Решение проблемы химического соединения

Уже с конца XIX века вновь появляется волна исследований, приведших к отрицанию абсолютизации закона постоянства состава. Русский ученый Д. П. Коновалов убедительно доказывал, что в химии больше господствуют законы непрерывности «химических отношений», т. е. вариации «сил химического сродства», чем законы, устанав­ливающие постоянство состава на основе идей об одностороннем господстве дискретности как в атомистическом строении моле­кул, так и в энергиях химических связей. Другой русский химик, Н. С. Курнаков, в результате точнейших физико-химических ис­следований так называемых ингерметаллических соединений, т. е. соединении, состоящих из двух металлов, например, цинк-сурьма, магний-серебро, кадмий-мышьяк, марганец-медь) уста­новил образование настоящих индивидуальные химических со­единений переменного состава и нашел границы области их однородности на диаграммах «состав—свойства», отделив от них области существования соединений стехиометрического состава. Он назвал эти соединения бертоллидами в честь К. Л. Бертолле, a iu соединениями постоянного состава оставил название дальтопиды в честь отца химической атомистики Дж. Дальтона. Школа Н. С. Курнакова подобного рода физико-химическим анализом охватила затем множество солевых систем и в этом направлении также нашла массу соединений перемен­ного состава.

 

Ввиду того, что в 1980-е годы химия знала всего около 6 миллионов химических соединений, среди которых 5.5 млн представляли собой органи­ческие вещества строго молекулярного строения, т. е. дальтониды в широком смысле слова, на долю бертоллидов могли падать только менее 1,0 млн соединений из среды неорганических ве­ществ. То есть соединения непостоянного состава были признаны как частный и относительно редкий случай среди всех химических соединений.

к соединениям постоянного состава отнесены все органические вещества, потому что они имеют молекулярное строение. В общей массе химических соединений последних теперь около 8 или 10 млн. А к соединениям непосто­янного состава отнесены лишь неорганические вещества, и то не все, а только часть «немолекулярного строения»; этих веществ около 0,7 млн.

3. Проблемы вовлечения новых химических элементов в производство материалов

рассмотрим только те проблемы вовле­чения новых химических элементов в производство материалов, которые как бы выдвигаются самой Природой, ее материаль­ными ресурсами, ее щедротами. Мы видим три такие проблемы. Первая из них—по приведение в соответствие практики ис­пользования химических элементов в производстве с их ресур­сами в природе. Вторая проблема состоит в последовательной замене металлов различными видами керамики. И третья про­блема заключается в расширении производства так называемых элементоорганических соединений на базе органического синтеза. А теперь—подробнее о каждой из этих трех проблем.

Природа щедро разбросала свои материальные ресурсы но нашей планете. Но если сравнить их с наиболее часто употребля­емыми материалами, то нетрудно заметить между ними некую обратно пропорциональную зависимость: чаще всего человек использует те вещества, запасы сырья которых ограничены, и, наоборот, крайне слабо использует такие химические элементы и их соединения, сырьевые ресурсы которых почти безграничны. В самом деле, 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов.

Как видно, среди этих восьми элементов железа почти в два раза меньше, чем алюминия. Между тем из всех металлических изделий—конструкций, самых разнообразных машин и механиз­мов, транспортных путей—более 95% производятся из железо­рудного сырья. Ясно, что такая практика расточительна как в смысле исчерпания ресурса железа, так и в смысле энергетиче­ских затрат на первичную обработку железорудного сырья.

Глядя на приведенные здесь данные о распространенности восьми названных химических элементов, можно смело утверж­дать о больших возможностях в использовании алюминия, а за­тем магния и, может быть, кальция в создании металлических материалов ближайшего будущего. Конечно, для этого должны быть разработаны энергоэкономичные методы производства алюминия, например, путем обработки алюминиевого сырья хлором с целью получения хлорида алюминия и восстановлении последнего до металла. Этот метод был уже опробован в ряде стран и дал основание для проектирования алюминиевых заво­дов большой мощности. Но выплавка алюминия в масштабах, сопоставимых с производством чугуна, стали и ферросплавов, еще не может быть реализована в самое ближайшее время, потому что эта задача должна решаться параллельно с разработ­кой соответствующих алюминиевых сплавов, способных конку­рировать с чугуном, сталью и другими материалами из железо­рудного сырья. Работы в этом направлении интенсивно ведутся во всем мире.

Широкая распространенность кремния также служит постоян­ным укором человечеству в смысле чрезвычайно низкой степени использования в производстве материалов этого химического элемента. Силикаты составляют 97% всей массы земной коры. И это дает основание утверждать, что именно они должны быть основным сырьем для производства практически всех строительных материалов и полуфабрикатов при изготовлении керамики, способной конкурировать с металлами. Надо, кроме того, принимать во внимание еще огромные скопления промыш­ленных отходов силикатного характера, таких, как «пустая поро­да» при добыче угля, «хвосты» при добыче металлов из руд, зола и шлаки энергетического и металлургического производства. И как раз эти силикаты необходимо в первую очередь превра­щать в сырье строительных материалов. С одной стороны, это обещает большие выгоды, так как сырье не надо добывать, оно в готовом виде ждет своего потребителя. А с другой стороны, его утилизация является мерой борьбы с загрязнением окружающей среды.

Вовлечение новых химических элементов в производство кера­мики. Металлы и керамика—это два вида материалов, которые на 90% составляют материальную основу условий жизни челове­чества.

В мире ежегодно производится около тонн

металла—свыше 150 кг на каждого жителя планеты. Кера­мики вместе с кирпичом производится примерно столько же. Однако изготовление металла обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем изготовление керамики. И это различие в экономике производства двух видов основных материалов до недавнего времени никого особенно не волновало, потому что каждый из них имел свое строго определенное хозяйственное назначение. Металл оставался материальной основой машиностроения, же­лезных дорог, линий электропередач, производства специальных трубопроводов и емкостей. А керамика служила основой строи­тельства зданий, производства посуды и домашней утвари, теп­ло- и электроизоляторов. Но теперь все больше открывается возможностей замены металла керамикой по двум причинам:

и потому, что производство керамики намного легче в техниче­ском отношении и выгоднее в экономическом плане, и, главное, еще потому, что керамика во многих случаях оказывается более подходящим конструкционным материалом по сравнению с ме­таллом.

Преимущества керамики состоят в том, что ее плотность в среднем на 40% ниже, чем плотность металла, и это позво­ляет снизить массу изготовляемых из нее деталей машин и та­ким путем увеличить их единичную мощность. А благодаря вовлечению в производство керамики все новых химических эле­ментов, в частности, таких, как цирконий, титан, бор, германий, хром, молибден, вольфрам и т. д., теперь получают огнеупор­ную, термостойкую, хемостойкую, высокотвердую керамику, а также керамику с набором заданных электрофизических свойств.

В нашей стране впервые в мире в 1960-х годах получен сверх­твердый материал—гексанит—Р как одна из кристаллических разновидностей нитрида бора. Кто бы мог подумать, что на основе бора и азота может быть получено химическое соединение простейшего состава

с температурой плавления свыше 3200 С и твердостью, близ­кой к твердости алмаза. До сих пор сверхтвердым материалом считалось только одно вещество—алмаз; теперь существует два сверхтвердых материала—алмаз и синтетический гекса­нит—Р. Но что еще очень интересно и важно: этот материал обладает рекордно высокой вязкостью разрушения, т. е. он не так хрупок, как все другие керамические материалы. Решена. таким образом, одна из труднейших научно-технических проблем века: до сих пор всей конструкционной керамике был присущ общий

недостаток—хрупкость, теперь же сделан шаг к его преодолению.

Большим преимуществом технической керамики нового со става является то обстоятельство, что детали машин из неё производятся прессованием порошков с получением готовых и изделий заданных форм и размеров. Это исключает токарную обработку заготовок, сверление, фрезерование, на что приходится до двух третей трудовых затрат в машиностроении и что образует потерю одной трети металла в отходах.

И, наконец, сегодня мы можем назвать еще одно уникальное свойство керамики: сверхпроводимость некоторых ее образцои при температурах выше температуры кипения азота. Открытие этого свойства керамики произошло благодаря вовлечению в ее производство таких новых для нее химических элементов, как барий, лантан и медь, взятых в едином комплексе. Правда. точный состав такой керамики иногда держится в секрете, потому что само по себе открытие вызвало в буквальном смысле сенсацию в мире науки и техники. Дело в том, что реализации высокотемпературной сверхпроводимости открывает невиданные просторы для научно-технического прогресса, для создания сверхмощных двигателей и электрогенераторов, создания транс­порта на магнитной подушке, разработки сверхмощных электро­магнитных ускорителей для вывода полезных грузов в космос и т. д.

Синтез новых элементоорганических соединений. Еще в первои половине XX века химия знала лишь несколько типов элементо­органических соединений: магнийорганические соединения обшеи формулы R—Mg—J, цинкоорганические соединения R₂Zn и ор­ганические производные металлов R—Na, R—Li. Все они ис­пользовались в качестве вспомогательных реагентов при лабо­раторном синтезе различных органических веществ. Начиная с середины века в синтез элементоорганических соединений ста­ли вовлекаться все новые химические элементы, в частности алюминий, титан, хром, марганец, ванадий, железо, свинец. олово, кремний, фосфор, сера, мышьяк, фтор. В результате появились целые области элементоорганических соединений. среди которых одни стали поставщиками различных химиче­ских реагентов для лабораторных исследований, другие же про­ложили пути синтеза уникальных материалов. Так, например. химия кремнийорганических соединений позволила создать мно­готоннажное производство самых разнообразных полимеров. обладающих огнезащитными, водоотталкивающими, электро­изоляционными и другими ценными свойствами. Эти поли­меры незаменимы в ряде отраслей энергетики и авиапромыш­ленности.

Подлинным «революционером» в химической промышлен­ности стала химия фторорганических соединений. Она сформировала

настоящий антимир органических веществ по отношению к миру углеводородов, лежащих в основе всей классической органической химии. Ведь до недавнего времени мы рассматри­вали абсолютно все органические вещества как производные углеводородов—метана, этана, пропана и т. д. с их химическими связями С—Н, где атом углерода С является электроотрицательным и несет слабый отрицательный заряд, а атом водорода Н несет слабый положительный заряд. Эту связь изображали так:

С^d--—Н^d+ Химия фтороорганических соединений противопо­ставляет углеводородам фтороуглероды—тетрафторметан, гексафторэтан, тетрафторэтан CF₄, C₂F₆, C₂F₄ и их производные со связями С^d+—F^d-, где атом углерода несет слабый положи­тельный заряд, а атом фтора с присущей фтору электроотрица­тельностью—слабый отрицательный заряд. В результате этого фтороуглероды обладают исключительной устойчивостью даже в очень агрессивных средах кислот и щелочей, особой поверх­ностной активностью, способностью поглощать кислород и пере­киси. Поэтому они находят применение в качестве материала для протезов внутренних органов человека (например, сердечных кла­панов), кровезаменителей, покрытий на металлах, загустителей консистентных смазок, «твердых смазок» и т. д. Синтез фторор­ганических соединений, таким образом, преобразовывает органи­ческую химию, поднимая всю химическую науку на новую сту­пень.

207

 

 

5. О понятиях «организация» и «самоорганизация» и их познавательных функциях-в химии

Понятия «организация» и «самоорганизация» имеют очень широкое распространение во многих отраслях знания и обычно характеризуются как «общенаучные» понятия. О понятии «хими­ческая организация» вещества было сказано выше.

Ранее мы условились, что под понятием «структура» мы подразумеваем устойчивую упорядоченность качественно неиз­менной химической системы, т. е. молекулы в широком смысле этого слова. Под неустойчивой же упорядоченностью надо пони­мать, как об этом было сказано в главе V, химическую ор­ганизацию, или кинетические закономерности, качественно из­меняющейся системы, т. е. химического процесса. Неустойчивой эта упорядоченность названа только потому, что она зависит от множества переменных факторов, о которых подробно было сказано в предыдущих главах,— катализаторов, растворителей, примесей, материала стенки реактора, термогидродинамических факторов, словом, всего того, что вызывает неустойчивость дей­ствия одного физико-химического закона под воздействием дру­гого.

Существенно иное содержание вкладывается в понятие «самоор­ ганизация». Подобно понятию «организация» оно тоже обознача­ет объективные законы (упорядоченность) существования мате­риальных динамических, т. е. качественно изменяющихся, или процессуальных систем. Но в отличие от понятия «организация», оно отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности, или материальной организации. Именно такое содержание вкладывают в понятие «самоорганизация» все исследователи, занятые решением про­блем хемо- и биогенеза.

Существует два разных подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем, которые все чаще обсуждаются в естественно-научной и в философской литературе. Это так называемые «субстратный» и «функциональный» подходы.

К первому из них относят те теории происхождения жизни, отправным пунктом которых являются вполне определенные особенности вещественной основы биологических систем, т. е. строго определенный состав элементов-органогенов и не менее определенная структура входящих в живой организм химических соединений.

 

Рациональными результатами субстратного подхода к про­блеме биогенеза является накопленная информация об отборе химических элементов и структур.

Отбор химических элементов — этого подвижного строитель­ного материала эволюционирующих систем — выступает прежде всего как весьма красноречивый научный факт. Ныне известны более ста химических элементов. Есть основания полагать, что большинство из них попадает в те или иные живые организмы и так или иначе участвует в жизнедеятельности.

 Однако основу живых систем составляют только шесть элементов, давно по­ лучивших наименование органогенов; это — углерод, водород, кис­ лород, азот, фосфор и сера¹, общая весовая доля которых в ор­ ганизмах составляет 97,4%! За ними следуют 12 элементов, ко­ торые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем; это—натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организмах примерно 1,6%. Можно назвать еще 20 элементов, участвующих в построении и функциони­ровании отдельных узко специфических биосистем (например, водорослей, состав которых определяется в известной мере пи­тательной средой). Их доля в организмах составляет около 1%. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано.

Картина собственно химического мира тоже весьма отчетливо свидетельствует об отборе элементов. Теперь известно всего около восьми миллионов химических соединений. Из них подавляющее большинство (около 96%) — это органические соединения, основной строительный материал которых — все те же 6—18 элементов. И как это ни парадоксально, из всех остальных 95—99 химических элементов природа (по крайней мере, на Земле) создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений.

Столь резкая диспропорция между едва обозримым множе­ством органических соединений и каким-то минимумом состав­ляющих их органогенов, так же как и исключительно дифферен­цированный отбор того же минимума элементов для построения живых систем, нельзя всецело объяснить факторами различной распространенности элементов в Космосе и на Земле. В Космосе вообще безраздельно господствуют лишь два элемента—водо­род и гелий, тогда как все остальные элементы можно рассматри­вать только как примесь к ним.

На Земле наиболее распространены железо, кислород, кремний, магний, алюминий, кальций, натрий, калий, никель, тогда как углерод занимает лишь 16-е место. В атмосфере Земли углерода не более 0,01 весового процента, в океанах — около 0,002, в лито­ сфере— 0,1. Углерод в литосфере Земли распространен в 276 раз меньше, чем кремний, в 88 раз меньше, чем алюминий, и даже в 6 раз меньше, чем относительно редкий титан. Из органогенов наиболее распространены лишь кислород и водород. Распростра­ ненность же углерода, азота, фосфора и серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и в общем невелика — всего около 0,24 весовых процента.

Следовательно, геохимические условия не играют сколько-нибудь существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем. Определяющими факторами здесь выступают требования соот­ветствия между строительным материалом и теми сооружени­ями, о которых выше говорилось как о структурах высокоор­ганизованных.

С химической точки зрения эти требования сводятся к отбору элементов, способных к образованию, во-первых, достаточно проч­ ных и, следовательно, энергоемких химических связей и, во-вто­ рых, связей лабильных, т. е. легко подвергающихся гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению. Вот почему уг­лерод избран, или отобран, из многих других элементов как ор­ ганоген № 1. Этот элемент действительно отвечает всем тре­бованиям лабильности. Он, как никакой другой элемент, способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химические противоположности, реализовать их единство, выступать в каче­ стве носителя внутреннего противоречия.

Атомы углерода в одном и том же соединении способны выпол­ нять роль и акцептора, и донора электронов. Они образуют почти все типы связей, какие знает химия: а) менее чем одноэлектронные и одноэлектронные (например, при хемосорбции углеводородов на графите); б) двухэлектронные (например, в этане); в) трехэлекронные (в бензоле); г) четырехэлектронные (С=С); д) шестиэлектронные (С≡С связи) со всевозможными промежуточными значе­ниями зарядов связей. Среди углерод-углеродных связей можно встретить чисто ковалентные, почти чисто ионные и ионоидные с самыми различными значениями энергии связей.

Едва ли есть необходимость подробно характеризовать дру­гие органогены. Кислород и водород нельзя, конечно, считать столь же лабильными элементами; их скорее следует рассматривать в качестве носителей крайних и односторонних свойств — окислительных и восстановительных. Что же касается таких ор­ганогенов, как азот, фосфор и сера, или некоторых элементов, составляющих активные центры ферментов, например, железа, магния, то они подобно углероду отличаются также особой лабильностью. Рассматривая вопрос об отборе элементов, Дж. Бернал отмечает, что лабильные атомы серы, фосфора и же­леза, которые претерпевают очень большие превращения в неор­ганическом мире, имеют основное значение в биохимии, в то время как стабильные атомы, такие как кремний, алюминий или натрий, составляющие несравненно большую часть земной коры, играют лишь второстепенную роль или отсутствуют вовсе.

Следует особо подчеркнуть то обстоятельство, что внутримо­лекулярное или внутрикомплексное взаимодействие атомов та­ких элементов, как С, N, S, Р, Н, О, Fe, Mg, Ti создает ис­ключительное богатство химических связей. Сюда относятся и сопряженные связи, обладающие еще более высокой п — элек­тронной проводимостью. Сюда относятся относительно слабые, так называемые макроэргические связи в соединениях типа аденозинтрифосфата и одновременно очень слабые водородные связи. Наряду с попарными межатомными связями типа С—Н, С—С в соединениях этих элиментов встречаются явно многоцен­тровые, к которым относится, в частности, как можно полагать, и связь атома магния с пиррольными кольцами в геминах.

О том, как происходил отбор структур, каков его механизм, сказать довольно трудно. Но этот процесс оставил нам своего рода музей. Подобно тому как из всех химических элементов только 6 органогенов да 10—15 других элементов отобраны природой, чтобы составить основу биосистем, так же в резуль­тате эволюции шел тщательный отбор и химических соединений.

Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нукле­ иновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Исследователи — как химики, так и биологи — называют по­разительным тот факт, что из такого узкого круга отобранных природой органических веществ составлен трудно обозримый мир животных и растений. Полагают, что когда период химиче­ской подготовки — период интенсивных и разнообразных превра­щений сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция словно застыла. Теперь находят массу доказательств тому, что аминокислотный состав гемоглобина самых низших позвоночных животных и человека практически один и тот же; более или менее одинаковыми остаются у разных видов растений состав ферментативных средств, состав веществ, накапливаемых впрок, и т. д.

Каким образом проводилась та «химическая подготовка», в результате которой из минимума химических элементов и ми­нимума химических соединений образовался сложнейший высо­коорганизованный комплекс—биосистема? Химику важно это понять для того, чтобы таким образом научиться у природы (а затем, может быть, и пойти дальше ее) так легко и просто приспосабливать для своих нужд «менее организованные матери­алы», например: синтезировать сахара из СО₂, СО, Н₂ и Н₂О, получать стереоспецифические соединения и т. д. и т. п.

Занавес, отделявший нас от этих тайн, стал понемногу подни­маться. В ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп. Примером чего может служить система пирольных циклов в гемине, обеспечивающая повыше­ние активности атома железа в окислительно-восстановительных реакциях в миллиарды раз.

Первой и наиболее простой из этих структур можно смело назвать различные фазовые границы. Они служили основой фи­зической и химической адсорбции, которая а) вносила элемен­тарное упорядочение во взаимное расположение частиц, б) уве­личивала концентрацию последних и в) служила фактором появ­ления каталитического эффекта. Вторым структурным фрагментом называют группировки, обеспечивающие процессы переноса электронов и протонов. Сюда относят полупроводнико­вые цепи и структуры, ответственные за так называемое трансги­дрирование, или перенос водорода. Третий структурный фраг­мент, необходимый для эволюционирующих систем — это груп­пировки, ответственные за энергетическое обеспечение. Сюда входят оксиоксогруппы, фосфорсодержащие и другие фрагменты с макроэргическими связями.

Следующим фрагментом эволюционирующих систем являет­ся уже развитая полимерная структура типа РНК и ДНК, выпол­няющая ряд функций, свойственных перечисленным выше струк­турам, и главное—роль каталитической матрицы, на которой осуществляется воспроизведение себе подобных структур.

В этой связи обращает на себя внимание ряд выводов, полу­ченных самыми различными путями и в самых различных об­ластях науки (геологии, геохимии, космохимии, биохимии, тер­модинамике, химической кинетике). К этим выводам относятся следующие:

1. На ранних стадиях химической эволюции мира катализ вовсе отсутствует. Условия высоких температур (>>5000°К), электрических разрядов и радиации, с одной стороны, препятствуют образованию конденсированного состояния, а с другой — с лихвой перекрывают те порции энергии, которые необходимы для преодоления энергетических барьеров.

2. Первые проявления катализа начинаются при смягчении
условий (<< 5000° К) и образовании первичных твердых тел.

3. Роль катализатора возрастала по мере того, как физичес­кие условия (главным образом, температура) приближались к земным условиям. Но общее значение катализа вплоть до образования более или менее сложных органических молекул все еще не могло быть высоким.

4. Появление таких даже относительно несложных систем, как СНзОН, СН₂=СН₂, НС=СН, Н₂СО, НСООН, HC=N, а тем более оксикислот, аминокислот и первичных Сахаров было своеобразной некаталитической подготовкой старта для большо­го катализа.

5. Роль катализа в развитии химических систем после дости­жения стартового состояния, т. е. известного количественного минимума органических и неорганических соединений, начала возрастать с фантастической быстротой. Отбор активных соеди­нений происходил в природе из тех продуктов, которые получа­лись относительно большим числом химических путей и облада­ли широким каталитическим спектром.                                     

Отличительной чертой второго — функционального — подхо­да к проблеме предбиологической эволюции является сосредото­чение внимания на исследовании процессов самоорганизации ма­териальных систем, на выявлении законов, которым подчиняют­ся такие процессы.

Среди естествоиспытателей такого подхода придерживаются преимущественно физики и математики, которые рассматривают эволюционные процессы с позиций кибернетики. Крайней точкой зрения в этом подходе является утверждение о полном безразли­чии к материалу эволюционирующих систем. Живые системы, вплоть до интеллекта, могут быть смоделированы даже из ме­таллических систем.      

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: