин, англійський хімік і фізик, фактичний творець хімічного атомізму Дж. Дальтон. (Він же першим описав дефект зору, яким страждав сам і який одержав пізніше назву дальтонізм). Закон кратних відносин Дальтона говорить: якщо певна кількість одного елемента вступає в з'єднання з іншим елементом в декількох вагових відносинах, то кількості першого і другого елементів відносяться між собою як цілі числа. Після праць Берцеліуса, Гей-Люссака і Лібіха цей закон став одним з найбільш фундаментальних законів хімії. Дальтон ввів в хімію таке, як виявилося, основоположне поняття як атомна вага, яка відіграла в багатьох випадках вирішальну роль. Так, наприклад, його роль у пошуках системно утворює і системно упорядочивающего чинників у проблемі елементів, що вживаються протягом століття з часу відкриття кисню англійцем Дж. Прістлі, шведом К. Шеєле і французом А. Л. Лавуазьє, виявилася вирішальною й вдалася великому російському хіміку Д. І. Менделєєва.
У якості системного чинник він встановив саме атомна вага, який впорядковує хімічні елементи у періодичний закон. Дослідження цього періодичного закону, або періодичної таблиці елементів, через 70 років після Менделєєва вже у квантовій механіці, показало, що індивідуальні властивості і положення кожного з елементів у таблиці визначаються, насправді, не атомною вагою, а електричним зарядом атомного ядра. Крім того, виявилося, що атомів одного і того ж елемента, наприклад, хлору, може бути два, що розрізняються по атомній вазі, але мають один і той же ядерний заряд. Такі розрізняються по масі елементи стали називати ізотопами. Всього ж різних елементів до початку XXI століття відомо 118. Поширеність же елементів різна. Так, встановлено, що у складі земної кори, морської води й атмосфери міститься приблизно 49,5% - кисню, 25,3% - кремнію, 7,5% - алюмінію, 5,1% - заліза, 3,4% - кальцію , 2,6% - натрію, 2,4% - калію, 1,9% - магнію, 0,9% - водню, інших же елементів менше 1%. У цьому останньому відсотку прихована і частка вуглецю, основи життя на Землі.
З елементів, зазначених вище, людство особливо інтенсивно використовує метали та кераміки, що виготовляються на основі кремнію. Передбачається, що в недалекому майбутньому основними матеріалами стануть кераміки, а також елементоорганіческіе з'єднання, що використовують у своєму синтезі рідко поширені, а тому дорогі такі елементи, як цирконій, титан, бор, германій, хром, молібден, вольфрам і ряд рідкоземельних елементів.
5. Концепції структури хімічних сполук (структурної хімії)
Концепції структурної хімії грунтуються на концепції атомістики, відродженої англійцем Дж. Дальтон, на вченні шведа Йенса Берцеліуса, пізніше детально розроблених і уточнених німецьким хіміком Ф. Кекуле і нашим видатним співвітчизником А. М. Бутлеров. Берцеліуса цікавило питання про впорядкованості або свавілля в об'єднанні атомів у молекулах, на шляхах вирішення якого він розробив нову теорію будови хімічної речовини, а також справив таке точне вимірювання атомних ваг елементів, що вони практично збігаються з сучасними даними. Символіка хімічних елементів, формули з'єднань і хімічних рівнянь також запропоновані Берцелиусом в 1814 р. Як символ елементу він запропонував приймати першу літеру його латинського або грецького назви. У тих випадках, коли елементи починаються з одних і тих же букв, до них додається друга літера назви. Берцеліус запропонував всі речовини розділити на органічні та неорганічні.
Але головне, що необхідно знати, так це те, що Берцеліус висунув гіпотезу, згідно з якою всі атоми хімічних елементів мають різної електра негативним і, об'єднуючись між собою в молекули, не компенсують повністю свої заряди, залишаючись електра зарядженими. Так було закладено підвалини поняття «структура» і «електрохімія».
Подальший розвиток теорія Берцеліуса отримала в роботах німецького хіміка Ф. Кекуле. Він сформував основні положення теорії валентності, обгрунтував наявність для вуглецю чотирьох одиниць спорідненості, а для азоту, кисню і водню відповідно трьох, двох і однієї. Згодом, через кілька десятиліть, у квантовій механіці все це отримало пояснення. Число одиниць спорідненості, притаманне атому того чи іншого елемента, отримало назву «валентність». Об'єднання атомів в молекулу відбувається в результаті замикання вільних одиниць спорідненості (валентності). Так утворюються найпростіші молекули начебто молекул водню, води, і так само утворюються дуже важливі в органіці вуглець вуглецеві ланцюги. Комбінуючи атоми різних елементів, можна створити структури (структурні формули) будь-якого хімічної сполуки. Але не кожна з формул, яка може бути записана, здійснюється в природі.
Заслугою теорії валентності Кекуле стало подання про атомну структуру спочатку вуглеводнів, а потім і для інших органічних сполук. Дещо пізніше, в 1874 р., датський хімік Я. Г. Вант-Гофф висунув сміливе припущення, згідно з яким чотири зв'язку атома вуглецю спрямовані до вершин тетраедра, в центрі якого знаходиться цей атом. Так в хімії виникли і стали зміцнюватися просторові моделі молекул, після чого почався бурхливий розвиток структурної хімії.
Російський хімік А. М. Бутлеров показав, що необхідно враховувати, крім методики складання формул по Кекуле, ще так звану хімічну активність реагентів. Ідеї Бутлерова блискуче підтвердилися квантовою механікою, так що, відповідно до сучасних поглядів, структура молекул - це просторова і енергетична впорядкованість системи, що складається з атомних ядер і електронів. Головне, чому сприяли вчення Кекуле і Бутлерова, так це синтезу спочатку найпростіших, а потім і більш складних вуглеводнів. Але, разом з тим, структурна хімія не змогла вирішити проблеми отримання етилену, бензолу, ацетилену, дефініцій (необхідного при виробництві каучуку) та інших вуглеводнів з ланцюжком з чотирьох атомів вуглецю. Вирішення цієї проблеми вимагало нафтохімічне виробництво, і воно виявилося можливим в третій з вказаних нами концептуальних хімічних систем, за допомогою хімічної кінетики і термодинаміки. Іншими великими недоліками органічного синтезу є низькі виходи продуктів, великі побічні відходи, але особливо використання дорогої сировини сільськогосподарського виробництва - зерна, жирів, молочних продуктів.
6. Концепції та закони хімічних процесів (реакцій)
Третя концептуальна система в хімії виникла на стику хімії, фізики та відкриває шляхи до розуміння біологічних систем. Хімічний процес у цій концепції - це міст від об'єктів фізики до об'єктів біології, тому що виникає можливість послідовно простежити шлях від простих мікрооб'єктів, таких як електрон, протон, атом, молекула і полімер, в кінцевому підсумку до біополімери, до клітки, у якій відбуваються неможливі хімічні реакції.
Перебіг багатьох хімічних реакцій дуже складно, а іноді просто трудноуправляемо: одні з них чомусь неможливі, інші неможливо або складно зупинити (горіння, вибух), треті гілкуються і т. п. Методи управління хімічними реакціями поділяються на термодинамічні та кінетичні, при яких чільну роль відіграють ті чи інші каталізатори.
Кожна хімічна реакція оборотна. Оборотність служить підставою рівноваги між прямою і оборотної реакціями. У залежності від природи реагентів та умов процесу, рівновага може зміщуватися в пряму або у зворотний бік зміною температури, тиску та концентрації реагентів. Підібрати, однак, умови здійснення тих чи інших, на перший погляд простих, реакцій, іноді не вдавалося протягом ста і більше років. Такий реакцією виявилася реакція синтезу аміаку з молекулярних азоту і водню, вперше успішно здійснена в 1913 р., після відкриттів Я. Вант-Гоффом і А. Ле Шательє принципу, що отримав їх імена. Згідно з цим принципом будь-яка зміна однієї з умов рівноваги викликає зсув системи в такому напрямку, який зменшує початкове зміна. Виявилося, що аміак може синтезуватися у присутності металоорганічного каталізатора (спочатку спеціально обробленого заліза) при високому тиску й нормальній температурі.
Термодинамічне вплив робить вплив на спрямованість реакції, а ось функції управління швидкістю хімічною реакцією виконує хімічна кінетика, прискорюючи або сповільнюючи реакції за допомогою каталізаторів та інгібіторів, відповідно. Хімічний каталіз був відкритий в 1812 р. російським хіміком Костянтином Кірхгофа (не плутати з німецьким фізиком Густавом Кірхгофа, що встановив закони для електричного кола, першовідкривачем спектроскопії разом з Р. Бунзеном і т. д.). Серед каталізаторів особлива роль належить ферментам, своєрідним живим каталізаторів, що зіграв ключову роль у виникненні життя.
7. Концепції та принципи еволюційної хімії та самоорганізації еволюційних хімічних систем
Система та концепції еволюційної хімії стали формуватися в 60-70-ті роки XX століття і в своїй основі відповідають давньої мрії хіміків освоїти і перейняти досвід лабораторії живого організму, зрозуміти, як з неорганічної (відсталої) матерії виникає органічна, а потім і жива речовина - життя. Тут знову можна згадати І. Берцеліуса, а додатково німця Ю. Лібіха, француза М. Бертло.
Наш видатний хіміко-фізик, Нобелівський лауреат з хімії Микола Миколайович Семенов представляв хімічні процеси в тканинах рослин і тварин як хімічне виробництво живої природи, як виробництво якихось «молекулярних машин» цілком виняткової точності, швидкості і надзвичайного досконалості. Це підтверджується відкритим нещодавно синтезом великих білкових молекул із суворим чергуванням амінокислот. Клітини мають у своєму складі субмікроскпіческіе «збірні заводики» - рибосоми, що містять РНК (РНК), як збірні «машини». Кожен вид коротких молекул транспортних РНК захоплює один певний вид амінокислот, несе їх у рибосому і ставить кожну амінокислоту на своє місце згідно з інформацією, що міститься в молекулах РНК. Тут же до амінокислот підходять каталізатори-ферменти і здійснюють «зшивання» амінокислот в одну молекулу білка з суворим чергуванням. Це справжній природний завод, який будує молекулу за планом, виробленому організмами в процесі еволюції. Ось ці плани живих організмів і передбачається використовувати в новій еволюційної хімії.
А починалося це напрям в працях великого французького біолога Луї Пастера при дослідженні процесу бродіння, здійснюваного діяльністю молочнокислих бактерій. Зі своїх спостережень Пастер зробив висновок про особливий рівень матеріальної організації ферментів, що в кінцевому підсумку призвело до створення такої науки, як ферментологія, до успіхів еволюційного каталізу і молекулярної біології. Так було встановлено, що склад і структура біополімерів мають єдиний набір для всіх живих організмів і що одні і ті ж фізичні і хімічні закони управляють як абіогенним процесами, так і процесами життєдіяльності. Крім того, була доведена унікальна специфічність живого, що виявляється не тільки на вищих рівнях організації клітини, а й у поведінці фрагментів живих організмів на молекулярному рівні, на якому також діють закономірності інших рівнів.
Специфіка молекулярного рівня живих і неживих систем - в істотному розходженні принципів дії ферментів та каталізаторів, у відмінності механізмів утворення полімерів та біополімерів. Структура зазначених полімерів визначається тільки генетичним кодом (сьогодні точно відомим науці), і, нарешті, в такому вражаючому факт, що багато хімічних реакцій окисно-відновного характеру можуть відбуватися в клітці без безпосереднього контакту між реагують молекулами. Таким чином, в живих організмах можуть відбуватися і відбуваються такі хімічні перетворення, які, здавалося б, неможливо було зустріти в неживій природі. Але поступово вони стали доступні хімікам, коли вдалося освоїти каталітичний досвід природи, живої клітини.
Факт того, що ферментний каталіз грав вирішальну, фундаментальну роль у процесі переходу від хімічних систем до систем біологічним, тобто на пред біологічної стадії еволюції, в даний час підтверджується багатьма даними. Виключно важливу роль зіграла реакція по самоорганізації хімічних систем, проведена видатним радянським біохіміком Борисом Павловичем Бєлоусовим, потім ретельно вивчена А. М. Жаботинським, що увійшла в арсенал сучасної еволюційної хімії під назвою реакції Бєлоусова-Жаботинського. Ця реакція супроводжується утворенням специфічних просторових і часових структур (наприклад, періодичне чергування кольору рідини) за рахунок надходження нових і видалення використаних хімічних реагентів. Ось у цих реакціях самоорганізації як раз вирішальна роль належить саме каталітичним процесам.
Поняття «самоорганізації» (детальніше див в гол. 12) означає упорядкованість існування матеріальних динамічних, якісно змінюються систем. Роль каталітичних процесів у них посилюється в міру ускладнення складу і структури хімічних систем. Відрадно, що визначальне значення в дослідженні цього плану зіграли роботи вітчизняних вчених І. В. Березіна, О. А. Баландіна і особливо А. П. Руденко, який створив у 1964-1969 рр.. єдину теорію хімічної еволюції і біогенезу. Ця теорія вирішує в комплексі питання про рушійні сили та механізми еволюційного процесу, тобто про закони хімічної еволюції, відборі елементів і структур та їх причинної зумовленості, рівні хімічної організації та ієрархії хімічних систем як слідства еволюції. Сутність теорії Руденко полягає в утвердженні та обгрунтуванні принципу того, що хімічна еволюція являє собою саморозвиток відкритих каталітичних систем, і, отже, еволюціонуючим речовиною є каталізатори. У ході реакцій відбувається природний відбір тих каталітичних центрів, які володіють найбільшою активністю.
Олександр Прокопович Руденко сформулював основний закон хімічної еволюції, згідно з яким з найбільшою швидкістю і ймовірністю утворюються ті шляхи еволюційних змін каталізатора, на яких відбувається максимальне збільшення його абсолютної активності.
Слід також зазначити, що еволюційний процес передбачає особливий диференційований відбір лише тих хімічних елементів і сполук, які є основним будівельним матеріалом для утворення біологічних систем. У зв'язку з цим досить згадати, що більш ніж зі ста хімічних елементів лише шість - вуглець, водень, кисень, азот, фосфор і сірка - загальна вагова частка яких в організмах складає 97,4%, що одержали назву органо-або біогенів, служать основою для побудови живих систем.
Список літератури:
1. Горохів В.Г. Концепції сучасного природознавства. - М., 2003. - 412 с.
2. Стьопін В.С., Горохів В.Г., Розов М.А. Філософія науки і техніки. - М., 1995. - 384 с.
3. Крюков Р. В. Концепції сучасного природознавства (конспект лекцій). - М., 2005. - 176 с.
4. Галімов Е.М. Феномен життя: між рівновагою і нелінійністю. Походження і принципи еволюції. - М., 2001. - 256 с.
5. Князєва О.М., Курдюмов С.П. Закони еволюції і самоорганізації складних систем. - М., 1994.
В даний час ще немає єдиної логічно послідовної картини, як з первинною «суперкаплі матерії» під назвою Всесвіт після Великого Вибуху виникло життя. Але вже багато елементів цієї картини вчені представляють і вважають, що так все і відбувалося насправді. Одним з елементів цієї єдиної картини еволюції є хімічна еволюція. Мабуть, хімічна еволюція - це один з аргументованих елементів єдиної картини еволюції хоча б тому, що допускає експериментальне моделювання хімічних процесів (чого, наприклад, не можна зробити щодо умов, аналогічних тим, що були поблизу «великого вибуху»). Хімічна еволюція простежується аж до елементарних цеглинок живої матерії: амінокислот, нуклеїнових кислот.
2. Донаучний етап хімії - реміснича хімія і алхімія античності та середньовіччя
У попередньому пункті було розказано про те, як відбувалася природна хімічна еволюція в надрах зірок, космічному просторі і на нашій планеті, тепер треба розглянути, як відбувалася еволюція поглядів людей на пізнання сутності хімічних елементів і перетворення речовини. Так само, як і в пізнанні фізичного устрою світу, слід розрізняти два етапи цієї еволюції - перший донаукових, що йде з давніх часів, і другий - науковий, що виник в Новий час, як і вся сучасна наука.
Перший донаукових етап хімії відомий під назвою алхімія, що прийшов до нас (до західноєвропейцям) від арабів, а до них від греків (еллінів античних часів), а до греків від єгиптян, в результаті перетворення єгипетського слова «хеми» в «альхімія», з подальшої транскрипцією в європейських мовах в слово «алхімія».
Таким чином, абсолютно прозоро виділяються три основні періоди у розвитку алхімії: єгипетсько-грецький, арабський і західно-європейський.
Алхімія (від пізньолат. Alchymia, alchimia, через араб, алькімія, можливо, від грец. Chymeia, chemeia - мистецтво виплавки металів, або chyma - рідина, лиття, або від Хемія (грец. Chemia) - одна з назв Стародавнього Єгипту, від давньоєгипетського хам, Хамі - чорний, буквально - чорна країна, країна чорної землі), поряд з іншими, таємними, окультними науками (астрологією і каббалой) явище культури, супутнє протягом більше 1,5 тисяч років різним епохам (еллінізм, європейське середньовіччя, Відродження). Алхімія зв'язується зі спробами отримати вчинені метали (золото, срібло) з металів недосконалих, тобто з ідеєю трансмутації (перетворення) металів за допомогою гіпотетичного речовини - «філософського каменя» або еліксиру. Мета алхімії, в період II-XI ст., Не утилітарна, а глобальна, спрямована на побудову особливої Всесвіту, виражена в специфічних образах - поняттях, таких як «філософський камінь», цілющі панацеї, алкагест - універсальний розчинник, гомункул - штучна людина. Вона здійснює тим самим єднання мікро-і макрокосмосу, співвідносячи духовне і природне, вселенське і людське на шляху до знання. У період середньовіччя і пізніше, у взаємодії з умоглядним пріродознаніем і хімічним ремеслом, алхімія поступово трансформується в наукову хімію.
В античний час робляться перші спроби пояснити походження властивостей речовин. Одна з найбільш значущих спроб - атомістична натурфілософія Демокріта, що вводила атоми, що розрізняються за розміром, формою, положенням, а звідси і потужне різноманітність речовин. Навпаки, Емпідокла і Аристотель виходили з антіатомістіческой концепції і пояснювали все видиме різноманітність тел шляхом поєднання в них різних елементів: стихій або першоелементів; властивостей, таких як тепла і холоду, вологості та сухості та ін Однак успіху це не принесло, так як натурфілософія і реміснича хімія існували роздільно.
Дещо пізніше, вже у Стародавньому Єгипті (III-IV століття до н. Е..), Були відомі способи виробництва металів і сплавів семи відомих на той час металів: золота, срібла, міді, заліза, свинцю, олова і ртуті. Найбільшою цінністю мало, звичайно, золото, отримання якого з інших металів стало однією з головних цілей алхімії, поряд з пошуками «магістер», створення «еліксиру життя», який давав безсмертя, і універсального розчинника. Фактично вважалося, що всі ці функції може виконати просто якийсь камінь - еліксир, що одержав у європейців назва «філософський камінь».
У арабів ж це зумовило два шляхи розвитку алхімії: пошуки трансмутацій золота та пошуку еліксиру життя. На кожному з цих напрямків були досягнуті великі успіхи в пізнанні хімічних перетворень.
Проникнення алхімії до Європи стало можливим завдяки Хрестовим походам (1096-1270 рр..) На Близький Схід (в Сирію, Палестину, Північну Африку), організованим західноєвропейськими феодалами і католицькою церквою під прапором боротьби проти «невірних» (мусульман), звільнення гробу Господнього і Святої землі (Палестини). Європейська алхімія перебувала в цей початковий період під заступництвом астрології, у зв'язку з чим набула характеру таємницею науки, втім, такою ж вона була і в єгиптян. У кінцевому підсумку розвиток алхімії виразилося у відкритті або удосконалень (в процесі пошуку чудодійних засобів) способів отримання практичних цінних продуктів (мінеральної та рослинної фарби, скла, емалі, металевих сплавів, кислоти, луги, солі), а також у розробці деяких прийомів лабораторної техніки .
3. Головне завдання хімії та основні етапи її розвитку
Все зазначене вище і в розділі 2 підготувало відповідні умови для дослідження хімічних сполук, їх застосування в медицині, в практичній науці і визначило виникнення наукової хімії. З цього моменту, приблизно з 60-х років XVII століття, хімія визначилася у своїй головній меті, породила і пережила до теперішнього часу, до початку XXI століття, чотири концептуальні системи.
Наш великий хімік Дмитро Іванович Менделєєв (1834-1907), називав хімію «наукою про хімічні елементи і їх з'єднаннях»; інші визначають її як «науку про речовини та їх перетворення» або як «науку, що вивчає процеси якісного перетворення речовин», і т . д. Мабуть, всі ці визначення правильні, так що можна погодитися і з таким, найбільш повним: «хімія - наука, що вивчає властивості і перетворення речовин, що супроводжуються зміною їх складу та будови».
Хімія, а точніше хіміки, завжди ставили своєю головною практичною метою отримувати з природних речовин по можливості всі необхідні метали і кераміку, вапно і цемент, скло і бетон, барвники та ліки, вибухові речовини і паливно-мастильні матеріали, каучук і пластмаси, хімічні волокна і матеріали для електроніки із заданими властивостями. Це визначає головне завдання хімії - завдання одержання речовин з необхідними властивостями. Це завдання і наукова і виробнича, що визначає основну, можна сказати, двоєдину основну проблему хімії: 1. Отримання речовин із заданими властивостями як виробнича, практичне завдання; 2. Виявлення способів керування властивостями речовин як завдання науково-дослідницька.
Вирішення цих проблем здійснювалося в чотири основних етапи, породивши відповідні чотири концептуальні системи в розвитку хімії з XVII століття по теперішній час.
Перша концептуальна система почалася з праць Роберта Бойля (1627-1691 рр.). Вивченням хімічних елементів і певною мірою завершилася створенням Періодичної таблиці елементів Д. І. Менделєєва в 1869 р. Ця система дала елементний склад речовини.
Друга концептуальна система пізнання хімічних властивостей речовини дозволила встановити їх структуру і визначила розвиток структурної хімії приблизно з кінця XVIII століття.
Третя концептуальна система - дітище середини XX століття, встановила особливості перебігу хімічних реакцій, дозволила створити основи великомасштабних хімічних технологій.
Четверта концептуальна система розвивається останні 25-30 років, пов'язана з глибоким і всебічним вивченням природи реагентів, ролі каталізаторів в хімічних реакціях. Ця система отримала назву еволюційна хімія і у своїх найпростіших проявах дає нам приклади самоорганізації та саморозвитку, що визначили початок передбіологічній еволюції як основи зародження життя.
4. Концепції хімії про елементи і періодичний закон Менделєєва хімічних елементів
Уявлення про хімічних елементах виникає при спробах встановити склад речовини. Найпростішою процедурою для цього є хімічне розкладання або хімічний аналіз, в результаті якого виходять речовини, що не піддаються подальшому розкладанню. Ці речовини і є хімічні елементи, спочатку називалися «простими тілами», на відміну від «складних тіл», що складаються з декількох простих тіл. Вирішальне значення в хімії елементів відіграло відкриття кисню, в результаті чого була спростована побутувала до того гіпотеза про флогістон - деякому «невагомому тілі». Поступово хімікам стали відомі, поряд з уже відомими алхімікам семи металами, також водень, азот, сірка, фосфор, вуглець, а Д. І. Менделєєву на 1869 р. були відомі вже 62 елемента. У ці ж роки паралельно вирішувалася інша, не менш важлива проблема, проблема хімічної сполуки. Першим почав вирішувати її німецький хімік Єремія Ріхтер, який відкрив у результаті закони стехіометрії й увів поняття еквівалентів та еквівалентного ваги. Чудовий французький хімік Ж. Пруст першим в 1801-1808 рр.. встановив закон сталості складу речовини, згідно з яким будь-яка індивідуальна хімічна сполука має строго певним, незмінним складом і тим самим відрізняється від сумішей. Точна його сучасне формулювання така: всяке чиста речовина незалежно від його походження і способу одержання має один і той же склад. Теоретично обгрунтував цей закон Пруста і встановив в 1803 р. інший, не менш важливий закон, закон кратних відносин, англійський хімік і фізик, фактичний творець хімічного атомізму Дж. Дальтон. (Він же першим описав дефект зору, яким страждав сам і який одержав пізніше назву дальтонізм). Закон кратних відносин Дальтона говорить: якщо певна кількість одного елемента вступає в з'єднання з іншим елементом в декількох вагових відносинах, то кількості першого і другого елементів відносяться між собою як цілі числа. Після праць Берцеліуса, Гей-Люссака і Лібіха цей закон став одним з найбільш фундаментальних законів хімії. Дальтон ввів в хімію таке, як виявилося, основоположне поняття як атомна вага, яка відіграла в багатьох випадках вирішальну роль. Так, наприклад, його роль у пошуках системно утворює і системно упорядочивающего чинників у проблемі елементів, що вживаються протягом століття з часу відкриття кисню англійцем Дж. Прістлі, шведом К. Шеєле і французом А. Л. Лавуазьє, виявилася вирішальною й вдалася великому російському хіміку Д. І. Менделєєва.
У якості системного чинник він встановив саме атомна вага, який впорядковує хімічні елементи у періодичний закон. Дослідження цього періодичного закону, або періодичної таблиці елементів, через 70 років після Менделєєва вже у квантовій механіці, показало, що індивідуальні властивості і положення кожного з елементів у таблиці визначаються, насправді, не атомною вагою, а електричним зарядом атомного ядра. Крім того, виявилося, що атомів одного і того ж елемента, наприклад, хлору, може бути два, що розрізняються по атомній вазі, але мають один і той же ядерний заряд. Такі розрізняються по масі елементи стали називати ізотопами. Всього ж різних елементів до початку XXI століття відомо 118. Поширеність же елементів різна. Так, встановлено, що у складі земної кори, морської води й атмосфери міститься приблизно 49,5% - кисню, 25,3% - кремнію, 7,5% - алюмінію, 5,1% - заліза, 3,4% - кальцію , 2,6% - натрію, 2,4% - калію, 1,9% - магнію, 0,9% - водню, інших же елементів менше 1%. У цьому останньому відсотку прихована і частка вуглецю, основи життя на Землі.
З елементів, зазначених вище, людство особливо інтенсивно використовує метали та кераміки, що виготовляються на основі кремнію. Передбачається, що в недалекому майбутньому основними матеріалами стануть кераміки, а також елементоорганіческіе з'єднання, що використовують у своєму синтезі рідко поширені, а тому дорогі такі елементи, як цирконій, титан, бор, германій, хром, молібден, вольфрам і ряд рідкоземельних елементів.
5. Концепції структури хімічних сполук (структурної хімії)
Концепції структурної хімії грунтуються на концепції атомістики, відродженої англійцем Дж. Дальтон, на вченні шведа Йенса Берцеліуса, пізніше детально розроблених і уточнених німецьким хіміком Ф. Кекуле і нашим видатним співвітчизником А. М. Бутлеров. Берцеліуса цікавило питання про впорядкованості або свавілля в об'єднанні атомів у молекулах, на шляхах вирішення якого він розробив нову теорію будови хімічної речовини, а також справив таке точне вимірювання атомних ваг елементів, що вони практично збігаються з сучасними даними. Символіка хімічних елементів, формули з'єднань і хімічних рівнянь також запропоновані Берцелиусом в 1814 р. Як символ елементу він запропонував приймати першу літеру його латинського або грецького назви. У тих випадках, коли елементи починаються з одних і тих же букв, до них додається друга літера назви. Берцеліус запропонував всі речовини розділити на органічні та неорганічні.
Але головне, що необхідно знати, так це те, що Берцеліус висунув гіпотезу, згідно з якою всі атоми хімічних елементів мають різної електра негативним і, об'єднуючись між собою в молекули, не компенсують повністю свої заряди, залишаючись електра зарядженими. Так було закладено підвалини поняття «структура» і «електрохімія».
Подальший розвиток теорія Берцеліуса отримала в роботах німецького хіміка Ф. Кекуле. Він сформував основні положення теорії валентності, обгрунтував наявність для вуглецю чотирьох одиниць спорідненості, а для азоту, кисню і водню відповідно трьох, двох і однієї. Згодом, через кілька десятиліть, у квантовій механіці все це отримало пояснення. Число одиниць спорідненості, притаманне атому того чи іншого елемента, отримало назву «валентність». Об'єднання атомів в молекулу відбувається в результаті замикання вільних одиниць спорідненості (валентності). Так утворюються найпростіші молекули начебто молекул водню, води, і так само утворюються дуже важливі в органіці вуглець вуглецеві ланцюги. Комбінуючи атоми різних елементів, можна створити структури (структурні формули) будь-якого хімічної сполуки. Але не кожна з формул, яка може бути записана, здійснюється в природі.
Заслугою теорії валентності Кекуле стало подання про атомну структуру спочатку вуглеводнів, а потім і для інших органічних сполук. Дещо пізніше, в 1874 р., датський хімік Я. Г. Вант-Гофф висунув сміливе припущення, згідно з яким чотири зв'язку атома вуглецю спрямовані до вершин тетраедра, в центрі якого знаходиться цей атом. Так в хімії виникли і стали зміцнюватися просторові моделі молекул, після чого почався бурхливий розвиток структурної хімії.
Російський хімік А. М. Бутлеров показав, що необхідно враховувати, крім методики складання формул по Кекуле, ще так звану хімічну активність реагентів. Ідеї Бутлерова блискуче підтвердилися квантовою механікою, так що, відповідно до сучасних поглядів, структура молекул - це просторова і енергетична впорядкованість системи, що складається з атомних ядер і електронів. Головне, чому сприяли вчення Кекуле і Бутлерова, так це синтезу спочатку найпростіших, а потім і більш складних вуглеводнів. Але, разом з тим, структурна хімія не змогла вирішити проблеми отримання етилену, бензолу, ацетилену, дефініцій (необхідного при виробництві каучуку) та інших вуглеводнів з ланцюжком з чотирьох атомів вуглецю. Вирішення цієї проблеми вимагало нафтохімічне виробництво, і воно виявилося можливим в третій з вказаних нами концептуальних хімічних систем, за допомогою хімічної кінетики і термодинаміки. Іншими великими недоліками органічного синтезу є низькі виходи продуктів, великі побічні відходи, але особливо використання дорогої сировини сільськогосподарського виробництва - зерна, жирів, молочних продуктів.
6. Концепції та закони хімічних процесів (реакцій)
Третя концептуальна система в хімії виникла на стику хімії, фізики та відкриває шляхи до розуміння біологічних систем. Хімічний процес у цій концепції - це міст від об'єктів фізики до об'єктів біології, тому що виникає можливість послідовно простежити шлях від простих мікрооб'єктів, таких як електрон, протон, атом, молекула і полімер, в кінцевому підсумку до біополімери, до клітки, у якій відбуваються неможливі хімічні реакції.
Перебіг багатьох хімічних реакцій дуже складно, а іноді просто трудноуправляемо: одні з них чомусь неможливі, інші неможливо або складно зупинити (горіння, вибух), треті гілкуються і т. п. Методи управління хімічними реакціями поділяються на термодинамічні та кінетичні, при яких чільну роль відіграють ті чи інші каталізатори.
Кожна хімічна реакція оборотна. Оборотність служить підставою рівноваги між прямою і оборотної реакціями. У залежності від природи реагентів та умов процесу, рівновага може зміщуватися в пряму або у зворотний бік зміною температури, тиску та концентрації реагентів. Підібрати, однак, умови здійснення тих чи інших, на перший погляд простих, реакцій, іноді не вдавалося протягом ста і більше років. Такий реакцією виявилася реакція синтезу аміаку з молекулярних азоту і водню, вперше успішно здійснена в 1913 р., після відкриттів Я. Вант-Гоффом і А. Ле Шательє принципу, що отримав їх імена. Згідно з цим принципом будь-яка зміна однієї з умов рівноваги викликає зсув системи в такому напрямку, який зменшує початкове зміна. Виявилося, що аміак може синтезуватися у присутності металоорганічного каталізатора (спочатку спеціально обробленого заліза) при високому тиску й нормальній температурі.
Термодинамічне вплив робить вплив на спрямованість реакції, а ось функції управління швидкістю хімічною реакцією виконує хімічна кінетика, прискорюючи або сповільнюючи реакції за допомогою каталізаторів та інгібіторів, відповідно. Хімічний каталіз був відкритий в 1812 р. російським хіміком Костянтином Кірхгофа (не плутати з німецьким фізиком Густавом Кірхгофа, що встановив закони для електричного кола, першовідкривачем спектроскопії разом з Р. Бунзеном і т. д.). Серед каталізаторів особлива роль належить ферментам, своєрідним живим каталізаторів, що зіграв ключову роль у виникненні життя.
7. Концепції та принципи еволюційної хімії та самоорганізації еволюційних хімічних систем
Система та концепції еволюційної хімії стали формуватися в 60-70-ті роки XX століття і в своїй основі відповідають давньої мрії хіміків освоїти і перейняти досвід лабораторії живого організму, зрозуміти, як з неорганічної (відсталої) матерії виникає органічна, а потім і жива речовина - життя. Тут знову можна згадати І. Берцеліуса, а додатково німця Ю. Лібіха, француза М. Бертло.
Наш видатний хіміко-фізик, Нобелівський лауреат з хімії Микола Миколайович Семенов представляв хімічні процеси в тканинах рослин і тварин як хімічне виробництво живої природи, як виробництво якихось «молекулярних машин» цілком виняткової точності, швидкості і надзвичайного досконалості. Це підтверджується відкритим нещодавно синтезом великих білкових молекул із суворим чергуванням амінокислот. Клітини мають у своєму складі субмікроскпіческіе «збірні заводики» - рибосоми, що містять РНК (РНК), як збірні «машини». Кожен вид коротких молекул транспортних РНК захоплює один певний вид амінокислот, несе їх у рибосому і ставить кожну амінокислоту на своє місце згідно з інформацією, що міститься в молекулах РНК. Тут же до амінокислот підходять каталізатори-ферменти і здійснюють «зшивання» амінокислот в одну молекулу білка з суворим чергуванням. Це справжній природний завод, який будує молекулу за планом, виробленому організмами в процесі еволюції. Ось ці плани живих організмів і передбачається використовувати в новій еволюційної хімії.
А починалося це напрям в працях великого французького біолога Луї Пастера при дослідженні процесу бродіння, здійснюваного діяльністю молочнокислих бактерій. Зі своїх спостережень Пастер зробив висновок про особливий рівень матеріальної організації ферментів, що в кінцевому підсумку призвело до створення такої науки, як ферментологія, до успіхів еволюційного каталізу і молекулярної біології. Так було встановлено, що склад і структура біополімерів мають єдиний набір для всіх живих організмів і що одні і ті ж фізичні і хімічні закони управляють як абіогенним процесами, так і процесами життєдіяльності. Крім того, була доведена унікальна специфічність живого, що виявляється не тільки на вищих рівнях організації клітини, а й у поведінці фрагментів живих організмів на молекулярному рівні, на якому також діють закономірності інших рівнів.
Специфіка молекулярного рівня живих і неживих систем - в істотному розходженні принципів дії ферментів та каталізаторів, у відмінності механізмів утворення полімерів та біополімерів. Структура зазначених полімерів визначається тільки генетичним кодом (сьогодні точно відомим науці), і, нарешті, в такому вражаючому факт, що багато хімічних реакцій окисно-відновного характеру можуть відбуватися в клітці без безпосереднього контакту між реагують молекулами. Таким чином, в живих організмах можуть відбуватися і відбуваються такі хімічні перетворення, які, здавалося б, неможливо було зустріти в неживій природі. Але поступово вони стали доступні хімікам, коли вдалося освоїти каталітичний досвід природи, живої клітини.
Факт того, що ферментний каталіз грав вирішальну, фундаментальну роль у процесі переходу від хімічних систем до систем біологічним, тобто на пред біологічної стадії еволюції, в даний час підтверджується багатьма даними. Виключно важливу роль зіграла реакція по самоорганізації хімічних систем, проведена видатним радянським біохіміком Борисом Павловичем Бєлоусовим, потім ретельно вивчена А. М. Жаботинським, що увійшла в арсенал сучасної еволюційної хімії під назвою реакції Бєлоусова-Жаботинського. Ця реакція супроводжується утворенням специфічних просторових і часових структур (наприклад, періодичне чергування кольору рідини) за рахунок надходження нових і видалення використаних хімічних реагентів. Ось у цих реакціях самоорганізації як раз вирішальна роль належить саме каталітичним процесам.
Поняття «самоорганізації» (детальніше див в гол. 12) означає упорядкованість існування матеріальних динамічних, якісно змінюються систем. Роль каталітичних процесів у них посилюється в міру ускладнення складу і структури хімічних систем. Відрадно, що визначальне значення в дослідженні цього плану зіграли роботи вітчизняних вчених І. В. Березіна, О. А. Баландіна і особливо А. П. Руденко, який створив у 1964-1969 рр.. єдину теорію хімічної еволюції і біогенезу. Ця теорія вирішує в комплексі питання про рушійні сили та механізми еволюційного процесу, тобто про закони хімічної еволюції, відборі елементів і структур та їх причинної зумовленості, рівні хімічної організації та ієрархії хімічних систем як слідства еволюції. Сутність теорії Руденко полягає в утвердженні та обгрунтуванні принципу того, що хімічна еволюція являє собою саморозвиток відкритих каталітичних систем, і, отже, еволюціонуючим речовиною є каталізатори. У ході реакцій відбувається природний відбір тих каталітичних центрів, які володіють найбільшою активністю.
Олександр Прокопович Руденко сформулював основний закон хімічної еволюції, згідно з яким з найбільшою швидкістю і ймовірністю утворюються ті шляхи еволюційних змін каталізатора, на яких відбувається максимальне збільшення його абсолютної активності.
Слід також зазначити, що еволюційний процес передбачає особливий диференційований відбір лише тих хімічних елементів і сполук, які є основним будівельним матеріалом для утворення біологічних систем. У зв'язку з цим досить згадати, що більш ніж зі ста хімічних елементів лише шість - вуглець, водень, кисень, азот, фосфор і сірка - загальна вагова частка яких в організмах складає 97,4%, що одержали назву органо-або біогенів, служать основою для побудови живих систем.
Список літератури:
1. Горохів В.Г. Концепції сучасного природознавства. - М., 2003. - 412 с.
2. Стьопін В.С., Горохів В.Г., Розов М.А. Філософія науки і техніки. - М., 1995. - 384 с.
3. Крюков Р. В. Концепції сучасного природознавства (конспект лекцій). - М., 2005. - 176 с.
4. Галімов Е.М. Феномен життя: між рівновагою і нелінійністю. Походження і принципи еволюції. - М., 2001. - 256 с.
5. Князєва О.М., Курдюмов С.П. Закони еволюції і самоорганізації складних систем. - М., 1994.