Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем

Исследования в области катализа первой половины XX века способствовали качественному изменению понимания химического вещества как предмета научной химии. Проблема сущности катализа становится одной из центральных в философии химии. Возникает ряд философских идей, связанных с каталитическими процессами.

Теоретический анализ явления саморазвития каталитических систем, наблюдаемых в реальных каталитических процессах, позволил А.П. Руденко разработать теорию саморазвития открытых элементарных каталитических систем. Что способствовало выделению новой области научной химии - эволюционному катализу, изучающей по существу химическую эволюцию вещества.

С точки зрения Руденко, живое вещество разделено на дискретные образования - организмы, более простыми прообразами которых являются элементарные каталитические системы. Элементарная открытая каталитическая система - это целостный, неделимый в функциональном отношении объект - кинетический континуум. Каталитическая система открытая, так как условием её существования является непрерывный обмен веществ и энергией с окружающей средой.

Деструктивный процесс, поступающих извне веществ, осуществляемый системой, поддерживает ее организацию и способствует ее изменениям.

Элементарная открытая каталитическая система является временным образованием, так как существует за счет работы химического процесса против сил равновесия. Поэтому вне этого взаимодействия она существовать не может. Элементарный химический состав и химическое строение, механизм реагирования сами по себе не позволяют охарактеризовать поведение данного кинетического континуума, если они не связаны с эволюционно значимыми изменениями системы - изменениями её каталитической активности.

Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем, выдвинутая профессором МГУ А.П. Руденко в 1964 г., это синтез субстратного и функционального подходов. Сущность теории сводится к следующему. Химическая эволюция является саморазвитием каталитических систем, следовательно, при этом эволюционируют катализаторы. В ходе реакции происходит естественный отбор каталитических центров, обладающих наибольшей активностью. Новые катализаторы появляются не за счет захвата их из внешней среды, а за счет их саморазвития.

Саморазвитие и самоорганизация каталитических систем происходит за счет постоянного потока трансформируемой энергии. А так как источник энергии - базисная реакция, то максимальные преимущества в эволюции получают системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций.

Таким образом, базисная реакция - не только источник энергии, необходимой для работы системы, но и орудие отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

Теория решает в комплексе вопросы о:

· движущих силах и механизме эволюционного процесса, т.е. о законах химической эволюции;

·   об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности;

·   об уровне химической организации и иерархии химических систем в процессе эволюции.

Ряд химических процессов вообще невозможно провести без участия катализаторов. Наиболее сложным случаем катализа является автокатализ, возникающий при каталитическом воздействии продукта реакции на вступающие в нее исходные вещества. Таким образом, на химическом уровне организации материи возникает способность многократного самоускорения, изменения и развития.

Благодаря автокатализу реакции становятся самоускоряющимися, причем на некоторой ступени развития элементарной открытой каталитической системы достигается первый кинетический (температурный) предел саморазвития, когда рост абсолютной скорости базисной реакции начинает лимитироваться постоянным уровнем температуры в системе. Отдельные элементарные каталитические центры приобретают способность осуществлять одновременно не один, как ранее, а несколько полных циклов базисной реакции.

При дальнейшем развитии скорость реакции начинает лимитироваться концентрацией реагирующих веществ, и элементарная открытая каталитическая система достигает второго кинетического предела саморазвития.

Руденко основывался в своих рассуждениях на мультиплетной теории катализа академика А.А. Баландина, в которой основным из положений является то, что катализаторы химически взаимодействуют с реагентами и образуют промежуточный (мультиплетный) комплекс, обладающий свойствами переходного состояния (по иной терминологии - активированный комплекс). Руденко называет такой промежуточный комплекс элементарной каталитической системой. Если каталитическая реакция сопровождается постоянным притоком извне новых реактивов, отводом готовых продуктов и выполнением еще некоторых условий, то реакция может протекать неограниченно долго, находясь на одном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексы приобретают статус элементарных открытых каталитических систем.

Таким образом, выделив четыре принципа описания процесса развития (вероятностный, кинетический, термодинамический и информационный), Руденко сформулировал с их помощью основной закон саморазвития элементарных открытых каталитических систем: в процессе развития каталитических систем складываются механизмы конкуренции и естественного отбора по параметру абсолютной каталитической активности.

Концепция А.П. Руденко отличается тем, что в ней последовательно проводится причинное объяснение в противовес бесплодному телеологическому подходу, отвергается чисто случайностная трактовка и отстаивается, углубляется, научно обосновывается необходимый, закономерный характер происхождения живого с учетом диалектики химической и биологической форм движения материи.