Під впливом нових вимог виробництва виник третій спосіб вирішення проблеми генезису властивостей, що враховує всю складність організації хімічних процесів у реакторах і забезпечує їх економічно прийнятну продуктивність. Після цього хімія стає наукою вже не тільки і не стільки про речовини як закінчені предмети, а наукою про процеси і механізми зміни речовини. Завдяки цьому вона забезпечила багатотоннажне виробництво синтетичних матеріалів, що замінили дерево і метал у будівельних роботах, харчову сировину у виробництві оліфи, лаків, миючих засобів і змащувальних матеріалів. Виробництво штучних волокон, каучуків, етилового спирту і багатьох розчинників стало базуватися на нафтовій сировині, а виробництво азотних добрив - на основі азоту повітря. З'явилася технологія нафтохімічних виробництв з її потоковими системами, що забезпечують безперервні високопродуктивні процеси.

Ще у 1935 році всі 100 відсотків таких матеріалів, як шкіра, хутро, гума, волокна, миючі засоби, оліфа, лаки, оцтова кислота, етиловий спирт, вироблялися цілком з тваринної і рослинної сировини, зокрема харчової. На це витрачалися десятки мільйонів тонн зерна, картоплі, жирів, сирої шкіри і т. ін. Але вже у 60-ті роки XX ст. 100% технічного спирту, 80% миючих засобів, 90% оліфи і лаків, 40% волокон, 70% каучуку і близько 25% шкіряних матеріалів виготовлялися на основі газової і нафтової сировини. Крім цього, хімія щорічно дає сотні тисяч тонн сечовини і нафтового білка як корм худобі і близько 200 мільйонів тонн добрив.

Але і ці можливості ще далеко не межа. У 60 - 70-ті роки минулого сторіччя з'явився четвертий спосіб вирішення основної проблеми хімії, що відкриває шляхи використання у виробництві матеріалів найвисокоорганізованіших хімічних систем, які тільки можливі на цей час. В основі цього способу лежить принцип використання у процесах отримання цільових продуктів таких умов, які приводять до самовдосконалення каталізаторів хімічних реакції, тобто до самоорганізації хімічних систем. По суті, йдеться про використання хімічного досвіду живої природи. Це - своєрідна біологізація хімії. Хімічний реактор постає як якась подібність живої системи, для якої характерні саморозвиток і певні риси поведінки. І так, ми бачимо чотири рівні розвитку хімічних знань, або, як прийнято говорити, чотири концептуальні системи, що перебувають у відношеннях ієрархії.

На основі системи хімічних наук складається хімічна картина світу - погляд на природу з точки зору хімії, що визначає при цьому місце і роль хімічних об'єктів і процесів у всьому природному розмаїтті. Її змістом є:

1 Узагальнене знання даної епохи про те, що являють собою об'єкти живої і неживої природи з боку їх хімічного змісту. Сюди входить вчення про розмаїття частинок речовини, про їх хімічну організацію.

2 Уявлення про походження всіх основних типів природних об'єктів, їх природну еволюцію.

3 Залежність хімічних властивостей природних об'єктів від їх структури.

4 Загальні закономірності природних процесів як процесів хімічного руху (взаємодія реагуючих речовин одна з одною і з навколишнім середовищем).

5 Знання про специфічні об'єкти, що синтезуються в практичній діяльності хіміка.

СУЧАСНІ КОНЦЕПЦІЇ ХІМІЇ

Структура хімії

До кінця XIX століття хімія в основному була єдиною цілісною наукою. Внутрішній її поділ на органічну і неорганічну не порушував єдності. Але численні відкриття, що відбулися після цього як у самій хімії, так і у біології та фізиці, поклали початок швидкої її диференціації.

Сучасна хімічна наука, спираючись на міцні теоретичні основи, безперервно розвивається вшир і вглиб. Зокрема, відбуваються відкриття і вивчення якісно нових дискретних хімічних частинок. Так, ще у першій половині XIX століття при вивченні електролізу були виявлені іони - особливі частинки, утворені з атомів і молекул, але такі, що мають електричний заряд. Іони є структурними одиницями багатьох кристалів, кристалічних граток металів, вони існують в атмосфері, у розчинах тощо.

На початку XX століття хіміки відкрили радикали як одну з активних форм хімічної речовини. Вони утворюються з молекул шляхом відщеплення окремих атомів або їх груп і містять атоми елементів у незвичайному для них валентному стані. Їх виняткова хімічна активність пов'язана з наявністю одиничних (неспарених) електронів.

До особливих форм хімічної речовини відносять також макромолекули. Вони складаються з сотень і тисяч атомів і внаслідок цього набувають на відміну від звичайної молекули якісно нових властивостей.

Характерний для новітньої хімії, як і для всієї науки XX століття, процес глибокої внутрішньої диференціації значною мірою пов'язаний з відкриттям цього якісного розмаїття хімічних речовин. Їх будова, перетворення і властивості стали предметом вивчення спеціальних розділів хімії: електрохімії, хімічної кінетики, хімії полімерів, хімії комплексних сполук, колоїдної хімії, хімії високомолекулярних сполук.

Вже до початку XX століття усередині самої хімії чітко розрізняють загальну, неорганічну хімію і органічну хімію. Предметом вивчення загальної і тісно пов'язаної з нею неорганічної хімії стали хімічні елементи та прості неорганічні сполуки, що утворюються ними, і їх загальні закони (перш за все періодичний закон Д.І. Менделєєва).

Сильний поштовх у розвитку неорганічної хімії надали проникнення у надра атома і вивчення ядерних процесів. Пошуки елементів, найбільш придатних для розщеплювання в ядерних реакторах, сприяли дослідженню маловивчених і синтезу нових елементів за допомогою ядерних реакцій. Вивченням фізико-хімічних основ і хімічних властивостей радіоактивних ізотопів, методикою їх поділу і концентрації зайнялася радіохімія, що виникла у другій чверті XX століття.

Органічна хімія остаточно склалася як самостійна наука в другій половині Х1Х століття. Цьому сприяло отримання великого емпіричного і теоретичного матеріалу про сполуки вуглецю і його похідних. Визначальним чинником для всіх органічних сполук є особливості валентного стану вуглецю - здатність його атомів зв'язуватися між собою як одинарним, так і подвійними, потрійними зв'язками у довгі лінійні і розгалужені ланцюги. Завдяки нескінченному розмаїттю форм сполучення вуглецевих атомів, наявності ізомерії і гомологічних рядів майже в усіх класах органічних сполук, можливості їх отримання практично безмежні.

У ХХ столітті багато розділів органічної хімії стали поступово перетворюватися на великі, відносно самостійні вітки зі своїми об'єктами вивчення. Так з'явилися: хімія елементоорганічних сполук, хімія полімерів, хімія високомолекулярних сполук, хімія антибіотиків, барвників, ароматичних сполук, фармакохімія тощо.

У кінці минулого століття виникає хімія металоорганічних сполук, тобто сполук, що містять один (або більше) прямий зв'язок металу з вуглецем. До кінця століття були відкриті органічні сполуки ртуті, кадмію, цинку, свинцю та ін. У наш час одержані вуглецеві сполуки з більшою частиною не тільки металів, але і неметалів (фосфор, бор, кремній, миш'як тощо). Тепер цю галузь хімії почали називати хімією елементоорганічних сполук, вона знаходиться на стику органічної і неорганічної хімії.

Самостійною областю хімії є наука про методи визначення складу речовини - аналітична хімія. Її основне завдання - визначення хімічних елементів або їх сполук, що входять до складу досліджуваної речовини, - розв'язується шляхом аналізу. Без сучасних методів аналізу був би неможливий синтез нових хімічних сполук, постійний ефективний контроль за ходом технологічного процесу і якістю продуктів, що отримуються.

Взаємозв'язок хімії з фізикою

Крім процесів диференціації самої хімічної науки, у наш час відбуваються й інтеграційні процеси хімії з іншими галузями природознавства. Особливо інтенсивно розвиваються взаємозв'язки між фізикою і хімією. Цей процес супроводжується виникненням все нових і нових суміжних фізико-хімічних галузей знання.

Історія взаємодії хімії і фізики багата на приклади обміну ідеями, об'єктами і методами дослідження. На різних етапах свого розвитку фізика забезпечувала хімію поняттями і теоретичними концепціями, що сильно вплинули на розвиток хімії. При цьому чим більше ускладнювалися хімічні дослідження, тим більше апаратура і методи розрахунків фізики проникали у хімію. Необхідність вимірювання теплових ефектів реакцій, розвиток спектрального і рентгеноструктурного аналізу, вивчення ізотопів і радіоактивних хімічних елементів, кристалічних граток речовини, молекулярних структур вимагали створення і використання складних фізичних приладів - спектроскопів, мас-спектрографів, дифракційних граток, електронних мікроскопів і т.ін.

Розвиток сучасної науки підтвердив глибокий зв'язок між фізикою і хімією. Зв'язок цей має генетичний характер, тобто утворення атомів хімічних елементів, об'єднання їх у молекули речовини відбулося на деякому етапі розвитку неорганічного світу. Також цей зв'язок ґрунтується на спільності будови конкретних видів матерії, у тому числі і молекул речовин, що складаються, зрештою, з одних і тих самих хімічних елементів, атомів і елементарних частинок. Виникнення хімічної формули руху у природі викликало подальший розвиток уявлень про електромагнітну взаємодію, що вивчається фізикою. На основі періодичного закону сьогодні здійснюється прогрес не тільки у хімії, але і в ядерній фізиці, на межі якої виникли такі змішані фізико-хімічні теорії, як хімія ізотопів, радіаційна хімія та ін.

Фізика і хімія вивчають практично одні й ті самі об'єкти, але тільки кожна з них бачить у цих об'єктах свій бік, свій предмет вивчення. Так молекула є предметом вивчення не тільки хімії, але і молекулярної фізики. Якщо перша вивчає її з погляду закономірностей утворення, складу, хімічних властивостей, зв'язків, умов її дисоціації на атоми, то остання вивчає статистичну поведінку молекул, що обумовлює теплові явища, різні агрегатні стани речовини, переходи з газоподібної фази у рідку й тверду фази і, навпаки, явища, не пов'язані із зміною складу молекул і їх внутрішньої хімічної будови. Те, що кожна хімічна реакція супроводжується механічним переміщенням молекул реагентів, виділенням або поглинанням тепла за рахунок розриву або утворення хімічних зв'язків у нових молекулах, переконливо свідчить про тісний зв'язок хімічних і фізичних явищ. Так, енергетика хімічних процесів тісно пов'язана із законами термодинаміки. Хімічні реакції, що відбуваються з виділенням енергії, як правило, у вигляді тепла і світла, називаються екзотермічними. Існують також ендотермічні реакції, що відбуваються з поглинанням енергії. Все сказане не суперечить законам термодинаміки: при горінні енергія вивільняється одночасно із зменшенням внутрішньої енергії системи. В ендотермічних реакціях відбувається підвищення внутрішньої енергії системи за рахунок припливу тепла. Вимірюючи кількість енергії, що виділяється при реакції (тепловий ефект хімічної реакції), можна судити про зміну внутрішньої енергії системи.

Частинним випадком першого початку термодинаміки є закон Гесса. Він свідчить про те, що тепловий ефект реакції залежить тільки від початкового і кінцевого стану речовин і не залежить від проміжних стадій процесу. Закон Гесса дозволяє обчислити тепловий ефект реакції у тих випадках, коли його безпосереднє вимірювання неможливе.

Після створення теорії відносності, квантової механіки і вчення про елементарні частинки розкрилися ще глибші зв'язки між фізикою і хімією. Виявилося, що ключ до пояснення сутності властивостей хімічних сполук, самого механізму перетворення речовин лежить у будові атомів, у квантово-механічних процесах його елементарних частинок і особливо електронів зовнішньої оболонки. Новітня фізика блискуче вирішила такі питання хімії, як природа хімічного зв'язку, особливості хімічної будови молекул органічних і неорганічних сполук і т. ін.

У галузі контакту фізики і хімії виникла й успішно розвивається фізична хімія, яка оформилася в окрему науку у кінці XIX століття у результаті успішних спроб кількісного вивчення фізичних властивостей хімічних речовин і сумішей, теоретичного пояснення будови молекулярних структур. Експериментальною і теоретичною базою для цього стали праці Д.І. Менделєєва (відкриття періодичного закону), Вант-Гоффа (термодинаміка хімічних процесів), С. Арреніуса (теорія електролітичної дисоціації) і т. ін. Предметом її вивчення стали загальнотеоретичні питання, що стосуються будови і властивостей молекул хімічних сполук, процесів перетворення речовин у зв'язку із взаємною обумовленістю та їх фізичними властивостями, вивчення умов перебігу хімічних реакцій і фізичних явищ, що відбуваються при цьому. Сьогодні це різносторонньо розгалужена наука, що тісно пов'язує фізику і хімію.

У самій фізичній хімії на цей час виділилися і склалися як самостійні розділи, що мають свої особливості, методи і об'єкти дослідження, електрохімія, вчення про розчини, фотохімія, кристалохімія. На початку XX століття виділилася також у самостійну науку колоїдна хімія, що з'явилася у надрах фізичної хімії. З другої половини XX століття у зв'язку з інтенсивним розробленням проблем ядерної енергетики виникла і розвинулася новітня галузь фізичної хімії - хімія високих енергій, радіаційна хімія (предметом її вивчення є реакції, що відбувається під дією іонізуючого випромінювання), хімія ізотопів.

Взагалі фізична хімія розглядається зараз як найбільш широкий загальнотеоретичний фундамент всієї хімічної науки. Багато її учень і теорій мають велике значення для розвитку неорганічної і особливо органічної хімії. З виникненням фізичної хімії вивчення речовини почало здійснюватися не тільки традиційними хімічними методами дослідження, не тільки з уявлень про її склад і властивості, але і з боку структури, термодинаміки і кінетики хімічного процесу, а також з боку зв'язку і залежності останніх від дії явищ, властивих іншим формам руху (світлове і радіаційне опромінювання, світлова і теплова дія тощо).

У першій половині XX століття виникла суміжна між хімією і новими розділами фізики (квантова механіка, електронна теорія атомів і молекул) наука, яку почали пізніше називати хімічною фізикою. У ній широко застосовувалися теоретичні і експериментальні методи новітньої фізики щодо дослідження будови хімічних елементів і сполук і особливо механізму реакцій. Хімічна фізика вивчає взаємозв'язок і взаємоперетворення хімічної і субатомної форм руху матерії.

Таким чином, сучасна хімія постає перед нами як досить багатогранна і розгалужена система знань, яка перебуває у процесі інтенсивного розвитку. В основній своїй масі хімія розвивається у напрямку вузько орієнтованих прикладних досліджень, але разом з тим сьогодні розвиваються і концептуальні напрями фундаментального характеру, які і визначають статус і положення цієї науки у системі сучасного природознавства. До таких концептуальних напрямів розвитку сучасної хімії слід віднести: проблему хімічного елемента, дослідження структури хімічних сполук, вчення про хімічні процеси й еволюційну хімію.

Проблема хімічного елемента

Концепція хімічного елемента з'явилася у хімічній науці у результаті прагнення людини виявити першоелемент природи. Вона проіснувала більше двох тисяч років. Проте лише у XVII столітті Р. Бойль започаткував уявлення про хімічний елемент як про просте тіло, межу хімічного розкладання речовини, що переходить без зміни зі складу одного складного тіла в інше. Проте ще ціле століття хіміки робили помилки у визначенні хімічних елементів.

У подальшому Д.І. Менделєєв довів, що властивості хімічного елемента залежать від місця даного елемента в періодичній системі, що врешті-решт визначається зарядом ядра атома. У XX столітті фізика спромоглася встановити складну структуру атома будь-якого хімічного елемента. Атом є єдиною квантово-механічною системою, що складається з позитивно зарядженого ядра і негативно зарядженої електронної оболонки. Були з'ясовані особливості будови електронних орбіталей атомів усіх елементів і особлива роль серед них зовнішньої електронної оболонки, від кількості електронів у якій залежить реакційна здатність елемента. Найбільш активними з хімічної точки зору є елементи, що мають мінімальну атомну масу і 6-7 електронів у зовнішній електронній оболонці (фтор, хлор і кисень): вони прагнуть добудувати свою електронну оболонку, приєднавши число електронів, яких не вистачає. Активними також є метали, що мають велику атомну масу і 1-2 електрони на зовнішньому електронному рівні (барій, цезій). Вони прагнуть їх віддати для добудови електронної оболонки. На цьому базується поняття валентності - здатності атома до утворення хімічних зв'язків.

Сьогодні науці відомо 116 хімічних елементів. Їх питомий вміст у природних мінералах украй нерівномірний. Так, 98,6% маси фізично доступного шару Землі становлять всього вісім хімічних елементів: кисень, (27,5%), алюміній (8,8%), залізо (4,6%), кальцій 13%, натрій (2,6%), калій (2,5%), магній (2,1%). Проте використовуються ці елементи непропорційно. Наприклад, заліза у земній корі міститься удвічі менше, ніж алюмінію, але сьогодні більше ніж 95% усіх металевих виробів виготовляють із залізорудної сировини. Тому у сучасній хімії концепція хімічного елемента постає як проблема раціонального використання хімічних елементів.

Перш за все дослідження у цій області спрямовані на вивчення і використання силікатів, які становлять 97% маси земної кори. Звідси цілком природне переконання вчених, що силікати повинні стати основною сировиною для виробництва всіх будівельних матеріалів і напівфабрикатів при виготовленні кераміки, здатної конкурувати з металами.

Увага хіміків до цих двох видів матеріалів невипадкова: саме метали і кераміка на 90% становлять сучасну матеріально-технічну базу виробництва. Сьогодні щорічно виготовляється близько 600 млн тонн металу - більше 150 кг на кожного жителя планети. Приблизно стільки ж виготовляється і кераміки разом із цеглою. Проте виготовлення металу обходиться у сотні і тисячі разів дорожче за кераміку. Різниця в їх вартості до недавнього часу особливо нікого не хвилювала, оскільки кожен матеріал мав своє призначення. Але сьогодні завдяки хімії відкривається все більше можливостей для заміни металу на кераміку. Тут істотними є дві обставини: виробництво кераміки набагато легше у технічному відношенні і вигідніше економічно, а головне кераміка за своїми показниками виявляється більш задовільним конструкційним матеріалом у порівнянні з металом.

Очевидна перевага кераміки полягає у тому, що її густина на 40% нижча, ніж густина металів, що дозволяє відповідно зменшити масу деталей, що виготовляються з кераміки. При використанні у виробництві кераміки нових хімічних елементів - цирконію, титану, бору, германію, хрому, молібдену, вольфраму та ін. - можна одержувати керамічні вироби з наперед заданими властивостями. Так, останнім часом була синтезована вогнетривка, термостійка, високотверда кераміка з набором заданих електрофізичних властивостей.

Вперше у світі у 60-х роках XX сторіччя в СРСР був одержаний надтвердий матеріал - гексаніт - Р. Він є одним із різновидів нітриду бору з температурою плавлення 3200 градусів за Цельсієм і твердістю, близькою до твердості алмазу. У цього матеріалу відсутня крихкість, властива кераміці. Така кераміка виробляється методом пресування порошків з отриманням необхідних форм і розмірів, що робить непотрібною механічну обробку виробів.

Ще одна перевага деяких видів кераміки порівняно з металами - надпровідність при температурі кипіння азоту (-195,8 ⁰С). Практична реалізація високотемпературної надпровідності відкриває величезні перспективи для створення надпотужних двигунів і генераторів, транспортних систем на магнітній подушці, розроблення надпотужних електромагнітних прискорювачів і т.ін.

Справжній переворот у теорії хімічних елементів відбувся із виникненням хімії фторорганічних сполук. Вона відкрила абсолютно новий світ органічних речовин. Справа у тому, що фторвуглеводи мають виняткову стійкість навіть у дуже агресивних середовищах кислот і лугів, особливу поверхневу активність, здатність поглинати кисень і перекиси. Тому вироби з фторвуглеводу застосовуються як матеріал для виготовлення внутрішніх органів людини (наприклад, серцевих клапанів, кровоносних судин тощо).

Концепції структури хімічних сполук

Характер будь-якої системи, як відомо, залежить не тільки від складу і будови елементів, але і від їх взаємодії. Саме така взаємодія визначає специфічні властивості цілісної системи. Тому при дослідженні різноманітних речовин і їх реакційної здатності хімікам доводилося займатися і вивченням їх структури. При цьому відповідно до рівня досягнутих знань змінювалися й уявлення про хімічну структуру речовини. І хоча у цьому напрямі хімії існували різні концепції і вчені по-різному тлумачили характер взаємодії між елементами хімічних систем, проте всі вони підкреслювали, що цілісні властивості цих систем визначаються саме специфічними особливостями взаємодії між елементами.

Сам термін “структурна хімія” - поняття умовне. У ньому перш за все мається на увазі такий рівень хімічних знань, при якому, комбінуючи атоми різних хімічних елементів, можна створити структурні формули будь-якої хімічної сполуки. Виникнення структурної хімії означало, що з'явилася можливість для цілеспрямованого якісного перетворення речовин, для створення схеми синтезу будь-якої хімічної сполуки, у тому числі і раніше невідомої.

Багато у чому розвиток цього напряму у хімії пов'язаний з теорією хімічної будови органічних сполук російського хіміка Олександра Михайловича Бутлерова. Його теорія дозволяла будувати структурні формули будь-якої хімічної сполуки, оскільки показувала взаємний вплив атомів у структурі молекули і, таким чином, пояснювала хімічну активність одних речовин і пасивність інших. Теорія хімічної будови органічних сполук Бутлерова змогла стати для хіміків практичним керівництвом зі синтезу органічних речовин. Виникнення цієї теорії дозволило перетворити хімію з науки аналітичної, такої, що займається вивченням складу готових речовин, у науку переважно синтетичну, здатну створювати нові речовини і нові матеріали.

Ця теорія наочно демонструє валентність хімічних елементів як число одиниць спорідненості, властивих даному атому =С=; -N=; -О-, Н-. Комбінуючи атоми різних хімічних елементів з їх одиницями спорідненості, можна створити структурні формули будь-якої хімічної сполуки. А це означає, що хімік, у принципі, може створювати план синтезування будь-якої хімічної сполуки, як уже відомої, так і ще невідомої, прогнозувати можливість отримання невідомої сполуки і перевіряти свій прогноз її синтезуванням.

У результаті у хіміків з'явився не тільки ентузіазм, але й упевненість у позитивному результаті експериментів у галузі органічного синтезу. Сам термін “органічний синтез” виник у 60 - 80-ті роки минулого століття. Він став початком цілої галузі науки, названої так на противагу загальному захопленню аналізом природних речовин. Цей період у хімії був названий тріумфальним ходом органічного синтезу. Хіміки гордо заявляли про свої нічим не обмежені можливості, обіцяючи синтезувати з вугілля, води і повітря всі найскладніші речовини, аж до білків, гормонів і алкалоїдів. І дійсність, здавалося, підтвердила ці заяви: протягом другої половини XIX століття число вивчених органічних сполук за рахунок знов синтезованих зросло з півмільйона приблизно до двох мільйонів.

Але справа у тому, що структурна хімія обмежена рамками даних тільки про молекули речовини, що знаходяться у дореакційному стані. Цих даних недостатньо для того, щоб керувати процесами перетворення речовини. Так, згідно із структурними теоріями повинні бути цілком здійсненними багато реакцій, які практично не відбуваються. Велика кількість реакцій органічного синтезу, що базуються лише на принципах структурної хімії, має такі низькі виходи продукції і такі великі відходи у вигляді побічних продуктів, що не може бути використана у промисловості. До того ж такий синтез вимагав як початкову сировину дефіцитних активних реагентів і сільськогосподарської продукції, у тому числі і харчової, що вкрай невигідно в економічному відношенні.

Проте сучасна структурна хімія досягла значних результатів: велика частина лікарських препаратів - це продукти органічного синтезу. Одним з її досягнень є відкриття абсолютно нового класу металоорганічних сполук, які за свою двошарову структуру одержали назву “сендвічевих сполук”. Молекула цієї речовини є двома пластинами із сполук водню і вуглецю, між якими знаходиться атом якогось металу.

Дослідження у галузі сучасної структурної хімії проводяться за двома основними перспективними напрямами:

- синтез кристалів з кристалічною структурою, максимально наближеною до ідеальної, для отримання матеріалів із високими технічними показниками: максимальною міцністю, термічною стійкістю, довговічністю при експлуатації та ін.;

- створення кристалів з наперед запрограмованими дефектами для виробництва матеріалів із заданими електричними, магнітними та іншими властивостями.

Вирішення кожної проблеми має свої труднощі. Так, у першому випадку необхідне дотримання таких умов вирощування кристалів, які виключали б дію на цей процес зовнішніх чинників, у тому числі і поля гравітації (земного тяжіння). Тому такі кристали вирощують на орбітальних станціях у космосі. Вирішення другої проблеми утруднене тим, що разом із запрограмованими дефектами практично завжди утворюються і небажані.

Вчення про хімічні процеси

Здатність до взаємодії різних хімічних реагентів визначається, крім усього іншого, і умовами перебігу хімічних реакцій. Ці умови можуть впливати на характер і результат хімічних реакцій. Найбільш залежними від умов проходження реакції виявляються сполуки змінного складу з ослабленими зв'язками між їх компонентами. Саме на них у першу чергу спрямована дія різних каталізаторів, які значно прискорюють хід хімічних реакцій.

Одним з основоположників цього напрямку у хімії став російський хімік Н.Н. Семенов - лауреат Нобелівської премії, засновник хімічної фізики. У своїй Нобелівській лекції 1965 р. він заявив, що хімічний процес - це те основне явище, яке відрізняє хімію від фізики і робить її більш складною наукою. Хімічний процес стає першою сходинкою при сходженні від таких відносно простих фізичних об'єктів, як електрон, протон, атом, молекула, до живої системи, тому що будь-яка клітина живого організму, по суті, є своєрідним складним реактором. Це міст від об'єктів фізики до об'єктів біології.

Переважна більшість хімічних реакцій є нестійкими. Їх важко контролювати: в одних випадках їх просто не вдається здійснити, хоча вони принципово можливі, в інших - важко зупинити, наприклад, горіння і вибухи, у третіх випадках їх важко ввести в одне бажане русло, оскільки вони мимовільно створюють десятки непередбачених відгалужень з утворенням сотень побічних продуктів. У найзагальнішому вигляді методи керування хімічними процесами можна розділити на термодинамічні і кінетичні, а серед останніх провідну роль відіграють каталітичні методи.

Виділення хімічної термодинаміки у самостійний напрям вчення про хімічні процеси, звичайно, пов'язують із появою у 1884 р. книги “Нариси з хімічної динаміки” голландського хіміка Я. Вант-Гоффа. У ній обґрунтовані закони, що встановлюють залежність напряму хімічної реакції від зміни температури і теплового ефекту реакції. Тоді ж Ле-Шательє сформулював свій “принцип рухомої рівноваги”, озброївши хіміків методами зміщення рівноваги у бік утворення цільових продуктів. Основними важелями керування реакцією є: температура, тиск (якщо реакція відбувається у газовій фазі) і концентрація реагуючих речовин (якщо реакція відбувається у рідкій фазі).

Кожна хімічна реакція, у принципі, оборотна, але на практиці рівновага зміщується в той або інший бік, що залежить як від природи реагентів, так і від умов процесу. Є реакції, які не вимагають особливих засобів керування: кислотно-основна взаємодія (нейтралізація), реакції, що супроводжуються видаленням готових продуктів або у вигляді газів, або у формі осадів. Але існує немало реакцій, рівновага яких зміщена вліво, до початкових речовин. Щоб їх здійснити, необхідні особливі термодинамічні важелі - збільшення температури, тиску і концентрації реагуючих речовин.

Термодинамічна дія впливає переважно на спрямованість хімічних процесів, а не на їх швидкість. Керуванням швидкістю хімічних процесів займається хімічна кінетика, в якій вивчається залежність перебігу хімічних процесів від різних структурно-кінетичних чинників: будови початкових реагентів, їх концентрації, наявності у реакторі каталізаторів та інших домішок, способів змішування реагентів, матеріалу і конструкції реактора і т.ін.

Завдання дослідження хімічних реакцій є виключно складним. Адже при його вирішенні необхідно з'ясувати механізм взаємодії не просто двох реагентів, а ще і “третіх тіл”, яких може бути декілька. У цьому випадку найдоцільніше поетапне вирішення, при якому спочатку виділяється найбільш сильна дія будь-якого одного з “третіх тіл”, найчастіше всього каталізатора.

Слід розуміти, що практично всі хімічні реакції є не простою взаємодією початкових реагентів, а складними ланцюгами послідовних стадій, де реагенти взаємодіють не тільки один з одним, але і зі стінками реактора, які можуть як каталізувати (прискорювати), так і інгібувати (уповільнювати) процес.

Досліди показують, що на інтенсивність хімічних процесів впливають також випадкові домішки. Речовини різного ступеня чистоти проявляють себе в одних випадках як активні реагенти, в інших - як інертні. Домішки можуть здійснювати як каталітичну, так і інгібовану дію. Тому для керування хімічним процесом у речовини, що реагують, вносять ті або інші домішки.

Таким чином, вплив “третіх тіл” на хід хімічних реакцій може бути зведений до каталізу, тобто позитивної дії на хімічний процес або до інгібування, тобто впливу, що стримує процес.

Каталіз у хімії робить справжні чудеса. Приклад цього -реакція синтезу аміаку. До 1913 р. її взагалі не могли провести. Тільки після того, як був винайдений каталізатор, цю реакцію вдалося здійснити при високій температурі і тиску. Але вона була технологічно дуже складною і небезпечною. На цей час відкриті умови, що дозволяють проводити її з використанням металоорганічних каталізаторів при нормальному тиску і кімнатній температурі.

Застосування каталізаторів стало основою докорінної перебудови всієї хімічної промисловості. Дякуючи їм, стало можливим увести в дію як сировину для органічного синтезу парафіну і циклопарафіну, що до цього часу вважалися хімічно неактивними. Каталіз є основою виробництва маргарину, багатьох харчових продуктів, а також засобів захисту рослин. Майже вся промисловість основної хімії (виробництво неорганічних кислот, основ і солей) і “важкого” органічного синтезу, враховуючи отримання паливно-мастильних матеріалів, базується на каталізі. Останнім часом тонкий органічний синтез також стає все більш каталітичним. 60 - 80 відсотків усієї хімії ґрунтується на каталітичних процесах. Хіміки небезпідставно говорять, що некаталітичних процесів у природі взагалі не існує, оскільки всі вони відбуваються у реакторах, матеріал стінок яких є своєрідним каталізатором. Але сам каталіз довгий час залишався загадкою природи, породжуючи найрізноманітніші теорії як чисто хімічні, так і фізичні.

Ці теорії, навіть будучи помилковими, виявлялися корисними хоча б тому, що підштовхували дослідників до нових експериментів. Адже для більшості промислово важливих хімічних процесів каталізатори підбиралися шляхом незліченних проб і помилок. Так, наприклад, для проведення вищезгаданої реакції синтезу аміаку у 1913 - 1914 роках німецькі хіміки випробували як каталізатор більше 20 тисяч хімічних сполук, використовуючи як елементи періодичної системи, так і різні їх поєднання.

Сьогодні можна зробити деякі висновки про суть каталізу:

1 Реагенти вступають у контакт з каталізатором і взаємодіють з ним, внаслідок цього відбувається ослаблення хімічних зв'язків + кат. кат.

Якщо ж реакцію проводять за відсутності каталізатора, то активація молекул реагуючих речовин повинна відбуватися за рахунок подачі у реактор енергії ззовні.

2 У загальному випадку будь-яку каталітичну реакцію можна подати як таку, що відбуваються через проміжний комплекс, в якому відбувається перерозподіл ослаблених хімічних зв'язків .

3 У переважній більшості випадків як каталізатори виступають сполуки бертолідного типу - речовини змінного складу, що відрізняються наявністю в них ослаблених хімічних зв'язків або навіть вільних валентностей. Це забезпечує їх високу хімічну активність. Такі молекули містять широкий набір енергетично неоднорідних зв'язків або навіть вільні атоми на поверхні.

4 Наслідком взаємодії реагентів з каталізатором є хід реакції у заданому напрямі; збільшення швидкості реакції, оскільки на поверхні каталізатора збільшується число зіштовхувань реагуючих молекул; відбір каталізатором деякої частини енергії екзотермічної реакції енергетичного підживлення все нових актів реакції і її загального прискорення.

На сучасному етапі свого розвитку вчення про хімічні процеси займається вивченням хімії плазми, радіаційної хімії, хімії високих тисків і температур.

Хімія плазми вивчає хімічні процеси в низькотемпературній плазмі (плазма - це іонізований газ). Вона досліджує перебіг хімічних реакцій при температурах від 1000 до 10000 ⁰С. Такі процеси характеризуються збудженим станом частинок, зіткненнями молекул із зарядженими частинками і дуже високими швидкостями реакцій.

У плазмохімічних процесах швидкість перерозподілу хімічних зв'язків дуже висока: тривалість елементарних актів хімічних перетворень становить 10^-13 с при повній відсутності оборотності реакції. Швидкість цих хімічних процесів у звичайних реакторах внаслідок їх оборотності знижується у тисячі разів. Тому плазмохімічні процеси дуже продуктивні.

Плазмова хімія останнім часом усе більше впроваджується у промислове виробництво. Вже створені технології виробництва сировини для порошкової металургії, розроблені методи синтезу для цілого ряду хімічних сполук. У 70-х роках XX ст. були створені плазмові сталеплавильні печі, що дозволяють одержувати дуже високоякісні метали. Розроблені методи іонно-плазмової обробки поверхні інструментів, зносостійкість яких збільшується у кілька разів.

Плазмохімія дозволяє синтезувати раніше невідомі матеріали, такі, як металобетон, у якому як зв'язуючий елемент використовуються різні метали. При сплавленні частинок гірської породи з металом утворюється металобетон, який перевершує за своїми якостями звичайний бетон у десятки і сотні разів.

Одним із наймолодших напрямків у дослідженні хімічних процесів є радіаційна хімія, яка зародилася у другій половині XX сторіччя. Предметом її розроблень стали перетворення найрізноманітніших речовин під впливом іонізуючих випромінювань. Джерелами іонізуючого випромінювання є рентгенівські установки, прискорювачі заряджених частинок, ядерні реактори, радіоактивні ізотопи. У результаті радіаційно-хімічних реакцій речовини одержують підвищені термостійкість і твердість.

Найбільш важливими процесами радіаційно-хімічної технології є полімеризація, вулканізація, виробництво композиційних матеріалів, зокрема, отримання полімербетонів шляхом просочення звичайного бетону яким-небудь полімером із подальшим опромінюванням. Такі бетони мають у 4 рази вищу міцність, ніж звичайні, вони водонепроникні і відзначаються високою корозійною стійкістю.

Сьогодні також принципово новою і виключно важливою галуззю вчення про хімічні процеси є високотемпературний синтез тугоплавких і керамічних матеріалів, що саморозповсюджується. Як правило, їх виробництво здійснюється методом порошкової металургії, суть якого полягає у пресуванні і стисненні при високій температурі (1200 - 2000 ⁰С) металевих порошків. Синтез, що саморозповсюджується, є набагато простішим, оскільки базується на реакції горіння одного металу в іншому, або металу в азоті, вуглеці тощо.

Сьогодні абсолютно точно відомо, що процес горіння є поєднанням кисню з горючою речовиною. У хімії прийнято вважати горіння реакцією окислення горючої речовини, що означає переміщення електронів атомів горючого тіла до атомів кисню. З цієї точки зору горіння можливо не тільки у кисні, але і в інших окислювачах. На цьому ефекті і ґрунтується високотемпературний синтез, що саморозповсюджується. Це тепловий процес горіння у твердих тілах. Прикладом є горіння порошку титану у порошку бору або порошку цирконію у порошку кремнію. У результаті такого синтезу отримані сотні тугоплавких сполук найвищої якості.

Еволюційна хімія

До 50 - 60-х рр. XX cт. про еволюційну хімію нічого не було відомо. На відміну від біологів, які вимушені були використовувати еволюційну теорію Дарвіна для пояснення походження численних видів рослин і тварин, хіміків питання про походження речовини не хвилювало, тому що отримання будь-якої нової хімічної речовини завжди було справою рук і розуму людини: молекула нової хімічної сполуки конструювалася за законами структурної хімії з атомів і атомних груп як будівля з цегли. Живі ж організми з блоків зібрати неможливо.

Виникненню еволюційної хімії сприяли дослідження у сфері моделювання біокаталізаторів. Штучний вибір каталітичних структур орієнтувався на здійснювану природою еволюцію від неорганічної хімії до живих систем. Іншою підставою розвитку досліджень у галузі еволюційної хімії є реальні досягнення “нестаціонарної кінетики”.

У результаті цих досягнень у хіміків з'явилася можливість вирішувати еволюційні проблеми стосовно своїх об'єктів. Це проблеми мимовільного (без участі людини) синтезу нових хімічних сполук, які є більш високоорганізованими продуктами у порівнянні з початковими речовинами. Тому еволюційну хімію вважають передбіологією - наукою про самоорганізацію і саморозвиток хімічних систем.

Взаємозв'язок хімії з біологією

Хімія й біологія довгий час розвивалися незалежно одна від одної, хоча давньою мрією хіміків було створення в лабораторних умовах живого організму.

Сама по собі ця ідея виникла ще в період алхімії і аж до XVI століття була однією з її головних цільових установок. Проте до XVII століття серед учених затвердилося переконання про нездійсненність і, отже, помилковість ідеалів алхімії. Такій переоцінці сприяли ті позитивні знання, які були накопичені у результаті розвитку самої алхімії. У результаті були дискредитовані такі напрямки алхімії, як пошуки “філософського каменя” і універсального розчинника. Третій же ідеал алхімії - еліксир довголіття - не втратив своєї популярності завдяки застосуванню хімічних препаратів для збереження здоров'я і лікування хвороб.

“Біологічні ідеали” ранніх етапів становлення хімічного знання визначили стійку традицію цікавості хіміків до проблем біології, хоча тоді ж склались уявлення про непереборну грань між живим і неживим.

Процес взаємодії хімії і біології значно посилився на початку XIX століття, коли у складі хімії утворилися дві самостійні наукові дисципліни - неорганічна і органічна хімія. Стосовно питання взаємодії хімії й біології найбільший інтерес становить органічна хімія.

Органічна природа надала хімікам-органікам прекрасні зразки свого творіння - речовини рослинного і тваринного походження - для наслідування і відтворення подібних речовин у хімічних лабораторіях. Так, для хіміків виник “біологічний ідеал”, що істотно вплинув на розвиток органічної хімії, особливо на початковому етапі її становлення.

Різке зміцнення взаємозв'язку хімії з біологією відбулося у результаті створення А.М. Бутлеровим теорії хімічної будови органічних сполук. Керовані цією теорією хіміки-органіки вступили у бій зі своєю “суперницею” природою. Подальші покоління хіміків проявили велику винахідливість, працелюбність, фантазію і творчий пошук у спрямованому синтезі речовини. Їх задумом було не тільки наслідувати природу, вони хотіли перевершити її. Сьогодні ми можемо впевнено заявити, що у багатьох випадках це вдалося.

Поступовий розвиток науки XIX століття, що привів до розкриття структури атома та детального пізнання будови і складу клітини, відкрив перед хіміками і біологами практичні можливості спільної роботи над хімічними проблемами вчення про клітину, серед яких питання про характер хімічних процесів у живих тканинах, про обумовленість біологічних функцій хімічними реакціями.

Дійсно, якщо подивитися на обмін речовин в організмі з чисто хімічної точки зору, як це зробив А.І. Опарін, ми побачимо сукупність великого числа порівняно простих і одноманітних хімічних реакцій, які поєднуються між собою у часі, відбуваються не випадково, а у строгій послідовності, внаслідок чого утворюються довгі ланцюги реакцій. Цей порядок закономірно спрямований до постійного самозбереження і самовідтворення всієї живої системи у цілому в даних умовах навколишнього середовища.

Таким чином, такі специфічні властивості живого, як ріст, розмноження, рухливість, збудливість, здатність реагувати на зміни зовнішнього середовища пов'язані з певними комплексами хімічних перетворень.

Тому хімії серед наук, що вивчають життя, належить основна роль. Саме хімією виявлена найважливіша роль хлорофілу як хімічної основи фотосинтезу, гемоглобіну як основи процесу дихання, встановлена хімічна природа передачі нервового збудження, визначена структура нуклеїнових кислот і т. ін. Але головне полягало у тому, що об'єктивно у самій основі біологічних процесів, функцій живого є хімічні механізми. Всі функції і процеси, що відбуваються у живому організмі, виявляються можливими для викладення мовою хімії у вигляді конкретних хімічних процесів.

Однак було б неправильно зводити явища життя тільки до хімічних процесів. Це було б грубим механістичним спрощенням. Яскравим доказом цього є специфіка хімічних процесів у живих системах у порівнянні з неживими. Вивчення цієї специфіки розкриває єдність і взаємозв'язок хімічної і біологічної форм руху матерії. Свідченням цього й висновки інших наук, що виникли на стику біології, хімії і фізики: біохімія - наука про обмін речовин і хімічні процеси в живих організмах; біоорганічна хімія - наука про будову, функції і шляхи синтезу сполук, що входять до складу живих організмів; фізико-хімічна біологія як наука про функціонування складних систем передачі інформації і регулювання біологічних процесів на молекулярному рівні, а також біофізика, біофізична хімія і радіаційна біологія.

Науковими досягненнями цього процесу стало визначення хімічних продуктів клітинного метаболізму (обміну речовин у рослинах, тваринах, мікроорганізмах); встановлення біологічних шляхів і циклів біосинтезу цих продуктів, був реалізований їх штучний синтез, відкриття матеріальних основ регулятивного і спадкового молекулярного механізму, а також значною мірою з'ясоване значення хімічних процесів в енергетиці процесів клітини і взагалі живих організмів.

На цей час для хімії особливо важливим стає застосування біологічних принципів у технологічних процесах. Ще у XIX столітті вчені зрозуміли, що основою виняткової ефективності біологічних процесів є біокаталіз. Тому хіміки ставлять за мету створити нову хімію, що базується на каталітичному досвіді живої природи. У результаті з'явиться можливість нового підходу до керування хімічними процесами, де почнуть застосовуватися принципи синтезу собі подібних молекул, за принципом ферментів будуть створені каталізатори з такою різноманітністю якостей, які істотно перевершать ті, що існують у промисловості.

Незважаючи на те, що ферменти мають загальні властивості, притаманні всім каталізаторам, вони не тотожні останнім, оскільки функціонують у рамках живих систем. Тому всі спроби використовувати досвід живої природи для прискорення хімічних процесів у неорганічному світі стикаються з серйозними обмеженнями. Поки що мова може йти тільки про моделювання деяких функцій ферментів і використання цих моделей для теоретичного аналізу діяльності живих систем, а також частково-практичного застосування виділених ферментів для прискорення деяких хімічних реакцій.

Тут найперспективнішим напрямком, очевидно, є дослідження, орієнтовані на застосування принципів біокаталізу у хімії і хімічній технології, для чого необхідно вивчити весь каталітичний досвід живої природи, у тому числі і досвід формування самого ферменту, клітини і навіть організму. Саме тут і виникли основи еволюційної хімії як нової науки, що прокладає шляхи принципово нової хімічної технології, здатної стати аналогом живих систем.

Той факт, що каталіз відігравав вирішальну роль у процесі переходу від хімічних систем до біологічних, тобто на передбіологічній стадії еволюції, у наш час підтверджується багатьма даними. Такі реакції супроводжуються утворенням специфічних просторових і часових структур за рахунок утворення нових і видалення використаних хімічних реагентів. Проте на відміну від самоорганізації відкритих фізичних систем у даних хімічних реакціях важливого значення набувають каталітичні процеси.

Роль цих процесів посилюється у міру ускладнення складу і структури хімічних систем. Саме на цій підставі деякі вчені безпосередньо пов'язують хімічну еволюцію з самоорганізацією і саморозвитком каталітичних систем. Іншими словами, така еволюція якщо не цілком, то значною мірою пов'язана з процесами самоорганізації каталітичних систем. Однак слід пам'ятати, що перехід до простих форм життя припускає також особливий диференційований відбір лише таких хімічних елементів і їх сполук, які є основними будівельними матеріалами для утворення біологічних систем. Такі елементи у хімії одержали назву органогенів.

У результаті такого підходу з'явилася інформація про механізми відбору хімічних елементів і більш складних структур, який виявився подібним до біологічної еволюції. На цей час наукою відкрито 116 хімічних елементів. Більшість із них потрапляє у живі організми і бере участь у їх життєдіяльності. Проте основу життєдіяльності організмів забезпечують тільки шість хімічних елементів-органогенів. Це вуглець, водень, кисень, азот, фосфор і сірка. Їх сумарна вагова частка у структурі живого організму становить 97,4%. За ними за ступенем важливості йдуть 12 елементів, які беруть участь у побудові багатьох фізіологічно важливих компонентів біологічних систем. Це натрій, калій, кальцій, магній, алюміній, залізо, кремній, хлор, мідь, цинк, кобальт, нікель. Їх вагова частка в організмі становить 1,6%. Крім того, є ще 20 елементів, які беруть участь у побудові і функціонуванні окремих вузькоспецифічних біосистем і вагова частка яких становить близько 1%. Уся решта елементів у побудові біосистем практично не бере участі.

Загальна картина хімічного світу також досить переконливо свідчить про відбір елементів. У наш час хімічній науці відомо близько 8 млн хімічних сполук. З них переважну більшість (96%) становлять органічні сполуки, які утворені все з тих самих 6 - 18 елементів. З інших 98 - 112 хімічних елементів природа створила лише 300 тисяч неорганічних сполук. З органогенів на Землі найбільш поширені кисень і водень. Ступінь поширеності вуглецю, азоту, фосфору і сірки в поверхневих шарах Землі приблизно однаковий і загалом невеликий - близько 0,24 вагових відсотка. У космосі неподільно панують тільки два елементи - водень і гелій, а решту елементів можна розглядати тільки як добавки до них.