Химическая эволюция

Одной из важнейших космологических проблем является проблема происхождения и относительного распределения химических элементов во Вселенной. Как сложился универсальный химический состав космического вещества (70% Н, 25% Не, а остальное более тяжелые элементы), как возникло стандартное соотношение между водородом и гелием, двумя первыми элементами менделеевской таблицы, - вот проблема, в поисках решения которой физики обратились к звездным недрам, где интенсивно протекают реакции превращения атомных ядер. Теоретические расчеты показывают, что при условиях, которые осуществляются в центральных областях звезд, подобных Солнцу, никакие элементы тяжелее гелия не могут образовываться в сколько-нибудь существенных количествах.

А что если элементы образовались не в звездах, а сразу во всей Вселенной на первых этапах космологического расширения? Универсальность химического состава при этом автоматически обеспечивается. Внешние условия - высокая плотность и температура, необходимые для реакций такого рода, были. Теория происхождения химических элементов потребовала трудоемких расчетов. В итоге стало очевидным, что космическая распространенность водорода и гелия действительно может быть объяснена ядерными реакциями в горячем веществе ранней Вселенной. Более тяжелые элементы, по-видимому, должны синтезироваться другим путем, например, при вспышках сверхновых звезд.

В процессе эволюции Вселенной происходили структуризация и усложнение химических элементов. Первыми образовались самые легкие - водород и гелий. Сегодня периодическая система насчитывает свыше ста элементов. Первые 94 элемента периодической системы достаточно широко представлены в природе в виде различных типов неорганических соединений. Элементы с более высокими номерами (до 110) созданы искусственно, методом бомбардировки ядер тяжелых элементов тяжелыми ионами, обладающими высокими энергиями. Для получения химических элементов с более высокими порядковыми номерами (а значит, с более тяжелыми ядрами) существует несколько ограничений. Это, прежде всего, ограниченность энергетических возможностей ускорителей и нестабильность искусственных элементов. Современная ядерная физика предсказывает относительную стабильность элементов 112 - 118 и предполагает, что возможны элементы с номерами до 174.

Работы в области синтеза искусственных химических элементов и исследования ядерных и термоядерных процессов в земных условиях позволяют высказать предположения о механизмах утяжеления ядер и образования тяжелых и сверхтяжелых элементов в процессе эволюции материи.

Под влиянием сил природы (гравитационные, электромагнитные), флуктуаций и внешних тепловых шумов атомарные частицы при столкновениях могут случайно образовывать более сложные упорядоченные структуры (молекулы), обладающие на микроуровне примитивной обратной связью, устойчивость которых определяется соотношением сил притяжения и отталкивания ядер и электронов в образовавшейся структуре. Это сосредоточение атомов из рассеянного состояния в агрегаты связано с повышением качества и количества информации; происходит как бы связывание рассеянной информации и снижение энтропии отдельного агрегата на фоне общего повышения энтропии всей атомарной системы. Очевидно, что из первичной смеси частиц могут образовываться самые разнообразные упорядоченные структуры (конечные продукты), но преимущество распространения получают те, для которых скорость процесса образования превышает скорость распада, то есть происходит конкуренция образовавшихся структур и отбор наиболее устойчивых. Если внутренняя энергия образовавшейся молекулы ниже суммарной энергии образующих ее частиц, молекула находится в устойчивом состоянии, она как бы оказывается в потенциальной яме, выбраться из которой (разложиться на отдельные частицы) может лишь благодаря селективной активации извне. Частицы, образующие молекулу, принимают участие в разных видах движения (электронное, колебательное, вращательное), причем энергии и скорости частиц могут иметь определенный ряд дискретных значений, соответствующих определенным состояниям частиц. Переход из одного состояние в другое связан с поглощением или излучением энергии и определяет характер спектров молекул в ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной и микроволновой областях.

Самоорганизация и эволюция химического вещества на Земле происходилаи под воздействием изменяющихся физических факторов. Величайшим «достижением» природы стало появление автокаталитических реакций. Именно они сыграли первостепенную роль в возникновении и эволюции живого вещества.

Для человека природа всегда была образцом и самой первой лабораторией. В ней он многое подмечал, многому учился, многое угадывал, экспериментировал и в своей производящей деятельности стремился использовать ее опыт. Вряд ли кто точно может сказать, когда человек, может быть, случайно получил химическое соединение в искусственных условиях. Но к концу XУIII века синтетическая химия уже имела огромный опыт, а в XIX веке она из стен лабораторий ученых выходит в производство и становится основой химической промышленности, без продукции которой жизнь современного человека просто немыслима.

Но развитие химических технологий невозможно без знания кинетики (греч. kinetikos - приводящий в движение) химических процессов и способов управления ими. Поэтому разработка теории химического процесса стала одним из магистральных направлений химии ХХ века. Изучение кинетики химических процессов, осуществляемых в лабораторных и промышленных условиях, кроме прикладного, имеет огромное общетеоретическое значение, так как приближает нас к пониманию процессов самоорганизации и эволюции природных химических систем, а значит, и к пониманию механизмов перехода от неживого к живому.

Химические производства и процессы, которые сегодня осуществляет человек, - это лишь некое подобие безотходного рационального химического производства природы. Повторяя ее опыт, постигая его тонкости, человек создает процессы и соединения, несвойственные природе. Уже в начале ХХ века было синтезировано около двух миллионов веществ. Сегодня в лабораториях мира ежедневно синтезируется около трехсот новых соединений. Природа, «привыкшая» медленно создавать новое и медленно его перерабатывать, не может приспособиться к такому темпу накопления синтетических материалов. Вследствие этого встраивание техногенных химических циклов в природные смещает равновесие последних в сторону неустойчивости, которая может иметь разрушительные последствия для всей геосферы.