СИММЕТРИЯ АСИММЕТРИЯ В ПРИРОДЕ. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

... вся природа и благословенное небо

записаны на языке искусства геометрии.

И. Кеплер

Симметрия геометрических фигур всегда производила на человека сильное впечатление. Поисками «божественной гармонии» занимались Платон, И.Кеплер, М.Фарадей, Д.Менделеев, А.Эйнштейн и многие другие. Само слово «симметрия» происходит от греческого и означает «соразмерность, пропорциональность, одинаковость в расположении частей». Примерами симметричных фигур могут служить бабочка, снежинка, звезда, орнамент (Рис.15). Глядя на них, можно сказать, что симметрия предполагает неизменность объекта или его свойств по отношению к каким-либо преобразованиям, операциям, производимым над объектом. Известны три способа получения симметричных фигур: зеркальное отображение (бабочка), поворот (цветок с одинаковыми лепестками), параллельный перенос (орнамент), либо сочетание каких-либо способов. Каждый раз мы наблюдаем повторяемость (сохранение) формы фигуры.

Однако симметрия - не только геометрическое понятие. В природе встречаются и иные типы симметрии как сохраняемости свойств. Например, если электроны в атоме поменять местами - ничего не изменится, они неразличимы. Это - симметрия перестановок. «Симметрично» описание электрического и магнитного полей - у них подобные характеристики (например, силовые – напряженности полей): именно из соображений симметрии М.Фарадей искал новую связь электричества и магнетизма: если электрическое поле порождает магнитное, то и магнитное должно порождать электрическое, а Дж.К.Максвелл строил теорию электромагнитного поля. Симметричны графики плавления и кристаллизации веществ, а значит - и протекание этих процессов. Симметрично описание электромагнитных и механических колебаний. Симметричны (периодичны) свойства химических элементов в таблице Менделеева. Симметричны (повторяемы) существенные признаки вида в биологии и многое, многое другое. Так прав Кеплер: природа говорит на языке гармонии?

Наверное, исключительно симметричный мир был бы довольно однообразен. Асимметрия (несимметрия) так же часто встречается в природе, она порождает ее различия, неповторимость, необычность. Так животные четко различают направление «вперед-назад», иначе получился бы Тянитолкай (Рис. 16) - существо, которое не может передвигаться направленно. Растения различают «верх» и «низ». В технике ярко проявляется асимметрия масштабов: игрушечная башня, построенная из спичек, устойчива, но при увеличении размеров в 100 раз развалится под собственной тяжестью. То же наблюдается при переходе от макрообъектов к микрообъектам: первые подчиняются динамическим закономерностям, вторые - только статистическим. В химии рассматриваются симметричные молекулы (Н₂О) и асимметричные (С₂Н₆О - этиловый спирт) (Рис.17). При этом симметричные и асимметричные соединения одного состава часто различны по своим химическим свойствам.

Самым интересным и важным в существовании симметрии и асимметрии является отношение к этим свойствам живой материи. В сказке Л.Кэррола «Алиса в Зазеркалье» Алиса говорить котенку: «Но понравится ли тебе в Зазеркалье, киска? Дадут ли тебе там молочка? Может быть, молоко в Зазеркалье не годится для питья? ». Не так давно было обнаружено, что в состав молока входят асимметричные молекулы, чьи «зазеркальные» двойники действительно не усваиваются живыми организмами (жиры, белки, сахара). Живая материя содержит много асимметричных соединений и усваивает чаще всего асимметричные молекулы органики.

Если рассмотреть молекулу воды, то ее зеркальное отображение полностью совпадает с ней (Рис.18). Молекула бутилового спирта такова (Рис.19), что никакими преобразованиями, кроме зеркального отображения, нельзя совместить ее и ее зеркального двойника. Говорят, что бутиловый спирт обладает определенной киральностью (χ ε ί ρ греч. «хир» или «кир» - рука, так же различаются левая и правая рука - они зеркально симметричны). Большинство молекул живых организмов - кирально (говорят: «левая» и «правая» киральность). ДНК - всегда «правая». Каждый организм содержит и усваивает определенный «киральный» набор молекул («левых» и «правых», например, «правый» сахар). Именно поэтому так трудно подобрать донора для пересадки внутренних органов или тканей - нет абсолютно совместимых наборов. Избирательно и отношение человека к среде обитания – температурному, световому режимам, давлению, тяготению, составу атмосферы и т.д. Л.Пастер и В.И.Вернадский считали, что именно «киральная» чистота - отличает живое от неживого, ведь в неживой природе встречаются и «левые» и «правые» молекулы соединений, она их не различает. Существует гипотеза Большого Биологического Взрыва, согласно которой первоначально в природе встречались (образовывались) только симметричные молекулы и только тогда, когда в результате какой-то катастрофы появилась зеркальная асимметрия молекул - на Земле возникла жизнь («ошибка природы»).

Еще одним проявлением симметрии в нашем мире являются законы - нечто неизменное в явлениях и процессах. Законы симметричны по отношению к переносам во времени и пространстве, то есть не изменяют своей формы с течением времени и от точки к точке, а также - к поворотам в пространстве. Самые важные и фундаментальные из законов - законы сохранения, они соблюдаются всегда, т.к.. их существование связано с основными свойствами пространства и времени (теорема Нетер): закон сохранения энергии - следствие однородности времени; закон сохранения импульса - однородности пространства; закон сохранения момента импульса - изотропности пространства, а закон сохранения электрического заряда - симметрии физических законов по отношению к изменению значения потенциала (в школе не изучается). Есть и другие законы сохранения, они обладают меньшей степенью общности.

Интересна связь энтропии и вероятности. Симметричное - менее упорядоченно, так как содержит меньше различий. Значит, с ростом симметрии растет и энтропия. Как известно, состояние с наибольшей энтропией - это состояние наиболее вероятное. Поэтому увеличение симметрии есть увеличение вероятности. Поскольку при этом сокращается число отличий (число вариаций), то симметрия тормозит развитие системы. Нашему миру необходимы и симметрия, и асимметрия, чтобы не завести его в тупик: первая обеспечивает постоянство некоторых объектов, процессов, их свойств, а вторая – их изменчивость, развитие, усложнение.

ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ХИМИИ

... совсем не глупо признать

материю активной..

П. Гассенди

Химия, которую Н.Лобачевский справедливо назвал «дочерью алхимии», изучает вещества и превращения их друг в друга. в XVII веке Р.Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое. Интенсивно развиваться химия начала в XVIII веке, когда М.Ломоносов доказал закон сохранения масс в химических реакциях; А.Лавуазье - что в реакциях сохраняется не только масса соединения, но и массы его составляющих. При химических реакциях (явлениях превращения одних веществ в другие) не изменяется состав химических элементов и общее число атомов. Впервые это было сформулировано Дж.Дальтоном в 1803 г.: веса (массы) химических элементов, образующих различные соединения, относятся друг к другу как целые числа (объясняется атомистической теорией). В 1869 году Д.И.Менделеев составил таблицу химических элементов (тогда были известны 62 элемента), в которой отражалась связь периодического изменения свойств с изменением атомной массы. Химический элемент – простейшая атомно-молекулярная система, отвечающая за химические свойства вещества. (Сегодня в науке открыты и синтезированы 110 химических элементов, их содержание в природе крайне неравномерно – более 98 % массы верхних слоев Земли составляют восемь элементов: кислород (47%), кремний (27%), алюминий (9%), железо (5%), кальций (4%), натрий (3%), калий (2%), магний (2%); некоторые элементы могут быть получены только искусственным путем). В 1861 году А.М.Бутлеров предложил теорию химического строения вещества, которая и положила начало химии-науке.

Развитие химии все еще продолжается в виде узко ориентированных прикладных областей, но сегодня к ним добавились и концептуальные направления фундаментального характера. К числу основных концепций современной химии следует отнести: учение о химической структуре веществ, учение о химических процессах и эволюционную химию.

Основная идея концепции А.М.Бутлерова является развитием атомистических представлений древних греков: энергия и способность вступать в химические реакции каждого атома или группы атомов в молекуле, легкость, с которой их можно заставить образовать новое соединение, зависят от пространственного расположения и от окружения этих атомов (это же и обуславливает и многие физические свойства: хрупкий графит и твердый алмаз состоят из углерода). Так в 60-80-е годы XIХ века возникла структурная химия, благодаря которой число изученных органических соединений за счет вновь синтезированных возросло с полумиллиона примерно до двух миллионов. Но структурная химия ограничена рамками сведений только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии, она не объясняла, как управлять процессами превращения веществ (согласно ей могут быть вполне осуществимы многие реакции, которые на практике не идут). Решение этих проблем нашло учение о химических процессах. Но структурная химия остается важным разделом современной науки: большая часть лекарственных препаратов - продукты органического синтеза; современные «технологические рецепты» позволяют выращивать почти идеальные кристаллы (с огромной прочностью, термической стойкостью и др. свойствами), кристаллы с измененными электрическими, магнитными, оптическими и др. свойствами, получать сверхпрочные многослойные соединения и т.п.

Изучением реакционной способности веществ занимается химическая физика, основоположником которой считают Н.Н.Семенова. но еще Д.И.Менделеев показал, что свойства химического элемента зависят от места данного элемента в периодической системе, определяемого зарядом ядра атома. В XX веке физики помогли осознать особую роль внешнего электронного уровня атома - реакционная способность элемента зависит от количества электронов в нем. Наиболее активными с химической точки зрения являются элементы, имеющие минимальную атомную массу и 6-7 электронов на внешнем электронном уровне (F, Cl, O) - они стремятся достроить электронную оболочку, присоединив недостающее число электронов; а также элементы с большой атомной массой и 1-2 электронами на внешнем уровне (Ba, Cs), которые атом легко отдает для достраивания оболочек других атомов. На этом основано понятие валентности - способности атома к образованию химической связи.

Таким образом, реакционная способность веществ (их химическая активность) зависит от их строения. В химических реакциях разрушаются старые связи между атомами и образуются новые. Понятно, что нет связей, которые было бы невозможно разорвать. Почему же возможны не все реакции? Почему одни реакции обратимы, другие - нет? В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические и кинетические, а среди последних ведущую роль играют каталитические методы. Практически все химические реакции представляют собой не простое взаимодействие исходных веществ, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют не только друг с другом, но и со стенками реактора (в котором протекает реакция), которые могут как ускорять (собственно катализировать), так и замедлять (ингибировать) процесс.

Для примера рассмотрим реакции образования-разложения воды, горения угля и разложения перекиси водорода:

обратимая реакция: реакция горения водорода в кислороде: 2H₂+O₂ +Q₀ ®2H₂O+Q; Q> Q₀; реакция разложения воды при электролизе: 2H₂O +Q ® 2H₂ +O₂ +Q¢; Q> Q¢;

необратимая реакция: реакция горения угля: C+O₂ +Q₀ ®CO₂ +Q; Q> Q₀;

самопроизвольная (и необратимая) реакция: реакция разложения перекиси водорода: 2H₂O₂ ® 2H₂O + O₂ ;

Невозможность обратных реакций (образования перекиси водорода и выделения угля из углекислого газа) - результат действия I и II законов термодинамики (закона сохранения энергии и закона возрастания энтропии). Первый требует, чтобы энергия реагирующих веществ до реакции была больше, чем после. Второй - чтобы самопроизвольно в реакции возрастал беспорядок (уменьшалось количество связей у реагентов).

Первые реакции идут только при сообщении реагентам некоторого количества теплоты. При горении угля выделяется много энергии в виде тепла, то есть энергия углекислого газа меньше, чем С и О₂ (кислородные связи – одни из самых высокоэнергетичных). Энтропия же убывает, но не самопроизвольно (есть начальное нагревание, Q₀ ). При разложении перекиси водорода энтропия возрастает, так как H₂O₂ - более упорядочена, а больше связей - больше энергия соединения.

Закон сохранения энергии не позволяет всем веществам соединиться друг с другом (мир вернулся бы в хаос): существует некоторый энергетический барьер (определяемый количеством связей, порядком расположения атомов), только преодолев который вещества вступят в реакцию (рис.20). Преодолеть его можно двумя способами: при нагревании, при применении катализаторов. Если барьер низок - реакция протекает самопроизвольно, если высок – не начинается вообще.

Термодинамическое воздействие (увеличение температуры, давления и концентрации) влияет преимущественно на направленность химических процессов, а не на их скорость. Нагревание передает веществам энергию Е_акт, необходимую для разрыва связей, называемую энергией активации. Ее значение определяется высотой энергетического барьера. Если энергия выхода Е_вых по модулю больше энергии активации - реакция идет с выделением тепла (экзотермическая), если меньше - с поглощением (эндотермическая). В случае обратимой реакции ( 2H₂+O₂ « 2H₂O+Q ) обратная реакция возможна лишь при сообщении достаточного количества теплоты, прямая - медленно течет и самопроизвольно. Как правило, прямая и обратная реакции протекают одновременно, только одна из них - более интенсивно.

Для управления химическим процессом в реагирующие вещества вносят те или иные добавки. Катализатор - вещество, ускоряющее прямую реакцию, выходит из нее без изменений (на поверхности катализатора увеличивается число встреч реагирующих молекул). Вообще, примеси могут оказывать как каталитическое, так и ингибиторное (сдерживающее) действие. Фактически катализатор снижает высоту энергетического барьера. Например, при взаимодействии веществ АС и В реакция не идет. Добавление катализатора К приводит к образованию нестойкого промежуточного соединения АК, которое имеет более низкий барьер с веществом В. Затем АК вступает в реакцию с В, в результате К выделяется в чистом виде и может использоваться снова:

АС + В + К ® АК + С + В ® АВ + С + К

Катализ широко применяется в промышленности (производство многих пищевых продуктов, горюче-смазочных материалов), все биохимические процессы в живой клетке протекают с участием катализаторов - ферментов. Химики говорят, что некаталитических процессов вообще не существует, поскольку материал стенок реакторов служит своеобразным катализатором.

Эволюционная химия (предбиология) - наука о самоорганизации и развитии химических систем - возникла во второй половине ХХ веке в связи с исследования биокатализаторов, хотя первые шаги в этом направлении были сделаны еще Я.Берцелиусом (ХVIII в.) и Л.Пастером (ХIХ в.). Живые организмы из блоков собрать нельзя, они возникли в ходе естественной эволюции от неорганических соединений к органическим и далее - к живым системам. Исследования в этой области привели к возможности решать новые эволюционные проблемы - самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, более высокоорганизованных, чем исходные вещества.

В настоящее время химической науке известно около 8 млн. химических соединений, подавляющее большинство (96%) составляют органические соединения, включающие порядка 20 элементов; из остальных (около 100) химических элементов составлены всего 300 тысяч неорганических соединений. Из органогенов на Земле наиболее распространены кислород и водород, в космосе основную часть представляют два элемента - водород и гелий, более тяжелые встречаются крайне редко. Органоген номер один – углерод (он способен образовывать прочные, энергоемкие и, главное, разнообразные химические связи. Основу жизнедеятельности организмов обеспечивает только шесть химических элементов - углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера (составляют более 97%), за ними следуют: натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель (1, 6%), еще 20 элементов содержатся количестве порядка 1%.

В процессе биохимической эволюции шел тщательный отбор химических соединений: из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен, из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20, четыре нуклеотида лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию процессов в живых организмах. А.П.Руденко сформулировал основной закон химической эволюции (1964 г.): с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности и селективности действия катализаторов-ферментов.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒