Концептуальные основы современной химии. Синергетика и самоорганизация

Специфика химии как науки
Химия – наука о составе, внутреннем строении и превращении вещества, а также о механизмах этих превращений.
получение веществ с заданными свойствами;
выявление способов управления свойствами вещества
История развития химии:
17 в. – представление о составе вещества;
19 в. – структурная химия;
20 в. – представление о химических процессах;
Середина 20 в. – эволюционная химия

Представление о составе вещества
Первый уровень химического знания, на котором решаются проблемы: химического элемента, химического соединения и создание новых материалов.
Концепция химического элемента. Химическим элементов называют все атомы, имеющие одинаковый заряд ядра. Особой разновидностью химических элементов являются изотопы, в ядрах которых одно и то же количество протонов, отличаются числом нейтронов.
Концепция химических соединений. Под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, обладают устойчивой структурой. Различают простые и сложные вещества.

Структурная химия
Второй уровень химического знания. Свойство вещества и их качественное разнообразие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул.
Структура – устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы.
Качественное разнообразие веществ растительного и животного происхождения велико, а состав однообразен, они состоят из нескольких элементов-органогенов (углерода, водорода, кислорода, серы, азота, фосфора)

Широкое разнообразие органических соединений связано с явлениями изомерии и полимерии.
Установлена связь между структурой молекул и реакционной способностью веществ.
Появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, для создания схемы синтеза любых химических соединений.

Представление о химических процессах
Третий уровень химических знаний. Представление о химических процессах, в которых учитываются изменение свойств вещества под влиянием температуры, давления, растворителей и других факторов. Задачей химиков становится умение управлять химическими процессами. Управление химическими процессами можно подразделить на термодинамические (влияют на смещение химического равновесия реакции) и кинетические (влияют на скорость протекания химической реакции).
Четвертый уровень химического знания. Под эволюционными процессами в химии понимают процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений. Эволюционную химию называют предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

Два подхода к анализу предбиологических систем: субстратного и функционального.
Результатом субстратного подхода стала информация об отборе химических элементов и структур.
Факторы, определяющие отбор химических элементов при формировании органических систем: способность образовывать прочные и энергоемкие связи; способность образовывать лабильные (изменчивые) связи.

Синергетика – наука о самоорганизации наука о самоорганизации
Синергетика (содействие, сотрудничество, взаимное усиление) - новая междисциплинарная естественно-научная дисциплина, важнейшая составляющая современной научной картины мира.
Синергетика (от др.-греч. συν- — приставка со значением совместности и ἔργον «деятельность»), или теория сложных систем — междисциплинарное направление науки, изучающее общие закономерности явлений и процессов в сложных неравновесных системах (физических, химических, биологических, экологических, социальных и других) на основе присущих им принципов самоорганизации.

Синергетика – наука о самоорганизации наука о самоорганизации
Появление структур трактуется синергетикой как всеобщий механизм повсеместно наблюдаемого в природе направления эволюции: от элементарного и примитивного — к сложносоставному и более совершенному.
С мировоззренческой точки зрения синергетику иногда позиционируют как «глобальный эволюционизм» или «универсальную теорию эволюции», дающую единую основу для описания механизмов возникновения любых новаций, одинаково пригодная для описания любых операций регулирования и оптимизации: в природе, в технике, в обществе и т. д.

Синергетика – наука о самоорганизации наука о самоорганизации
Г. Хакен ввел термин «синергетика»; предлагает рассматривать синергетику как описание большого количества систем, состоящих, в свою очередь, из подсистем, и в такой сложной иерархической структуре очень важны процессы установления связей, взаимодействия, совместного выживания.
Идеи синергетики:
1. Процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной имеют объективный характер.
2. Процессы созидания, т.е. нарастания сложности и упорядоченности, имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются.

Синергетика – наука о самоорганизации наука о самоорганизации
Хаотическое состояние содержит в себе неопределенность – вероятность и случайность, которые описываются с помощью понятий информации и энтропии.
Энтропия - мера неупорядоченности системы; в закрытых системах, т.е. таких, которые не способны к обмену веществом, энергией и информацией, энтропия необратимо возрастает и достигает максимума в состоянии термодинамического равновесия. С точки зрения синергетики термодинамическое равновесие является состоянием, наименее вероятным для образования новых структур, т.е. самоорганизации, потому что энтропия, достигшая максимума, означает наиболее беспорядок для этой системы.

Синергетика – наука о самоорганизации наука о самоорганизации
Зародышем самоорганизации служит «вероятность» - упорядоченность возникает через флуктуации, устойчивость через неустойчивость.
Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы «сваливается» в одно из многих возможных новых для нее устойчивых состояний. В этой точке, которая называется «точкой бифуркации» эволюционный путь системы как бы разветвляется, т.е. система выбирает новый путь развития и при этом переходит в качественно новое состояние. Этот процесс перехода является необратимым – возврат в первоначальное состояние невозможен.

Синергетика – наука о самоорганизации наука о самоорганизации
Условия процесса самоорганизации:
1. Система должна быть открытой, т.е. способной обмениваться с другими системами веществом, энергией, информацией, и далеко отстоящей от состояния термодинамического равновесия. Поэтому очень часто синонимом синергетики считают неравновесную термодинамику.
2. Необходимо, чтобы порядок возникал благодаря флуктуациям, т.е. изменениям системы или «отклонениями» в разные стороны.
3. Важнейшим условием является наличие в системе положительной обратной связи.
4. Необходимым также является достижение системой некоторых критических размеров, способствующих и усиливающих кооперативное поведение системы.

Синергетика – наука о самоорганизации наука о самоорганизации
Синергетика объясняет процесс самоорганизации в сложных системах следующим образом:
Система должна быть открытой. Закрытая система в соответствии с законами термодинамики должна в конечном итоге прийти к состоянию с максимальной энтропией и прекратить любые эволюции.
Открытая система должна быть достаточно далека от точки термодинамического равновесия. В точке равновесия сколь угодно сложная система обладает максимальной энтропией и не способна к какой-либо самоорганизации. В положении, близком к равновесию и без достаточного притока энергии извне, любая система со временем ещё более приблизится к равновесию и перестанет изменять своё состояние.
Самоорганизация, имеющая своим исходом образование через этап хаоса нового порядка или новых структур, может произойти лишь в системах достаточного уровня сложности, обладающих определённым количеством взаимодействующих между собой элементов, имеющих некоторые критические параметры связи и относительно высокие значения вероятностей своих флуктуаций (случайные отклонения) .

Синергетика – наука о самоорганизации наука о самоорганизации
Этап самоорганизации наступает только в случае преобладания положительных обратных связей, действующих в открытой системе, над отрицательными обратными связями. Функционирование динамически стабильных, неэволюционирующих, но адаптивных систем — а это и гомеостаз в живых организмах и автоматические устройства — основывается на получении обратных сигналов от рецепторов или датчиков относительно положения системы и последующей корректировки этого положения к исходному состоянию исполнительными механизмами.
Самоорганизация в сложных системах, переходы от одних структур к другим, возникновение новых уровней организации материи сопровождаются нарушением симметрии. При описании эволюционных процессов необходимо отказаться от симметрии времени, характерной для полностью детерминированных и обратимых процессов в классической механике.

Задания для внеаудиторной работы
Что является объектом изучения химии?
Какое из фундаментальных взаимодействий реализуется в химической связи. Обоснуйте свой ответ?
Используя информационные ресурсы выясните, что является предметом изучения эволюционной химии? Каковы ее закономерности?