Состав речовини й хімічні системи. Розвиток біологічних поглядів
Для визначення властивостей речовин необхідно встановити, з яких елементів вони складаються, а це припускає наявність точного поняття хімічного елемента. Визначення Р. Бойлем елемента як «простого тіла», а тим більше ранні спроби ототожнити елементи безпосередньо із властивостями і якостями речовин не досягали цієї мети. Справді, ні сам Р. Бойль, ні його прихильники не мали ясного уявлення про «просту речовину» і тому приймали за нього по суті справи хімічні сполуки. Так, наприклад, залізо, мідь і інші відомі в той час метали вони розглядали як складні тіла, а окалину, що виходить при їхньому прожарюванні, - за просте тіло. Тепер ми знаємо, що окалина, або оксид металу, являє собою сполуку металу з киснем, тобто це складне тіло.
Таке помилкове уявлення було нав'язано вченим помилковою гіпотезою, що панувала в той час, відповідно до якої складні тіла складаються з відповідного елемента й особливого «невагомого тіла» - флогістону. Ця гіпотеза була спростована відомим французьким хіміком Антуаном Лавуазьє (1743-1794) після відкриття кисню й виявлення його ролі в процесах окислювання й горіння. Він же перший почав спробу систематизації відкритих на той час хімічних елементів, хоча при цьому відніс до них і деякі хімічні сполуки (вапно, магнезію й ін.). А. Лавуазьє вважав елементами тільки такі тіла, які не піддавалися в його час реакції розкладання.
Поступово хіміки відкривали всі нові й нові хімічні елементи, описували їхні властивості й реакційну здатність і завдяки цьому нагромадили величезний емпіричний матеріал, якому необхідно було привести в певну систему. Такі системи пропонувалися різними вченими, але були досить недосконалими тому, що в якості системного фактора бралися несуттєві, другорядні й навіть чисто зовнішні ознаки елементів.
Велика заслуга Д. І. Менделєєва полягає в тому, що, відкривши періодичний закон, він заклав фундамент для побудови справді наукової системи хімічних знань. У якості системного фактора, або «незмінного загального в змінюваному й частці», він вибрав атомну масу, або атомну вагу. Відповідно до атомної ваги він розташував хімічні елементи в систему й показав, що їхні властивості перебувають у періодичній залежності від атомної ваги. Більше того, він пророчив існування невідомих елементів, залишивши для них порожні клітки у своїй таблиці. Згодом ці елементи були відкриті хіміками й властивості їх виявилися такими, які пророчив Д. И. Менделєєв. Завдяки цьому його періодична система одержала широке визнання в науковому світі.
Подальший розвиток науки дозволив уточнити, що властивості хімічних елементів залежать від їхнього атомного номера, обумовленого зарядом ядра. Атомна ж вага є середнім арифметичним величин мас ізотопів, з яких складається елемент. Ізотопами називаються різновиди атомів, які мають однаковий заряд ядра, але відрізняються по своїй масі. Тим самим була вирішена й проблема хімічного елемента, що з XVIII в. залишалася предметом численних дискусій.
У цей час хімічним елементом називають речовина, всі атоми якого мають однаковий заряд ядра, хоча й різняться по своїй масі, внаслідок чого атомні ваги елементів не виражаються цілими числами.
З позицій атомізму вирішується також проблема хімічної сполуки. Що вважати сумішшю, а що хімічною сполукою? Чи володіє така сполука постійною або змінною сполукою?
Ще на початку XIX в. із цих питань виникла гостра дискусія між відомими французькими хіміками Жозефом Прустом (1754-1826) і Клодом Бертолле (1748-1822). Пруст уважав, що будь-яка хімічний склад повинен мати цілком певну, незмінну сполуку, і це своє переконання сформулював у вигляді закону сталості сполуки. На його думку, саме постійна сполука відрізняє хімічні сполуки від сумішей. Згодом закон сталості сполуки з позицій атомно-молекулярного навчання обґрунтував видатний англійський хімік Джон Дальтон (1766-1844). Він затверджував, що всяка індивідуальна речовина - проста або складна - складається із дрібних часток - молекул, які у свою чергу утворені з атомів. Саме молекули є найменшими частками, що володіють властивостями речовини. Наприклад, молекула такої простої речовини як кисень утворений із двох атомів і характеризується всіма властивостями, які властиві цій речовині. Молекули складних речовин, або хімічних сполук, утворені з різних атомів і тому мають властивості, відмінними від властивостей складових частин. Так, наприклад, вода Н2О являє собою рідина, а утворена вона із двох газів - водню й кисню. Важливо підкреслити, що яким би способом вона або інша хімічна сполука не були б отримані, вони завжди будуть мати ту ж саму сполуку.
Довгий час закон сталості хімічного складу вважався абсолютною істиною, що не допускає ніяких виключень, хоча вже К. Бертолле вказував на існування сполук змінної сполуки у формі розчинів і сплавів. Згодом були знайдені більше переконливі докази існування хімічних сполук змінної сполуки, зокрема, у школі відомого російського фізико-хіміка Миколи Семеновича Курнакова (1860-1940), які він назвав бертолідами на честь К. Бертолле. До них він відніс ті сполуки, сполуки яких залежить від способу їхнього одержання, наприклад, сполуки таких двох металів, як марганець і мідь, магній і срібло й ін. Згодом хіміки відкрили інші сполуки змінної сполуки й прийшли до висновку, що вони відрізняються від сполук постійної сполуки тим, що не мають молекулярну будову. Однак такий висновок виявився непереконливим з погляду сучасних наукових уявлень про будову атомів і молекул. Було встановлено, що сталість і мінливість сполуки хімічних сполук є зовнішньою їхньою характеристикою й самі мають потребу в подальшому аналізі. Такий аналіз показує, що природа сполуки, тобто характер зв'язку атомів у його молекулі, залежить від їхніх хімічних зв'язків, обумовлених обмінною взаємодією валентних електронів. У зв'язку із цим змінилося й саме класичне поняття молекули, хоча основний його зміст зберігся: молекулою як і раніше називають найменшу частку речовини, що визначає його властивості й може існувати самостійно. Однак до молекул тепер відносять також різноманітні інші квантово-механічні системи (іонні, атомні монокристали, полімери й інші макромолекули).
Таким чином, у світлі сучасних фізичних уявлень зникає не тільки колишнє різке протиставлення хімічних сполук постійної сполуки як володіють молекулярною будовою й сполук змінної сполуки, позбавлених цього будови, але й ототожнення хімічної сполуки зі складною речовиною, що складається з декількох елементів. У принципі сполука може складатися й з одного елемента.
Структура речовини й хімічні системи
Характер будь-якої системи, як відомо, залежить не тільки від сполуки й будови її елементів, але й від їхньої взаємодії. Саме така взаємодія визначає специфічні, цілісні властивості самої системи. Тому при дослідженні різноманітних речовин і їхньої реакційної здатності вченим доводилося займатися й вивченням їхніх структур. Відповідно рівню досягнутих знань мінялися й уявлення про хімічну структуру речовин. Хоча різні вчені по-різному витлумачували характер взаємодії між елементами хімічних систем, проте всі вони підкреслювали, що цілісні властивості цих систем визначаються саме специфічними особливостями взаємодії між їхніми елементами.
У якості первинної хімічної системи розглядалася при цьому молекула й тому, коли мова заходила про структуру речовин, то малася на увазі саме структура молекули як найменшої одиниці речовини. Самі уявлення про структуру молекули поступово вдосконалювалися, уточнювалися й конкретизувалися, починаючи від досить загальних припущень відверненого характеру й кінчаючи гіпотезами, обґрунтованими за допомогою систематичних хімічних експериментів. Якщо, наприклад, на думку відомого шведського хіміка Йенса Берцелиуса (1779-1848) структура молекули виникає завдяки взаємодії різнойменно заряджених атомів або атомних груп, то французький хімік Шарль Жерар (1816-1856) справедливо вказував на досить обмежений характер такого уявлення. На противагу цьому він підкреслював, що при утворенні структур різні атоми не просто взаємодіють, але відомим образом перетворять один одного, так що в результаті виникає певна цілісність або, як ми сказали б тепер, система. Однак ці загальні й у цілому правильні уявлення не містили практичних вказівок, як застосувати їх для синтезу нових хімічних сполук і одержання речовин із заздалегідь заданими властивостями.
Таку спробу розкриття структури молекул і синтезування нових речовин почав відомий німецький хімік Фрідріх Кекуле (1829-1896). Він став зв'язувати структуру з поняттям валентності елемента або числа одиниць його спорідненості. На цій основі й виникли ті структурні формули, якими з певними модифікаціями користуються при вивченні органічної хімії в школі. У цих формулах елементи зв'язувалися один з одним по числу одиниць їхньої спорідненості або валентності. Комбінуючи атоми різних хімічних елементів по їхній валентності, можна прогнозувати одержання різних хімічних сполук залежно від вихідних реагентів. Таким шляхом можна було управляти процесом синтезу різних речовин із заданими властивостями, а саме це становить найважливіше завдання хімічної науки.
Подальший крок еволюції поняття хімічної структури пов'язаний з теорією хімічної будови Олександра Михайловича Бутлерова (1828-1886), що, хоча й визнавав, що утворення нових молекул з атомів відбувається за рахунок їхньої хімічної спорідненості, але звертав особливу увагу на ступінь напруги або енергії, з якої вони зв'язуються один з одним. Саме тому нові ідеї А.М. Бутлерова знайшли не тільки широке застосування в практиці хімічного синтезу, але й одержали своє обґрунтування у квантовій механіці.
Цей короткий екскурс в історію хімії показує, що еволюція поняття хімічної структури здійснювалася в напрямку, з одного боку, аналізу її складових частин або елементів, а з іншого боку - установлення характеру фізико-хімічної взаємодії між ними. Останнє особливо важливо для ясного розуміння структури з погляду системного підходу, де під структурою мають на увазі впорядкований зв'язок і взаємодію між елементами системи, завдяки якій і виникають нові цілісні її властивості. У такій хімічній системі, як молекула, саме специфічний характер взаємодії тридцятилітніх її атомів визначає властивості молекули.
Хімічні процеси, самоорганізація й еволюція хімічних систем
Здатність до взаємодії різних хімічних реагентів визначається не тільки їхньою атомно-молекулярною структурою, але й умовами протікання хімічних реакцій.
До умов протікання хімічних процесів ставляться насамперед термодинамічні фактори, що характеризують залежність реакцій від температури, тиску й деяких інших умов. У ще більшому ступені характер і особливо швидкість реакцій залежать від кінетичних умов, які визначаються наявністю каталізаторів і інших добавок до реагентів, а також впливом розчинників, стінок реактора й інших умов.
Не треба, однак, забувати, що ці умови можуть впливати на характер і результат хімічних реакцій при певній структурі молекул хімічних сполук. Найбільш активні щодо цього сполуки змінної сполуки з ослабленими зв'язками між їхніми компонентами. Саме на них і спрямовано в першу чергу дія різних каталізаторів, які значно прискорюють хід хімічних реакцій. Менший вплив роблять на реакції такі термодинамічні фактори, як температура й тиск. Для порівняння можна привести реакцію синтезу аміаку з азоту й водню. Спочатку його не вдавалося одержати ні за допомогою великого тиску, ні високої температури, і тільки використання як каталізатор спеціально обробленого заліза вперше привело до успіху. Однак ця реакція сполучена з більшими технологічними труднощами, які вдалося перебороти після того, коли був використаний каталізатор. У його присутності синтез аміаку відбувається при звичайній температурі (18°С) і нормальному атмосферному тиску, що відкриває більші перспективи не тільки для виробництва добрив, але в майбутньому такої зміни генної структури злаків (жита й пшениці), коли вони не будуть мати потребу в азотних добривах. Ще більші можливості й перспективи виникають із використанням каталізаторів в інших галузях хімічної промисловості, особливо в «тонкому» і «важкому» органічному синтезі.
Не приводячи більше прикладів про надзвичайно високу ефективність каталізаторів у прискоренні хімічних реакцій, варто звернути особливу увагу на те, що виникнення й еволюція життя на Землі були б неможливі без існування ферментів, що служать по суті справи живими каталізаторами.
Незважаючи на те що ферменти мають загальні властивості, властивим всім каталізаторам, проте вони не тотожні останніми, оскільки функціонують у рамках живих систем. Тому всі спроби використовувати досвід живої природи для прискорення хімічних процесів у неорганічному світі натрапляють на серйозні обмеження. Мова може йти тільки про моделювання деяких функцій ферментів і використанні цих моделей для теоретичного аналізу діяльності живих систем, а також частково - практичного застосування виділених ферментів для прискорення деяких хімічних реакцій.
Той факт, що каталіз відігравав вирішальну роль у процесі переходу від хімічних систем до біологічних, тобто на предбіотичної стадії еволюції, у цей час підтверджується багатьма даними й аргументами. Найбільш переконливі результати пов'язані з досвідами по самоорганізації хімічних систем, які спостерігали наші співвітчизники Б. П. Белоусов і О. М. Жаботинський. Такі реакції супроводжуються утворенням специфічних просторових і тимчасових структур за рахунок надходження нових і видалення використаних хімічних реагентів. Однак на відміну від самоорганізації відкритих фізичних систем у зазначених хімічних реакціях важливого значення набувають каталітичні процеси.
Роль цих процесів підсилюється в міру ускладнення сполуки й структури хімічних систем. На цій підставі деякі вчені, наприклад, прямо зв'язують хімічну еволюцію із самоорганізацією й саморозвитком каталітичних сист