Порядок и хаос. Стрела времени

Точка зрения Больцмана означала, что необратимое возрастание энтропии в изолированной системе, которая не обменивается энергией с окружающей средой, следует рассматривать как проявление все увеличивающегося хаоса, постепенного забывания начальной асимметрии, ибо асимметрия приводит к уменьшению числа способов, которыми может быть осуществлено данное макросостояние, то есть к уменьшению термодинамической вероятности W. Так что любая изолированная система самопроизвольно эволюционирует в направлении забывания начальных условий, в направлении перехода в макроскопическое состояние с максимальной W, соответствующего состоянию хаоса и максимальной симметрии. При этом энтропия возрастает, что соответствует самопроизвольной эволюции системы. Закон этот обойти нельзя, возрастание энтропии является платой за любой выигрыш в работе, оно присутствует во всех физических явлениях. В состоянии теплового равновесия энтропия достигает своего максимального значения. Иными словами, в равновесном состоянии существует состояние молекулярного хаоса, что означает полное забвение системой своего начального состояния, несохранения системой информации о своем прошлом.

По словам Эддингтона, возрастание энтропии, определяющее необратимые процессы, есть «стрела времени». Для изолированной системы будущее всегда расположено в направлении возрастания энтропии. Это и отличает будущее от настоящего, а настоящее от прошлого. То есть возрастание энтропии определяет направление, стрелу времени. Энтропия же возрастает по мере увеличения беспорядка в системе. Поэтому любая изолированная физическая система обнаруживает с течением времени тенденцию к переходу от порядка к беспорядку. Старая концепция движения, которая не обращала должного внимания на необратимые процессы, по существу, описывала движение как постоянное повторение одного и того же круга превращений. Сформулировав II начало термодинамики, Клаузиус проводит четкую границу между движением как повторением и движением как необратимым процессом. «Часто приходится слышать, - пишет он, - что все в мире происходит в замкнутом круге... Когда первый основной принцип механической теплоты был сформулирован, его, пожалуй, можно было счесть за блестящее подтверждение вышеупомянутого мнения... Но второй основной принцип механической теплоты противоречит этому мнению решительным образом... Отсюда вытекает, что состояние Вселенной должно все более и более изменяться в определенном направлении».

4 Химия в естествознании. Великие химические открытия

4.1 Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева

Русский химик Д. И. Менделеев создал периодический закон и периодическую систему химических элементов в 1869 г., совершив революцию в естествознании, т.к. это открытие не просто устанавливало связь между химическими и физическими свойствами отдельных элементов, но и взаимную связь между всеми химическими элементами. Группы и ряды периодической системы стали надежной основой для выявления семейств родственных элементов.

Основным принципом, по которому Менделеев строил свою таблицу, было размещение элементов в порядке возрастания их атомных весов. Основываясь на валентности и химических свойствах элементов, Менделеев расположил все элементы по 8 группам, в каждой из которых размещались элементы со сходными свойствами.

Какова же причина периодических изменений физических и химических свойств элементов? - она кроется в периодичности строения электронных оболочек атомов.

В начале каждого периода таблицы валентные электроны находятся на s-подуровнях соответствующих уровней энергии в атомах. Затем в малых периодах происходит заполнение электронами s и р-подуровней, а в больших периодах также и d-подуровней. В VI и VII периодах, кроме того, наблюдается заполнение f-подуровней. Атомы инертных газов всегда содержат наружные электроны на полностью сформированных s и р-подуровнях. Таким образом, химические элементы одинаковых подгрупп периодической системы характеризуются аналогичным строением электронных оболочек атома.

Одними из наиболее важных свойств атомов, связанных со строением их электронных оболочек, являются эффективные атомные и ионные радиусы. Оказывается, что они также периодически изменяются в зависимости от величины атомного номера элемента. Для элементов одного периода по мере увеличения порядкового номера сначала наблюдается уменьшение атомных радиусов, а затем, к концу периода, их увеличение. Это необычное физическое свойство находит простое объяснение, все дело в электростатике! Действительно, в начале периода на внешней электронной оболочке атома находится небольшое количество электронов, которые располагаются на относительно больших расстояниях друг от друга - свободного места предостаточно, поэтому основным взаимодействием в этом случае будет притяжение электронов ядром атома, а не электростатическое отталкивание одноименно заряженных электронов. Вот и получается, что при возрастании порядкового номера элемента увеличивается величина заряда ядра и величина общего отрицательного заряда электронной оболочки - значит, возрастает и сила Кулоновского притяжения между ядром и электронами - происходит "стягивание" электронной оболочки к центру атома и радиус этого атома уменьшается. По мере же заполнения электронной оболочки все большим количеством электронов, им становится все "теснее и теснее" на одной оболочке и поэтому у элементов, стоящих в конце любого периода таблицы Менделеева, радиусы атомов возрастают - отрицательно заряженные электроны как бы "расталкивают" друг друга, стремясь, удалиться друг от друга на максимально возможные расстояния.

Благодаря аналогичным рассуждениям, нашли свое объяснение и другие, периодически изменяющиеся физические свойства веществ: плотность, температура плавления, прочность связей электронов в атоме и т.д.

Но самое главное заключалось в том, что таблица Менделеева не просто давала объяснение физическим свойствам элементов, а ставила им в соответствие и их химические свойства. Основным постулатом таблицы являлось то, что валентность химического элемента определяется числом электронов на внешней электронной оболочке (поэтому эти электроны так и называются - валентные электроны). Важная роль периодического закона заключается именно в том, что в нем устанавливается связь между строением атомов и влиянием этого строения на физические и химические свойства элементов.

3.2. Основная проблема химии как науки

Д. И. Менделеев называл химию "наукой о химических элементах и их соединениях". В одних учебниках химию определяют как "науку о веществах и их превращениях", в других - как "науку, изучающую процессы качественного превращения веществ" и т.д. Все эти определения по своему хороши, но они не учитывают тот факт, что химия является не просто суммой знаний о веществах, а упорядоченной, постоянно развивающейся системой знаний, имеющей определенное социальное назначение и свое место в ряду других наук.

Итак, основная двуединая проблема химии - это:

1. Получение веществ с заданными свойствами - производственная задача.

2. Выявление способов управления свойствами вещества - задача научного исследования.

Существует только четыре способа решения этой проблемы, которые связаны, прежде всего, с наличием всего четырех основных природных факторов, от которых зависят свойства получаемых веществ:

Основные природные факторы, влияющие на свойства получаемых веществ:

1). Состав вещества (элементарный, молекулярный).

2). Структура молекул.

3). Термодинамические и кинетические условия химической реакции, в процессе которой это вещество получается.

4). Уровень организации вещества.

3.3. Уровни развития химических знаний.

3.3.1. Первый этап развития химии - XVII в. Учение о составе веществ

Действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился во второй половине XVII в. в работах английского ученого Р. Бойля. Исследования Р. Бойля показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких материальных элементов эти тела составлены. То есть состав вещества определяет свойства вещества.

Этот способ положил начало учению о составе веществ, которое явилось первым уровнем научных химических знаний. Вплоть до первой половины XIX в. учение о составе веществ представляло собой всю химию того времени.

Рассмотрим основные проблемы, стоявшие перед учеными на самом первом этапе - этапе изучения состава вещества:

1. Проблема химического элемента.

2. Проблема химического соединения.

3. Проблема создания новых материалов, в состав которых входят вновь открываемые химические элементы.

3.3.1.1. Решение проблемы химического элемента

Химики, стремясь получить "простые вещества", пользовались при этом самым распространенным в то время методом - прокаливанием "сложных веществ". Прокаливание же приводило к окалине, которую и принимали за новый элемент. Соответственно, металлы - железо, например, принимали за сложные тела, состоящие из соответствующего элемента и универсального "невесомого тела" - флогистона (флогистос - греч. зажженный).

Теория флогистона (ложная по своей сути) была первой научной химической теорией и послужила толчком к множеству исследований. В 1680-1760 гг. появились точные количественные методы анализа вещества, а они, в свою очередь, способствовали открытию истинных химических элементов. В это время были открыты фосфор, кобальт, никель, водород, фтор, азот, хлор и марганец.

В 1772-1776 гг. одновременно в Швеции, Англии и Франции был открыт кислород! Во Франции его первооткрывателем был замечательный химик А.Л. Лавуазье (1743-1794 гг.). Он установил роль кислорода в образовании кислот, оксидов и воды, опроверг теорию флогистона и создал принципиально новую теорию химии. Это была настоящая революция в химии! Ему принадлежала также первая попытка систематизации химических элементов, которая в дальнейшем была исправлена Д. И. Менделеевым.

3.3.1.2. Решение проблемы химического соединения.

Закон постоянства состава вещества Ж. Пруста

Французский химик Ж. Пруст в 1801-1808 гг. установил закон постоянства состава, согласно которому любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом - прочным притяжением составных частей (атомов) и тем самым отличается от смесей. "Всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет один и тот же состав".

Закон кратных отношений Дж. Дальтона

Теоретическое обоснование закона Пруста было дано англичанином Дж. Дальтоном, являющимся автором другого основополагающего закона в учении о составе веществ - закона кратных отношений. Он показал, что все вещества состоят из молекул, а все молекулы, в свою очередь, - из атомов, и что состав любого вещества можно представить себе как простую формулу типа АВ, АВ₂, А₂В₃ и т.д., где символы А и В обозначают названия двух атомов, из которых состоит молекула. Согласно этому закону эквивалентов "составные части молекулы" - атомы А и В могут замещаться на другие атомы - С и D, например, согласно реакциям:

АВ + С → АС + В или

А₂В₃ + 3D → A₂D₃ + 3В

Итак, дадим точную формулировку закону кратных отношений Дальтона (1803 г.): Если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества второго элемента относятся между собой как целые числа.

Состав химического соединения может быть только постоянным. В дальнейшем благодаря трудам Н.Я. Берцелиуса, Д.Л. Гей-Люссака, Ю. Либиха и других ученых закон постоянства состава вещества был окончательно утвержден и стал одним из основополагающих законов химии.

Закон А. Авогадро о постоянстве количества молекул в данном объеме.

Молекулярная теория строения вещества позволила по-новому взглянуть на процессы, происходящие в газовой фазе, и дала начало новой науке, стоящей на стыке химии и физики - молекулярной физике. Итальянский ученый Амадео Авогадро (1776-1856 гг.) установил в 1811г., что при одинаковых физических условиях (давлении и температуре) равные объемы различных газов содержат равное число молекул. Другими словами, это означает, что грамм-молекула любого газа при одинаковой температуре и давлении занимает один и тот же объем. Он даже смог рассчитать этот объем для стандартных физических условий. При давлении 760 мм рт. столба и при температуре 0°С он был равен 22,4 л, точнее 22, 414 л. В этом объеме при названных условиях находится 6, 023·10²³ молекул газообразного вещества (число Авогадро).

Однако развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими определенный состав, существуют еще и соединения переменного состава - и это явилось причиной пересмотра представлений о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частичку вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно, но теперь к молекулам стали относить и такие необычные квантовомеханические системы, такие как ионные, атомные и металлические монокристаллы, а также полимеры, образованные за счет водородных связей.

Поэтому теперь под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой - молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат. Это более широкое понятие, чем понятие "сложное вещество". Действительно, ведь всем известны химические соединения, состоящие не из разных, а из одинаковых элементов. Это молекулы водорода, кислорода, хлора, графита, алмаза и т.д.

Особое положение в ряду молекулярных частиц занимают макромолекулы полимеров. Они содержат большое число повторяющихся, химически связанных друг с другом в единое целое структурных единиц - фрагментов мономерных молекул, обладающих одинаковыми химическими свойствами. Дальнейшее усложнение химической организации материи идет по пути образования более сложной совокупности взаимодействующих атомных и молекулярных частиц, так называемых молекулярных ассоциатов и агрегатов, а также их комбинаций. При образовании агрегатов изменяется фазовое состояние системы, чего не происходит при образовании ассоциатов. Напомним, что фазовое состояние - это основное физическое состояние, в котором может существовать любое вещество (газ, жидкость, твердое тело).

3.3.1.3. Проблема создания новых материалов

В настоящее время перед учеными-химиками стоят следующие задачи:

1. Последовательная замена металлов различными видами керамики.

2. Расширение производства элементоорганических соединений на базе органического синтеза.

Возросшая необходимость замены металлов керамикой вызвана тем, что производство керамики легче и экономически выгоднее и, кроме того, на некоторых производствах она просто не может быть заменена металлами. Химики научились получать огнеупорную, термостойкую, химически стойкую, высокотвердую керамику, а также керамику для электротехники. В последнее время было обнаружено удивительное свойство некоторых керамических изделий, способность обладать высокотемпературной сверхпроводимостью, т.е. сверхпроводимостью при температурах выше температуры кипения азота. Открытию этого уникального физического свойства способствовали работы химиков по созданию новой керамики на основе комплексов с барием, лантаном и медью, взятых в едином комплексе.

Элементоорганические соединения - это соединения, в состав которых входят как органические элементы (углерод, водород, сера, азот, кислород), так и производные ряда других химических элементов: кремния, фтора, магния, кальция, цинка, натрия, лития и т.д. Химия элементоорганических материалов с применением кремния (кремнийорганическая химия) лежит в основе создания производства многих полимеров, обладающих ценными свойствами и незаменимых в авиации и энергетике. А фторорганические соединения обладают исключительной устойчивостью (даже в кислотах и щелочах) особой поверхностной активностью и поэтому могут переносить, например, кислород как молекула гемоглобина! Фторорганические соединения активно используются в медицине для создания всевозможных покрытий и т.д.

Решение практических задач, стоящих перед химиками в настоящее время сопряжено с синтезом новых веществ и анализом их химического состава. Поэтому, как и много лет тому назад проблема состава веществ остается в химии по-прежнему актуальной.

3.3.2. Второй этап развития химии как науки - XIX в. Структурная химия

Появилось на свет еще и такое понятие как структура вещества. Если знание состава вещества отвечает на вопрос о том, из каких химических элементов состоит молекула данного вещества, то знание структуры вещества дает представление о пространственном расположении атомов в этой самой молекуле.

Химики выяснили, что свойства веществ, а значит и их качественное разнообразие обусловливается не только их составом, но и структурой молекул.

Стало ясно, что не все атомы, входящие в состав молекулы данного вещества одинаково хорошо вступают во взаимодействие с атомами других молекул. Оказывается каждую молекулу можно условно подразделить на несколько функциональных или реактивных блоков, в которые входят группы атомов, просто отдельные атомы или даже отдельные химические связи. Каждая из таких структур обладает своей уникальной способностью вступать в химические реакции, т.е. своей реакционной способностью. От чего может зависеть реакционная способность веществ, рассмотрим немного позднее.

Таким образом, познание структуры молекул перевело химию на второй уровень развития химических знаний и способствовало превращению химии из преимущественно аналитической науки в науку синтетическую. Возникла технология органических веществ, которой ранее не было.

Второй уровень развития химических знаний получил условное название структурная химия.

Главным достижением этого этапа можно было назвать установление связи между структурой молекулы и функциональной активностью соединения:

3.3.2.1. Эволюция понятия структура в химии

Согласно теории выдвинутой Дж. Дальтоном любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, обладающих строго определенным качественным и количественным составом, т. е. состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Теория строения вещества Дж. Дальтона отвечала на вопрос: как можно отличить индивидуальное вещество от смесей веществ, но она не давала ответа на множество других вопросов: каким образом объединяются атомы в молекулу, существует ли какая-то упорядоченность в расположении атомов в молекуле, или они объединены как попало, случайно?

На эти вопросы попытался дать ответ шведский химик И.Я. Берцелиус, живший в первой половине XIX в.. Он предложил новую модель атома в виде электрического диполя. И.Я. Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы разных химических элементов обладают различной электроотрицательностью и расположил их в своеобразный ряд по мере увеличения этой самой электроотрицательности. Итак, И. Я. Берцелиус полагал, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами.

В 1840 г. в работах французского ученого Ш. Жерара было показано, что структуры - И. Я. Берцелиуса справедливы не во всех случаях. Есть масса веществ, молекулы которых невозможно разложить на отдельные атомы под действием электрического тока. Они представляют как бы единую целую систему и именно такую неделимую систему взаимосвязанных друг с другом атомов Ш. Жерар и предлагал называть молекулой. Он разработал теорию типов органических соединений.

В 1857 г. немецкий химик А. Кекуле обнародовал свои наблюдения о свойствах отдельных элементов, которые могут замещать атомы водорода в ряде соединений. Он пришел к выводу о том, что некоторые из них могут замещать три атома водорода, другие же - только два или даже один. А. Кекуле также установил, что "один атом углерода ... эквивалентен четырем атомам водорода". Это были основополагающие положения теории валентности веществ.

А. Кекуле ввел в обиход новый химический термин сродство, который и Обозначал количество атомов водорода, которое может заместить данный химический элемент. Он приписал всем элементам соответственно три, две или одну единицу сродства. Углерод же находился при этом в необычном положении - его атом обладал четырьмя единицами сродства. Число единиц сродства, присущее данному химическому элементу ученый назвал валентностью атома.

При объединении атомов в молекулу происходит замыкание свободных единиц сродства. Например, два атома водорода и один атом кислорода образуют одну молекулу воды.

Понятие структура молекулы с легкой руки А. Кекуле свелось к построению наглядных формульных схем, которые служили химикам руководством в их практической работе, конкретным указанием на то, какие исходные вещества следует брать для того, чтобы получить необходимый химический продукт. Но формульный схематизм не учитывал реакционную способность веществ, вступающих в химическое взаимодействие друг с другом.

Ответы на волнующие практических химиков вопросы дала теория химического строения русского ученого А. М. Бутлерова. Бутлеров, так же как и Кекуле признавал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но одновременно с этим он указывал на важность того, с каким "напряжением, большей или меньшей энергией (это сродство) связывает вещества между собой". Другими словами, А. М. Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей таких как, например, одинарной С-С, двойной С = С или тройной N ≡ N химической связей в органических соединениях. Его теория указала на причины активности одних веществ и пассивности других. Она также указывала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекул.

В настоящее время понятие "химическая связь" стало более широким. Теперь под химической связью понимается такой вид взаимодействия, который осуществляется не просто между отдельными атомами, а иногда и между атомно-молекулярными частицами, обусловленный совместным использованием их электронов. При этом имеется в виду, что такое обобществление электронов взаимодействующими частицами может изменяться в широких пределах. Существуют полярная, ионная, ионно-ковалентная и ковалентная связи. Тип связи определяется характером физического взаимодействия атомно-молекулярных частиц друг с другом.

Под валентностью атомных частиц понимается их свойство вступать в химическое взаимодействие, количественной мерой которого является суммарное число не спаренных электронов, не поделенных электронных пар и вакантных орбиталей, участвующих в образовании химических связей.

Валентность атомной частички не является постоянной величиной и может изменяться от единицы до некоторого максимального значения в зависимости от природы частиц-партнеров и условий образования химического соединения.

Под понятием структура понимают устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы.

В первом приближении под атомной структурой следует понимать устойчивую совокупность ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом.

Под молекулярной структурой понимают сочетание ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов. Молекулярную структуру подразделяют на атомную (геометрическую) и электронную.

3.3.3. Третий этап развития химии как науки - первая половина XX в. Учение о химических процессах

Благодаря развитию техники химия становится наукой уже не только и не столько о веществах, сколько наукой о процессах и механизмах изменения веществ.

Благодаря тому, что химики научились управлять химическими процессами, стала бурно развиваться химическая промышленность, в больших количествах стали производиться синтетические материалы. На основе переработки нефти возникло производство искусственных волокон, этилового спирта, каучуков, всевозможных растворителей; азот воздуха научились превращать в минеральные удобрения, мыло "уступило место" стиральным порошкам и шампуням, а пластмассовые штампованные изделия стали дешевыми и доступными любой семье. Быстрыми темпами стала развиваться и фармацевтика - промышленность по производству лекарственных препаратов.

3.3.3.1. Методы управления химическим процессом

Учение о химических процессах - это такая область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. В основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, поэтому всё это учение о химических процессах и в равной степени относится как к химии, так и к физике. Основоположник этого учения лауреат Нобелевской премии Н.Н. Семенов говорил о том, что "химический процесс есть то основное явление, которое отличает химию от физики и делает первую более сложной наукой". И действительно, химические процессы являются как бы первой ступенькой при восхождении от таких относительно "простых" понятий как электрон, протон, атом к сложным, многоуровневым живым системам. Физика, объясняя химические процессы на своем языке, по сути закладывает научный фундамент и для биологии, так как в основе жизнедеятельности любого живого организма лежат биохимические процессы.

Существует большое количество решаемых проблем в связи с созданием учения о химических процессах. Вспомните, например, реакцию взрыва или горения, которые так сложно остановить! Но существуют и такие реакции, которые просто не хотят "идти" сами по себе и химикам приходиться стимулировать их осуществление.

Какими же методами пользуются химики для того, чтобы управлять химическим процессом? В самом общем виде все методы управления можно подразделить на две большие группы: термодинамические и кинетические. Первая группа - термодинамические методы - это методы, влияющие на смещение химического равновесия реакции; вторая группа - кинетические методы - это методы, влияющие на скорость протекания реакции.

В 1884 г. вышла книга выдающегося голландского химика Я. Вант-Гоффа, в которой он обосновал законы, устанавливающие зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции. В том же году французский химик А. Ле-Шателье сформулировал свой знаменитый принцип подвижного равновесия, вооружив химиков методами смещения равновесия в сторону образования продуктов реакции. Основными управляющими рычагами в данном случае выступали температура, давление и концентрация реагирующих веществ. Поэтому эти методы управления и получили свое название термодинамические.

Но термодинамические методы позволяли управлять только направлением реакций, а не их скоростями.

Управлением скоростью химических реакций в зависимости от различных факторов занимается специальная наука - химическая кинетика. На скорость химической реакции может влиять очень многое, даже стенки сосуда, в котором протекает реакция.

3.3.3.2. Катализ и химия экстремальных состояний

В 1812 г. русским академиком К. С. Кирхгофом было открыто явление химического катализа. Катализ представляет собой наиболее общий и распространенный способ проведения химических реакций, особенность которого состоит в активации молекул реагента при их контакте с катализатором. При этом происходит как бы "расслабление" химических связей в исходном веществе, "растаскивание" его на отдельные части, которые затем легче вступают во взаимодействие друг с другом. В отличие от каталитической химии, занимающейся проблемами катализа, химия экстремальных состояний решает вопрос управления химической реакцией иначе - здесь химики пытаются расшатать" атомы в исходной молекуле за счет дополнительной внешней энергии. Они используют при этом простой нагрев или энергию света, а иногда для "очень крепких орешков" (молекул с сильными внутримолекулярными связями) и радиационное облучение. Этим вопросом занимается радиационная химия.

3.3.4. Четвертый этап развития химии как науки - вторая половина XX в. Эволюционная химия

В 1960 - 1979 г. г. появился новый способ решения основной проблемы химии, который получил название эволюционная химия. В основе этого способа лежит принцип использования в процессах получения химических продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем. Такой процесс развивается во времени и не зависит от внешних условий. Время выступает здесь как один из самых весомых факторов, поэтому и говорят об эволюции системы, т.е. о том, что произойдет с системой с течением времени. Наблюдая за химическими процессами, происходящими в живых клетках, химики обнаружили способность биологических систем к самоорганизации, развитию, совершенствованию, чего нет в неживой природе. Химический реактор на уровне эволюционной химии предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенное поведение.

Таким образом, четвертый этап развития химии, который продолжается и до настоящего времени, устанавливает связь самоорганизации системы реагентов с поведением этой системы.

Итак, последовательное появление сначала первого, затем второго, третьего и, наконец, четвертого способов решения основной проблемы химии приводит к последовательному появлению и сосуществованию четырех уровней развития химических знаний, или, как принято теперь их называть, четырех концептуальных систем, находящихся в отношениях иерархии, т, е. субординации. В системе всей химии они являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистему всего естествознания в целом.

3.3.4.1. Эволюционная химия - высшая ступень развития химических знаний

Под эволюционными проблемами следует понимать проблемы синтеза новых сложных, высокоорганизованных соединений без участия человека.

Сегодня химики пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия живых организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно будет "построить" принципиально новую химию, новое управление химическими процессами - так, как это происходит в любой живой клетке. В зеленых растениях энергия солнца превращается в энергию химических связей. Химики надеются получить катализаторы нового поколения, которые бы позволили создавать, например, необычные преобразователи солнечного света. Энергия солнечного излучения будет трансформироваться в химическую и электрическую, а затем, при необходимости - обратно, - в энергию света.

Исследуя биохимические процессы, протекающие в мышцах, ученые "загорелись" идеей создания новых полимеров, в которых химическую энергию можно было бы использовать для сокращения и растяжения этих материалов, т.е. превращать ее в механическую.

3.4. Пути освоения опыта живой природы

Ученые стремятся создавать промышленные аналоги химических процессов, происходящих в живой природе. Они исследуют опыт работы биохимических катализаторов и создают такие катализаторы в лабораторных условиях. Особой сложностью работы с биохимическими катализаторами - ферментами, является то обстоятельство, что они очень неустойчивы при хранении и быстро портятся, теряя свою активность. Поэтому химики долгое время работали над созданием стабилизации ферментов и в результате научились получать так называемые иммобилизованные ферменты - это ферменты, выделенные из живого организма и прикрепленные к твердой поверхности путем их адсорбции. Такие биокатализаторы очень стабильны и устойчивы в химических реакциях, и их можно использовать многократно. Основоположником химии иммобилизованных систем является русский химик И. В. Березин.

Изучение строения и функционирования ферментов в живой природе - это такая ступень химического познания, которая откроет в дальнейшем создание принципиально новых химических технологий.

3.5. Теория химической эволюции и биогенеза

В 1960-х годах были отмечены случаи самосовершенствования некоторых химических катализаторов в ходе химической реакции. Обычные катализаторы со временем (как и все на свете) стареют и изнашиваются. Но химикам удалось обнаружить такие катализаторы, которые не только не старели, а, напротив, "молодели" с каждой химической реакцией! Почему это происходило?

Ответ на этот вопрос попыталась дать теория химической эволюции и биогенеза, предложенная в 1964 г. русским профессором А. П. Руденко. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем. В ходе реакции происходит отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью.

Саморазвитие систем происходит за счет постоянного поглощения катализаторами потока энергии, которая выделяется в ходе самой химической реакции.

3.6. Нестационарная кинетика. Развитие представлений об эволюции систем

В 1970 годы было обнаружено много химических систем, в которых использовались катализаторы, в которых с течением времени все происходило наоборот, - процесс не стабилизировался, как обычно, а становился нестационарным. Было отрыто несколько типов автоколебательных химических реакций, в которых с течением времени происходят периодические изменения выхода продуктов реакции. Другими словами, необходимый продукт химической реакции то выделяется в большом количестве, то, напротив, реакция почти не идет или даже изменяет свое направление, а затем все это повторяется вновь. Хорошо это или плохо для химиков? Оказалось, что в ряде случаев общее количество вещества, получаемое в ходе такой нестабильной химической реакции, даже превышает то количество вещества, которое выделялось бы в ходе реакции, если бы она проходила стационарно или, т.е. имела бы постоянную скорость.

Изучение нестационарной кинетики началось недавно. Но уже есть и практические результаты. С ее помощью были исследованы некоторые энергетически сопряженные процессы, т.е. такие химические процессы, в которых принимают участие сразу несколько реакций, обменивающихся энергией друг с другом. Нестационарные химические процессы были обнаружены и в живой природе.