Химия и эволюция

химии состоит в том, что экспериментальное моделирование явлений играет здесь

доминирующее значений в развитии знаний. Химия – экспериментальная наука.
В химии успешно используется индуктивный подход, согласно которому на основе имеющихся фактов выявляются более или менее общие закономерности, а затем создаются общие модели.

химия,
органическая химия,
физическая химия,
аналитическая химия;
химия высоко молекулярных соединений.

с заданными свойствами;
Исследование генезиса (происхождения) веществ.
Решение этих задач предполагает проведение

исследований:
элементного молекулярного состава веществ,
структуры молекул вещества,
термодинамических и кинетических условий химического процесса,
процессов самоорганизации и эволюции химических соединений.

развивалась, в основном, в древнем Египте и арабских странах.
Накопленные

знания не выходили, однако, за пределы феноменологического уровня:
были описаны свойства веществ;
устанавливались некоторые закономерности их взаимодействия
сущность явлений подменялась мистической интерпретацией.
В Западной Европе
развитие химии было тесно связано с развитием техники,
химия продолжала быть связана с религиозно-философскими представлениями, т.е. оставалась «алхимией».

массы: полная масса замкнутой системы остается постоянной, т.е. в результате

химической реакции не происходит измеримого увеличения или уменьшения массы (закон Ломоносова-Лавуазье «если в одном месте что-нибудь прибудет, то в другом месте непременно столько же убудет»);
Закон постоянства состава: всякое химическое соединение, независимо от способа получения, всегда содержит определенные элементы в одинаковом весовом соотношении (французский химик Ж.Пруст).

свойства химических элементов не являются случайными, а зависят от электронного

строения атома; они закономерно изменяются в зависимости от атомного номера в таблице элементов.

была положена концептуальная идея зависимости свойств элементов от атомной массы.

Признаком химического элемента является не экспериментально установленная неразложимость данного вещества (как считалось раньше), а место в периодической системе, определяемое атомной массой.

о веществе. Место элемента в периодической системе получило новый смысл,

связанный со структурой атома.
Химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, т.е. совокупность изотопов.
Химические свойства атомов определяются характером заполнения электронных орбит.

1930 годы Система элементов заканчивалась ураном (Z=92).
С начала 40-х

годов Система пополнялась путем физического синтеза. Элементы №93-96 (нептуний, плутоний, амерций, кюрий) открыли в 1940-1949 гг., элементы №97-101(берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделеевий) стали известны в 1949-1952 гг.
Элементы, начиная со 102 неустойчивы, а начиная со 110 – настолько короткоживущие, что могут распасться в момент образования.
Есть предположения, что устойчивыми могут быть элементы с номерами 124, 164, 184, их еще предстоит открыть.

законом постоянства состава.
С точки зрения атомного строения вещества, атом

легче вступает в химические реакции, если он имеет незаполненные электронные оболочки.
Атом отдает или приобретает электроны на свою внешнюю электронную оболочку в зависимости от валентности – способности атома к образованию химической связи.

к заданной конфигурации атомов, отличающей одни молекулы от других.
Вещество,

которое состоит из атомов в определенном соотношении, объединенных определенной химической связью, является химическим веществом.
Ионная, ковалентная, металлическая химическая связь.

(анионы и катионы). Анионы и катионы с полностью заполненной электронной

оболочкой имеют устойчивую электронную конфигурацию.
Между анионами и катионами возникает электростатическое притяжение. Химическая связь такого рода называется ионной связью.

Наиболее типичные ионные соединения состоят из катионов металлов I и II групп и анионов неметаллических элементов VI и VII групп (например, NaCl).

атомами (например, Н2, О2)

Металлы в твердом состоянии существуют в форме кристаллов.

Эти кристаллы состоят из положительных ионов, которые удерживаются в определенных положениях кристаллической решетки квазисвободными электронами.
Электроны, участвующие в образовании металлической связи, являются внешним, или валентными электронами. Эти электроны уже не принадлежат отдельным атомам, а делокализованы между положительными ионами.

не произвольную, а пространственно упорядоченную совокупность атомов, входящих в нее.

Химические связи в молекуле имеют пространственное распределение, а форма молекул определяется углами между направлениями связей, соединяющих атомы в данную молекулу (линейные молекулы, уголковые молекулы).
Комбинируя атомы различных элементов, можно создавать структурные формы любого химического соединения, т.е. находить путь химического синтеза.

одних веществ и пассивности других. Позже теория Бутлерова нашла обоснование

на основе квантовой механики.
Реакционная способность - характеристика химической активности веществ, учитывающая как разнообразие реакций, возможных для данного вещества, так и их скорость.
Инертные газы химически инертны имеют низкую реакционную способность, а щелочные и галогены - высокую.
Реакционная способность зависит и от условий реакции (природы среды, присутствия катализаторов, давления, температуры, облучения и т.п.).

если при образовании химической связи сумма энергий связываемых компонент (атомов)

больше, чем энергия образующейся молекулы, то такая связь оказывается устойчивой.
Наличие в молекуле двойных и тройных связей, приводит к дальнейшему увеличению реакционной способности.
Образование такой химической связи происходит с выделением энергии, такие реакции называются экзотермическими.

связей.
Углерод и азот наиболее широко распространены в окружающем мире

– их связи самые прочные.
Чтобы разорвать химическую связь, необходимо затратить энергию, называемую энергией химической связи. Одним из способов сообщения достаточной энергии является поддержание необходимой температуры.

системах идут обратимые химические процессы, а в неравновесных – необратимые

процессы, как правило, цепные и разветвленные. Именно в них возникают флуктуации и неустойчивости, а их развитие починяется законам нелинейной динамики.
Область химии, объясняющая типы реакций, их ход и возможность изменения направлений процессов, называется химической кинетикой.

термодинамически обоснован К. Брауном (1887).
Внешнее воздействие, выводящее систему из

состояния термодинамического равновесия, вызывает в системе процессы, стремящиеся ослабить эффект воздействия.
При нагревании равновесной системы в ней происходят изменения (например, химические реакции), идущие с поглощением теплоты, а при охлаждении — изменения, протекающие с выделением теплоты.

химических соединений и сопровождаются выделением энергии.
Скорость реакции зависит от температуры,

при этом каждая молекула проходит стадию активации.
Катализаторы уменьшают энергию активации, что увеличивает скорость химической реакции.
Если скорости прямой и обратной реакции равны, то система находится в динамическом равновесии.

кислоты в присутствии катализатора, впервые открытая Б.Белоусовым в 1951 г.

Происходит чередование окислительно-восстановительных процессов, и раствор самопроизвольно периодически меняет цвет.
Подобные реакции в дальнейшем широко исследовались для различных веществ и получили название реакций Белоусова-Жаботинского.

эффективных катализаторов для различных химических технологий.
В биохимии установлено, что

основой химии живого являются каталитические реакции, т.н. биокатализ. Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение механизмов химических превращений, присущих живой материи.
Химиков-органиков интересуют перспективы синтеза сложных веществ, аналогичных образующимся в живом организме. Изучив принципы, заложенные эволюцией в химизм живой природы, можно использовать их для развития химической науки и технологии.

эволюции, т.е. установления закономерностей самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся

более высокоорганизованными по сравнению с исходными веществами.
В 1960-х годах было обнаружено самосовершенствование катализаторов в ходе реакции (обычно катализаторы в ходе реакции дезактивировались), что позволило говорить о самоорганизация химического процесса – такое состояние химической системы, которому присущи все более высокие уровни сложности и упорядоченности.

неорганической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией».
Есть

два подхода к изучению предбиологических систем:
Синергетический, который в химии получил название функционального;
Субстратный, связанный с вещественной основой процессов химической самоорганизации.

элементов и структур в ходе химической эволюции.
В настоящее время

известно более ста химических элементов, но основу живых систем составляют только шесть из них, т.н. органогенов (углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера). Их общая весовая доля в живой материи составляет 97.4%.
Еще двенадцать элементов (Na, К, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co, Mn) составляют в живом примерно 1.6%, остальные слабо представлены в живой материи.

углерод занимает только 16-е место. Совместная весовая доля четырех органогенов

(C, N, P, S) в поверхностных слоях Земли составляет 0.24%. Следовательно, геохимические условия не сыграли сколько-нибудь существенной роли при формировании органических систем.
С химической точки зрения отбор элементов происходил по следующим признакам:
Способность образовывать достаточно прочные энергоемкие связи;
Образованные связи должны быть достаточно лабильными, т.е. изменчивыми.

почти во всех типах химических связей, известных в химии, образует

углерод-углеродные связи, строя длинные и стабильные скелеты молекул в виде цепей, колец и даже сложных трехмерных образований (т.н. фуллеренов).
Материалы, построенные на основе углерода, легли в основу развития нанаотехнологий.

Керл, Р. Смэлли (США) и Г. Крото (Англия), присуждена за

открытие и исследование фуллеренов - замкнутых объемных структур из атомов углерода.

P, S в различных комбинациях, что обеспечивает колоссальное разнообразие органических

соединений, проявляющееся в размерах, структуре и химических свойствах молекул.
Подобно тому, как только шесть органогенов отобраны природой в основу биосистем, также в предбиологи-ческой эволюции из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен (из ста известных аминокислот в состав белков входят только двадцать).

большим числом химических путей и обладают широким каталитическим спектром.
Согласно

теории развития элементарных открытых каталитических систем (1964 г., профессор МГУ А.П.Руденко), химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. Одно из важнейших следствий этой теории – установление пределов химической эволюции и перехода хемогенеза в биогенез (т.е. зарождение живого).

является развитие полимерных структур типа РНК и ДНК, выполняющих роль

каталитических матриц, на которых осуществляется воспроизведение себе подобных структур.