Химия экстремальных состояний

При взаимодействии реагентов с катализатором происходит ослабление исходных химических связей. Оно возможно при энергетической активизации реагента, которая достигается при тепловом либо радиоактивном воздействии, характеризующемся большой величиной энергии. Вопросами энергетической активизации реагента занимается химия экстремальных состояний, которая включает плазмохимию, радиационную химию, химию высоких энергий, химию высоких давлении и температур.

Плазмохимия изучает процессы в низкотемпературной плазме. Плазма - это ионизированный газ. Различают слабоионизированную, или низкотемпературную, и высокотемпературную плазму. В плазме-химии рассматриваются процессы при температурах от 1000 до 10000°С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями молекул с заряженными частицами и, что особенно важно, очень высокими скоростями реакций.

В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет около 10-13 с при почти полном отсутствии обратимости реакции. Такая скорость в обычных заводских реакторах из-за обратимости снижается в тысячи и миллионы раз. Плазмохимические процессы поэтому очень высокопроизводительны.

Метановьй плазмотрон с производительностью 75 т ацетилена в сутки имеет сравнительно крохотные размеры: длину 65 см и диаметр 15 см. Такой плазмотрон заменяет целый огромный завод. При температуре 3000- 3500°С за одну десятитысячную долю секунды 80% метана превращается в ацетилен. Степень использования энергии достигает 90- 95%, а энергозатраты составляют не более 3 кВт*ч на 1 кг ацетилена. В паровом реакторе пиролиза метана энергозатраты вдвое больше.

В последнее время разработаны способы связывания атмосферного азота посредством плазмохимического синтеза оксида азота, которые гораздо экономичнее аммиачного метода. Создается плазмохимическая технология производства мелкодисперсных порошков - основного сырья для порошковой металлургии. Разработаны методы синтеза карбидов, нитридов, карбонитридов таких металлов, как титан, цирконий, ванадий, ниобий и молибден при энергозатратах не более 1-2 кВт*ч на килограмм. Таким образом химия высоких энергий направлена на существенную экономию энергии.

Относительно недавно - в 1970-х годах - созданы плазменные сталеплавильные печи, выдающие высококачественный металл. Именно таким печам принадлежит будущее. Разработаны методы ионно-плазменной обработки поверхности инструментов, износостойкость которых увеличивается в несколько раз.

Плазмохимия позволяет синтезировать такие ранее Неизвестные материалы, как металлобетон, в котором в качестве связывающего используется сталь, чугун, алюминий. При сплавлении частиц горной породы благодаря прочному сжатию их с металлом образуется металлобетон, превосходящий по прочности обычный бетон на сжатие в 10 раз и на растяжение в 100 раз.

В нашей стране разработаны плазмохимические способы превращения угля в жидкое топливо без применения высоких давлений и выброса золы и серы. При такой технологии, кроме синтез-газа, из неорганических включений каменного или бурого угля одновременно получаются и другие вещества: технический кремний, карбосилиций, ферросилиций, адсорбенты для очистки воды и т.п.

Радиационная химия - сравнительно молодая отрасль, ей немного более 40 лет. Первые опыты радиационной химии были связаны с облучением полиэтилена гамма-лучами. Прочность полиэтилена при этом существенно возросла. В настоящее время радиационная химия изучает превращение самых разнообразных веществ под действием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы.

В результате радиационно-химических реакций из кислорода образуется озон, из газообразных парафинов - водород и сложная смесь низкомолекулярных олефинов. Облучение полиэтилена, поливинил-хлорида и многих других полимеров приводит к повышению их термостойкости и твердости.

Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, в том числе композиций на древесной основе, закрепление лаков и других материалов на поверхности дерева и металла, получение полимербетонов путем пропитки обычного бетона тем или иным мономером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в четыре раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозийной стойкостью.

Принципиально новой и исключительно важной областью химии экстремальных состояний является самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Обычно крупномасштабное производство таких материалов осуществляется методом порошковой металлургии, суть которого заключается в прессовании и сжатии при высокой температуре металлических порошков. При этом температура должна составлять 1200-2000°С, а процесс спекания длится несколько часов. Гораздо проще реализуется самораспространяющийся синтез, основанный на реакции горения одного металла в другом или металла в азоте, углероде, кремнии и т.п.

Чаще всего процесс горения представляется в виде соединения кислорода с горючим веществом: углем, нефтепродуктами, древесиной. В химии принято считать горение реакцией окисления горючего вещества, что с позиции окислительно-восстановительных реакций означает перемещение электронов от атомов восстановителя горючего тела к атомам окислителя-кислорода. С этой точки зрения горение возможно не только в кислороде, но и в других окислителях.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез - тепловой процесс горения в твердых телах. Он представляет собой, например, горение порошка титана в порошке бора или порошка циркония в порошке кремния.

В результате такого синтеза получены сотни тугоплавких соединений превосходного качества: карбиды металлов, бориды, алюминиды, селениды.

Данный метод не требует громоздких печей и процессов, больших энергетических затрат и отличается высокой технологичностью. На установке, производящей многотоннажную продукцию, достаточно работы всего лишь одного человека. По оценке американских специалистов, технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза - высочайшее достижение русских ученых из Института химической физики Российской академии наук.

.Развития традиционной биологии

В современном представлении биология - совокупность наук о живой природе, об огромном многообразии вымерших и ныне населяемых Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Биология устанавливает общие и частные закономерности, присущие жизни во всех ее проявлениях (обмен веществ, размножение, наследственность, изменчивость, приспособляемость, рост, раздражимость, подвижность и др.).

Первые систематические попытки познания живой природы сделали врачи античности Гиппократ (ок. 460 - ок. 370) и Гален (ок. 130 - ок. 200), а также древнегреческий философ и ученый Аристотель (384- 322 до н. э).

На начальном этапе развития биология носила описательный характер и позднее она была названа традиционной биологией. Объект изучения ее - живая природа в ее естественном состоянии и целостности. К первым и наиболее значительным достижениям традиционной биологии относятся классификации многообразного растительного и животного мира. Многие принципы классификации были заложены еще в средние века и актуальны по сей день.

Значительный вклад в традиционную биологию внес шведский естествоиспытатель Карл Линней (1707- 1778). Он создал систему классификации растительного и животного мира и построил наиболее удачную классификацию растений и животных, подробно описав около 1500 растений. Классификация производилась по определенным. признакам, отражающим закономерности, наблюдаемые в живой природе. По таким признакам растения объединялись в группы, называемые таксонами. Введенная Линнеем бинарная номенклатура для обозначения рода и вида дошла до наших дней почти неизменной.

Французский ботаник Мишель Адансон (1727-1806) предложил принцип классификации растении по сходству максимального числа признаков с применением математических методов. Этот принцип лежит в основе числовой таксономии, весьма эффективной при объединении организмов в родственные группы. В последнее время в числовой таксономии применяются современные вычислительные средства.

Естественные системы (эволюционные, генеалогические) создаются, как правило, в рамках какой-либо концепции, включающей принцип нахождения генеалогического родства и установления преемственности происхождения. Таких концепций за всю историю традиционной биологии накопилось немало, так как во все времена биологи стремились понять и отобразить схематически эволюцию живого мира. Разнообразие концепций породило множество генеалогических древ, первое из которых предложил в 1866 г. немецкий биолог-эволюционист Эрнст Геккель (1834-1919).

Традиционная биология продолжает развиваться и в настоящее время. По сравнению с другими направлениями она обладает необходимым преимуществом: ее научный материал накапливается в результате непосредственного наблюдения объекта изучения - живой природы, воспринимаемой как единое целое во всем многообразии ее форм и проявлений. Благодаря такому преимуществу традиционная биология будет развиваться и в будущем.

Для живой природы постоянное развитие - наиболее важное и характерное свойство. В этой связи концепция развития в биологии представляет фундамент, на котором построена эволюционная биология.

Эволюционная биология как наука о развитии живой природы начиналась с материалистической теории эволюции органического мира Земли, основанной на воззрениях английского естествоиспытателя Чарльза Дарвина. Эволюция, по Дарвину, осуществляется в результате взаимодействия трех основных факторов: изменчивости, наследственности и естественного отбора. Изменчивость служит основой образования новых признаков и особенностей в строении и функциях организмов. 'Наследственность закрепляет эти признаки. Под действием естественного отбора устраняются организмы, не приспособленные к условиям существования. Благодаря наследственной изменчивости и непрерывному действию естественного отбора организмы в процессе эволюции накапливают все новые приспособительные функции, что в конечном результате ведет к образованию новых видов. Таким образом, Дарвин установил движущие силы эволюции органического мира, объяснил процесс развития и становления биологических видов.

В то время, когда формировалось учение Дарвина, биология располагала весьма скромными знаниями о химическом составе организмов, о процессе обмена и о других, хорошо известных в настоящее время свойствах живой природы. Однако даже те знания не имели какого-нибудь существенного значения при создании эволюционного учения. Дарвин был истинным натуралистом и его теория - итог пристального, целенаправленного наблюдения над живой природой в самых различных ее проявлениях. А это означает, что эволюционное учение произрастало на благодатной почве традиционной биологии с ее ставшими к тому времени классическими методами наблюдений. Одних только целенаправленных наблюдений и системного подхода при анализе их результатов оказалось вполне достаточно для формирования важнейшего принципа - принципа естественного отбора. Этот принцип оказался настолько сильным, что накопленные в дальнейшем знания в традиционной биологии и даже в современной - физико-химической - биологии не смогли отвергнуть или даже как-то существенно изменить саму идею естественного отбора. В эволюционной биологии принцип естественного отбора остается основополагающим и в настоящее время.

В процессе развития эволюционного учения возникли разные направления, в том числе и нейтралистская теория эволюции, отличающаяся от дарвиновского учения. Все эволюционные направления так или иначе базируются на последних достижениях смежных отраслей биологии и естествознания. Происходит, таким образом, своеобразный эволюционный синтез, приводящий к взаимному обогащению эволюционных теорий для микро-, макро- и мегаобъектов, которые представляют характерную особенность современного естествознания, заключающуюся в общем и в то же время едином подходе в многостороннем изучении единой природы в различных ее проявлениях.

Биохимическая эволюция

Сведениями о распространении жизни во Вселенной и о возможных ее внеземных формах наука не располагает. Весь наш опыт в этой области ограничен единственным доступным примером - Землей, но и эти знания о жизни далеки от полноты.

Может ли жизнь на Земле быть случайным для Вселенной событием, результатом совпадения маловероятных комбинаций? Сравнительно недавно признавалось, что такое мнение имеет право на существование. В наши дни два обстоятельства заставляют считать подобные допущения несовместимыми с новым научным мировоззрением. Во-первых, в последние десятилетия вскрыта чрезвычайная структурная и функциональная сложность "живого" вещества и законов, управляющих его развитием. Высочайшая степень упорядоченности и саморегулирования жизни не могли возникнуть из-за случайных стечении обстоятельств.

Во-вторых, под напором ставших известными фактов признается, что развитие природы носит направленный характер, выражающийся, в частности, в нарастании со временем сложности и упорядоченности вещества и его структур во Вселенной. Жизнь - одна из самых высоких известных человеку форм упорядоченности вещества, которая может возникнуть только по достижении развивающейся Вселенной определенной стадии эволюции и только в таких ее локальных системах, где предыдущее развитие подготовило необходимые условия для перехода к столь высокому уровню упорядоченности вещества. Такие условия могут возникнуть во многих локальных системах, например, на многих планетах, образовавшихся около звезд определенного типа. Но, видимо, лишь в небольшом числе случаев потенциальные возможности реализуются и здесь роль случайности 'велика. Однако природа такой случайности совсем другая, чем та, о которой говорилось вначале.

Еще в 20-х годах В.И. Вернадский утверждал, что переход на Земле от “неживого” вещества к простейшей жизни произошел на ранней стадии ее развития и занял узкий временной интервал (не более двух сотен миллионов лет), Появление жизни тесно связано с моментом возникновения земных океанов. Возраст Земли предполагается равным 4,6 млрд. лет, а первые осадочные породы, свидетельствующие о появлении крупных водоемов, заполненных жидкой водой, датируются возрастом около 3,8 млрд. лет. Известны палеонтологические данные, позволяющие утверждать, что температура воды в первичных океанах была не слишком холодной, но и не превышала 58° С.

Следы древнейших организмов обнаружены в кремнистых пластах Западной Австралии, возраст которых, а следовательно, и возраст останков жизни, оценен в 3,2-3,5 млрд. лет. Это минерализовавшиеся нитчатые и округлые микроорганизмы примерно десятка различных видов, напоминающие простейших бактерий и микроводорослей. Организмы, видимо, имели внутренние структуры, в них присутствовали химические элементы, соединения которых способны осуществлять фотосинтез. Обнаруженные древнейшие организмы бесконечно сложны по сравнению с самым сложным из известных органических соединений неживого (абиогенного) происхождения. Нет сомнений, что это не самые ранние формы жизни, и что существовали их более древние предшественники. Истоки жизни уходят в тот “темный” первый миллиард лет существования Земли как планеты, который не оставил следов в ее геологической истории. Но именно тогда на Земле имели место условия, впоследствии более не повторявшиеся, когда появилась биосфера. С тех пор, насколько нам известно, живое вещество порождается только живым, а органические соединения, создаваемые организмами, отличаются от соединений того же химического состава, но абиогенного происхождения.

Одним из предполагаемых условий на ранней Земле, способствовавших возникновению на ней жизни, было существование первичной атмосферы, обладавшей восстановительными свойствами. Согласно палеонтологическим данным, анализ древнейших осадочных пород подтверждает восстановительный характер тогдашней атмосферы, кислород в которой практически отсутствовал. Зародившаяся жизнь долгое время развивалась в такой атмосфере, постепенно насыщая ее кислородом в результате процессов фотосинтеза. Критерием перехода атмосферы от восстановительной к окислительной считается достижение в ней концентрации свободного кислорода на уровне 0,01 от современного значения (22%). Это точка Пастера, когда микроорганизмы получают возможность перейти от процессов брожения к процессам дыхания. По современным данным, атмосфера Земли перешла этот рубеж примерно 2,55±0,2 млрд. лет назад. Затем за какие-нибудь две сотни миллионов лет ее насыщенность кислородом достигла современного уровня.

Эти данные подтверждают исходную точку зрения В.И. Вернадского о практически мгновенном в геологическом масштабе времени заселения планеты жизнью. Биосфера создала окислительную атмосферу Земли и не менее двух миллиардов лет поддерживает в ней современный уровень насыщенности кислородом.

Загадка появления жизни на Земле с незапамятных времен волнует мыслящую часть человечества. На протяжении веков менялись взгляды на эту проблему, но наука все еще далека от ее решения. Как и сто, и двести лет назад, сегодня продолжаются споры о материальной сущности жизни: является ли она просто чрезвычайно упорядоченным состоянием тех же элементов, из которых состоит “неживое” вещество, или существуют пока неоткрытые элементарные “частицы жизни”, переводящие на определенном уровне концентрации “обычное” физико-химическое вещество из неживого в живое состояние. Веских доказательств справедливости той или другой точки зрения нет и выбор позиции определяется внутренним убеждением каждого участника спора. Ни в коей мере не предрешая конечные результаты противостояния мнений (это сделают фактические данные будущих исследований), обратим внимание на следующее обстоятельство. В науке прочено утвердился принцип, сформулированный еще в XIV в. английским философом Уильямом Оккамом (ок. 1285 - 1349) и названным в его учесть “бритвой Оккама”: “Не умножай сущностей без необходимости”. Вот два Примера, демонстрирующие как справедливость самого принципа, так и вредность поспешного отказа от него.

200 лет назад сложилось убеждение, что между органическими и неорганическими соединениями лежит непроходимая пропасть. Для подобного мнения были основания: известные тогда органические соединения создавались живыми организмами и другими способами их получить не удавалось; свойства органических соединений были иными, чем у неорганических веществ. Но после того, как из обычных химических элементов и их соединений было синтезировано первое Органическое соединение - мочевина, миф о двух разных сущностях, о разной природе органического и неорганического вещества рухнул, а на его месте родилась химия углерода, или органическая химия. Предмет ее изучения - углерод и. его особые многоатомные молекулы, включающие атомы водорода, азота, кислорода, фосфора, серы и других известных элементов и создающие основу как органических молекул, так и собираемых из них живых организмов.

Другой пример. Долгие годы исследователи не могли понять, почему практически все биохимические реакции протекают в организмах с высокими скоростями, а любые попытки их инициирования и поддержания при тех. же температурах и давлениях вне организмов терпят неудачу. Возникла гипотеза об особой сущности реакций в организме, отличной от химической. Но вскоре были открыты материальные носители этой "сущности" - ферменты, направленно вырабатываемые в клетках организма и служащие катализаторами соответствующих биохимических реакций. Позже удалось расшифровать химический состав некоторых из них. Вместо гипотезы в органической химии появился раздел, изучающий, и расшифровывающий химический состав ферментов, механизмы их работы и другие физико-химические аспекты этих соединений.

Приведенные примеры раскрывают одну из особенностей познания нового. При столкновении с явлением, не укладывающимся в известные до этого представления, у исследователя возникает соблазн пойти по самому легкому пути в поисках его объяснения. Непонятное проще всего объяснить опять же непонятным, вводя новую сущность. На время создается иллюзия, что все понятно. Принцип Оккама предупреждает о бесперспективности такого пути. Но этот принцип не отвергает введения новой сущности после того, как получены доказательства ее реальности или исчерпаны возможности объяснить эффект в рамках “консервативных” представлений. На сегодня возможности объяснить неимоверную сложность, устойчивость, упорядоченность, тончайшую подгонку всех структур и функций живых организмов на базе физико-химических представлений не исчерпаны.

Рассматривая проблему возникновения жизни естественным путем, ученые выделяют три основных этапа предположительного перехода от "неживого" к "живому":

• этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы и состояния поверхности ранней Земли;

• этап формирования в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липоидов, углеводородов;

• самоорганизация сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществом и воспроизводства органических структур данного состава, завершающееся образованием простейшей клетки.

Не все ясно с первыми двумя этапами, а в отношении третьего этапа признаки прояснения наметились лишь в самые последние годы.