Страница 3 из 14
В неклассической теории катализа принимается и объясняется факт изменения катализатора, например в теории активных ансамблей Н. И. Кобозева катализатор понимается как энергетическая ловушка – агграватор, поглощающий энергию реакции. По мере усложнения катализатора его активность возрастает по экспоненциальному закону[15].
Изменения катализатора энергетически связаны с превращением вещества, стабилизируются энергией реакции (стационарный режим). Вне химической реакции катализатор не существует. Точно так же и определенный механизм химического реагирования связан с определенным катализатором.
Исследование изменений катализатора, сопряженных с энергией базисной реакции, и последующего перехода катализатора к стационарному состоянию в некоторых определенных условиях позволило утверждать, что химический процесс фактически сам для себя создает условия протекания[16].
Катализатор – это не особый класс химических веществ, а функция химического вещества в процессе. Таким образом, катализатор и реакция, протекающая при его участии, может быть понята как единая открытая каталитическая система – качественно новая форма существования вещества.
Анализируя многообразные факты саморазвития химического вещества, наблюдаемые в реальных каталитических актах, А. П. Руденко разработал теорию саморазвития открытых элементарных каталитических систем. Его исследования были связаны с качественным изменением оснований химической науки. Новой, неклассической химией стала химия эволюционного катализа, изучающая условия и закономерности химической эволюции вещества.
Элементарная открытая каталитическая система – это целостный, неделимый в функциональном отношении объект, кинетический континуум. Каталитическая система открытая, так как условием ее существования является непрерывный обмен веществ и энергии с окружающей средой. Деструктивный процесс поступающих извне веществ, осуществляемый системой, поддерживает ее организацию и способствует изменениям.
Элементарная открытая каталитическая система – временное образование, поскольку существует за счет работы химического процесса против сил теплового равновесия.
Элементарный химический состав и химическое строение сами по себе не позволяют охарактеризовать поведение кинетического континуума, если они не связаны с эволюционно значимыми изменениями системы – изменениями ее каталитической активности[17]. Для химии эволюционного катализа особенно важны факты многократного изменения природы катализаторов, связанные с изменением каталитических свойств.
Основной закон химической эволюции, по мнению А. П. Руденко, связывает вероятность последовательных изменений каталитических систем с прогрессивностью эволюционных изменений. Теория саморазвития открытых каталитических систем исследует возможность, направленность эволюционных изменений, а также пределы и основные этапы химической эволюции.
Этапы эволюционных изменений ограничиваются пределами развития каталитических систем. А. П. Руденко выявляет пределы саморазвития, анализируя физико-химические формы проявления основного закона эволюции в конкретных условиях осуществления эволюционного процесса. Всего он обнаруживает три предела развития: вероятностный и два кинетических[18]. Его анализ позволяет обосновать возможность существования определенных этапов химической эволюции и предсказать последовательность смены этих этапов. Преодоление пределов саморазвития каталитических систем сопровождается качественными изменениями их организации и функций, появлением новых эволюционно значимых характеристик.
Он предсказывает существование общего предела саморазвития открытых каталитических систем, преодолевая который химическая эволюция дает начало биологической эволюции. В результате преодоления общего предела саморазвития (второй кинетический, концентрационный предел) у эволюционирующей системы появляется свойство точной пространственной редупликации сложных открытых каталитических систем. Химическая система превращается в живую систему. Жизнь – это способная к самовоспроизведению открытая система. Этим качеством самоорганизация живой системы отличается от самоорганизации открытой химической системы.
По мнению А. П. Руденко, теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем дает ценный в научном отношении материал проявления простейших, фундаментальных принципов самоорганизации на химическом уровне материального взаимодействия, что может быть важным вкладом в разработку общей теории самоорганизации.
Ученый предлагает различать два типа самоорганизации: континуальную и когерентную. Самоорганизация элементарной открытой каталитической системы совершается по континуальному типу. Название типа самоорганизации происходит от понятия «кинетический континуум». Главным условием самоорганизации данного типа является неравновесность. Источником самоорганизации является полезная работа против равновесия, совершаемая за счет обмена веществ и энергии открытой системы.
Когерентный тип самоорганизации исследовал Г. Хакен. Когерентность означает кооперированное взаимодействие в макросистеме. Предполагая, что данный тип самоорганизации универсален, Г. Хакен называет теорию самоорганизации синергетикой. Однако и теория диссипативных структур, и синергетика не исследуют континуальный тип самоорганизации, тем более саморазвитие континуальной самоорганизации. Следовательно, ни теория диссипативных структур, ни синергетика не являются универсальными теориями самоорганизации. Таково мнение А. П. Руденко. Независимо от А. П. Руденко к аналогичному выводу пришел В. Эбелинг. Он утверждает, что самоорганизация когерентного типа «не является универсальным свойством материи, а существует лишь при особых внутренних и внешних условиях; вместе с тем это свойство не связано с каким-то особым классом веществ»[19]. Самоорганизация структур возможна в условиях, когда отдача энтропии превысит некоторое критическое значение.
Преимущества континуальной теории самоорганизации очевидны. А. П. Руденко не только объясняет существование элементарной, в функциональном отношении неделимой, открытой системы – кинетического континуума, но разрабатывает математический аппарат теории саморазвития элементарных открытых каталитических систем, количественно характеризуя прогрессивную химическую эволюцию вплоть до возникновения жизни. Таким образом, теория А. П. Руденко в отличие от синергетики Г. Хакена включает не только континуальный тип самоорганизации, но и когерентный, является действительно общей теорией.
Источником терминологической путаницы в области понимания самоорганизации у представителей социально-гуманитарных наук, а также математических школ в области синергетики, по мнению А. П. Руденко, является абстрагирование от физической сущности процессов организации и самоорганизации. Вследствие этого самоорганизацией называют любые процессы упорядочения элементов системы, протекающие самопроизвольно.
Фактический материал современной химии позволяет выделить два типа объектов: с равновесной и неравновесной организацией. Объекты с равновесной организацией были предметом классической химии. Классическая химия абсолютизировала дискретные формы бытия химического вещества. Некоторые из этих форм имеют молекулярное строение, другие являются комплексными соединениями, сэндвичевыми соединениями и прочее, но все они стабильны во времени. Стабильность этих веществ не безусловная, а относительная. Условием их неизменности является постоянство температуры. Кристаллическая форма вещества также является объектом с равновесной организацией. Квантовая механика объясняет стабильность организации системы ядер и электронов. Равновесное упорядочение некоторой системы может быть получено экспериментально в ходе самопроизвольно протекающего процесса, стремящегося к равновесию и сопровождающегося выделением энергии.
15
Соловьев Ю. И. Эволюция основных теоретических проблем химии. М.: Наука. 1971. С. 317.
16
Руденко А. П. Теория саморазвития открытых каталитических систем. М.: Изд-во МГУ. 1969. С. 19.
17
Руденко А. П. Теория саморазвития открытых каталитических систем. М.: Изд-во МГУ. 1969. С. 3–8. С. 27–33.
18
Руденко А. П. Теория саморазвития открытых каталитических систем. М.: Изд-во МГУ. 1969. С. 103.
19
Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах. Введение в теорию диссипативных структур. Москва – Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. С. 28.