Глава 10 Современная химия

Предмет химии.

Для большинства студентов-гуманитариев представляет большую сложность разделить предметы исследования физики и химии. Физика — наука о неживой природе. Но и химия то же. Трудность здесь связана с тем, что химия изучает один из уровней организации материи, который находится между двумя уровнями, изучаемыми физикой. Физика исследует уровень макровещества, но она же изучает и атомы. Когда в XVII в. возникла химия, то предполагалось, что она будет изучать все то, что относится к микромиру. Атомная физика, однако, начав в XX в. исследовать процессы, протекающие в микромире, оставила и более глубокие уровни организации материи за физикой. Химии пришлось удовольствоваться единственным уровнем, которым она занималась изначально, — молекулярным.

Химия изучает процессы превращения молекул и веществ и воздействия на них внешних факторов (тепла, света, физических полей и т. п.). Она изучает также связи между атомами, входящими в состав молекул (так называемые химические связи). Выяснилось, что главную роль здесь играют электроны, своего рода «клей», соединяющий ядра атомов. Создание квантовой механики привело к развитию квантовой химии, в которой электрон не считается движущимся по определенной орбите, а вводится представление об электронном облаке.

Рентгеноструктурный анализ, спектроскопические методы и метод ядерного магнитного резонанса позволили в XX в. определить строение огромного числа молекул, что имело не только важное теоретическое, но и практическое значение.

Выдающийся химик XX в. Н.Н. Семенов сводил различия физических и химических процессов к трем основным: у химических процессов есть история, у них отсутствуют мгновенные параметры для скоростей реакций, для них нельзя пользоваться равновесными параметрами. Развитие синергетики существенно уменьшило эти различия, сблизив предметы физики и химии.

Важная заслуга химии заключается в том, что она показала большое значение структуры для свойств вещества и ее относительную самостоятельность. Скажем, алмаз и графит имеют одинаковый вещественный состав (они состоят из углерода), но различие их структур (решетчатая у алмаза и слоистая у графита) приводит к коренному различию свойств. Алмаз — один из самых твердых веществ, а графит, напротив, очень мягок. Именно оценив важность структуры, химия стала родоначальницей структурного подхода, который затем распространился на другие науки, и не только естественные, но и гуманитарные.

Большое значение в химии XX в. имело изучение катализаторов — веществ, которые изменяют скорость реакций, но не входят в состав их конечного продукта. Катализаторы важны для процессов, происходящих в живых организмах. Примером катализаторов является хлорофилл — вещество в живой ткани зеленого листа, благодаря которому происходит процесс фотосинтеза.

Химия имеет ныне огромное практическое значение. Повышение урожайности сельскохозяйственных культур благодаря применению минеральных удобрений и ядохимикатов дало возможность говорить о «зеленой революции», но это же привело к загрязнению почв и самих производимых продуктов, так что в большей цене оказались продукты, выращенные «без химии». В промышленности новые химические вещества дали возможность существенно обогатить производственный потенциал, но и это повлекло за собой отрицательные экологические последствия, так как большинство новых химических веществ не усваивалось природной средой и, таким образом, тоже становилось ее загрязнителями. Химия нашла широкое применение в быту, в частности в косметике (появилось выражение «сделать химию»), что также имело свою обратную экологическую сторону.

Строение атома.

К 1914 г. были открыты отрицательные и положительные частицы: отрицательная — электрон (в конце XIX в.), положительная — позже, и в 1920 г. английский ученый Э. Резерфорд (1871–1937) назвал ее протоном. В 1932 г. английский ученый Д. Чедвик (1891–1974) открыл частицу с такой же массой, как у протона, но не несущую электрического заряда. Ее назвали нейтроном. В. Гейзенберг сразу же после открытия нейтрона предположил, что положительно заряженные частицы большой массы представляют собой протонно-нейтронные комбинации.

Э. Резерфорд с 1906 г. бомбардировал альфа-частицами тонкие листочки металла. На основании того, что большинство альфа-частиц беспрепятственно проходили через пластинки, а некоторые резко отклонялись, он создал теорию строения атома, в соответствии с которой атом имеет небольшое плотное ядро и электронные оболочки, занимающие основную часть объема атома. Немецкий ученый М. Лауэ (1879–1960) в 1909 г., бомбардируя рентгеновскими лучами кристаллы, установил, что они состоят из атомов, образующих кристаллическую решетку.

В 1920 г. Д. Чедвик экспериментально доказал равенство заряда ядра порядковому номеру химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева и возникло новое определение химического элемента. Вместо вещества, неразложимого на более простые, химический элемент стали понимать как совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Именно зарядом, который зависит от количества протонов в ядре, определяются свойства химического элемента. Количество нейтронов в ядре не всегда одинаково, и в этом случае говорят, что химический элемент имеет несколько изотопов. Так, калий имеет три изотопа — калий-39, калий-40 и калий-41, где числа обозначают атомную массу, которая равна сумме протонов и нейтронов (масса электронов во много раз меньше).

В 1934 г. французскими физиками Ф. и И. Жолио-Кюри были получены первые искусственные изотопы, т. е. изотопы, которые отсутствуют в природе. В 1937 г. создан первый искусственный химический элемент, который назвали технецием.

Теоретические основы химии.

Теоретической основой систематизации химических элементов послужила периодическая система Д.И. Менделеева. Важной в химии является теория химического строения А.М. Бутлерова, созданная во второй половине XIX в. В своей теории он дал определение понятия химического строения как распределения принадлежащих атомам сил сродства, вследствие которых образуются химические связи различной прочности. Он обратил внимание на то, что различная реакционная способность разных соединений объясняется большей или меньшей энергией, с которой связываются атомы (т. е. энергией связей), а также полным или неполным потреблением единиц сродства при образовании химических связей.

Фундаментальная для химии теория химической связи была создана в первые десятилетия XX в. после того, как атомная физика выяснила внутреннее строение молекул и вышла на уровень, который находится ниже молекулярного, — атомный. В 1916 г. Г. Льюис (1875–1946) и И. Ленгмюр (1881–1957) независимо друг от друга установили, что связь между атомами в молекуле осуществляют электроны. Когда два атома сталкиваются и вступают в реакцию, они или перераспределяют свои электроны и после расходятся, или объединяют свои электроны. Электроны располагаются вокруг ядра атома оболочками и при столкновении во взаимодействие вступают внешние оболочки. Часть электронов переходит из внешней оболочки одного атома во внешнюю оболочку другого. Оба атома оказываются противоположно заряженными и начинают притягиваться друг к другу, создавая химическую связь, называемую ионной. Атомы могут также объединять свои электроны, представляя их в совместное пользование. Такая связь получила название ковалентной.

Превращение одного вещества в другое называется химической реакцией. Химия изучает способность веществ вступать в химические реакции и характер протекания реакций. Реакционная способность веществ зависит от их структуры, а течение реакций — от состава реагирующих веществ и влияния внешних факторов (давления, температуры и т. п.). К важнейшим факторам, влияющим на скорость реакций, относятся: природа реагирующих веществ и их концентрация, размеры частиц реагентов, присутствие в системе катализаторов, температура и давление газообразных реагентов. Влияние температуры на скорость реакции определяется правилом Я. Вант-Хоффа, в соответствии с которым при повышении температуры на 10 градусов скорость реакции увеличивается в 2–4 раза. Закон действующих масс в химической кинетике выражает зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ. Все химические реакции делятся на гетерогенные и гомогенные. Последние протекают в однородной однофазной системе.

К основным химическим понятиям относится понятие химического равновесия, под которым понимается одинаковость скоростей прямой и обратной реакций. Химическое равновесие называют динамическим, поскольку протекают и прямая, и обратная реакции, но изменения в системе отсутствуют.

Сложные системы в химии.

Выдающееся достижение химии заключалось в том, что она открыла так называемые цепные реакции еще до того, как в физике был обнаружен радиоактивный распад. Суть цепной реакции Н.Н. Семенов описывает так: «Энергии кванта достаточно для того, чтобы двухатомная молекула хлора распалась на отдельные атомы. Каждый из них активнее первоначальной молекулы и потому легко вступает в реакцию с молекулой водорода. Она также двухатомна. Один из ее атомов вместе с атомом хлора дает молекулу продукта — хлористого водорода, а другой атом водорода остается свободен. Теперь он легко вступает в реакцию с ближайшей молекулой хлора, образуя вторую молекулу хлористого водорода и отдельный атом хлора… Это повторяется много-много раз, возникает как бы длинная цепь реакций»[84].

Советскому ученому Н.Н. Семенову предстояло открыть разветвленные цепные реакции. Его описание данного открытия раскрывает внутренний механизм научного творчества как такового. «Я уже сейчас не помню хорошо, когда у меня мелькнула догадка, что реакция окисления фосфора отличается от реакции хлора с водородом… Не помню, как мне пришла в голову главная мысль, что в ходе этой реакции образуются не обычные молекулы пятиокиси фосфора, а молекулы возбужденные — имеющие избыточную энергию, что и является причиной испускания света при соединении фосфора с кислородом. Но иногда возбужденная молекула пятиокиси фосфора может столкнуться с неактивной молекулой кислорода, еще не успев испустить свет. Тогда эта избыточная энергия вызывает расщепление кислородной молекулы на активные атомы, каждый из которых, в свою очередь, начинает боденштейновскую прямую цепь реакции окисления фосфорных паров»[85].

Теория разветвленных цепных реакций дала начало новому направлению исследований — химической физике, дисциплине, промежуточной между физикой и химией.

В химии были также открыты колебательные реакции, получившие название «химических часов». «Ведь, что, в самом деле, происходит? Основа колебательной реакции — наличие двух типов молекул, способных превращаться друг в друга. Назовем один из них А (красные молекулы), другой — В (синие). Мы привыкли думать, что химическая реакция — это хаотические, происходящие наобум столкновения частиц. По этой логике взаимные превращения А и В должны приводить к усредненному цвету раствора со случайными вспышками красного и синего. Но когда условия далеки от равновесных, происходит совершенно иное: раствор в целом становится красным, потом синим, потом снова красным. Получается, будто молекулы как бы устанавливают связь между собой на больших, макроскопических расстояниях через большие, макроскопические отрезки времени. Появляется нечто похожее на сигнал, по которому все А или все В реагируют разом… Такое поведение традиционно приписывалось только живому — теперь же ясно, что оно возможно и у систем сравнительно простых, неживых»[86].

Органический синтез и новые материалы.

Химия делится на органическую, изучающую вещества, в состав которых входит углерод, и неорганическую. Органический синтез — синтез природных соединений — имеет важнейшее практическое значение. Основной практической задачей химии является получение веществ с заданными свойствами. На протяжении XX в. было синтезировано огромное количество веществ, которые до этого человечество находило лишь в природном состоянии, — различные лекарства, витамины, удобрения, детергенты, каучук и т. д. В настоящее время ведутся работы по выработке технологии создания новых материалов не только из неорганических соединений, но и из растительного сырья: кукурузы (из ее стеблей, которые сжигают) и т. п. Одно из перспективных направлений — создание биодеградируемой упаковки. Представьте, баночка из-под йогурта, брошенная не очень-то культурным человеком в воду или на газон, в считанные дни исчезнет, разложившись до углекислого газа и воды, и количество углекислого газа при этом не увеличивается, как при использовании нефти. Это получило название «зеленая химия».

Химия идет по технологическому пути, так как свойства естественных молекул уже достаточно хорошо изучены, и задача — создавать новые вещества с новыми, неизвестными природе свойствами, как, например, пластмассы. Ежегодно синтезируется более 6 000 новых химических соединений. И необходимо включать их в природные кругообороты, чтобы не осложнялись экологические проблемы.

С появлением новых промышленных процессов, средств связи (например, сотовой связи) возникает все большая потребность в новых материалах. Необычное и даже неожиданное словосочетание — интеллектуальные, или разумные, материалы. Это вещества нового поколения, которые оптимизируют свои характеристики в зависимости от внешних условий. Такие материалы откликаются на всякое физическое воздействие: крыло новой машины автоматически меняет свою форму, чтобы оптимально соответствовать аэродинамическим условиям или оптимизировать угол атаки. Некоторые детали (например, лопатки турбин) выращивают из расплава как кристалл — целиком нужной формы. Такова химия XXI века.

Биохимия и биогеохимия.

Биохимия изучает химические реакции, происходящие в живых организмах, химический состав живых организмов и клеток. Эта промежуточная между биологией и химией наука получила развитие именно в XX в. Объяснение функционирования какого-либо уровня организации материи в биохимии заключается в переводе его на более низкий уровень. Мы говорили в связи с этим о принципе редукционизма, имеющем важнейшее значение в науке. Биохимия стремится объяснить функционирование живых тел на молекулярном уровне, поэтому говорят также о молекулярной биологии.

Из всех химических элементов, которых более 100, для жизни необходимы главным образом 16, причем 99 % входящих в состав живых организмов химических элементов составляют углерод, водород, кислород и азот. Биохимия изучает роль химических элементов и веществ, таких как вода, в создании и функционировании живого. Биохимию называют химией живых организмов. Она является фундаментом для физиологии и выполняет объяснительную роль для всех биологических процессов. Биохимия изучает такие важные соединения, как аминокислоты и белки, макромолекулы которых содержат до 1 000 аминокислот. Пример белковой молекулы — гемоглобин. В животной клетке находится порядка 5000 различных видов белка.

Основоположником биогеохимии стал выдающийся русский ученый XX в. В.И. Вернадский, чье имя будет не раз встречаться на страницах этой книги. Биогеохимия изучает распространение химических элементов по поверхности Земли под влиянием живых организмов. Это пример пограничной науки, которая состоит из трех наук — биологии, химии и геологии.

Согласно двум биогеохимическим принципам В.И. Вернадского биогенная миграция атомов в биосфере стремится к максимальному проявлению, и в биосфере должны возникать виды и формы организованности, увеличивающие биогенную энергию. Другими словами, эволюция биосферы имеет направленность.

В.И. Вернадский шел от геохимии к биогеохимии, а от нее — к учению о биосфере. Иным путем — от изучения взаимодействий живых организмов с окружающей средой к понятию биосферы пришла экология.

Вопросы для повторения.

1. Что такое структурный подход, и каково его значение в современной науке?

2. Каковы основные выводы теории химической связи?

3. Что такое цепная реакция?

4. Каково практическое значение химии в XX в.?

5. Что вы можете сказать о предмете биохимии?

6. Каков предмет биогеохимии?

Задания к семинару.

I. Ответьте на вопросы.

1. Чем отличается атом от молекулы?

2. Где и как образуются и превращаются друг в друга химические элементы?

3. В чем суть биогеохимических принципов В.И. Вернадского?

4. Как В.И. Вернадский пришел к созданию биогеохимии?

II. Прокомментируйте высказывание.

«Нельзя не отметить принципиальное концептуальное различие между физикой и химией. В классической физике мы можем представлять себе обратимые процессы, такие как движения маятника без трения. Пренебрежение необратимыми процессами в динамике всегда соответствует идеализации, но, по крайней мере, в некоторых случаях эта идеализация разумна. В химии все обстоит совершенно иначе. Процессы, изучением которых она занимается (химические превращения, характеризуемые скоростями реакций), необратимы. По этой причине химию невозможно свести к лежащей в основе классической или квантовой механики идеализации, в которой прошлое и будущее играют эквивалентные роли» (И. Пригожин, И. Стенгерс).

Литература.

Азимов А. Краткая история химии. — М., 1983.

Вернадский В.И. Химическое строение Земли. — Различные издания.

О том, как делаются научные открытия // Краткий миг торжества: Сб. — М., 1989.