Концепции современного естествознания

Абсолютизация динамических закономерностей была характерной не только для физики, но и для других естественных наук и случайному, как объективной категории, не было места в классической стратегии естественнонаучного мышления.

Однако необратимость многих природных процессов и прежде всего тепловых процессов явно нарушила универсальный характер динамических закономерностей в природе.

Максвелл указал на принципиальное отличие механики отдельной частицы от механики большой совокупности частиц, подчеркнув, что большие системы характеризуются параметрами (давление, температура и др.), не применимыми к отдельной частице. Так он положил начало новой науке - статистической механике. На основе статистического подхода удалось совместить обратимость отдельных механических явлений (движений отдельных молекул) и необратимый характер движения их совокупности (рост энтропии в замкнутой системе).

В дальнейшем оказалось, что идеи хаоса характерны не только для тепловых явлений, а более фундаментальны. Планк, изучая хаотичность теплового излучения, связанную с дискретностью, нашел выход в введении кванта, который должен был примирить прежние и новые представления, но на самом деле сокрушил классическую физику. Интерес к невозможности однозначных предсказаний возник в связи с появлением принципиально иных статистических законов движения микрообъектов, составляющих квантовую механику.

При этом, как мы отмечали выше, квантовое микросостояние вводится не только для системы тождественных микрочастиц, но и для одной микрочастицы.

Именно квантовая физика придала статистическим закономерностям (теориям) особую эпистемологическую фундаментальность в неклассическом и постнеклассическом естествознании.

2. Основные характеристики (макропараметры) равновесного теплового макросостояния и его термодинамическое и статистическое описание

Квантовая физика, введя понятие микросостояния с включением в него как объекта (микрочастица или система микрочастиц), так и окружения, способствовала рассмотрению теплового равновесия как макросостояния.

Внешнее окружение макрообъектов в условиях теплового равновесия принято называть термостатом. Предполагается, что число частиц в термостате всегда на много порядков больше, чем число частиц в рассматриваемом макрообъекте, как, например, в озере по сравнению с брошенным в него камнем. В крайнем случае, в термостат можно включить мегасистемы и даже Вселенную, т.е. расширить макросостояние до мегасостояния. Обычно свойства термостата предполагаются неизменными и подробно не описываются.

Что касается макрообъекта, то его состояние задается совокупностью макропараметров. Некоторые из них относятся к характеристикам макрообъекта самого по себе. Это внутренняя энергия , число частиц , объем , масса и т.п. Такие характеристики называют экстенсивными, так как они в равной мере имеют смысл, как для микро, так и макрообъектов.

В то же время в тепловом равновесии на опыте встречаются макропараметры иного рода. Их называют интенсивными и они отличаются тем, что имеют смысл как для макрообъекта, так и термостата. Именно они задают условие теплового равновесия при определенных контактах между макрообъектом и термостатом (см. схему 38). Это температура , давление и химический потенциал .

Схема 38. Условия теплового равновесия для определенных видов контактов между макрообъектом и термостатом.

v Механический контакт Равенство давлений: ; .
v Тепловой (энергетический) контакт. Равенство температур .
v Корпускулярный (диффузионный) контакт. Равенство химических потенциалов: , где химический потенциал характеризует среднюю энергию, передаваемую одной частицей через границу между макрообъектом и термостатом.

При этом очень часто выделяют тепловой (энергетический) контакт, в котором в отличие от механического контакта изменение энергии происходит на микроуровне без изменения объема макрообъекта, изменения массы вещества в целом и т.п. Такой контакт считают определяющим в равновесной термодинамике. А температуре придают универсальный смысл функции термодинамического макросостояния.

Напомним, что термодинамика (греч. therme - «тепло» и dynamic - «сила») - теория тепловых явлений, в которой макрообъект и термостат рассматривают без учета их атомно-молекулярного строения. В феноменологической термодинамике имеют дело только с макроскопическими величинами, что при условии пренебрежения флуктуациями температуры и энергии и делает термодинамику динамической теорией.

Напомним, что флуктуацией называется случайное отклонение системы от ее закономерного состояния, например, от равновесия, а также случайные отклонения измеряемых величин от их средних значений. Для наглядности представим основные законы (начала) равновесной термодинамики в схеме 39.

Схема 39. Основные начала равновесной термодинамики.

v Нулевое начало термодинамики. Если два макрообъекта А и В находятся порознь в термодинамическом равновесии с макрообъектом С и термостатом, то они находятся в термодинамическом равновесии друг с другом. Мерой термодинамического равновесия является температура Т, которая одновременно является и функцией состояния.
v Первое начало термодинамики. Про равновесном переходе системы между двумя макросостояниями изменение внутренней энергии не зависит от вида процесса, посредством которого произведен этот переход: .
v Второе начало термодинамики. Во всех изолированных (закрытых) системах энтропия никогда не убывает, она либо остается постоянной, либо возрастает: .
v Третье начало термодинамики (теорема Нернста). При стремлении температуры макрообъекта к нулю его энтропия также стремиться к нулю независимо от значений внешних параметров: .

Из нулевого начала термодинамики следуют важнейшие свойства температуры как характеристики макросостояния в тепловом равновесии, подтвержденные многочисленными опытами. Перечислим эти свойства температуры:

v понятие температуры имеет смысл для макрообъектов и к отдельным микрочастицам непосредственно не применимо;

v оно имеет четкий смысл только в тепловом равновесии и вблизи него;

v в тепловом равновесии макрообъекты различной физической природы, погруженные в один и тот же термостат, имеют одинаковую температуру;

v если , но соответствующие макрообъекты не находятся в тепловом равновесии. При имеет место поток энергии от объекта А₁ к объекту А₂;

v все термометры в условиях теплового равновесия измеряют одну и ту характеристику, которую можно назвать температурой термостата. Тем самым температура - «это макропараметр, отражающий наличие неконтролируемого теплового воздействия на макрообъект».

Как следует из опыта, при тепловом равновесии между макропараметрами - характеристиками макрообъекта и его макросостоянием - устанавливаются устойчивые взаимосвязи. Они описываются уравнениями состояния. Простейший пример уравнение Клапейрона-Менделеева для модели идеального газа:

,

которому приписывается динамический характер.

При равновесных (обратимых) процессах энтропия не меняется и, следовательно, уравнения термодинамических процессов, в частности, изопроцессов, а также начала (законы) термодинамики представляют динамические закономерности, несмотря на статистический характер макропараметров и самого термодинамического макросостояния.

Первое начало термодинамики является универсальным законом сохранения энергии при равновесных тепловых процессах с указанием двух способов изменения внутренней энергии путем механической работы и теплообмена (теплопередачи энергии).

При этом возникает принципиальное различие двух способов изменения внутренней энергии на микроуровне. Механическая энергия изменяет энергию каждой микрочастицы и тем самым на ту же самую величину энергию каждой группы микрочастиц при неизменной численности групп, например, групп молекул газа. Теплообмен (теплопередача внутренней энергии) от одного макрообъекта другому связана с перераспределением микрочастиц по группам с фиксированной средней энергией, в частности, с увеличением средней численности групп молекул газа с высокой энергией.

Итак, передача энергии в форме работы - это приобретение упорядоченной, качественной энергии детерминированного движения.

Передача энергии в форме теплоты - это приобретение хаотической, некачественной энергии стохастического движения.

Указанное обстоятельство, как показывает опыт, непременно сказывается на возможности дальнейшего использования энергии макрообъекта и находит свое выражение еще в одном законе сохранения в равновесных макропроцессах. Величиной, сохраняющейся наряду с энергией в равновесных макропроцессах, является энтропия. Энтропия является важнейшим макропараметром, характеризующим макросостояние и не имеющим аналогов в механике.

Энтропия взаимосвязана с передачей энергии в форме теплоты. По определению Клаузиуса, энтропией называется такая физическая величина, приращение которой на равно количеству тепла , полученному системой, деленному на абсолютную температуру, .

Второе начало термодинамики указывает на необратимость тепловых процессов во всех изолированных (закрытых) системах, взаимосвязанную с принципом возрастания энтропии, т.е. меры приобретения хаотической, некачественной энергии стохастического движения.

Итак, все тепловые процессы в природе необратимы, т.е. задают в случае закрытых систем направленность («стрелу времени») от порядка к хаосу. Возникает парадокс: с одной стороны равновесное тепловое макросостояние описывается динамическими закономерностями (упорядоченными взаимосвязями) макропараметрами, а с другой стороны обладает высокой степенью хаотичности, что непроизвольно приводит и к статистическим законам равновесного теплового макросостояния, связанным с тем, что каждый макрообъект состоит из известных микрообъектов - атомов, молекул, электронов и атомных ядер.

Первым обратил на это внимание Л. Больцман, задав в 1872г. статистический смысл энтропии (см. схему 38).

Интересно, что и классическая модель хаоса - броуновское движение - так же характерна для равновесного теплового макросостояния. При этом в идеальном газе в роли броуновской частицы может выступать не только «инородный» макроскопический объект, но и любая молекула газа. Впервые беспорядочное движение мелких частиц, взвешенных в жидкости, и обусловленное случайным (хаотическим) характером воздействия на них молекул жидкости, наблюдал в 1827 г. английский ученый Роберт Броун. В 1905 г. А. Эйнштейн и М. Смолуховский дали последовательное объяснение броуновского движения на основе молекулярно-кинетической теории.

Задачу же выражения макропараметров макросостояния через известные характеристики микрообъектов, решил в 1902 г., хотя и частично, знаменитый американский физик Дж. Гиббс, введя в основное термодинамическое равенство для изменения энергии свое распределение:

,

где - распределение Гиббса, имеющее смысл вероятности того, что микрочастица входит в состав групп с энергией в условиях теплового равновесия, характеризуемого температурой термостата . Интересно, что используя различные виды распределения Гиббса и понятие энтропии, можно вывести как классические, так и квантовые статистики.

Для наглядности представим статистические законы макросостояния в схеме 40.

Схема 40. Статистические законы макросостояния и их физический смысл.

v .	Средний радиус «миграции» броуновской частицы пропорционален корню квадратному из времени «миграции»
v	Энтропия макросостояния пропорциональна числу микросостояний, с помощью которых реализуется данное макросостояние (термодинамической вероятности или статистическому весу макросостояния). Энтропия выступает в качестве меры беспорядка.
v	Вероятность распределения микросостояний по группам с различной энергией (распределение Гиббса).
v	Распределение молекул газа по абсолютным значениям их скоростей (распределение Максвелла)
v .	Распределение молекул газа по высоте в однородном поле тяжести (распределение Больцмана). Распределение давления газа атмосферы по высоте в однородном поле тяжести в условиях теплового равновесия (барометрическая формула).

3. Элементы неравновесной термодинамики диссипативных систем. Закономерности самоорганизации в природе

Термодинамический процесс, все промежуточные состояния которого равновесны, является равновесным. Равновесность процесса является условием обратимости процесса. Обратимым называется процесс, который может быть проведен в прямом и обратном направлении через одну и ту же совокупность промежуточных состояний, т.е. в самой системе не происходит никаких изменений. Полностью обратимые процессы в макроскопических системах невозможны, т.е. обратимые процессы - это идеализация реальных процессов.

Изучение реальных процессов, в частности, явлений переноса, потребовало создание линейной неравновесной термодинамики, а затем и термодинамики систем вдали от равновесия. В линейной неравновесной термодинамике исследованы и обобщены многие неравновесные процессы природы и, в первую очередь, диффузия, теплопроводность и т.п.

В этой теории отклонения от равновесия считаются малыми и соответствующие уравнения потоков: теплового, диффузионного, вязкого потока импульса, электрического тока и скорости химической реакции от градиентов (термодинамических сил) соответственно температуры, концентрации, скорости, разности потенциалов и химического сродства реакции, оказываются линейными. Однако и это приближение значительно ограничивает возможности адекватного термодинамического анализа многих природных макропроцессов.

Поэтому дальнейшее развитие термодинамики было направлено на построение теории необратимых процессов в условиях, далеких от равновесных, когда необходимо использовать нелинейные уравнения. При этом оформился принципиальный вывод о том, что неравновесные состояния и необратимые процессы могут быть источником упорядоченности. Это послужило отправной точкой для развития современной неравновесной термодинамики систем, находящихся вдали от состояния равновесия.

В природе существует множество примеров возникновения порядка в первоначально беспорядочно хаотических системах. Наиболее явственно и наглядно подобные явления демонстрирует живая природа. Однако и в неживой природе немало процессов, которые протекают в направлении от беспорядка к порядку. Например, образование высокосимметричной структуры снежинок из бесструктурного водяного пара, вихревые структуры воды при ускорении течения в области сужения русла, автоколебания (звуковые, электрические, оптические, в том числе лазерные). Естественно, процессы самоорганизации проявляются в рамках всех структурных уровней материи. Так, в мегамире они привели к образованию структур в виде звезд, туманностей, галактик и т.п.

Это обусловило объединение неравновесной термодинамики диссипативных структур И. Пригожина, нелинейной динамики и кооперативных явлений в одной междисциплинарной науке - синергетике. Синергетика - область научных исследований коллективного поведения частей сложных систем, связанных с неустойчивостями и касающихся процессов самоорганизации. Синергетика является теорией самоорганизации систем различной природы.

Сам термин синергетика предложен немецким математиком Г. Хакеном (1973) и по его предложению обозначает «коллективное действие» и акцентирует внимание на кооперативности взаимодействия частей при образовании структуры как единого целого. Декларирует идею сотрудничества различных дисциплин (наук) в рамках совершающего в естествознании и в общем научном познании глобального коэволюционного синтеза.

В неравновесной термодинамике диссипативных структур особую роль сыграл принцип производства минимума энтропии Пригожина-Гленсдорфа, согласно которому в случае открытых систем возможно в принципе как возрастание, так и убывание и сохранение энтропии:

,

или = 0, или < 0, то есть взаимопроникновение порядка и хаоса. Условие означает усложнение и рост системы. Изменение энтропии при этом соответствует соотношению . Соотношение показывает, что энтропия, обусловленная необратимыми процессами внутри системы, выносится в окружающую среду. Диссипативная структура - одно из основных понятий теории структур И. Пригожина. Система в целом может быть неравновесной, но уже определенным образом упорядоченной, организованной, за счет диссипации (dissipation - разгонять, рассеивать свободную энергию) и потока внешней энергии. Такие системы И. Пригожин назвал диссипативными структурами. Неустойчивость и неравновесность определяют развитие систем, т.е. последние непрерывно флуктуируют. В особой точке бифуркации (критическое состояние) флуктуации достигают такой силы, что организация системы разрушается. Разрешением кризисной ситуации является быстрый переход диссипативной системы на новый более высокий уровень упорядоченности, который и получил название диссипативной структуры.

Эволюция большинства систем носит нелинейный характер, т.е. для такого типа систем всегда существует несколько возможных вариантов развития. Возникновение структур нарастающей сложности в рамках нелинейной динамики не случайность, а закономерность. Необратимость, неравновесность, неопределенность, случайность и нелинейность встроены в механизм эволюции. Окружающую среду в механизме эволюции не следует рассматривать просто как «термостат», имеет место совместная эволюция (коэволюция) системы и окружающей среды.

Лекция 6. Химические концепции познания мира

1. Химия в контексте интеллектуальной культуры. Структурные уровни организации материи в рамках современной химии. Химические системы

Исходя из структурной организации материи в вещественной форме, достаточно трудно, по мнению Л.И. Мандельштама, отделить предмет химии от физики. Однако попытки последовательно вывести предсказания химии на основе только физических законов, описывающих поведение микрочастиц, часто терпят неудачу. Это обусловлено определённым различием структурно-теоретических моделей химии и физики, хотя концепция моделирования и является общей для всего естествознания. С физической точки зрения вещества, а тем более вещества в процессах превращения - это объекты необычайной сложности, тогда как для химии они являются элементарными логическими “кирпичиками” науки.

Таким образом, химический срез естественнонаучной картины мира объективно существует, ибо превращения веществ происходят и в космосе, и в горных породах, и в океане, и в атмосфере, и в почве, и в живых организмах, не говоря уже о многочисленных химических производствах, созданных человеком. Это центральное положение химии в концепции вещества, определяющее пересечение химии не только с физикой, но и с науками о Земле и биологией, задаёт особое место химии и в контексте интеллектуальной культуры. Создание комфортных условий существования человеческой цивилизации тесно взаимосвязано как с энергетическими ресурсами и, прежде всего, с возобновляемыми источниками энергии, так с получением новых веществ, не нарушающих экологическую безопасность биосферы и существования семейства людей. Отсюда вытекает главная задача химии - получение веществ с заданными свойствами и установление способов управления свойствами веществ в процессе их превращения.

Мы дадим определение химии, опираясь на распределение моделей химии по четырём концептуально-конструктивным уровням (см. схему 41), и в дальнейшем изложении рассмотрим каждый раздел (концептуально-конструктивный уровень) химии более детально.

Схема 41. Становление четырёх концептуально-конструктивных уровней химии.

4. Эволюционная химия
3.Учение о химических процессах
2.Структурная химия
1. Учение о составе

XVII в. XIX в. 1950-е годы 1970-е годы

Итак, современная химия - это наука о химических моделях вещества; химических элементах и соединениях, их составе и структуре, о химических процессах и химической эволюции природных систем.

Вполне очевидно, что мы можем рассматривать химию Вселенной как в рамках мегамира, так и в рамках макромира и микромира.

Выделение “химических кирпичиков” вещества носит в значительной степени относительный характер с опорой прежде всего на классическую химию, хотя в основных моделях современной химии мы выделяем и неклассическую электронную модель, и эволюционную модель саморазвития элементарных каталитических систем. При таком подходе можно выделить следующие уровни материи в рамках современной химии (см. схему 42).

Схема 42. Структурные уровни организации материи в рамках современной химии.

Для наглядности приведём понятийные определения химических систем (см. схему 43) в рамках концепции целостности и единства реагентов и продуктов реакции.

Схема 43. Химические системы.

v Атом - электронейтральная система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра (образованного протонами и нейтронами) и электронов.
v Молекула - электронейтральная наименьшая совокупность атомов, образующих определённую структуру посредством химических связей.
v Химический элемент - совокупность атомов (изотопов) с одинаковым зарядом Z ядра.
v Химическое соединение. Вещество, которое состоит из атомов в определенном отношении и объединённых определённой химической связью, является химическим соединением. Химические соединения подразделяют на неорганические - соединения всех элементов периодической системы, и органические - соединения углерода и некоторых других элементов, в которых атомы углерода соединены между собой в цепи.
v Дальтониды - вещества постоянного состава.
v Бертоллиды - вещества переменного состава.
v Мономер - вещество, молекулы которого способны реагировать между собой или с молекулами других веществ, образуя полимер.
v Полимер - вещества, молекулы (макромолекулы) которых состоят из большого числа звеньев. Полимеризация - процесс или синтез получения полимеров.
v Химическая формула. Отражает состав, (структуру) вещества в виде химического соединения. Молекулярная формула указывает число атомов химического элемента в молекуле. Структурная (графическая) формула отражает порядок соединения атомов в молекуле и число связей между атомами.
v Химическая реакция - превращение веществ, сопровождающееся изменением их состава и (или) строения. Записывается схематически с помощью формул реагентов и продуктов реакции.
v Реакционная способность элемента - это активность в химических реакциях, которая определяется количеством электронов на внешних оболочках атома.

Рассмотрим фрагментарно основные концептуально-конструктивные уровни (разделы) современной химии, в рамках которых мы более детально раскроем и структурные уровни организации материи в химии. Среди фундаментальных полей взаимодействия в химии доминирует электромагнитное взаимодействие, хотя в эволюции материи в форме вещества важную роль играли и играют все фундаментальные поля взаимодействия и, следовательно, современная физическая исследовательская программа - единая теория поля. Однако, особая роль в химии принадлежит квантовой физике.

2. Структурно-концептуальные разделы современной химии

Химические явления протекают в системах, плохо обусловленных: в них действует одновременно множество сложным образом изменяющихся факторов. Указанное обстоятельство привело к тому, что в химической теории выработано множество частных моделей, применимость которых ограничена узкими рамками конкретных условий проведения реакций. Это создает в целом пёструю, фрагментарную картину теоретической химии.

Однако, существует возможность краткого анализа основных химических моделей в рамках четырех структурно-концептуальных разделов современной химии, а именно: учения о составе, структурной химии, учения о химических процессах и эволюционной химии.

2.1. Учение о составе вещества

Учение о составе включает в себя проблемы химического элемента и химического соединения. Первая модель «химического элемента» была введена в XVII в. Р. Бойлем, как предельного “простого вещества”, получаемого при химическом разложении веществ, переходящего без изменения из состава одного сложного тела в состав другого. Однако само открытие химических элементов произошло значительно позже (фосфор был открыт только в 1669 г., кобальт - в 1735г., никель - в 1751 г., водород - в 1766г., фтор - в 1771 г., азот и кислород - в 1772 г. и т.д.).

А.А Лавуазье (в конце XVIII в.) сделал первую попытку в истории химии систематизации химических элементов и соединений.

Д.И. Менделеев открыл периодический закон и разработал Периодическую систему химических элементов (1889 г.). Он исходил из того, что основной характеристикой химических элементов являются их атомные массы. Дальнейшие уточнения показали, что место химического элемента в Периодической системе определяется не атомной массой, а зарядом атомного ядра. В этой связи можно утверждать, что химический элемент - это совокупность атомов (изотопов), обладающих одинаковым зарядом ядра. Каждый химический элемент имеет определённую массу, представляющую собой среднее значение масс всех его изотопов. Изотопы, с точки зрения радиационной химии - разновидности атомов данного химического элемента, обладающие одинаковым зарядом ядра, но различающиеся массой. Во времена Д.И. Менделеева было известно 62 химических элемента, сейчас - более 114.

Периодический закон формулируется следующим образом: химические свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера). Исключение - изотопы водорода: протий, тритий, дейтерий, обладающие различными химическими свойствами.

В периодической системе по горизонтали имеется семь периодов (обозначены арабскими цифрами), из них первый, второй и третий называются малыми, а остальные - большими. Каждый период за исключение первого начинается щелочным металлом и заканчивается благородным газом (седьмой период - незаконченный). В системе 10 рядов (обозначены римскими цифрами). Каждый малый период состоит из одного ряда, каждый большой - из двух рядов: четного (верхнего) и нечетного (нижнего). В четных рядах больших периодов находятся металлы. По вертикали расположено восемь групп (обозначены римскими цифрами). Номер группы связан со степенью окисления элементов, проявляемой ими в соединениях. Каждая группа делится на две подгруппы, причем главную подгруппу начинает элемент малого периода или первый элемент группы. В побочную группу входят элементы только больших периодов. VIII группа отличается от остальных: кроме главной подгруппы гелия она содержит побочную подгруппу, состоящую из триад железа, рутения осмия.

В настоящее время раскрыт физико-химический смысл периодического закона, и дано квантово-механическое объяснение строения атомов химических элементов на основе понятия электронной оболочки квантовых чисел и принципа Паули (см. схемы 35, 36 в лекции 4).

Все свойства элементов таблицы Д.И. Менделеева объясняются порядком заполнения электронами энергетических уровней (оболочек) и подуровней (подоболочек) атомов. Каждый период начинается элементом, в атоме которого на внешней электронной оболочке находится s-электрон. Завершаются периоды благородными газами, атомы которых имеют полностью заполненную внешнюю оболочку. Номер группы, как правило, указывает число электронов, которые могут участвовать в образовании химических связей.

В начале XIX в. Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определённым неизменным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей. Теоретически закон постоянства состава обосновал Д. Дальтон. Возникла модель веществ постоянного состава - дальтониды. На основе идеи об атомистическом строении вещества он утверждал, что химические соединения состоят из атомов двух или нескольких элементов, образующих определённые (он считал кратные) сочетания друг с другом. Возникла стехиометрическая модель химических соединений, а затем и типологии молекул.

К.Л. Бертолле, внёсший совместно с А.А. Лавуазье значительный вклад в номенклатуру химических соединений, считал, что в химии огромная роль принадлежит веществам переменного состава - бертоллидам. С конца XIX в. возобновились исследования, подвергающие сомнению абсолютизацию закона постоянства состава. Результаты исследований показали, что суть проблемы химических соединений состоит не столько в постоянстве состава, сколько в природе химических связей, объединяющих атомы в единую квантово-механическую систему - молекулу. Молекула представляет собой электронейтральную наименьшую совокупность атомов, образующих определённую структуру посредством химических связей.

В результате открытия физической природы химизма, как обменного взаимодействия электронов, химия по-новому стала решать проблему химического соединения, которое определяется как качественно определённое вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счёт обменного взаимодействия (химической связи) объединены в химическое соединение, неорганическое или органическое, мономеры или полимеры.

Произошло пересечение («вложение» друг в друга) стехиометрической, атомно-молекулярной, геометрической и электронной моделей химии. С современной точки зрения, стехиометрическая модель означает использование химических формул и уравнений, атомно-молекулярная модель - описание химических реакций как внутри- и межмолекулярных перегруппировок атомов, геометрическая модель определяет язык структурных формул и геометрических молекулярных параметров, а электронная модель выводит реакционную способность веществ из электронного строения молекул. Эти модели “вложены” друг в друга: каждая последующая использует и детализирует постулаты предыдущих.

В рамках современной электронной модели можно дать и краткую характеристику основным типам химических связей (см. схему 44).

Схема 44. Характерные особенности основных типов химических связей.

	Тип связи	Характерные особенности
	v Ковалентная связь	Взаимодействие между атомами обусловлено тем, что два электрона принадлежат одновременно двум атомам. В обобщенных парах электронов важную роль начинает играть обменная энергия, которая является существенно квантовой и зависит от обменной плотности зарядов р12(r)
	v Ионная связь	Возникает в результате электрического взаимодействия между ионами, которые образуются в результате отдачи одним атомом другому одного или нескольких электронов.
	v Металлическая связь	Эту связь образуют элементы, атомы которых на верхнем уровне имеют мало электронов по сравнению с общим числом внешних энергетически близких орбиталей, а валентные электроны из-за небольшой энергии ионизации образуют «электронный газ» и свободно перемещаются по всему кристаллу.
	v Водородная связь	Образуется благодаря электрическому взаимодействию атома водорода с другими атомами, обладающими значительной электроотрицательностью. Определяет геометрическую структуру белковых молекул, и является существенной в молекулярной генетике, открывая отчасти возможность спаривания двух спиралей ДНК.
	v Ван-дер-	Силы взаимодействия между молекулами определяются наличием у молекул природных или индуцированных электрических моментов.
	Ваальсова связь

2.2 Структурная химия

«Структурная химия» - термин условный. Речь идет об уровне развития химических знаний, при котором особую роль играет понятие «структура химического соединения», а также структура молекул.

Ф. Кекуле связал структуру молекул с понятием валентности элемента или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли структурные формулы органической химии и появился термин «органический синтез».

В это время были синтезированы на основе простейших углеводов анилиновые красители. Затем были поучены новые вещества (лекарственные препараты, взрывчатые вещества и т.д.).

Определяющей идеей понятия химической структуры была теория химического строения А.М.Бутлерова (1861). Характерной, неклассической концепцией стало представление об изомерии и её взаимосвязи со структурой веществ и типологии молекул. Бутлеров первым чётко сформулировал определение химического строения как способа химических связей в молекуле и в химических соединениях. Он же ввёл понятие энергоёмкости химических связей. Так с помощью структурной теории развивалась систематика органических соединений.

Важно было также введение Я. Вант-Гоффом (1874) стереоскопических структурных моделей.

Современная структурная химия использует кооперативное взаимодействие классических химических моделей вещества и типологии молекул (атомно-молекулярной, геометрической как в двумерном, так и в трехмерном виде, с неклассической электронной моделью) и опирается на взаимосодействие классической и квантовой химии. Особое значение приобретают квантовомеханические представления о типах химической связи в пересечении с угловой геометрией между ними и геометрией распределения электронной плотности. Особую роль в становлении и развитии структурной химии сыграли физические методы исследования структуры органических и неорганических соединений и прежде всего рентгеноструктурный анализ, оптическая, рентгеновская и электронная спектроскопия, нейтронография и др.

По современным представлениям, структура молекул - это пространственная и энергетическая упорядоченность квантовомеханической системы, состоящей из атомных ядер и электронов. Органические соединения - структурные образования из органических молекул. Главная роль в структуре органических соединений принадлежит углероду, который строит сложные циклические, ветвистые, линейные цепи, вовлекая в них и другие химические элементы, прежде всего - водород.

Структура неорганических соединений взаимосвязана с химией твердых и жидкокристаллических тел, пересекающейся с квантовой физикой. Структура задается квантовомеханическим взаимодействием атомов в неорганических молекулах, атомов химических элементов и (или) неорганических молекул в неорганических соединениях.

2.3 Проблемы учения о химических процессах

Способность к взаимодействию различных реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К условиям протекания химических процессов относятся термодинамические (характеризующие зависимость реакции от температуры, давления, энтропии и т.п.) и кинетические факторы.

Для наглядности основные законы и принципы учения о химических процессах, учитывающие отмеченные выше термодинамические и концентрационно-кинетические факторы, представим в табличной форме (см. схему 45).

Схема 45. Основные законы и принципы учения о химических процессах.

v Закон действующих масс. Скорость химических реакций при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ:
v Правило Вант-Гоффа. при повышении температуры на 10є скорость гомогенной реакции возрастает в г раз:
v Принцип Ле-Шателье. Определяет подвижное равновесие. Химическим равновесием называется состояние, в котором скорость обратной реакции равна скорости прямой реакции.
v Закон Аррениуса. Доля атомов (молекул), способных прореагировать:

Особое значение в учении о химических процессах приобрел закон С. Аррениуса. Закон сохранения энергии не позволяет всем реагентам (молекулам) соединиться друг с другом; существует некоторый энергетический барьер (определяемый количеством связей, порядком расположения атомов), только преодолев который, вещества вступят в реакцию. С. Аррениус доказал, что в реакцию могут вступать только те молекулы (реагенты), которые обладают избыточной энергией, т.е. активные молекулы. При обычной температуре их доля увеличивается в соответствии с правилом Вант-Гоффа.

В XX веке особую роль приобрела физическая химия цепных химических реакций: большинство реакций идет не прямо, а через промежуточные продукты, потому что при этом значительно понижается энергия активации. Она уменьшается особенно заметно, если атомы или соединения, входящие в промежуточные реакции, имеют свободные, ненасыщенные валентности. Такие атомы и соединения называются радикалами. Их обычно обозначают точкой над химическим символом. Академик Н.Н.Семенов открыл в 1926-1932гг класс цепных реакций, где взамен одной свободной валентности (радикала) получается несколько свободных валентностей (радикалов). В 1956г за эти работы ему была присуждена Нобелевская премия по химии. Особую роль в учении о химических процессах приобрел катализ, который позволил перебросить мостик от классической к неклассической (квантовой) химии и эволюционной химии. Оказалось, что условия протекания химических процессов в современной химии становятся зависимыми не только от термодинамических (температуры, давления и т.п.), но и структурно-кинетических факторов: строения исходных реагентов; их концентрации; наличия в реакторе катализаторов (или ингибиторов) и других добавок; способов смешивания реагентов, материалов и конструкции реактора и т.п. Влияние такого типа факторов, воздействие которых зачастую носит неконтролируемый характер, может быть сведено к катализу.

В рамках концепции неконтролируемого воздействия в химии основные понятия катализа представим в табличном виде (см. схему 46). При этом химия все более учитывает вероятностный подход квантовой физики, а также законы и принципы как равновесной, так и неравновесной необратимой термодинамики.

Катализ определяет положительное воздействие на химический процесс, а ингибирование определяет сдерживающий процесс.

Схема 46. Основные понятия (определения) катализа.

v Катализ - ускорение химической реакции в присутствии веществ - катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечного продукта.
v Гомогенный катализ - катализ, который происходит либо в газовой смеси, либо в растворе, в котором растворены как катализатор, так и реагенты.
v Гетерогенный катализ - катализ, при котором химическая реакция совершается в поверхностных слоях на границе раздела твердого тела, который обычно и выполняет роль катализатора, и газообразной или жидкой смеси реагентов.
v Ферментный катализ - катализ, в котором в качестве катализаторов используются ферменты, как природные, так и искусственные сложнейшие молекулярные системы - биологические катализаторы.
v Автокатализ - катализ, в котором в качестве катализатора выступают те или иные продукты химической реакции.

Катализ играет решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим.

2.4 Эволюционная химия

Предметом эволюционной химии является самоорганизация предбиологических систем. Существует два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный.

Субстратный подход.

Отличительная черта субстратного подхода состоит в исследовании вещественной основы биологических систем, т.е. определённого состава элементов - органогенов и определённой структуры входящих в живой организм химических соединений. Результатом субстратного подхода к проблеме биогенеза является накопленная информация об отборе химических элементов и структур.

Отбор химических элементов в процессе самоорганизации предбиологических систем внёс определённые закономерности в этот процесс:

Основу живых систем составляют только шесть элементов, получивших название органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, общая весовая доля которых в организме составляет более 97%. За ними следует 11 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организме - 1,6%. Есть ещё 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных узкоспецифических биосистем, доля которых составляет около 1%. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано.

Картина химического мира свидетельствует об отборе элементов. В настоящее время насчитывается около 8 млн. химических соединений из них 96% - органические, состоящие из тех же 6 -18 элементов. Интересно, что природа создала всего около 300 тыс. неорганических соединений.

Геохимические условия не играют существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических и биологических систем. Определяющим фактором в отборе химических элементов в данном случае выступают условия соответствия этих элементов определённым требованиям: а) способность образовывать прочные и энергоёмкие химические связи; б) эти связи должны быть лабильны, т. е. легко подвергающиеся гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению. Вот почему углерод, обладающий этими свойствами, отобран из многих других элементов как органоген № 1.

Функциональный подход

Отличительная черта функционального подхода состоит в исследовании процессов самоорганизации предбиологических систем, выявлении законов, которым подчиняются такие процессы.

Теория саморазвития элементарных каталитических систем в самом общем виде является общей теорией химической эволюции и биогенеза. Основы данной теории были разработаны А.П. Руденко в 1964 г.

Под эволюционными проблемами в химии понимают процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию считают предтечей биологии - наукой о самоорганизации и о саморазвитии химических систем.

В физико-химическом образе неклассической биологии все функции и процессы, происходящие в живом организме, можно изложить на языке физики и химии в виде конкретных физико-химических процессов.

Основой исключительной эффективности биологических процессов является биосинтез. Поэтому новая химия должна основываться на каталитическом опыте живой природы.

Для освоения каталитического опыта живой природы перспективным направлением являются исследования, ориентированные на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, что предполагает изучение закономерностей живой природы, в том числе и опыта формирования фермента, клетки, организма. Здесь и заложены основы эволюционной химии, предполагающей пути новых химических технологий, способных стать аналогами живых систем.

Эволюционная химия - это новое управление химическими процессами, предполагающее применение принципов синтеза себе подобных молекул. По принципу ферментов создадутся катализаторы с таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут катализаторы, существующие в химической промышленности.

Возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов и реально ощутимые успехи «нестационарной кинетики» или динамики химических систем.

Ведущее положение в развитии нестационарной кинетики занимает теория саморазвития открытых каталитических систем, способствующая существенному улучшению свойств катализаторов.

Саморазвитие, самоорганизация, самоусложнение происходят за счет естественного отбора активных каталитических центров и постоянного притока трансформируемой энергии. Поскольку источником энергии в основном является базисная реакция, то эволюционное преимущество получают каталитические системы, протекающие на основе экзотермических реакций. Отсюда базисная реакция является источником энергии, средством отбора прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

Теория саморазвития элементарных каталитических систем в самом общем виде является общей теорией химической эволюции и биогенеза. Основы данной теории были разработаны А.П. Руденко в 1964 г.

Суть данной теории - химическая эволюция есть не что иное, как саморазвитие каталитических систем. Эволюционирующим доминантам являются катализаторы.

Перспектива развития новой химии - это создание малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных технологий.

Основные проблемы данной теории - это вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т.е. вопросы выявления и определения основных закономерностей химической эволюции, отбора элементов и структур, уровня химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции.

Важным результатом открытия цикличности химических процессов и в общем понимании цикла, как основы мироздания, было обнаружение и исследование различных химических автоколебательных и автоволновых процессов типа реакции Белоусова-Жаботинского.

Проблема биологической эволюции непосредственным образом связана с проблемой химической самоорганизации (и химической эволюции). Одна из задач химии, а именно самого новейшего ее направления - эволюционной химии, понять, как из неорганической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией».

«Подражание живой природе есть химия будущего!» Этот девиз, который был высказан академиком А.Е.Арбузовым в 1930 г., является целеполагающей идеей развития эволюционной концепции в химии.

Лекция 7. Панорама современного естествознания в концепции «стрел времени»

1. Космология. Элементы физики Мегамира

Выделив в структурных уровнях материи гипермир (см. лекцию 4; 4.2), как представление о множестве мегамиров, мы фактически задали мегамир, как взаимодействующую и развивающую систему с усложнением фрактальной структуры «стрел времени» от Большого взрыва до образования космических тел, доступную современным методам исследования всех форм материи, в нее входящих, а также их взаимодействий (см. схему 45).

Схема 47. Структура Мегамира.

Мегамир (космос) Системная организация коэволюции материи, фундаментальных взаимодействий и пространства-времени на основе астрофизических, космологических и космогонических теорий и экспериментальных (астрономических) исследований.

1. Обычная материя - 4-5% всей материи в Мегамире (во Вселенной)

2. Темная материя - 23% всей материи в Мегамире (во Вселенной)

3. Темная энергия (энергия вакуума или космологическая постоянная) - 73% всей материи в Мегамире (во Вселенной).

4. Нейтрино.

В рамках выделения Мегамира, как возможно одной из частей Гипермира, мы под Вселенной будем понимать объект космологии Мегамира, т.е. ту часть материального мира, которая на данном уровне познания доступна астрономическому (наблюдательному и теоретическому) исследованию.

Итак, космология - это наука, целью которой является изучение и представление о Вселенной как едином целом.

Космогония - наука, изучающая происхождение небесных тел и систем от Солнечной системы до звезд, галактик и скоплений галактик.

Для наглядного модельного представления о масштабах нашей Галактики и Метагалактики представим их схематически (см. схему 48) с указанием удаления некоторых космических объектов от Солнца. Масштаб соответствующей модели: м (боровский радиус):м (радиус Земной орбиты) = . При этом Вселенная в рамках Метагалактики включает в себя ч Галактик, в каждой из которой находится 10¹¹ звезд.

Схема 48. Модель Галактики и Метагалактики

ГАЛАКТИКА (Млечный путь - звездная система, содержащая до 1011 звезд, к которой принадлежит Солнечная система)	МЕТАГАЛАКТИКА (изученная часть Вселенной со всеми находящимися в ней галактиками и другими объектами)
Галактика в этом масштабе: v Расстояние до ближайшей звезды Проксима 0,014 мм; v Расстояние до центра Галактики около 10 см; Размеры нашей звездной системы будут около 35 см; v Диаметр Солнца будет 0,0046 Е (ангстрем - единица длины, равная 10-8 см).	Метагалактика в этом масштабе: v Расстояние до туманности Андромеды 6 м (реальное удаление 1,5 млн. световых лет); v Расстояние до центральной части скопления галактик в Деве, куда входит и наша местная система галактик 120 м, причем такого же порядка будет размер самого скопления (реальное удаление 50 млн. световых лет); v Расстояние до радиогалактики Лебедь-А 2,5 км; v Расстояние до радиогалактики 3С-295 25 км (реальное ее удаление 5 млрд. световых лет). Скорость удаления радиогалактики Лебедь-А - около 17 тыс. км/с, радиогалактики 3С-295 - около 138 тыс. км/с.

Наша, наиболее важная для нас, Галактика носит название Млечный путь и состоит из более чем 100 млрд. звезд. Диаметр нашей Галактики настолько велик, что человеку, даже если бы он мог перемещаться со скоростью света ( м/с), понадобилось бы 100000 лет для того, чтобы пересечь ее. Если перевести реальные размеры Галактики в привычные для макромира километры, то ее диаметр составляет приблизительно один квинтиллион (10¹⁸) километров. Среднее расстояние между звездами внутри нашей Галактики составляет около 60 триллионов (6010¹²) километров.

В связи с огромными масштабами вводят новые астрономические единицы: астрономическая единица, равная среднему расстоянию от Земли до Солнца - 1 а.е.=1,5010¹¹м; световой год, т.е. расстояние, которое проходит свет в вакууме за один земной год - 1 св. год = 6, 3210⁴а.е. = 9,4610¹⁵м; парсек - 1 пс. = 3,2 св. лет = 2,0610⁵а.е. = 3,0910¹⁶м.

Время жизни нашей Вселенной и соответственно Метагалактики, т.е. то, что люди называют возрастом Вселенной, это примерно 13,7 миллиарда лет с точностью до …, пожалуй, лучше чем 10%. Размер Метагалактики, т.е. наблюдаемой части Вселенной, казалось бы можно определить, исходя из того, что свет путешествовал к нам 13,7 млрд. лет, значит это надо умножить на скорость света (м/с) и получится расстояние, на котором мы якобы сейчас видим объекты Вселенной. На самом деле мы видим в несколько раз дальше, чем получим в результате (около 1,6 млрд световых лет), потому что те объекты, которые послали к нам свет 13,7 млрд лет назад, они сейчас от нас находятся дальше, так как Вселенная расширяется. Реальные, т.е. наблюдаемые размеры Метагалактики около 20 млрд. световых лет.

...