На главную
Вопрос 49. Четвертая концептуальная система в химии. Теория саморазвития открытых каталитических систем.

Четвертую концепт. хим. систему и, вместе с тем, верхнюю границу совр. химии образует учение об эволюционном катализе, или эволюционная химия. Своим возникновением эта теор. система обязана открытым в 60-е гг. прошлого века советским химиком А.П. Руденко элементарных откры-тых каталитич систем (ЭОКС), з-номер-ности развития, точнее, саморазвития кот. связ. с необрат. изменением катализаторов.
До сер. XX века идеи хим. эволюции занимали лишь тех исследователей, кот. ставили пред собой цель изучения проблем происхождения нашей планеты и жизни на ней. Термин “химическая эволюция” был введен в науку М.Кальвином в 50-х годах. М. Кальвин выделил следующие 4 осн. этапа развития материи: ядерную эволюцию, хим. эволюцию, биологическую эволюцию и психо-социальную эволюцию. В химии идея эволюции возникла не сразу. Первоначально она растворялась в общих представлениях об изменениях, превращениях веществ.
Исторический метод в химии возник в первую очередь в рез-те прогресса двух ветвей естествозн.: геохимии и биохимии. Первая прослеживает действит. судьбу хим. соед-ий в неживой, а вторая – в живой прир.
Включение в хим. науку принципа историзма явилось одним из решающих факторов поворота хим. исследований к проблеме хим. эволюции.
Во-первых, возникновению эволюцион-ной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов. При искусственном выборе катализаторов ученые ориентировались на те из них, кот. участвовали в естественной, осуществляя-емой самой природой эволюции от хим. соед. к живым системам, тем самым принципы искусственного отбора все более приближались к принципам естеств. отбора.
Во-вторых, в самой каталитической химии постепенно накапливается все больше эмпирич. материала, не укладыв. в рамки классич. кинетики о неизменности сос-тава, энергетич. пар-тров и специфич. действия кат-торов.
Стала накаплив. инф-ия о колебат. хим. р-иях, история исслед. кот. начинается еще в сер. XIX в. (Ф.Ф. Рунге, Р. Лизеганг).
В 80-х гг. XX в., однако, в науке уже обознач. позиция, ставящая колеб. хим. р-ии на передний край исслед.
Проведен пересмотр целого ряда принципов хим. кинетики и замены их новыми. Эти принципы следующие:
- изменение природы и активности кат-ров в ходе р-ии;
- направленность изм-ний каталитич. систем в стор. повыш. ур-ня хим. организ-ии;
- имманентный (внутренне присущий) характер этих изменений, обусловленный з-нами хим. эволюции.
Объектом исслед. «эволюц. химии» вы-ступают открытые самоорганизующ. хим. си-стемы, находящ. в сост., далек. от равновес.
В самом широком смысле понятие самоорганизации выражает развитие систем от менее сложных к более сложным.
Концепция самоорганизации в ее естес-твеннонаучном виде выступает как междис-циплинарное направл. научного исслед., поскольку она связана с целым кругом проблем, разрабатываемых разл. Дисцип-линами. Своеобразной “идеологией” этого направления явл. синергетика Г. Хакена.
Синергетика (от греческого sinergos – согласованный) означает сотрудничество, кооперативность, взаимод. разл. Эл-тов системы. В кратком виде ее называют концепцией (теорией) самоорганизации, а более широко – теорией нелинейных процессов. Объекты изучения синергетики должны удовлетворять след. требованиям:
- открытость;
- существенная неравновесность, кот. достигается при опред. сост-ях и при опред. значениях пар-тров, кот. переводят систему в критич. сост. – она станов. неустойчивой;
- выход из критич. сост. скачком в кач-венно новое сост. с более выс. уровнем упорядоченности.
Скачок, или, по терминологии Хакена, переход – это внезапное изменение в макроскопическом масштабе. Это нелиней-ный процесс, при кот. малые изменения пар-тров (их называют управляющими пар-трами) вызывают очень сильные изменения сост. системы, ее переход в новое качество (напр., переход воды в лед). Природу самоорганизации Хакен понимает как последовательность фазовых переходов.
Наибольший интерес с точки зрения хим. эволюции представляют теории самооргани-зации И.Р. Пригожина и А.П. Руденко.
Руденко исследует самоорганизацию микросистем, преследуя цель реконструкции всего хода хим. эволюции через естеств. отбор вплоть до выяснения механизма биогенеза. Осн. положения его теории базируются на эмпирических данных о необратимых физич. и хим. изменениях уч-вующих в р-иях катализаторов. Самоорганизующимся объектом явл. элементарная открытая каталитическая система (ЭОКС), представляющая собой целостную совокупность реагирующих в-в и катализаторов. Руденко очень метко называет эту систему кинетическим конти-нуумом, в кот. реагенты, катализаторы и др. компоненты р-ии неотделимыми друг от друга. Саморазвитие ЭОКС определяется ходом базисной р-ии, т.е. хим. процесса, ускоряемого действием кат-ра.
А.П. Руденко формулирует основной з-н эволюции, сущность кот. заключается в том, что в процессе саморазвития ЭОКС происходит “естественный отбор” тех центров катализа, кот. обладают наиболь-шей активностью. Те же центры, изменение кот. связано с уменьшением активности, постоянно выключаются из кинетич. континуума, “не выживают”. Естеств. отбор явл. тем мех-змом управл., кот. обеспечивает повышение абсолютной каталитич. активности открытой реакц. системы.
Т. о., теория эволюц. катализа Руденко впервые показала существование особых объектов с неравновесной структурной и функциональной организацией (ЭОКС), способных к прогрессивной хим. эволюции, установила з-ны, причины и движущие силы эволюции и механизм естественного отбора.
Механизм процессов саморазвития ЭОКС явл. нелинейным: он включает и стационарные, и нестационарные стадии. Для стационарных стадий характерен один кинетич. режим, для нестационарных – др.. К нестационарным стадиям относ. каталитич. циклы, в кот. в-ва, сод. активный каталитич. центр, расходуются и вновь образуются. Это означает, что в каталитич. системе появл. положит. обратная связь.
Наличие каталитич. циклов (циклов обр. связей) обусловливает целостность кинетич. системы. При этом целостность реализуется не просто как совокупность молекулярных комплексов (элементов системы), но и как система взаимосвязанных (сопряженных) процессов, обеспечивающих ее саморазви-тие. В связи с этим можно говорить о существовании двух видов целостности, хар-зующих самоорганизующ. сист.: структурной целостности, кач-венная определенность кот. заключается в примате отношения над компонентами системы, и системной целост-ности, кот. проявл. в наличии взаимосвязи м-у компонентами, обеспеч. самоорганизац.
Каталитические циклы – важнейший элемент природных самоорганизующихся систем. Можно сказать, что, хотя природа не додумалась до колеса, зато она выдумала каталитический цикл.
Наличие структурной и системной целостности ЭОКС позволяет ввести понятие “временная целостность”. Теор. эквивалентом временной целостности выступает понятие кинетического континуума как непрерывного и последоват. взаимодействия элементарных стадий, каждой из кот. соответствует своя кинетика, т.е. свой временной порядок.