Концептуальные уровни в химии

История развития химии предстает перед нами как процесс последовательного формирования четырех кон­цептуальных уровней.

10.2.1. Первый из них сформировался в середине XVIII в. и может быть назван как учение о соста­ве. На этом уровне содержание химии полностью соответ­ствовало определению Д. И. Менделеева: «химия — это нау­ка о химических элементах и их соединениях». Долгое вре­мя актуальным в химии являлся вопрос о том, что считать элементарным «кирпичиком» вещества — химическим эле­ментом? Как уже было сказано выше, фундаментальный вклад в решение этой проблемы внес Д. И. Менделеев, ко­торый в основу систематизации свойств химических эле­ментов положил атомную массу. В дальнейшем, правда, оказалось, что существуют одинаковые по свойствам веще­ства, которые обладают разной массой (изотопы), поэтому основой классификации элементов стал заряд ядра. Та­ким образом, химический элемент — это вид атомов с оди­наковым зарядом ядра, то есть совокупность изотопов.

В 1930-е гг. периодическая система химических эле­ментов заканчивалась ураном U⁹². В 1950-е гг. ученые по­лучили в руки мощный инструмент синтеза новых транс­урановых элементов — ускорители частиц. Таким путем были синтезированы элементы до 112 номера включитель­но, которые, правда, не являются стабильными и быстро распадаются под действием электрических сил отталки­вания между протонами. Сейчас уже исследуют свойства 118-го элемента.

Практически все химические элементы в земных ус­ловиях существуют в составе тех или иных химических соединений. В настоящее время известно более 8 миллио­нов соединений, из которых большинство (около 96%) — органические (соединения углерода). С современной точ­ки зрения химическое соединение — это вещество, атомы которого за счет химических связей объединены в моле­кулы, комплексы, макромолекулы, монокристаллы или иные квантово-механические системы.

10.2.2. Вторая концептуальная схема может быть названа структурной химией. В XIX в. были открыты изомеры — вещества, имеющие одинаковый состав, но разные свой­ства в зависимости от пространственного расположения химических элементов друг относительно друга. Период становления структурной химии называют «триумфаль­ным маршем органического синтеза».

Основоположником учения о структуре химического со­единения считается великий русский химик А. М. Бутлеров, который в 1861 г. создал теорию химического строения, суть которой выражается следующими утверждениями:

- атомы в молекулах соединены между собой в опреде­ленном порядке химическими связями согласно их валентности;

- строение вещества выражается структурной формулой, которая для данного вещества является единственной;

- химические и физические свойства вещества опреде­ляются качественным и количественным составом молекул, их строением и взаимным влиянием атомов как связанных химическими связями, так непосредствен­но и не связанными;

- строение молекул можно изучать химическими методами.

Приведем, здесь только один пример, известный с 1861 г. и связанный с именем А. М. Бутлерова. Из четы­рех атомов углерода и десяти атомов водорода можно по­лучить два вещества: бутан СН₃(СН₂)₂СНз и изобутан (СН₃)₃СН.

Первый плавится при -138°С и кипит при -0, 5°С, растворим в спирте, эфире, воде. Второй плавится при -160°С, кипит при -11, 7°С, растворим в спирте и эфи­ре, но плохо растворим в воде.

Однако особенно актуальной теория химических структур оказалась для развития органиче­ской химии, а в дальнейшем в биохимии.

В 1870-1890.гг. развитие органической химии приве­ло к получению разнообразных красителей для текстиль­ной промышленности, всевозможных лекарств, искусст­венного шелка и огромного числа разнообразных материа­лов. С теории химического строения начался новый этап развития химии, когда она из аналитической науки пре­вратилась в синтетическую.

Теория А. М. Бутлерова и сейчас не утратила своего значения: идея о связи свойств со строением отражает уни­версальную природную закономерность, которая прояв­ляется не только на химическом уровне организации ма­терии, но и на других, не химических уровнях.

10.2.3. Новый скачок в развитии химии в начале XX в. был связан с созданием третьей концептуальной схемы хи­мии — учения о химических процессах.

Что было известно о химических процессах? То, что они обычно сопровождаются выделением (экзотермиче­ские реакции) или поглощением (эндотермические реак­ции) энергии (теплоты). К экзотермическим реакциям от­носятся, как правило, все реакции соединения (напри­мер, 2Н₂ + О₂ --> 2Н₂О), а типичными эндотермическими реакциями являются реакции разложения (например, СаСО₃ --> СаО + СО₂). Легко понять, почему так происхо­дит. В реакциях соединения молекулы реагентов образу­ют более устойчивую конфигурацию, более сильно связа­ны друг с другом. Поэтому их потенциальная энергия U_хпонижается по сравнению с тем значением U _o, которое описывает свободные, невзаимодействующие молекулы (часто считают U _o ~ 0). Энергия, соответствующая разно­сти (U _о - U_х), и выделяется в виде тепла. При разложении молекулы на более простые компоненты, наоборот, требу­ется затратить энергию на разрыв молекулярных связей.

Известно, что одни химические реакции происходят практически мгновенно (например, взаимодействие водо­рода с кислородом при нагревании или в присутствии пла­тины), а другие идут так медленно, что их трудно даже на­блюдать (например, коррозия металлов). С повышением температуры скорость большинства химических превраще­ний существенно возрастает. Согласно правилу Вант-Гоффа при повышении температуры в арифметической про­грессии скорость реакции изменяется в геометрической прогрессии.

Другим фактором, влияющим на скорость протекания реакций, является концентрация реагентов. Основной за­кон химической кинетики гласит: скорость химических реакций, протекающих в однородной среде, пропорциональ­на произведению концентраций реагирующих веществ, возведённым в некоторые степени. Объекты химии понимаются теперь как процессы превращения веществ, а не как законченные вещества. Узло­вым понятием современной химии, наряду с «веществом», «молекулой», становятся организованный молекулярный ансамбль, активированный молекулярный комплекс (со­ставная молекула с малым временем жизни) и т. п.

Однако самым эффективным способом увеличения ско­рости химических реакций в сотни, тысячи и более раз, является использование катализаторов — веществ, ко­торые сами по себе не изменяются во время реакции, но ускоряют ее протекание. Действие катализаторов заклю­чается в том, что они «активируют» молекулы реагентов, как бы возбуждают их, после чего последние легче объе­диняются, создавая молекулу нового вещества.

Особенно важна роль катализаторов в биохимических реакциях. Катализаторами в этих процессах выступают многочисленные белки, функции которых узкоспециа­лизированы. Без них невозможен синтез сложных высо­комолекулярных веществ, осуществляемый в клетках.

Существуют вещества, противоположные по действию катализаторам, — это так называемые ингибиторы, ино­гда значительно замедляющие скорость реакции.

Именно изучением кинетики химических реакций, способов управления их протеканием и занимается химия на третьем концептуальном уровне. Достижения этого уровня позволили существенно повысить эффективность управления химическими процессами, в частности орга­ническим синтезом. Мировое производство таких материа­лов, как синтетический каучук, пластмассы, искусствен­ное волокно, моющие средства, этиловый спирт стало ба­зироваться на нефтяном сырье, а производство азотных удобрений — на использовании азота воздуха.

10.2.4. В последние десятилетия наметился переход к наибо­лее сложному, четвертому концептуальному уровню хи­мической науки — эволюционной химии. Рассмотрение химической формы материи в развитии как ступени за­кономерного процесса эволюции материального мира в целом позволит выйти на новый уровень и в сфере хими­ческой технологии. Этот уровень связан прежде всего с реализацией идеи крупнейших ученых прошлого — воз­можностью копирования, воспроизведения сложных хи­мических процессов происходящих в живых организмах (самоорганизация химических систем, ферментативный катализ и т. п.).

Действительно, подавляющее большинство химиче­ских реакций, реализованных руками человека, относит­ся к «неорганизованным» реакциям, в которых частицы (молекулы, ионы, атомы, радикалы) реагируют при слу­чайных встречах (во времени и в пространстве). В то же время «природная» химия является высокоорганизован­ной, то есть почти все химические превращения осущест­вляются в системах с молекулярным и надмолекулярным порядком. Целые каскады биохимических реакций орга­низованы в пространстве и во времени. Именно благодаря такой высокой степени организации селективность и про­изводительность биохимических реакций происходит на уровне, пока недостижимом в обычной химии. С позиций эволюционной химии ученые смогут решить как пробле­му биогенеза, так и освоить каталитический опыт живой природы.