Развитие химии экстремальных состояний

Как мы уже знаем из рассмотрения каталитических реакций, под действием катализатора происходит ослабление исходных химических связей. Подобное действие можно ожидать при тепловом или радиационном воздействии, приводящем к повышению реакционной способности веществ и ускорению хода реакций. Вопросами энергетической активизации реагента занимается химия экстремальных состояний, которая включает плазмохимию, радиационную химию, химию высоких энергий, химию высоких давлений и высоких температур.

Плазмохимия изучает процессы в низкотемпературной плазме. В плазмохимии рассматриваются процессы при температурах от +1000°C 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^–13с при почти полном отсутствии обратимости реакции. Метановый 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 +З000¼3500°C  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.

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 связующего 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.

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.

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 +1200¼2000°C , 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.

Особенности биологического уровня организации материи

Познание сущности жизни – одна из основных задач естествознания. Дать научное определение жизни, указать принципиальное отличие живого от неживого очень сложно. Эта задача требует выяснения вопроса, в чем же именно заключается более высокое качество биологической формы существования материи, что приводит к поискам свойств, присущим живым телам и отсутствующих у неживых, выяснению особенностей эволюции, воспроизводства и развития живых систем.

Свойства живых систем

По современным представлениям живой организм – это открытая, самообновляемая, саморегулируемая, самовоспроизводящаяся система, построенная из биополимеров и проходящая путь необратимого развития. Рассмотрим общие, характерные для всех живых организмов свойства и их отличия от похожих процессов, протекающих в неживой природе.

Самообновление – свойство живых организмовосуществлять непрерывный обмен с окружающей средой энергией и веществом, благодаря которому происходит восстановление разрушенных компонентов и замена их новыми, подобными им. Живой организм использует внешние источники энергии (свет, пищу). Через живые системы, таким образом, проходят потоки веществ и энергии, поэтому они называются открытыми. Обмен веществ состоит из двух взаимосвязанных процессов – ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция – это процесс синтеза органических веществ в организме, а диссимиляция – процесс распада сложных органических веществ с выделением энергии. Отметим, что в неживой природе также существует обмен веществами. Однако в небиологическом круговороте вещества просто переносятся с одного места на другое или изменяют агрегатное состояние.

Саморегуляция – способность живых организмов, обитающих в непрерывно изменяющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов. Саморегуляцией в организмах поддерживается постоянство структурной организации – гомеостаз (от гр. homoios – равный, неизменный, stasis – состояние). Для всех живых существ характерно наличие механизмов, поддерживающих постоянство внутренней среды. Продукты жизнедеятельности могут оказывать сильное и строго специфическое тормозящее воздействие на те ферменты, которые составляют начальное звено в длинной цепи реакций. По принципу обратной связи регулируются процессы обмена веществ, репродукции, считывания наследственной информации.

Самовоспроизведение – свойство живых организмов воспроизводить себе подобных, основанное на способности молекул ДНК передавать из поколения в поколение наследственную информацию о признаках, свойствах и функциях организмов. Благодаря этой способности не прекращается существование вида. В основе самовоспроизведения лежат реакции матричного синтеза, т.е. образования новых молекул и структур на основе информации, заложенной в структуре молекул ДНК.

Наследственность – свойство живого организма, тесно связанное с самовоспризведением и заключающееся в способности живого организма передавать свои признаки и свойства, а также особенности развития из поколения в поколения.

Изменчивость – способность организма приобретать новые признаки и свойства.

Развитие – необратимое направленное закономерное изменение живых организмов, в результате которого возникает новое качественное состояние, изменяется его состав и структура. Развитие живых организмов представлено индивидуальным развитием или онтогенезом, и историческим развитием или филогенезом. Онтогенез – это вся совокупность преобразований организма от момента его зарождения до прекращения существования. На протяжении онтогенеза постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организмов. Развитие их сопровождается ростом. Филогенез, или эволюция, – это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Результатом эволюции является все многообразие живых организмов на Земле.

Раздражимость – неотъемлемая черта, свойственная всему живому, являющаяся выражением одного из общих свойств всех тел природы – свойства отражения. Раздражимость связана с передачей информации из внешней среды любой биологической системе (организм, орган, клетка) и проявляется реакциями этих систем на внешнее воздействие Благодаря этому свойству организмы избирательно реагируют на условия окружающей среды, способны извлекать из нее все необходимое для своего существования, а следовательно, с ними связан столь характерный для живых организмов обмен веществ, энергии и информации.

Все живые организмы построены из биополимеров – высокомолекулярных природных соединений (белков, нуклеиновых кислот и т.д.), участвующих во всех процессах жизнедеятельности организма. В живом организме белки играют, в основном, роль структурных компонентов и катализаторов (ферментов), а нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение и передачу наследственной информации.