Законы сохранения энергии в макроскопических процессах; принцип возрастания энтропии; химические системы; энергетика химических процессов; реакционная способность веществ

Выявление принципа формирования причинно-следственных, взаимосвязей в природных процессах как целостных явлениях, фиксируемых посредством использования инструментария современного естествознания, закономерно подводит нас к рассмотрению законов сохранения энергии в макроскопических процессах, которые представляют интерес при изучении экономической науки с точки зрения своего отображения в макроэкономической модели кругооборота расходов-доходов, которая является сущностной для понимания происходящих экономических процессов.

В начале XIX века термодинамика поставила под сомнения вневременную механистическую картину мира Ньютона. Из ее законов следовало, что если бы мир был гигантской машиной, то такая машина не могла бы работать бесконечно долго, а должна была бы остановиться, исчерпав рано или поздно весь свой запас полезной энергии, то есть удел эволюции мира — его постепенная деградация. Сторонники учения Дарвина утверждали обратное. Несмотря на постепенную деградацию мира, говорили они, биологические системы должны развиваться по восходящей линии, эволюционируя из менее организованного в более организованное состояние.

Однако законы термодинамики и законы эволюции у большинства ученых не вызывали сомнений. Попробуем разобраться в возникшем противоречии. К этому времени были открыты атомно-молекулярное строение вещества и броуновское движение, появились тепловые двигатели и т.п. Работами Джоуля был доказан переход работы в теплоту. Так родилось понятие о механическом эквиваленте теплоты и о взаимопревращении теплоты и работы. Благодаря работам Джоуля, Томсона (лорда Кельвина), Клаузиса, Больцмана и других стало складываться понимание, что в природе существуют два независимых фундаментальных вида движения — механическое и тепловое.

Возникла новая наука термодинамика, которая занимается наиболее общими свойствами теплового движения и перехода его в работу. Было показано, что теплота является формой хаотического атомно-молекулярного движения. Описать поведение такой системы многих тел, а их даже в небольшом сосуде около 10²³, методами классической механики было невозможно. Поэтому были развиты молекулярная теория теплоты и кинетическая теория газов, которая на основе анализа хаотического поведения большого числа случайно сталкивающихся частиц статистическими методами установила связь между микроскопическим поведением частиц и макроскопическими параметрами системы, такими, как давление Р, объем У, температура Т, плотность р. Макроскопические параметры соответствуют средним значениям параметров большого количества случайно взаимодействующих частиц. Правильнее говорить, что эти значения колеблятся — флуктуируют за счет большого количества случайных столкновений около средних значений. Чем больше количество частиц п в системе, тем более вероятно, что отклонение от среднего, или средняя флуктуация, будет меньше. Она равна Vn . Так, если мы рассмотрим куб со стороной 10 ^-5см, то он будет содержать ~100 молекул и средняя флуктуация будет достаточно большой, равной 10 молекулам. Однако, если мы рассмотрим куб уже со стороной 10^{-3 см, то частиц в нем будет уже 108} и средняя относительная флуктуация, равная n^1/2/n= 10^-4, очень мала.

Термодинамика рассматривает три типа термодинамических систем: замкнутые, которые ничем не обмениваются с внешней средой, закрытые, которые могут обмениваться с внешней средой только теплотой и работой, и открытые, которые могут еще обмениваться и веществом. В период своего становления термодинамика занималась закрытыми и замкнутыми системами в состоянии равновесия или близком к нему. Состояние термодинамического равновесия характеризуется температурой, которая есть не что иное, как средняя кинетическая энергия системы. Если привести в контакт две системы с разной температурой, то теплота всегда будет переходить от более горячего тела к менее горячему, пока температуры тел не выровняются, то есть не наступит тепловое равновесие.

Термодинамика базируется на нескольких законах, или на началах термодинамики. Рассмотрим лишь первый и второй законы.

Первый закон термодинамики утверждает, что если замкнутой системе сообщить некоторое количество теплоты 158 страница AQ и работы А, то это приведет к изменению ее внутренней энергии U, т.е. U= Q + А. Под внутренней энергией системы понимают сумму кинетической энергии движения ее частиц и потенциальную энергию их взаимодействия.

Мы видим, что первый закон есть не что иное, как закон сохранения энергии. Он не накладывает никаких ограничений на переходы теплоты в работу, а требует соблюдения равенства энергий.

Второй закон термодинамики уже налагает ограничения на этот переход. Другими словами, он утверждает, что невозможно получить энергию из резервуара, имеющего всюду одну и ту же температуру, то есть находящегося в тепловом равновесии. Для получения работы нужен поток теплоты. Тепловая энергия равновесной системы поэтому бесполезна. Если бы из воды океана можно было бы извлечь тепловую энергию и превратить ее в работу, то ее хватило бы человечеству на многие миллионы лет. Мы видим, что механическая и тепловая энергии качественно не эквивалентны. Если механическую энергию можно всегда превратить в тепло, например, за счет работы силы трения, то не всякая тепловая энергия может быть переведена в работу. Это происходит потому, что механическая энергия более упорядочена, она более высокого качества, чем менее упорядоченная, более хаотичная тепловая. И поэтому при извлечении работы из теплоты надо платить дань, превращая часть тепловой энергии в бесполезное хаотическое движение.¹

Рассматривая экономическую систему как замкнутую совокупность с необратимыми процессами развития, можно отметить, что она обладает тем свойством, что часть ее внутренних ресурсов не может быть преобразована в экономическую прибыль, т.е. любая экономическая деятельность в такой системе сопровождается определенными экономическими потерями. Таким образом, описанная модель является упрощенным отражением экономической действительности, обладающей свойством возрастания энтропии.

Второй же закон утверждает, что все реальные процессы во Вселенной должны протекать с увеличением энтропии. В состоянии равновесия она максимальна. Энтропия, как показал Больцман, характеризует степень беспорядка в системе: чем она больше, тем больше беспорядок. Теперь ясно, что тепловая энергия равновесного состояния бесполезна для совершения работы, потому что она наиболее беспорядочна. Становится ясным, почему все естественные процессы в природе идут с рассеянием энергии. Потому что это увеличивает беспорядок.

Становится ясным, почему горячее тело охлаждается до температуры окружающей среды. Потому что упорядоченное движение уступает место неупорядоченному.

Что такое беспорядочное состояние? Это такое состояние, которое можно осуществить наибольшим количеством возможных способов. Становится ясным, почему газ, находящийся в одной половине сосуда, стремится равномерно распределиться по всему его объему, если убрать перегородку. Это происходит потому, что первое состояние более упорядочено, его можно осуществить всего двумя способами, когда газ находится или в той, или в другой половине сосуда. Второе состояние, когда газ равномерно распределен по всему объему, наиболее беспорядочно, так как может быть осуществлено огромным количеством способов за счет взаимной перестановки всех молекул газа при сохранении их полной энергии.

Следует заметить, что второй закон носит статистический характер и применим только к системам, содержащим большое количество частиц. Действительно, если в нашем примере газ содержал бы десяток частиц, то за счет флуктуаций они иногда бы собирались в той или иной половине сосуда. Однако с ростом числа частиц эти состояния наступали бы все реже и реже, а при количестве частиц порядка 10²² такое событие было бы просто невероятным. Хотя принципиально оно может наступить, так как вероятность его осуществления хоть и бесконечно мала, но в точности не равна нулю.

Следует еще раз подчеркнуть, что все события в мире происходят таким путем, что беспорядок в системе при этом увеличивается, то есть качество энергии деградирует, она переходит в хаос, то есть в бесполезную энергию теплового равновесия. Отсюда следует несколько интересных следствий. Если наша Вселенная является изолированной (замкнутой) системой, то обмен энергией с другими системами невозможен. В том, что наш мир — изолированная система, никто из ученых не сомневался, но тогда согласно второму закону термодинамики все виды энергии должны в конце концов перейти в тепло, которое равномерно распределится по системе, то есть Вселенная придет в состояние теплового равновесия и все макроскопические движения в ней прекратятся. Наступит так называемая тепловая смерть Вселенной. Многие пытались разрешить это противоречие. Для того чтобы примирить этот вывод с бесконечным существованием Вселенной, Больцман утверждал, что в силу статистической природы второго закона он выполняется неточно. В некоторой достаточно большой области Вселенной произошла флуктуация, и энтропия в ней понизилась. Хотя это явление и крайне редкое, но, в силу бесконечности существования Вселенной, у нас в запасе бесконечно большое время, чтобы дождаться его. Как мы увидим в беседе об эволюции Вселенной, в этих рассуждениях не была учтена отрицательная энергия тяготения, так как не было еще известно о расширении Вселенной. Учет отрицательной энергии тяготения, не нарушая закона сохранения энергии, приводит к тому, что положительная часть энергии может возрастать, и увеличение энтропии, которое обязательно происходит, не обязательно ведет к замиранию процессов во Вселенной.

С другой стороны, второй закон термодинамики как будто бы мог объяснить необратимость времени, то есть его одно направленность от прошлого к будущему. Согласно этому закону все естественные процессы необратимы и могут протекать только в одну сторону, в сторону увеличения беспорядка, то есть в сторону теплового равновесного состояния, из-за чего и возникает «стрела времени». Однако такое утверждение оказалось иллюзорным. Пуанкаре доказал, что всякая замкнутая динамическая система со временем принципиально может возвращаться в сколь угодно малую окрестность своего исходного состояния. Иначе говоря, все состояния динамической системы повторимы, поэтому «стрела времени» не может быть связана с возрастанием энтропии. После мучительных размышлений Больцман согласился с этим. Действительно, введение вероятностного описания автоматически приводит к одно направленности времени, однако применение статистики в этом случае есть лишь прием учета скрытых параметров, а не изначально присуще структуре данной системы. Поэтому вопрос о природе «стрелы времени» вновь остался открытым.

Внимательный анализ живых систем также показал, что они не противоречат второму закону, так как являются открытыми сильно неравновесными системами. Для своего существования они поглощают вещество с заключенной в нем энергией высокого качества (в виде питания), перерабатывая которое, они выкидывают вещество (экскременты) с энергией низкого качества. В результате эта разность энергий идет на поддержание жизни и увеличение структурируемое™. И хотя в результате энтропия в живой системе уменьшается, общая энтропия живой системы и окружающей среды (за счет выхода беспорядочной энергии с экскрементами) увеличивается, как и следует из второго закона. Таким образом, мы еще раз убеждаемся, что если в какой-то части системы происходят процессы, уменьшающие энтропию (увеличивая организованность), то в другой части системы обязательно протекают процессы, ее увеличивающие, так что суммарное изменение энтропии всегда положительно. Оказывается, что самоорганизация систем может происходить и часто происходит самопроизвольно. В результате таких процессов с большой вероятностью и произошла жизнь.¹

Рассмотрение химии в курсе концепций современного естествознания представляет интерес для экономистов с точки зрения различения единого алгоритма в состоянии и развитии как химической, так и экономической систем. Так, представляя собой модель организации между элементами системы, и химическая, и экономическая системы реализуются либо через устойчивую форму, либо через неустойчивую, а также через закрытую или открытую структуру.

Концептуальные уровни в познании веществ и химические системы

Химию обычно рассматривали как науку о составе и качественном превращении различных веществ. В первое время именно составом реагирующих веществ пытались объяснить свойства полученных новых веществ. Уже на этом этапе ученые встретились с огромными трудностями. Ведь для того, чтобы понять, какие именно первоначальные элементы определяют свойства простых и сложных веществ, надо, во-первых, уметь различать простые и сложные вещества, а во-вторых, определить те элементы, от которых зависят их свойства. Между тем, долгое время ученые считали, например, металлы сложными веществами, а об элементах существовали самые противоречивые представления. Поэтому, несмотря на обилие эмпирического материала о свойствах различных веществ и их соединений, особенностях протекания разнообразных реакций, в химии, по сути дела, до открытия в 1869 г. периодической системы химических элементов Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834—1907) не существовало той объединяющей концепции, с помощью которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал, а следовательно, представить все наличное знание как систему теоретической химии.

Было бы, однако, неправильно не учитывать той громадной исследовательской работы, которая привела к утверждению системного взгляда на химические знания. Уже с первых шагов химики на интуитивном и эмпирическом уровне поняли, что свойства простых веществ и химических соединений зависят от тех неизменных начал или носителей, которые впоследствии стали называть элементами. Выявление и анализ этих элементов, раскрытие связи между ними и свойствами веществ охватывают значительный период в истории химии, начиная от гипотезы Роберта Бойля (1627—1691) и кончая современными представлениями о химических элементах как разновидностях изотопов, т.е. атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра и отличающихся по массе. Этот первый концептуальный уровень можно назвать исследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами.

Второй концептуальный уровень познания свойств связан с исследованием структуры, т.е. способа взаимодействия элементов веществ. Эксперимент и производственная практика убедительно доказывали, что свойства полученных в результате химических реакций веществ зависят не только от элементов, но и от взаимосвязи и взаимодействия элементов в процессе реакции. Именно поэтому в процессе познания и использования химических явлений необходимо было учитывать их структуру, т.е. характер взаимодействия составных элементов вещества.

Третий концептуальный уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов, таких, как температура, давление, скорость протекания реакций и некоторые другие. Все эти факторы оказывают громадное влияние на характер процессов и объем получаемых веществ, что имеет первостепенное значение для массового производства.

Наконец, четвертый концептуальный уровень является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связанным с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также с применением катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне мы встречаемся уже с простейшими явлениями самоорганизации, изучаемыми синергетикой.

Структура вещества и химические системы

Характер любой системы, как известно, зависит не только от состава и строения ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании разнообразных веществ и их реакционной способности ученым приходилось заниматься и изучением их структур. Соответственно уровню достигнутых знаний менялись и представления о химической структуре веществ. Хотя разные ученые по-разному истолковывали характер взаимодействия между элементами химических систем, тем не менее все они подчеркивали, что целостные свойства этих систем определяются именно специфическими особенностями взаимодействия между их элементами.

В качестве первичной химической системы рассматривалась при этом молекула, и поэтому, когда речь заходила о структуре веществ, то имелась в виду именно структура молекулы как наименьшей единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы постепенно совершенствовались, уточнялись и конкретизировались, начиная от весьма общих предположений отвлеченного характера и заканчивая гипотезами, обоснованными с помощью систематических химических экспериментов. Если, например, по мнению

известного шведского химика Йенса Берцелиуса (1779—1848), структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или атомных групп, то французский химик Шарль Жерар (1816—1856) справедливо указывал на весьма ограниченный характер такого представления. В противовес этому он подчеркивал, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так что в результате возникает определенная целостность, или, как мы сказали бы теперь, система. Однако эти общие и в целом правильные представления не содержали практических указаний, как применить их для синтеза новых химических соединений и получения веществ с заранее заданными свойствами.

Такую попытку раскрытия структуры молекул и синтезирования новых веществ предпринял известный немецкий химик Фридрих Кекуле (1829—1896). Он стал связывать структуру с понятием валентности элемента, или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли те структурные формулы, которыми с определенными модификациями пользуются при изучении органической химии в школе. В этих формулах элементы связывались друг с другом по числу единиц их валентности. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем можно было управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами, а именно это составляет важнейшую задачу химической науки.

Дальнейший шаг в эволюции понятия химической структуры связан с теорией химического строения Александра Михайловича Бутлерова (1828—1886), который хотя и признавал, что образование новых молекул из атомов происходит за счет их химического сродства, но обращал особое внимание на степень напряжения или энергии, с которой они связываются друг с другом. Именно поэтому новые идеи А.М. Бутлерова нашли не только широкое применение в практике химического синтеза, но и получили свое обоснование в квантовой механике.

Этот краткий экскурс в историю химии показывает, что эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей или элементов, а с другой — установления характера физико-химического взаимодействия между ними. Последнее особенно важно для ясного понимания структуры с точки зрения системного подхода, где под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы.¹

Важной компонентой, характеризующей химические процессы, является их энергетика, представляющая собой потенциал взаимодействия элементов системы.

Рассматривая же экономические процессы как аналогию химическим, можно отметить, что «энергетика» экономических процессов реализуется через задействованные в них экономические ресурсы, которые с этих позиций можно рассматривать как характеристики потенциальных качеств и свойств взаимосвязи элементов экономической системы.

Химия экстремальных состояний

При взаимодействии реагентов с катализатором происходит ослабление исходных химических связей. Оно возможно при энергетической активизации реагента, которая достигается при тепловом либо радиоактивном воздействии, характеризующемся большой величиной энергии. Вопросами энергетической активизации реагента занимается химия экстремальных состояний, которая включает плазмохимию, радиационную химию, химию высоких энергий, высоких давлений и температур.

Плазмохимия изучает процессы в низкотемпературной плазме. Плазма — это ионизированный газ. Различают слабо ионизированную, или низкотемпературную, и высокотемпературную плазму. В плазмохимии рассматриваются процессы при температурах от 1000 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 lO'^c при почти полном отсутствии обратимости реакции. Такая скорость в обычных заводских реакторах из-за обратимости снижается в тысячи и миллионы раз. Плазмохимические процессы поэтому очень высокопроизводительны.

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 3000-3500°С 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. В паровом реакторе пиролиза метана энергозатраты вдвое больше.

В последнее время разработаны способы связывания атмосферного азота посредством плазмохимического синтеза оксида азота, которые гораздо экономичнее аммиачного метода. Создается плазмохимическая технология производства мелкодисперсных порошков — основного сырья для порошковой металлургии. Разработаны методы синтеза карбидов, нитридов, карбонитридов таких металлов, как титан, цирконий, ванадий, ниобий и молибден, при энергозатратах не более 1-2 кВт.ч на килограмм. Таким образом, химия высоких температур направлена на существенную экономию энергии.

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 связывающего элемента используются 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.

В нашей стране разработаны плазмохимические способы превращения угля в жидкое топливо без применения высоких давлений и выброса золы и серы. При такой технологии кроме синтез-газа из неорганических включений каменного или бурого угля одновременно получаются и другие вещества: технический кремний, карбосилиций, ферросилиций, адсорбенты для очистки воды и т.п.

Радиационная химия — сравнительно молодая отрасль, ей немногим более 40 лет. Первые опыты радиационной химии были связаны с облучением полиэтилена гамма-лучами. Прочность полиэтилена при этом существенно возростала. В настоящее время радиационная химия изучает превращения самых разнообразных веществ под действием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы.

В результате радиационно-химических реакций из кислорода образуется озон, из газообразных парафинов — водород и сложная смесь низкомолекулярных олефинов. Облучение полиэтилена, поливинилхлорида и многих других полимеров приводит к повышению их термостойкости и твердости.

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 1200-2000°С, 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.

Данный метод не требует громоздких печей и процессов, больших энергетических затрат и отличается высокой технологичностью. На установке, производящей многотоннажную продукцию, достаточно работы всего лишь одного человека. По оценке американских специалистов, технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза — высочайшее достижение русских ученых из Института химической физики Российской академии наук.¹

Если рассматривать химические системы как совокупности химических элементов, вступающих друг с другом во взаимодействие, то экономические системы представляют совокупность экономических: субъектов, которые вступают друг с другом в определенные экономические отношения. При этом, если способность химических элементов к взаимодействию друг с другом называется реакционной способностью веществ, то способность экономических субъектов к взаимодействию называется либо покупательной способностью, либо производственными возможностями в зависимости от их роли в акте взаимодействия.

Химические процессы самоорганизация и эволюция химических систем

Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций.

К условиям протекания химических процессов относятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий.

Не следует, однако, забывать, что эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций при определенной структуре молекул химических соединений. Наиболее активны в этом отношении соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них и направлено в первую очередь действие разных катализаторов, которые значительно ускоряют ход химических реакций. Меньшее влияние оказывают на реакции такие термодинамические факторы, как температура и давление. Для сравнения можно привести реакцию синтеза аммиака из азота и водорода. Вначале его не удавалось получить ни с помощью большого давления, ни с помощью высокой температуры, и только использование в качестве катализатора специально обработанного железа впервые привело к успеху. Однако эта реакция сопряжена с большими технологическими трудностями, которые удалось преодолеть после того, как был использован металлорганический катализатор. В его присутствии синтез аммиака происходит при обычной температуре (18°С) и нормальном атмосферном давлении, что открывает большие перспективы не только для производства удобрений, но и для такого изменения генной структуры злаков (ржи и пшеницы), когда они не будут нуждаться в азотных удобрениях. Еще большие возможности и перспективы возникают с использованием катализаторов в других отраслях химической промышленности, в особенности в «тонком» и «тяжелом» органическом синтезе.

Не приводя более примеров о чрезвычайно высокой эффективности катализаторов в ускорении химических реакций, следует обратить особое внимание на то, что возникновение и эволюция жизни на Земле были бы невозможны без существования ферментов, служащих, по сути дела, живыми катализаторами.

Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее они не тождественны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире наталкиваются на серьезные ограничения. Речь может идти только о моделировании некоторых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем, а также частично — практического применения выделенных ферментов для ускорения некоторых химических реакций.

Тот факт, что катализ играл решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим, т.е. на предбиотической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными и аргументами. Наиболее убедительные результаты связаны с опытами по самоорганизации химических систем, которые наблюдали наши соотечественники Б.П. Белоусов и А.М. Жаботинский. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Однако в отличие от самоорганизации открытых физических систем в указанных химических реакциях важное значение приобретают каталитические процессы.

Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. На этом основании некоторые ученые, например, напрямую связывают химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Другими словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем. Следует, однако, помнить, что переход к простейшим формам жизни предполагает также особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим достаточно отметить, что из более чем ста химических элементов лишь шесть, названных органогенами, служат основой для построения живых систем.¹