11. Учение о химических процессах. Реакционная способность веществ.

Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условием протекания химических реакций. Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций. Наиболее зависимыми от условий протекания реакции оказываются соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них направлено в первую очередь действие разных катализаторов, которые значительно ускоряют ход химических реакций.

Одним из основоположников этого направления в химии стал русский химик Н.Н. Семенов - лауреат Нобелевской премии, основатель химической физики. В своей Нобелевской лекции 1965 г. он заявил, что химический процесс - то основное явление, которое отличает химию от физики, делает ее более сложной наукой. Химический процесс становится первой ступенью при восхождении от таких относительно простых физических объектов, как электрон, протон, атом, молекула, к живой системе, потому что любая клетка живого организма, по существу, представляет собой своеобразный сложный реактор. Это - мост от объектов физики к объектам биологии.

Основным понятием в химической кинетике является понятие скорости реакции. В природе и в промышленности протекает огромное количество химических процессов. Одни протекают веками, другие очень быстро.

Скорость химической реакции определяется изменением концентрация реагирующих веществ в единицу времени. Она зависит от многих факторов и включает природу реагентов, концентрацию реагирующих веществ и температуру, наличие катализаторов, состояние кристаллической решетки твердых реагентов и продуктов, если такие имеются в системе.

Быстрее протекает та реакция, в которой взаимодействует меньше ионов. Скорость реакции увеличивается также в случае увеличения числа частиц реагирующих веществ, приводящего к более частым их столкновениям. Влияние концентрации реагентов на скорость химического взаимодействия выражается основным законом химической кинетики – законом действующих масс. Этот закон распространяется на газовые смеси и растворы, но он не применим к реакциям твердых веществ.

Для реакций с участием твердых веществ скорость взаимодействия очень чувствительна к степени смешения реагентов и состоянию их кристаллической решетки, так как любые нарушения в этой решетке вызывают увеличение реакционной способности твердых тел.

Многочисленные опыты показывают, что при повышении температуры в арифметической прогрессии скорость большинства химических реакций возрастает в геометрической прогрессии. С первого взгляда может показаться, что высокая температурная чувствительность скорости реакции связана с увеличением числа молекулярных столкновений. Однако это не так. Согласно расчетам, общее число столкновений молекул при повышении температуры на десять градусов возрастает только на 1,6 %, а число прореагировавших молекул возрастает на 200 – 400 %.

Чтобы объяснить наблюдаемые расхождения, С. Аррениус предположил, что влияние температуры сводится главным образом к увеличению числа активных молекул, т.е. молекул, столкновение которых приводит к образованию продукта (эффективного столкновения). Согласно С. Аррениусу, доля эффективных столкновений, равная отношению их числа к общему числу столкновений (n), изменяется с температурой.

Одно из наиболее эффективных средств воздействия на скорость протекания химических процессов – использование катализаторов. Напомним, что катализаторы – это вещества, которые изменяют скорость реакции, а сами к концу процесса остаются неизменными как по составу, так и по массе. Иначе говоря, в момент самой реакции катализатор активно участвует в химическом процессе, как и реагенты. Но к концу реакции между ними возникает принципиальное отличие – реагенты изменяют свой химический состав, превращаясь в продукты, а катализатор выделяется в первоначальном виде. Чаще всего роль катализатора заключается в увеличении скорости реакции, хотя некоторые катализаторы не ускоряют, а замедляют химический процесс. Явление ускорения химических реакций благодаря присутствию катализаторов, носит название катализа, а замедление – ингибирования.

Существуют два вида катализа – гомогенный и гетерогенный. При гомогенном катализе реагенты, продукты и катализатор составляют одну фазу (газовую или жидкую). В этом случае отсутствует поверхность раздела между катализатором и реагентами.

Особенность гетерогенного катализа состоит в том, что катализаторы (обычно твердые вещества) находятся в ином фазовом состоянии, чем реагенты и индукторы реакции. Реакция развивается на поверхности твердого тела, которая всегда имеет много дефектов, в том числе свободные электронные пары, не участвующие в образовании связи. Молекулы реагентов легко взаимодействуют с этими электронами и благодаря образующимся связям легко удерживаются на поверхности катализатора. В результате некоторые связи внутри адсорбированных молекул настолько ослабевают, что молекулы либо разрушаются, либо превращаются в активные радикалы. Каталитическая активность твердого вещества тем выше, чем лучше реагенты адсорбируются на его поверхности, и чем слабее продукты реакции удерживают его. При этом важно, чтобы, изменяя энергетическое состояние молекул реагента, катализатор сам не образовывал с ними прочных химических связей.

Согласно современным воззрениям, каталитическая активность твердого тела обусловлена не всей поверхностью, а лишь отдельными ее частями, называемыми ее активными центрами. Их природа пока точно не установлена. Как правило, химики стремятся получать твердый катализатор с максимально большой поверхностью. Однако площадь сама по себе еще не определяет эффективность катализатора. Более важно – состояние поверхности, т.е. число активных центров на единицу поверхности.

В 1960 году были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно катализаторы в ходе их работы дезактивизировались, ухудшались и выбрасывались. В 1964 году отечественный химик А. П. Руденко выдвинул теорию химической эволюции, напрямую связанную с процессами самосовершенствования катализаторов.

Для современной картины мира, пронизанной идеей развития, идея эволюции может показаться достаточно тривиальной. Однако в познании неживой природы проследить генетическую цепочку становления, возникновения, функционирования и гибели отдельных форм и образований на фоне «глобального эволюционизма» – задача не простая. Для химиков эволюция не исчерпывается возникновением и распадом межатомных, молекулярных структур. Химический процесс приводит к постепенному усложнению вещественной структуры космоса, к обогащению энергетических связей. В то же время он, как верно подметил Гегель, отягощен разрывами, подчас длительными остановками развития.

Появление идеи химической эволюции было подготовлено большими успехами в области изучения механизма химических превращений, развитием химической кинетики. В 1951 году Б. П. Белоусов открыл гомогенную периодическую химическую реакцию – окисление лимонной кислоты броматом при катализаторе ионами церия в сернокислой среде. Вопреки вековому опыту химиков, количество вещества, вступающего в реакцию, не убывало, не оставалось равновесным, а колебалось. Явно неживая химическая смесь проявила как бы способность к самоорганизации. До сих пор химики утверждали: никаких колебательных процессов в однородных растворах быть не может. Однако в последние годы накоплено достаточно фактов, свидетельствующих о множестве колебательных явлений типа реакции Белоусова. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет появления новых и удаления использованных химических реагентов. Однако в отличие от самоорганизации других открытых систем в указанных химических реакциях, важное значение приобретают каталитические процессы. Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Химическая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем.

Таким образом, химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. Орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений является базисная реакция.

В настоящее время химические процессы исследуются такими отраслями как химия плазмы, реакционная химия, химия высоких давлений и температур. Анализ химических процессов выходит на фундаментальный теоретический уровень. В результате развития квантовой химии многие проблемы механизма реакции решаются на основании теоретических расчетов.

12. Симметрические и асимметрические закономерности Вступление человечества в третье тысячелетие сопровождается возникновением ряда взаимопротиворечивых тенденций между категориями симметрия-асимметрия, и их взаимоперехода друг в друга. Поскольку человеческое существование раскрывается через рассмотрение его как целостной структуры, являющейся одним из звеньев природы и функционирующей на основе природных закономерностей, постольку принцип «симметрии-асимметрии» управляет законами природы (В.А. Тарасов, 1984).

Еще В.И. Вернадский указывал, что «принцип симметрии-асимметрии в 20 веке охватил и охватывает все новые области. Из области материи он проник в область энергии, из области кристаллографии, физики твердого вещества он вошел в область химии, в область молекулярных процессов и физику атома». Фундаментальную теорию симметрии-асиммерии активно используют при анализе проблем структуры атомных орбиталей, магнитного поля Земли, оптической активности веществ, структуры белков, двойной спирали ДНК, строения нуклеиновых кислот, полисахаридов, клеточных мембран, головного мозга, тела человека и т. д.

В силу изменения и преобразования, существующих в природе процессов все в большей степени проявляется асимметрия. Объяснением этого является то, что симметрия не позволяет превратить окружающий нас мир, ход развития человека, его психическое и умственное совершенствование в анархию развития и анархию существования, несмотря на огромное количество случайных и изменяющихся явлений. «Симметрия предполагает состояние устойчивости, без которого было бы не возможно существование живых организмов» (Н.Н. Брагина, Т.А. Доброхотова).

Принципы симметрии – это запреты, которые ограничивают возможности изменений и их число, определяющие канву адаптации организма, но понятие «симметрия» теряет смысл в отрыве от своего антипода «асимметрия» (К.Д. Чермит, 1992).

 Опираясь на данные разных наук, мы пришли к выводу, что рассмотрение симметрии и ее изменений в ходе онтогенеза и эволюции позволяет объяснить самые разнообразные явления.

Особый интерес представляет собой исследование симметрии у животных объектов. Исходя из классификации форм симметрии организмов В.Н. Беклемишева – классика нашей биологии (1980), никакая симметрия в строении живых тел не бывает совершенной и поэтому в природе встречаются отклонения  билатеральной симметрии. Вопреки данной классификации В.А. Геодакян в 1993 году предлагает другую, где якобы соблюдается эволюционная логика: постепенный переход от абсолютной симметрии до полной асимметрии, по числу асимметричных осей. До этого «венцом» эволюции по асимметрии считали билатерально симметричные организмы: от примитивного ланцетника до рыб, в том числе и человек. По новой же концепции, этот тип не последний, он кончается латерально - симметричным опоссумом, а все высшие формы млекопитающих во главе с человеком выделяются в новый тип – триаксально асимметричных организмов, того же эволюционного ранга. Согласно эволюционной теории пола Геодакяна был предсказан более асимметричный мозг у мужчин и более симметричный у женщин, что говорит о том, что асимметризация продолжается. Закон рекапитляции свидетельствует о том, что в эмбриогенезе прослеживаются те же 4 типа асимметрии: шаровая зигота, радиальная бластула, билатерально-симметричный эмбрион и триаксиально асимметричный новорожденный ребенок. В том же порядке асимметризуется и мозг человека.

Если же исходить из непрерывности единства «симметрии-асимметрии» изучение человека является наиболее важным, так как человек познает себя в процессе эволюции, являясь ключом ко всей науке о природе. Человек должен быть включен в цельное представление о мире, потому что «ни в одном животном, стоящем ниже человека на эволюционной лестнице, не встретишь такого расхождения функций, асимметрии симметричных сторон тела» (С.Р. Агеева, 1987; Б.Г. Ананьев, с соавт., 1976 и др.).

Вся картина мира, создаваемая человеком, представляет собой результат бесчисленных преобразований, поэтому поиск законов природы есть поиск теоретико-групповой инвариантности и симметрии (определение стабильных черт явлений).

Проведенный анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том, что функциональная асимметрия любого биологического объекта, включая и человека, является основой его существования. Она служит связующим звеном между организмом человека и окружающей средой, от которого зависят нормальное функционирование и, следовательно, жизнедеятельность организма в целом.