Объекты и сущность химической эволюции

Согласно естественноисторическому подходу, к химической эволюции относятся не все возможные химические процессы, а лишь некоторые, организованные определенным образом в объектах эволюции. При этом отдельные молекулы, молекулярные структуры или механизмы химических процессов самостоятельно эволюционировать не могут, а эволюционируют лишь целостные полимолекулярные с заведомо обладающие необходимой для этого структурной и функциональной организацией. Такой совокупностью свойств обладают лишь элементарные открытые каталитические системы.

Рассмотрение молекулярной химической эволюции ряд последовательных изменений и усложнений молекул определенных веществ, предсказываемых актуалистически, оставляет без внимания самое главное в действительном содержании эволюции: динамику направленных изменений объектов эволюции, движущие силы изменений, механизм изменений и естественного отбора, взаимосвязь объектов окружающей средой. Хотя определенные молекулярные структуры (те самые, которые предсказываются актуалитически) и появляются в ходе химической эволюции, их суть - это процесс самих изменений полимолекулярных объектов эволюции, происходящих в механизмах внутренних реакций, их сложности и скорости.

Поэтому в явлении химической эволюции естественноисторический метод, прежде всего, выделяет процессы, в процессе которых осуществляется эволюция, а затем уже рассматриваются результаты этих процессов, т. е. те эволюционные изменения в веществе объекта эволюции, к которым они приводят. С исторических позиций химическая эволюция - не что иное, как постоянно усложняющийся сложный химический процесс, в котором происходят направленные и взаимосвязанные изменения механизма реакций и веществ. Так как в химической эволюции ведущая роль принадлежит процессам, то и в характеристике объекта эволюции главную роль также должен иметь процесс.

Такая связь между процессами и веществами с ведущей ролью процессов существует лишь в химических системах представляющих собой промежуточный реакционный комплекс в ходе его образования и распада на продукты. Для этого объекта химической эволюции должны быть присвоены черты промежуточного активного комплекса некоторой реакции, являющейся главным (базисным) процессом обеспечивающим цельность объектов эволюции и преемственность последовательных эволюционных изменений и неразрывность ее самой во времени. Это возможно, если существует обязательная зависимость всех процессов и изменений, совершающихся в объекте эволюции, от энергии базисной реакции, что реализуется в результате образования единого веществ и реакций, составляющих элементарный (неделимый) объект эволюции.

Из этого следует, что химическая эволюция возможна только в элементарных открытых химических системах, существующих за счет обмена веществ и энергии базисной реакции, и должна представлять собой последовательные изменения этих систем. Могут изменяться как конституционная сфера систем (состав, строение, надмолекулярная структура так и кинетическая сфера (характер, скорость, взаимодействия и превращения веществ). Для того, чтобы базисная реакция выполняла свою организующую функцию, она должна оставаться одной и той же в ходе всей химической эволюции, т.е. происходящие при эволюции изменения конституционной и кинетической сферы должны быть связаны только с изменениями внестехиометрических компонентов этой реакции, а не катализатора. Отсюда нетрудно придти к выводу, что единственным видом химических систем способных к химической эволюции являются откры­тые элементарные каталитические системы; вся химическая эволюция сводится к саморазвитию, самоорганизации, самоусложнению таких систем; эволюционные изменения веществ в указанные системы и определяющих структурную и функциональную организацию, прежде всего, связаны с изменениями катализаторов; эволюционирующие системы заведомо многомолекулярные, так как включают в себя и компоненты базисной реакции, и катализа­торы и вспомогательные структурирующие вещества, и другие вещества, вступающие в реакцию с катализаторами во внутренних сопряженных процессах.

4. Условия существования и развития элементарных открытых каталитических систем

Для разработки общей теории химической эволюции необходима полная теоретическая модель элементарной открытой каталитической системы (ЭОКС), пригодная для любых проявлений катализа во всех его областях независимо от природы реагирующих веществ и катализаторов и фазо­вых взаимоотношений между ними. Такая модель была полу­чена при предельном обобщении всех случаев реального катализа с учетом всех его свойств и особенностей, в том числе специфических свойств, связанных с изменениями катализаторов в катализируемых ими реакциях.

В модели нашли отражение все особенности и элементы катализа: и сам по себе феномен влияния катализатора на скорость реакции, и химическая природа взаимодействие катализатора с компонентами реакций, и особенность структурных и энергетических характеристик при образо­вании промежуточного каталитического комплекса, и системные и динамические характеристики этого промежуточного комплекса, с учетом которых он становится элементарной каталитической системой, и открытый характер элементарных каталитических систем при многократном их возобнов­лении в каталитических актах, и способность ЭОКС к дина­мическому существованию и взаимодействию с факторами среды, приводящая к их изменениям и эволюции. В исключении из модели свойства ЭОКС изменяться и эволюционировать в результате взаимодействия с факторами внешней среды получаем ограниченную модель классичес­кого катализа, с учетом же этого свойства – получаем новую модель эволюционного катализа.

Такая унифицированная модель дает возможность теоретического описания явления химической эволюции. Она помогает ограничить условия существования и саморазвития ЭОКС, вскрывая специфические свойства ЭОКС и законо­мерности их саморазвития, ответить на вопрос как и почему происходит химическая эволюция.

Динамическое существование ЭОКС (проявления клас­сического катализа) описывает модель со стационарным катализатором

A,B,C,D…- компоненты и продукты базисной ката­литической реакции; К_i- катализатор и. другие внестехио­метрические по отношению к базисной реакции компоненты {(A+B+...→С+D+…)/ К_i}.Обмен веществ и энергии базисной реакции с окружающей средой является способом динамического существования ЭОКС. При осуществлении последовательных каталитических актов ЭОКС находится в состоянии стационарного неравновесия, поддерживаемого постоянным потоком энергии, освобождающейся обратимой базисной реакцией. Поэтому для существования ЭОКС необходимо, чтобы базисная реакция проходила с участием катализатора К_i и имела отрицательный динамический потенциал

где G(∆F) -изменения мольного изобарно-изотермического (или изохорно-изотермического) потенциала базисной реакции; α - коэффициент, зависящий от стехиометрии и механизма реакции; N_A - число Авогадро; f - элементарное химическое сродство базисной реакции. Поэтому же абсолютная каталитическая активность в базисной реакции должна быть больше нуля

а= n/t=1/t*>0

где n - число каталитических актов на одном центре ката­лиза в единицу времени t; t* - длительность одного каталитического акта. Величина а при постоянной температуре в условиях кажущегося нулевого порядка базисной реак­ции по ее компонентам является абсолютной константой, зависящей только от природы K_i. Эта величина является важнейшим параметром ЭОКС определяющим возможность их существования и устойчивость систем, она входит практиче­ски во все эволюционные характеристики и функции ЭОКС и является параметром естественного отбора.

Так как обмен веществ и энергии базисной реакции яв­ляется способом динамического существования ЭОКС, то тип устойчивости этих открытых систем - динамический. Мера. устойчивости определяется интенсивностью обмена, равной af,и она тем выше, чем больше отличаются от нуля положительные величины а и f. При аf =0, что равносильно прекращению обмена, ЭОКС погибают и распадаются. С ди­намическим типом устойчивости ЭОКС связана их элементар­ность (целостность и функциональная неделимость). Нару­шение элементарности также приведет к прекращению обмена и распаду ЭОКС. Следовательно, механизмом устойчивости и основой цельности и неделимости ЭОКС является обмен веществ и энергии базисной реакции в системе, в которой все вещества и элементарные реакции (сколько бы их не было) связаны в единый кинетический континуум самим ходом ба­зисной реакции. Все свойства ЭОКС связаны с особенностями возникновения, существования и изменения этого кинетического континуума. Так как свойства континуума опреде­ляются и веществами, и процессами, то в ЭОКС следует различать структурно-молекулярный аспект (конституцион­ную сферу) и функциональный аспект (кинетическую сферу) .

Следовательно, в комплекс условий длительного существо­вания ЭОКС должны входить постоянный приток компонен­тов базисной реакции и удаление ее продуктов и рассеивае­мой энергии (основной обмен веществ и энергии), экзергони­ческий (f> О) характер базисной реакции, невозможность ее протекания без катализатора, активность катализатора больше нуля и сохранение других постоянных условий, обеспечивающих протекание базисной реакции (температура, давление, концентрация исходных веществ и пр.). При сохранении таких условий ЭОКС соответствующая природе K_i,способна динамически существовать неограниченно дол­гое время, а ее катализатор K_i будет стабилен. Стационар­ный уровень существования ЭОКС в данном случае эквива­лентен стационарному протеканию каталитического процес­са на идеально работающем неизменяющемся катализаторе, как это должно быть в классическом катализе.

Однако стационарный уровень существования ЭОКС при сохранении всех вышеприведенных условий может быть нарушен в результате взаимодействия системы в целом со случайными факторами внешней среды Ф_l (не входящими в постоянный комплекс условий существования). Например, вместе с исходными компонентами базисной реакции в си­стему могут попасть примеси других веществ, на систему могут действовать ионизирующие излучения, свет, электри­ческие и магнитные поля и т. д. При этом, если затраги­вается лишь кинетическая сфера, то после прекращения внешнего воздействия ЭОКС возвращается к прежнему ста­ционарному уровню существования. Если же затрагивается и конституционная сфера, то могут произойти необратимые изменения природы катализатора

В последнем случае изменится механизм и скорость базисной реакции, и ЭОКС либо прекратит существование, если про­изойдет неэволюционное изменение, сопровождаемое поте­рей активности (а=0), либо продолжит существование на новом уровне стационарности, если произойдет эволюционное изменение и абсолютная каталитическая активность хотя и изменится, но останется больше нуля. Так как базисная реакция будет протекать только в системах с а>0, произойдет первичный естественный отбор эволюционных изменений ЭОКС от неэволюционных, причем при много­кратных последовательных изменениях выявятся цепи саморазвития ЭОКС

К ₀→К₁ → К₂→ К₃→ ... →K_q (5)

В качестве условий развития ЭОКС должен, прежде всего, выполняться комплекс постоянных условий ее суще­ствования; кроме того, должен существовать переменный комплекс случайных условий, связанных с воздействием на ЭОКС факторов внешней среды, которые способны вызы­вать ее эволюционные изменения.