Страница 38 из 57
Водородные связи могут образовываться в тех случаях, когда атом водорода связан с электроотрицательным атомом, который смещает на себя электронное облако, создавая тем самым положительный заряд d + на водороде. Водородная связь — связь между положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и отрицательно заряженным атомом другой молекулы.
Водородная связь имеет частично электростатический, частично донорно-акцепторный характер. Примером может служить образование водородной связи между двумя молекулами воды. Связи О—Н в Н20 имеют заметный полярный характер с избытком отрицательного заряда на атоме кислорода. Атом водорода, наоборот, приобретает небольшой положительный заряд и может взаимодействовать с неподеленными парами электронов атома кислорода соседней молекулы воды.
'Вода служит примером распространенной водородной связи, в то же время она является необыкновенным химическим веществом. Даже в Библии она особо выделена. В книге Бытия сказано: «Дух Божий носился над водою» (1,2). Это одно из немногих соединений, которое не подчиняется обычным законам химии и физики. В отличие от большинства веществ, сжимающихся при замерзании, вода расширяется, образуя лед.
В этом твердом состоянии она легче воды, что весьма важно для всех водных форм жизни, т. к. лед предохраняет водоемы от промерзания в зимнее время. Вода играет важную роль в регулировании температуры на земле. Она является необходимой составной частью всех организмов. Из всех известных жидкостей вода является лучшим растворителем. Свойства воды являются наиболее ярким выражением ант-ропного принципа, заложенного в мироздании Творцом.
Однако целесообразность каждого из химических веществ и другие особенности протекания химических процессов также указывают на Творца. Некоторые особенности энергетики химических превращений Говоря об энергии связи в химических соединениях мы затронули вопросы движения составляющих их частиц и пространственного расположения (строения).
Это естественно, потому что состав, энергии связи и строение химических веществ связаны между собой так же тесно как категории материи, энергии и пространства. Особенно очевидна эта связь в кристаллах. Часто процесс роста кристаллов приводится как пример самопроизвольного процесса, приводящий к получению вещества более сложной структуры. Однако сторонники подобного взгляда пренебрегают анализом энергетического состояния системы.
Образование кристаллов чаще всего связано с образованием энергетически более выгодной структуры или требует затрат энергии для реализации процесса. Во многих случаях с помощью термохимических расчетов можно оценить принципиальную энергетическую возможность, а также рассчитать затраты энергии для осуществления того или иного химического превращения.
Подобные расчеты возможны на основании закона Гесса, являющегося следствием первого закона термодинамики. В соответствии с этим законом: тепловой эффект завысит только от вида (природы) и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути процесса, т. е. от числа и характера промежуточных стадий. Тепловой эффект химической реакции равен разности суммы теплот образования продуктов реакции и суммы теплот образования исходных веществ.
Расчет теплового эффекта реакции является реальной задачей, поскольку теплоты образования многих соединений известны. Химическая термодинамика описывает равновесные состояния систем. В реальных же условиях мы обычно наблюдаем системы в динамике, в неравновесном состоянии, подверженном влиянию многочисленных факторов извне. При этом наблюдаемые нами изменения процессов во времени и под влиянием различных факторов, которые определяются законами химии, являют собой пример замечательной скоординированности всех явлений.
Например, изменения, происходящие в системе в результате внешних воздействий, определяются принципом подвижного равновесия — принципом Ле Шателье: Внешнее воздействие на систему, находящуюся в состоянии равновесия, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабляется. Внешнее воздействие на систему изменяет соотношение между скоростями прямого и обратного процесса, благоприятствуя тому из них, который противодействует внешнему влиянию.
Принцип Ле Шателье универсален, так как применим не только к химическим процессам, но и к физическим, таким, как плавление, кипение и т. д. Применительно к трем основным типам внешнего воздействия — изменению концентрации, давления и температуры — принцип Ле Шателье трактуется следующим образом: При увеличении концентрации одного из реагирующих веществ равновесие смещается в сторону расхода этого вещества, при уменьшении концентрации равновесие смещается в сторону образования этого вещества.
Влияние давления очень напоминает эффект изменения концентраций реагирующих веществ, но сказывается только на газовых системах. Общее положение о влиянии давления на химическое равновесие формулируется следующим образом: При увеличении давления равновесие смещается в сторону уменьшения количеств газообразных веществ, т. е. в сторону понижения давления: при уменьшении давления равновесие смещается в сторону возрастания количества газообразных веществ, т. е. в сторону увеличения давления.
Энергия активации в отсутствие катализатора
Энергия активации в присутствии катализатора
Реагенты Продукты
Координата реакции Рис. 4.
Уменьшение энергии активации реакции с помощью катализатора. Химическая кинетика, изучающая протекание процессов во времени, указывает на существование энергии активации, необходимой для протекания любого химического процесса, т. е. минимального избытка энергии, которым должны обладать частицы реагента для осуществления химического превращения (рис. 4).
Эта закономерность указывает на существование для каждого явления большей причины, наибольшую из которых христианское мировоззрение видит в Творце. Знание особенностей химической кинетики, которая устанавливает зависимость хода химических процессов от множества структурно-кинетических факторов: строения исходных веществ, их концентрации, наличия катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материалов и конструкций оборудования и т. д.
, является необходимым условием управления химическими процессами. Только целенаправленное воздействие на основе знания о процессах позволяет получать вещества с заранее заданными свойствами. Об этом свидетельствует огромный опыт создания современных технологий. Это лишает всякого основания идеи эволюционной химии, основанные на вере в возможность «самопроизвольного (без участия человека)
синтеза новых химических соединений с заданными свойствами, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами» [1] и возникновения из неорганической материи органической, а вместе с нею и жизни. Рассмотрению базовых элементов мира живого посвящена следующая глава. Глава 4 НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ Структурные уровни живого Биология — это наука о живом.
К числу свойств живого обычно относят следующие: а) сложность, упорядоченность структуры, б) получение энергии извне (значительная часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию), в) активное реагирование на окружающую среду (Если толкнуть камень, то он пассивно сдвигается с места. Если толкнуть животное, оно отреагирует активно: убежит, нападет или изменит форму.
Способность реагировать на внешние раздражения — универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных), г) способность к самовоспроизведению (причем потомство и похоже, и в то же время чем-то отличается от родителей), д) пособность живых организмов передавать потомкам заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размножения.
Эта информация содержится в генах — единицах наследственности, мельчайших внутриклеточных структурах. Генетический материал определяет направление развития организма. Вот почему потомки похожи на родителей. Однако эта информация в процессе передачи несколько видоизменяется, искажается. В связи с этим потомки не только похожи на родителей, но и отличаются от них.
Обобщая сказанное выше, можно сказать, что все живые организмы, в отличие от неживых тел, питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе. Структурный или системный анализ обнаруживает, что мир живого чрезвычайно многообразен, имеет сложную структуру. На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни. Каждому уровню соответствует биологическая система.