Катализ және экстремалды жағдайлар химиясы

1812 жылы орыс академигі К. С. Кирхгоф химиялық катализ құбылысын ашты. Катализ химиялық реакцияларды жүргізудің қазіргі кезде әбден көп және кең тараған тәсілі болып табылады, оның ерекшелігі катализатормен қосылған кезде реагенттер молекулаларының белсенділігінің артуында (катачизатор деп екі заттың өзара қосылу реакциясын жылдамдататын, бірақ реакция соңында өзі өзгеріссіз қалатын үшінші химиялық затты айтамыз). Бұл жағдайда бастапқы заттағы химиялық байланыстардың "босаң-суы", оны кейін бір-бірімен әрекеттестікке оңай түсетін жеке бөлшектерге "таратып әкетуі" жүзеге асырылады.

Катализ мәселелерімен шұғылданатын каталитикалық химиядан айрықша, экстремалды жағдайлар химиясы химиялық реакцияларды басқару мәселесін ба-

151

дамуының жогарғы сатысы

Эволюциялық химияның басталуын 1950-1960 жылдармен байланыстырады. Эволюциялық мәселелер деп

жаңа күрделі, мейілінше жоғары қүрылысты қоспаларды адамның қатысуынсыз синтездеу проблемаларын түсіну керек.

Бүгінде химиктер мынадай қорытындыға келді: тірі ағзалар (организмдер) химиясының құрылу принциптерін қолдана отырып, болашақта (табиғатты дәл қайталамай) принципінде жаңа химияны, химиялық процестердің жаңа басқаруларын кез келген тірі жасушада (клеткада) болатындай етіп "құруға" болады. Химиктер жаңа буын катализаторларын алуға үміттенеді, олар мысалы,

күн сәулесін өзгертетін ерекше түрлендіргіштерді жасауға мүмкіндік берер еді. Кәдімгі жасыл жапырақта күн энергиясы химиялық байланыстар энергиясына айналатындығы баршаға мөлім. Ал егер осы принципті біздің жарық түрлендіргіштерімізде қолданса ше? Күннің сәулесінің энергиясы химиялық және электр энергиясына ауысады, ал одан кейін қажет кезінде, керісінше, жарық сәулесіне ауысады! Қандай тамаша болар еді!

Бұлшық еттердегі биохимиялық процестерді зерттей отырып, ғалымдар химиялық энергияларды мұндай материалдардың тартылуы мен созылуына, яғни, оны механикалық энергияға айналдыруға пай-

152

далануға болатын жаңа полимерлер жасау идеясына "құмартты".

Тірі ағзалардағы (организмдердегі) химиялық процестердің ең жоғарғы жетістікті химия екенін алғашқы түсінген органикалық химияның негізін салған швед ғалымы Йенс Якоб Берцелиус болды. Ол бірінше рет тірі организмнің зертханасының негізгі мағынасы катализде, дұрысырақ айтсақ, биокатализде екенін анықтады.

XX ғасырда да тірі табиғат химиясы зерттеушілердің

ойларынан шыққан жоқ. 1930 жылы академик А. Е. Арбузов Казан университетінің 125 жылдық мерекесінде былай деген еді: "Болашақтың химиясының қазіргі химиядан қандай айырмашылығы болуы керек? Тірі табиғатқа еліктеу - міне болашақтың химиясының бейнесі".

Қазіргі кезде химия "тірі ағза зертханасындағыдай" кемеліне келуден әлі де болса алыс екендігіне қарамастан бұл мұратқа барар жолдар белгіленген.

Сондай жолдардыц біріншісі - металдыкомплекс катализіне арналған зерттеулерді дамыту. Осы бағыттың алғашқы қадамдарын 1954 жылы неміс ғалымы К. Циглер (1898-1973) жасады. Ол комплексті титана-люминийорганикалық заттардың қатысуында олефин-дер мен диендердің полимеризацияға түсетінін байқады. 1964 жылы М. Е. Волпин мен оның қызметкерлері ауадағы азотты металлорганикалық комплекстер қатысуында реакцияға түсіру мүмкінщілігін анық-тап, азотты тыңайтқыштар алуға жол ашты.

Екінші жол - биокатализаторлардың үлгісін жасау. Ғалымдар биохимиялық катализаторлардың жүмыс тәжірибесін зерттеп, мүндай катализаторларды зерт ханалық жағдайларда жасауда.

153

Тірі табиғаттағы ферменттердің құрылысы мен қызметін зерттеу - бұл келешекте принципінде жаңа химиялық технологияларды жасауды ашатын химиялық танымның жаңа сатысы болып табылады.

1960 жылдары химиялық реакция барысында кейбір химиялық катализаторлардың өзін-өзі жетілдіру жағдайлары байқалады. Кәдімгі катализаторлар уақыт өткен сайын (дүниедегінің бөрі тәрізді) ескіреді және тозады. Бірақ химиктер ескірмек түгілі әрбір химиялық реакция сайын "жасаратын"

154

катализаторлар түрлерін ашты! Бұл неліктен болады?

Жүйелердің ездігінен дамуы химиялық реакция-ның өзінің барысында бөлінетін энергия ағымын катализаторлардың үнемі жүтуы есебінен жүзеге асады:

6.7.4. Стационарлық емес кинетика.

1970 жылдары катализаторлар қолданылған көптеген химиялық жүйелер ашылды, бұларда уақыт өткен сайын барлығы керісінше болды, әдеттегідей, процесс тұрақтанбады - стационарлық емес болды. Сонымен автотербелмелі химиялық реакциялардың бірнеше түрі ашылды, бұларда реакция өнімінің шығымы уақыт ағымына қарай кезенді түрде өзгеріп отырады. Басқа сөзбен айтқанда, химиялық реакцияның қажетті өнімі біресе үлкен мөлшерде бөлінеді, не керісінше, реакция жүрмейді дерлік немесе тіпті, өзінің бағытын өзгертеді, ал бұдан соң осының бәрі қайталанады. Бұл химиктер үшін жақсы ма әлде жаман ба? Сөйтсе, көп жағдайларда осындай тұрақсыз химиялық реакцияның барысында алынатын заттың жалпы мөлшері стационарлы немесе тұрақты жылдамдығы бар реакция барысында түзілетін зат мөлшерінен тіпті асып түседі екен.

155

Стационарлық емес кинетиканы зерттеу жақында басталды. Бірақ қазірдің өзінде осы бағытта кептеген жетістіктер бар. Оның көмегімен кейбір энергетикалық тұрғыдан кездесетін процестер, яғни, жүру барысында бір-бірімен энергия алмасатын, бірден бірнеше реакция қатысатын химиялық процестер зерттелді. Стационарлық емес химиялық процестер тірі табиғатта да байқалады.

6.7.5. Химиялық процестер ғылымының дамуының

жалпы бағыттары

Қазіргі химия ғылымының экстремальды химия, металдыкомплекс химиясы, биокатализаторларды үлгілеу, иммобилизациаланған жүйелер технологиясы, стационарлы емес технология жэне т.б. аймақтардағы жетістіктерін көре отырып алдағы уақыттағы жаңа химияның үлкен мүмкіншіліктерін байқауға болады. Мысалы, күрделі органикалық синтез аймағында: а) органикалық реакцияларды гетерогенді, гомогенді жэне металлдыэнзимді катализ жетістіктері біріктірілген жаңа катализаторлар қолданып өте жайлы жағдайда жүргізу; б) реакцияларды 100%-дық шығымға жеткізу; в) энергетикасы қиын процестерді эндо- және экзотермиялық реакцияларды қабыстыру арқылы жүргізу; г) көмірсутектерді қолдануды азайтып жөне мүнайдан гөрі көп тараған әрі арзан көмірді қолдануға көшу.

Химияның қазір мына мәселелерді шешуге мүмкіншілігі бар:

а) фотосинтез үлгісін жасау мен үдету;

б) өте бағалы отын ретінде қолдануға болатын сутегіні судан фотолиз арқылы алу;

в) энергияның жаңа көздерін табу;

г) маңызды биохимиялық процестердің мёханизмін анықтау;

д) көмірқышқыдды газдан өнеркәсішік синтез арқылы метанол, этанол, формальдегад, құмырсқа қышқылы және тағы да басқа органикалық маңызды заттар алу;

156

е) ауылшаруашылығы өнімдеріне жатпайтын заттардан жасанды тамақтық заттар жасау;

Осы сияқты сұрақтарды бұрынғы уақытта шешу үлкен сенімсіздік тудырар еді. Қазір бұл мәселелерді шешуге химия ғылымының толық мүмкіншіліктері бар.

2. Химияның негізгі мәселесінің мағынасы неде?

3. Химия ғылымының негізін құрайтын қандай екі

заңды білесіз?

4. Химияның негізгі мәселесінің әр түрлі шешілу әдістерінің бір-бірімен ретті түрде келуі не себеппен байланысты?

5. Заттың қасиетін көрсететін төрт негізгі факторды келтіріңіз.

6. Заттардың химиялық құрылымы теориясын кім және қашан ұсынды?

7. Флогистон теориясының мағынасы қандай?

8. Зат құрамының тұрақтылығы заңын кім ашты?

9. Ферменттердің тірі организмдер зертханасындағы ролі.

10. Пастердің идеясының мазмүны.

11. Тірі организмдердің негізін қалайтын қандай алты элементті білесіз?

12. Плазмохимия технологиясының артықшылықтарын айтыңыз.

13. Биокатализаторларды иммобилизациялау процесінің мағынасы.

14. Эволюциялық химияның қандай мүмкіншіліктері бар?

15. Барлық химиялық заттардың қандай бөлігін (пайызын) неорганикалық заттар қүрайды?

16. Катализдік жүйелердің өздігінен дамуының мағынасы неде?

157

18. Ле-Шательенің принципінің мағынасы.

19. Д. И. Менделеев химиялық элементтердің периодты жүйесін жасағанда қандай принципті қолданды?

20. Химиялық элементтердің қасиеттерінің периодты түрде өзгеруі қандай себепке байланысты?

21. Химия ғылымындағы атомды-молекулалық ілімнің негізін салушылар.

22. Химия адамзат қоғамы алдындағы маңызды мәселелері.

1. Тірі организмдер зертханасын жасау мәселелері.

2. Экстремальдық химияның жетістіктері

3. Химиялық байланыс түрлері.

4. Авогадро заңы.

5. Химиядағы жаңа заттар жасау ілімінің бағыттары.

6. Алхимияның химия ғылымының дамуына қосқан үлесі.

7. Қоғам дамуындағы химияның концептуальды мәселелері.

8. Химиялық элементтердің периодтық жүйесі.

9. Бутлеровтың теориясы және органикалық химияның дамуы.

10. Қышқылдар мен негіздер туралы қазіргі заманғы түсініктер.

Негізгі әдебиеттер

1. Кузнецов В. И. Диалектика развития химии. М.: Агар. 1996.

2. Федина А. Проблема развития в химии. Л.: Наука. 1989.

3. Будрейко Н. А. Филосовские вопросы химии. М.: Наука. 1973.

158

4. Бияшева З.Г., Бияшева З.М., Жаксыбекова К.А. және т. б. Қазіргі заманғы жаратылыстану концепциялары. Оқу құралы. Алматы, 1999. 1456.

6. Грядовой Д. И. Концепции современного естествознания. Структурный курс основ естествознания. М., 1999.

1. Краснов К. С. Молекула и химическая связь. М., 1985.

2. Новейший филосовский словарь/Сост. А.А.Грицанов. Мн., 1998.

3. Крестов Т. А., Березин Б. Д. Основные понятия современной химии. Л., 1986.

4. Глинка Н. Л. Общая химия/Под ред. В. А. Рабиновича. Л., 1988.

5. Кохановский В. П. Философия и методология науки. Учебное пособие для вузов. Ростов на Дону, 1999.

6. Макареня А. А., Обухов В. Л. Методология химии. М.: Просвещение, 1985.

159

1). Тіршіліктің пайда болуы. 2). Эволюцияны зерттеудегі молекулярлық-генетикалық тәсіл. 3). Тіршіліктің ұдайы жалғасуы мен тіршілік әрекеттері үрдістерінің молекулярлық негіздерін зер-ттеу.

- тіршіліктің пайда болуын Құдайдың - Жаратушының бар екендігімен түсіндіретін теориялар.

- өте күшті сыртқы әсердің нәтижесінен нақты хромосомадағы гендердің тікелей өзгеру механизмі . Бұл механизм кезінде хромосомадағы гендердің орналасу реті өзгермейді.

160

Тірі табиғатты түсінуге алғашқы рет жүйелі түрде ұмтылғандар қатарына античтік дәрігерлер Гиппократты (460-370 ж.) және Галенді (130-200 ж.), сондай-ақ ертезаманғы грек философы Аристотельді (б.э.д. 384-322 ж.) жатқызуға болады.

Қазір биология тірі табиғат туралы ғылымдардың жинағы. Оның құрылысын әр түрлі тұрғыдын қарастыруға болады.

Зерттеу үлгілеріне байланысты биологияны вирусологияға, бактериологияға, ботаникаға, зоологияға және антропологияға бөледі.

Тірі организмдердің қасиеттері бойынша биологияның ішінен тірі организмдердің қүрылысы туралы ғылымды, организмдердің қызметі туралы ғылымды - физиологияны, клеткалардың микроқұрылымын зерттейтін молекулярлық биологияны, тұқым қуалаушылық пен өзгергіштіктің зандылықтарын

161

Биологияның дамуы негізгі үш кезеңді қамтвды: 1) систематикалық (К. Линней); 2) эволюциондық (Ч. Дарвин); 3) микроәлем биологиясы (Г. Мендель). Бұлардың әрқайсысы тірі әлемі туралы түсініктің, биология көзқарасының өзгеруімен, биологиялық парадишнің ауысуымен байланысты. Қазіргі заманғы биология микроәлемінің дамуының арқасында, тірінің молекулярлық құрылысынын түсінуге байланысты тіршіліктің өзін-шелігі, табиғаттың, органикалық пен неорганикалық әлемдердің біртұтастығы толығынан көріне бастады.

Біздің ғасырымыздың екінші жартысында ашылған маңызды жаңалықтардың арқасында биология өз обьектілері мен құбылыстарын зерттеудің молекулярлық деңгейіне шықты, жаратылыстану ғылымы бірыңғай Табиғатты оның барлық көріністерімен бірге зерттейтін біртұтас ғылымның пішініне ие болды. Тіпті, биологияны, физика мен химияны дербес жа-ратылыстық ғылымдар ретінде емес, тек бірыңғай бәрін қамтитын Жаратылыстанудың салыстырмалы бөліктері ретінде бағалау тенденциясы пайда болды.

Сонымен бірге осы беліктердің әрқайсысының өзіндік ерекшеліктері, өзіндік езгешеліктері бар екенін ұмытпау керек. Күрделілігі жағынан биология химиядан бірнеше есе асып түседі жөне физикадан салыстыруға келмейтіндей сан есе күрделі.

Тірі материяны зерттеудің молекулярлық деңгейіне шығуға байланысты жаратылыстану басынан кешкен

162

Бірақ, жаратылыстық ғылымдар жүйесіндегі "теңдестердің арасындағы тең" биология тағдырдың ерекше белгісімен айшықталған. Осы күнге дейін оның теориялық ғылым ретіндегі "бейнесіне" бірыңғай көзқарас жоқ, басқаша айтсақ, теориялық биология ілімі әлі күнге дейін толық қалыптасқан жоқ.

:Биологиядағы ғылыми ізденістердің барлық осы бағыттары мазмұны жағынан ерекшеленсе де, бірақ бәрінің көздейтін мақсаты біреу ғана: Табиғаттың феномені - Тіршілікті танып-білу. Бұл бағыттардың барлығының бір ғана тірі зерттеу обьектісі, яғни, өлі табиғаттан өзінің тіршілік ету күрделілігімен, бірегейлігімен және күнілгері болжанбайтындығымен ерекшеленетін обьектісі бар.

Қазіргі кезде биологияның барлық үш "бейнесін" біріктіретін бастауды іздеп табуға және тіршіліктің бірыңғай теориясын жасауға ерекше күш салынуда. Мұндай теория, сөзсіз, биологиямен шектес жаратылыстық ғылымдардың - физика мен химия білімдерінің - көмегімен ғана жасалуы мүмкін.