Химическая связь – взаимодействие атомов, обуславливающее их соединение в молекулы и кристаллы.
В 1807 г. Дэви предположил, что молекулы образуются благодаря электрическому притяжению разноименно заряженных атомов. Берцелиус развил эту идею и в 1812-1818 гг. создал электрохимическую теорию химической связи. Согласно теории любой атом обладает как положительным, так и отрицательным полюсами. Атомы с преобладанием положительного полюса притягиваются к атомам с преобладанием отрицательного. Получившаяся молекула может также обладать избыточным зарядом, положительным или отрицательным, и притягиваться к другой молекуле. Например:
Са+ + О– → СаО+ ; СаО+ + CO2– → CaCO3 .
Однако теория Дэви-Берцелиуса не могла объяснить существование ряда молекул, например, H2, Cl2, O2, образованных одинаковыми атомами.
В 1860-е годы Бутлеров разработал теорию химического строения, в которой выдвинул следующее положение:
Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности в соответствии с их валентностью, и от этой последовательности зависят свойства вещества.
Валентность – это свойство атома соединяться с некоторым числом других атомов. Бутлеров предложил изображать внутреннюю структуру молекул в виде формул вида:
Н – Cl ; H – O – Cl ;
, где черточка обозначает химическую связь между атомами.
После открытия электрона и строения атома валентность стали связывать с числом электронов на периферии атома. В 1916 году Льюис предположил, что ковалентная химическая связь возникает путем образования электронной пары, общей двум атомам, и поэтому молекула является более устойчивой системой, чем отдельные атомы.
H • + H • → H : Н (образование молекулы Н2).
В том же году Кóссель высказал подобную идею об образовании ионной связи. Однако, в этом случае, один из атомов полностью отдает валентный электрон другому атому. Устойчивость соединения обеспечивается электрическим притяжением образовавшихся ионов. Na • + • : → Na+ Cl– (образование соединения NaCl).
Если ввести понятие энергии химической связи, как энергии, необходимой для ее разрыва, то закон сохранения энергии приводит к выводу о том, что устойчивая молекула может образоваться только при уменьшении потенциальной энергии взаимодействия электронов и ядер исходных атомов. В рамках квантовой механики это взаимодействие микрочастиц в молекуле в принципе может быть описано теоретически путем решения уравнения Шрёдингера для системы электронов и ядер при наименьшем значении потенциальной энергии.
Однако, для многоэлектронных систем точное решение получить не удается ввиду математических трудностей, и поэтому в практических расчетах используют приближенные решения, которые согласуются с экспериментальными данными об энергиях связи и межъядерных расстояниях в молекулах.
Впервые такой расчет был проведен в 1927 г. для молекулы Н2 (Гейтлер, Лондон).
Взаимодействие электрона с ядром в каждом атоме Н они считали основным взаимодействием, а взаимодействия между электронами и ядрами разных атомов Н учли в виде малых поправок к основному взаимодействию. В результате решения уравнения Шрёдингера удалось получить зависимость энергии (W) системы от расстояния между ядрами r. Оказалось, что существует определенное расстояние r0, соответствующее минимумуW. В пространстве между ядрами достигается также наибольшая плотность отрицательного заряда, получающаяся при перекрытии двух электронных облаков. Устойчивость молекулы Н2 обеспечивается притяжением ядер атомов к области наибольшей плотности электронного заряда в межъядерном пространстве.
В дальнейшем Пóлинг распространил метод Гейтлера-Лондона на другие молекулы с ковалентной связью, а потом различные методы квантовой механики были применены также к другим типам химической связи. Параллельно проводились экспериментальные исследования молекулярных структур.
Таким образом, начиная с 1930-х гг. можно говорить о появлении квантовой химии, как раздела теоретической химии, рассматривающей химические явления с точки зрения квантовых представлений о веществе. В настоящее время считается, что:
1) любая химическая связь есть вид электромагнитного взаимодействия электронов и ядер атомов в молекулах;
2) ее образование сопровождается перестройкой электронной структуры атомов;
3) положение электронов относительно ядер определяет тип химической связи;
4) современная теория химической связи должна использовать квантовую механику.
Происхождение жизни
Биология – наука, изучающая живые организмы.
Исторически в биологии имели место два подхода:
1) редукционистский (направленный на изучение структурно-функциональных особенностей отдельных организмов);
2) виталистический (направленный на изучение жизни в целом, как уникального явления, не сводимого только к физическим или химическим закономерностям).
Основная задача биологии – истолковывать все явления живой природы, исходя из научных законов, не забывая при этом, что организму как целому присущи свойства, отличные от свойств его частей.
Например: сознание возникает в результате коллективной работы миллионов нейронов. Хотя работу отдельного нейрона можно описать языком физики и химии, феномен сознания в целом так описать нельзя. Поэтому нет представления о возникновении мысли и ее химических основах.
В рамках современной науки жизни нельзя дать строгого определения, а можно только перечислить признаки, отличающие живой объект:
1) питание (создание живым организмом своих органических веществ):
- автотрофное:
а) фотосинтез органики из СО2, Н2О под действием света;
б) хемосинтез органики из неорганических веществ в ходе химических реакций;
- гетеротрофное (органические вещества синтезируются в результате химических превращений органики, созданной автотрофамисинтезируются в результате химических превращений ств)ственной проблемы, а не отдельной узкой задачиь, шуманизируетго применени);
2) дыхание (окисление веществ с целью получения энергии для процессов жизнедеятельности):
- аэробное (с участием О2);
- анаэробное (без участия О2);
3) раздражимость (реакция на изменение внешней и внутренней среды);
4) подвижность (характерна для животных, менее заметна у растений);
5) выделение (продуктов обмена веществ);
6) размножение (воспроизведение себе подобных, обеспечивающее непрерывность и преемственность жизни):
- половое (развитие организма в результате слияния половых клеток);
- бесполое (без участия половых клеток);
- вегетативное (развитие нового организма из части материнского);
7) рост (живых организмов изнутри за счет питательных веществ, в отличие от неживых объектов, присоединяющих вещество к наружной поверхности).
Эти семь главных признаков любого живого организма характеризуют его как систему саморегуляции (устойчивую).
Нельзя также сказать, как и когда возникла жизнь на Земле, т.к. воспроизвести эти события в наглядном виде невозможно. Поэтому любые теории происхождения жизни в настоящий момент могут быть только совокупностью гипотез, в той или иной мере поддающихся проверке. Рассмотрим эти теории.
1. Теория креационизма предполагает, что жизнь создана сверхъестественным образом в определенное время. Эта идея присутствует почти во всех религиозных учениях. Процесс сотворения имел место только один раз и поэтому недоступен наблюдению. Следовательно, наука не может ни доказать, ни опровергнуть концепцию креационизма.
2. Теория самопроизвольного зарождения жизни считает, что жизнь возникала неоднократно из неживого вещества. Эта теория существовала еще в Китае, Вавилоне и Египте как альтернатива креационизму. Аристотель на основе собственных наблюдений составил лестницу природы – ряд организмов от неживых до живых существ – и тем самым выделил предмет биологии. Он считал, что есть частицы вещества, содержащие активное начало, которое при подходящих условиях может создавать живой организм.
Теория зарождения была опровергнута только микробиологическими исследованиями Пастера в XIX веке. Пастер доказал справедливость концепции биогенеза, т.е. то, что жизнь может возникнуть только из ранее существовавшей жизни.
3. Теория стационарного состояния – жизнь существовала всегда. Земля тоже существовала всегда и всегда была способна поддерживать жизнь. Аргументы этой теории, как правило, связаны с неясностями в экспериментальных данных. Например, для возраста Земли даются все более высокие оценки (4,5-5)·109 лет. Или обнаруживаются ископаемые остатки вида, считавшегося вымершим.
4. Теория панспермии (Рихтер, 1865 г.; Аррениус, 1895 г.) – жизнь занесена на Землю извне. Т.к. по данным космической разведки в Солнечной системе обнаружены только некоторые органические соединения, утверждается, что жизнь могла возникнуть в разное время в разных частях Вселенной. Тем самым проблема ее возникновения просто туда переносится.
5. Теория биохимической эволюции утверждает, что жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.
В 1871 году Дарвин высказал следующую идею. Условия первичного возникновения жизни, вероятно, отличались от современных условий на Земле хотя бы потому, что они должны были обеспечить накопление органического материала в течение длительного времени.
В 1923 году Опарин разработал теорию, в которой предполагалось, что такие условия появились на Земле после образования ее внешних оболочек. Атмосфера содержала Н2О, NН3, СН4, Н2, в ней не было О2. Органические вещества образовались в океане под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. Затем образовались коацерваты – сгустки белковых молекул и молекул Н2О, способные избирательно накапливать различные соединения, и из них – примитивные клетки.
Несмотря на экспериментальное подтверждение возможности синтеза первичного органического материала Миллером (1953), Орджелом и другими, эта теория содержит ряд темных мест, например, о переходе от коацерватов к клеткам, появлении у них способности к самовоспроизведению.