KSE5 (1153101), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Реакция протекает так, что наэтих промежуточных ступенях имеются наиболее низкие энергии а к т и вации; можносказать, что происходит минимизация энергетических затрат. Этот важный физическийпринцип лежит в основе процессов катализа — ускорения реакций при добавлении креагентам определённого постороннего вещества — катализатора. Он участвует впромежуточных реакциях, но в конечном итоге не расходуется и вообще остаётсянеизменным. Катализатор увеличивает скорость приближения к равновесию, но не можетизменить его.Реакция синтеза аммиака, проходящая в условиях приведенных выше N2 + ЗН2 →(высокая t°, высокое р, Fe) → 2NH3,сопряжена с большими технологическимитрудностями.
Послеприменения металлоорганического катализатора температурусинтеза удалось понизить до 180 С, а давление до нормального атмосферного.Упрощение условий синтеза аммиака открывает большие перспективы не только дляпроизводства удобрений, но и в будущем такого изменения генной структуры злаков, чтоони не будут наждаться в азотных удобрениях.Среди большого разнообразия сложных реакций отметим так называемые цепныереакции, которые составляют основу многих технологических процессов, прежде всегопроцесса горения натуральных топлив.
В цепных реакциях исходные реагентыпревращаются в конечный продукт не непосредственно, а через стадии образованияактивных промежуточных продуктов. Они являются "осколками" молекул (атомы,радикалы) и потому намного более реакционноспособны. Промежуточные реагентывступают в последующие реакции, в ходе которых образуются конечные вещества, ноодновременно и промежуточные реагенты (активные центры). Такой цикл превращениймногократно повторяется. Если каждый раз при образовании одной молекулы конечноговещества образуется один активный центр, то имеет место как бы регенерация активныхцентров.
В ходе реакции их число сохраняется неизменным, но они сильно способствуютходу реакции в целом. Они играют роль катализатора, но возникают самопроизвольно вначале самой реакции. Говорят об автокатализе цепного процесса. Если в каждом циклепри образовании одной молекулы конечного вещества образуется больше одногоактивного центра, то это — разветвленная цепная реакция.
Скорость такой реакции дажепри наличии реакций обрыва цепей может неограниченно возрастать; процесс напоминаетлавину в горах.Химические процессы в растениях и животных — это многочисленные, разнообразные,сложные химические реакции между реагентами, которые содержат углерод. Химиясоединений углерода — органическая химия — неотъемлемая часть молекулярной биологии24. Все биологически функциональные вещества, кроме некоторых солей и воды,содержат углерод. Это белки, жиры, углеводы, витамины, гормоны.
Закономерностихимических процессов находят объяснение в квантовой механике, термодинамике идругих физических науках. С другой стороны, любая клетка живого организма являетсясложным химическим реактором. Химия осуществляет связь между физическими ибиологическими науками.5.7.
Эволюционная химияХимики давно пытались понять, каким образом из неорганической безжизненнойматерии возникает материя органическая как основа жизни на Земле. Какая лабораториялежит в основе этого процесса? Лаборатория, в которой без участия человека получаютсяновые химические соединения, более сложные, чем исходные вещества.И. Я. Берцелиус (1779—1848) первым установил, что основой живого являетсябиокатализ, предполагающий присутствие в реакционной среде различных природныхвеществ, способных управлять химической реакцией, замедляя или ускоряя ее протекание.Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что и служит идеаломдля многих химиков.
Идеалом совершенства считали «живую лабораторию» немецкийученый Ю. Либюс (1803—1873) и французский химик Пьер Эжен Марселей Бертло(1827—1907).Современные химики полагают, что познав химию организмов, человек научитсяуправлять биохимическими процессами, что позволит ему более экономичноиспользовать имеющиеся в природе материалы и с большей пользой. Для решенияпроблемы биокатализа и использования его результатов в промышленных масштабаххимическая наука пытается применять отдельные ферменты для моделированиябиокатализаторов, осваивать механизмы живой природы, развивать исследования с цельюприменения принципов биокатализа в производственных химических процессах итехнологиях.В эволюционной химии существенное место отводится проблеме «самоорганизации»систем.
Теория самоорганизации отражает законы такого существования динамическихсистем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровнисложности в системной упорядоченности, или материальной организации. В процессесамоорганизации предбиологических систем шел отбор необходимых элементов дляпоявления жизни и ее функционирования. Из 118 химических элементов, открытых кнастоящему времени, многие принимают участие в жизнедеятельности живыхорганизмов. Наука же считает, что только шесть элементов: углерод, водород, кислород,азот, фосфор и сера — составляют основу живых систем, в связи с чем они получилиназвание элементов — органогенов.
Весовая доля этих элементов в живом организмесоставляет 97,4%. Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых системвходят еще 12 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний,алюминий, хлор, медь, кобальт, бор. Еще около 20 элементов участвуют вжизнедеятельности живых систем в зависимости от среды обитания и состава питания.Не менее важно и то обстоятельство, что все элементы, участвующие в построенииживых систем и их функционировании, относительно равномерно распределены по всейповерхности Земли. Таким образом, жизнь могла возникнуть на Земле в любом месте, гдедля этого появлялись благоприятные условия. В Космосе же преимущественногосподствуют два элемента — водород и гелий, а остальные элементы существуют в видепримесей и составляют ничтожно малую массу.Особая роль отведена природой углероду.
Этот элемент способен образовывать связи сэлементами, противостоящими друг другу, и удерживать их. Атомы углерода образуютпочти всё типы химических связей. На основе шести органогенов и еще около 20 другихэлементов природа создала около 8 миллионов различных химических соединений,обнаруженных к настоящему времени, 96% из них составляют органические соединения.Из такого огромного количества органических соединен и й в строительстве биомиразадействованы природой всего несколько сотен. Из 100 известных аминокислот в составбелков входят только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и Р Н К лежат в основе всехсложных полимерных нуклеин о в ы х кислот, ответственных за наследственность ирегул я ц и ю белкового синтеза в любых живых организмах. Х и м и к и стремятся открытьсекреты природы.
Как она из такого ограниченного количества химических элементов ихимических соединений образовала сложнейший высокоорганизованный комплекс —биосистему? Ответ на этот вопрос можно получить, научившись из имеющихся в избыткехимических веществ синтезировать необходимые, дефицитные продукты, например иззагрязняющего атмосферу С02, получать сахар и т.д.Поиски природных катализаторов позволяют химикам сделать ряд выводов (к нимразличными путями пришли также геология, геохимия, космохимия, термодинамика,химическая кинетика).■ На ранних стадиях химической эволюции катализ отсутствовал. Условия высокихтемператур (выше 5000 К), наличие электрических разрядов и радиации препятствуютобразованию конденсированного состояния.■ Первые проявления катализа начинаются при смягчении условий (ниже 5000 К) иобразовании первичных тел.■ Роль катализатора возрастала по мере того, как физические условия (главнымобразом, температура) приближались к современным значениям.
Но общее значениекатализа, вплоть до образования более или менее сложных органических молекул, все ещене могло быть высоким.■ Появление таких, даже относительно несложных систем, как СН3ОН, СН2 = СН2,НС = СН, Н2СО, НСООН, НС = N, а тем более оксикислот, аминокислот и первичныхсахаров, было своеобразной некаталитической подготовкой для большого катализа.■ Роль катализа в развитии химических систем после достижения стартовогосостояния, т.е.
известного количественного минимума органических и неорганическихсоединений, начала возрастать с фантастической быстротой. Отбор активныхсоединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительнобольшим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.Функциональный подход к объяснению предбиологической эволюции сосредоточен наисследовании процессов самоорганизации материальных систем, выявлении законов,которым подчиняются такие процессы. Это в основном позиции физиков и математиков.Крайняя точка зрения здесь склоняется к тому, что живые системы могут бытьсмоделированы даже из металлосоединений.В 1969 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
