Сказ о рычаге, катализаторе и золотнике.

Р.М. Талышинский

Созрел план написать статью о рычаге рычажных весов. Начать цикл лекций в этой области, меня, как химика, специализированного в области катализа, стимулировали многочисленные работы основателя современной науки милогии, восходящей звезды в русской философии 21 столетия, М. И. Беляева. Его научные работы посвящены цели: интегрировать дифференцированные за последние столетия ветви естественных и гуманитарных наук в единую систему знаний, лишенную многих противоречий, характерных для традиционных современных школ. Кропотливый труд этого удивительного ученого, замечательного патриота своей Родины, одаренного обширными энциклопедическими знаниями, блестяще завершен увесистым томом его широко известной теории монады, а также диалектического принципа рычажных весов.

Метод рычажных весов в кинетике биохимических процессов
Введение в проблему

Михаилом Беляевым предложен уникальный метод дуального восприятия всевозможных природных явлений с помощью «рычажных весов» [1].
Метод теоретически успешно проанализирован на физических объектах. Модель дуального взаимодействия положена в основу новой науки, милогии, согласно которой материя эволюционирует по единому монадному закону рычажных весов.
В соответствии с более ранними, известными представлениями Ильи Пригожина, эта эволюция происходит синергетическим путем [2-4]. Однако традиционная синергетика, основанная на самоорганизации материи, существенно затрудняет восприятие реальной химической эволюции, в связи с неопределенностью исходного «невырожденного» уровня энтропии, отражающей степень упорядочения системы [5-7].
Если взять любую химическую реакцию, то любой механизм ее должен описываться исходя из акта бинарного столкновения частиц. Частицы могут быть одинакового или разного химического состава, результат столкновения может быть чисто физическим без химического превращения, но в принципе, сам акт столкновения именно двух частиц всегда предшествует рассмотрению любой задачи. Вероятность столкновения трех частиц очень мала. Поэтому кинетика химических реакций, описывающая математически связь скорости химической реакции с концентрациями реагирующих веществ, как правило, сводится ко второму кинетическому порядку. А все другие рассматриваемые в классической кинетике случаи (нулевой порядок, первый или третий) могут быть сведены путем анализа опять же к бинарному взаимодействию. Даже, если речь идет о внутримолекулярной перестройке атомов (изомеризация) или переноса электрона, задача сводится к рассмотрению двух однотипных поляризованных молекул... Здесь мы подробно не будем показывать этот путь логики. Скажем только, что такая интерпретация имеет право на существование. Механизмы химических или биохимических процессов описываются, независимо от принадлежности к каталитическим или некаталитическим системам, анализом так называемой медленной стадии процесса. Если в перечне стадий механизма реакции есть несколько медленных стадий, то ими определяется скорость протекания процесса в целом. Если доминирует явно одна, то она называется лимитирующей. Во всех случаях, кинетика элементарной стадии описывается математически законом действующих масс, в соответствии с которым скорость протекания стадии пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Если концентрация одного из веществ находится в системе в избытке, то его убыль настолько незаметна, что можно говорить о нулевом порядке по данному веществу. В этом случае при бинарном взаимодействии псевдо - порядок наблюдается как первый. Если оба вещества не заметны по убыли, то говорят о «нулевом порядке».
Столкновение в одном акте трех разных молекул, приводящее к образованию нового вещества всегда сводимо к последовательному столкновению фрагментов…
Словом, если подробно проанализировать с кинетической точки зрения любые биохимические процессы, то можно придти к выводу о модели рычажных весов, основанных на дуальности (бинарное столкновение!) элементарного химического акта, определяющего механизм любого самого сложного процесса.
Катализатор по определению – это вещество, которое в ходе химического превращения остается в неизменном виде, ускоряя достижение химического равновесия, но ни в коем случае не сдвигая его! Реальные катализаторы, безусловно, имеют срок службы, в связи со своей дезактивацией или механическими потерями, но в классическом определении он неизменен ни по составу, ни по структуре, ни по количеству. Строго говоря, надо также иметь ввиду, что реакционная среда формирует катализатор, и те активные центры, которые работают в катализе в ходе процесса, отличаются от исходного вещества вводимого в систему для последующего формирования катализатора при сопряжении предкатализатора с реакционной средой.
Если катализатор в системе отсутствует, то управление реакции осуществляется по обычным законам химического равновесия, где вполне реализуются все пропорции, свойственные методу рычажных весов. Скажем более, что в химических равновесных реакциях, модель рычажных весов является наиболее наглядной физической моделью среди всех возможных объектов в природе.
Введение в систему катализатора лишь ускоряет достижение равновесия. Другими словами, под влиянием катализатора, за более короткий промежуток времени происходит максимально возможное, с термодинамической точки зрения, превращение вещества. Катализатор отыскивает наиболее медленную стадию каталитического процесса и снижает ее энергетический барьер (энергию активации). С другой стороны, возрастает число активных соударений (бинарных!), приводящих к образованию промежуточного фрагмента, связанного с катализатором, из которого в дальнейшем формируется на последующих стадиях продукт реакции, а каталитический центр возвращается в процесс для нового акта бинарного соударения с молекулой одного из реагирующих веществ. Каталитическая реакция при этом протекает в любой агрегатной фазе. Если реакционная среда и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии, то говорят о гомофазном превращении с участием гомогенного катализатора. Если катализатор имеет отличное от среды агрегатное состояние, то говорят о гетерогенном катализаторе.
Катализаторы могут быть не только химическими, но и биологическими. Их называют ферментами или энзимами. Но во всех случаях они лишь ускоряют достижение равновесия, но не сдвигают его в термодинамическом смысле. Катализаторы сами по себе не обладают энергией, но они забирают энергию у системы, а потом возвращают ее обратно в процесс. Они являются проводниками энергии, и в этом смысле их можно сравнить с электрическими проводниками, а, следовательно, аналоговые задачи в электрических цепях математически принципиально могут быть описаны теми же моделями…
«Дайте мне точку опоры, - и я поверну Землю», - говорил Архимед, имея ввиду механический рычаг с огромным плечом. Кстати, Кто-то ведь орудует таким рычагом, судя по изменению наклона оси вращения планеты во времени…
Чем отличается химический рычаг от механического рычага? По сути, тем же, чем отличается скорость химического превращения от скорости механического движения. Вместо фактора путь подразумевается количество превращаемого вещества.
Химия каталитическая и биохимия терпят сегодня, как и вся физика в целом муки дезинтеграции. В частности, химическая интерференция, эффекты сопряжения отделены от катализа, хотя на самом деле эти вопросы пересекаются... в действии рычага. "Мал золотник да дорог". Думаю, что катализатор можно сравнить с проводником, который привел войско к подножию горы, за которой расположен противник, нашел обход или тоннель, собрал войска воедино и с наименьшими потерями преодолел горный хребет. Катализатор можно сравнить с аккумулятором энергии, которую он распределяет между фрагментами системы наиболее оптимальным образом. Катализатор можно сравнить с диспетчером движения поездов... Есть еще одно наглядное представление, которое можно использовать для популяризации представления о катализаторе, как субъекте синергетики и как частном проявлении рычага в природе. Машины двигаются по широкой дороге, которая сужается, и на каком-то этапе пути общая скорость движения лимитируется этим руслом. Необходимо открыть другие каналы, чтобы пробка рассосалась. ГАИ в данном случае является этим рычагом (катализатором) для ускорения потока автомобилей....
В химии сопряженных реакций (в химической интерференции) есть понятия актор, индуктор, инициатор, медиатор. Эти понятия отделены от катализа. Но, тем не менее, если глубоко задуматься, они все являются частными проявлениями действия рычага. Рычаг имеет общий признак с катализатором. Он сам не обладает никакой энергией, но приводит в действие механизм. Вернемся к золотнику... Ведь золотник сцепляет между собой отдельные части механизма, и механизм в целом начинает двигаться.
Можно сравнить действие катализатора (рычага) с эффектом фокусировки солнечных лучей через лупу. В детстве мы так шалили, поджигая спичку, при наличии яркого солнца. Кстати, Архимед этот эффект использовал при сражении на море. Ему удалось сжечь всю эскадру противника с помощью оптических эффектов…
Должен сказать, что все ответвления физических наук имеют аналоговые общие законы. В принципе, и химия, и биология, являются частью физики. Химия – это физика молекулярных превращений. Биология – это физика генома, например…
Ведь существует же физика ядерных превращений. В этом смысле все ветви интегрируются в физику. Следуя обратной иерархии наук, таким же образом все науки сводимы к своему источнику, к философии. Образовавшись когда-то, отщепившись от философии, эти веточки вообразили себя независимыми науками, со своими принципами и законами. Но, по сути, есть единые законы диалектики, которые работают во всех естественных науках и, в соответствии с которыми, эти ветви развиваются. Искусство имеет некоторые специфические черты, отличающие его от науки, но при определенных условиях искусство приобретает научные черты. Говорят, это происходит при условии, когда к искусству приложим математический аппарат или компьютерные технологии.

Смежные области физики

Заглянем в смежную область физики, электричество и магнетизм. И здесь проявляется действие рычажных весов. Возьмем трансформатор, у которого имеются расположенные рядом две 12-витковые (умышленно взято это число гармонии) спирали. Одна спираль закручена по малому диаметру, а другая по большему. Подобно зубчатой передаче в механике через золотник усиливается амплитуда колебания (в механике маятника, а в электричестве переменного тока). Электрическому току всегда сопутствует магнитное поле. Интересно, что сам магнит не обладает энергией, но поляризация полюсов создает импульс для движения зарядов. Поэтому, если в поле магнита поместить проводник, то по нему потекут электроны (ток).
Точно также работает и катализатор. Сам по себе он не обладает энергией, но способен перераспределять ее в системе между отдельными фрагментами и промежуточными веществами в каталитическом превращении. Сегодня бытует мнение, что нет абсолютно некаталитических реакций, поскольку в ходе химического превращения всегда образуются короткоживущие частицы, которые в той или иной степени имеют функцию катализатора. Поэтому появилось парадоксальное понятие автокаталитические реакции. На самом же деле никакого парадокса нет, потому что все процессы в природе каталитические, в связи с чем, действует вечный закон синергетики, т. е. происходит неуклонная эволюция материи.

Есть еще такое ответвление в биологии, как биомиметика, вобравшая в себя ценные результаты, которые необходимо приобщить к нашим обобщениям и многое другое о катализаторе, рычаге в аспекте идеи рычажных весов.
Верно же говорят, что новое – это давно забытое старое… Идя вперед, на пути познания, нельзя отбрасывать все древние учения. Школа Пифагора, Архимеда содержит много ценных ресурсов, которые далеко не исчерпаны современной наукой.
В детстве мы шалили со стеклянной лупой, зажигая спичку при фокусировке солнечных лучей. А ведь Архимеду удалось применить эту технику, нанеся сокрушительное поражение воинской эскадрилье противника… Безобидный оптический эффект. А ведь фокусирование энергии – это один из признаков действия катализатора… Так что лупа тоже может служить одним из наглядных примеров того, как не обладая энергией, одно тело может собирать из других источников энергию и передавать ее для осуществления (!) химической реакции – сгорания серы:
S + O2 → SO2
Как ни удивительно, но можно говорить здесь о фотохимическом процессе…

О новом направлении в кинетике биохимических процессов

В общем случае, проанализировать действие
"рычажных весов", с моей точки
зрения", достаточно в области химической кинетики, структуры (условно, статики, поскольку внутри вещества есть динамика) и динамики с множественностью стационарных состояний. Последняя область наиболее интересна, ибо там возникают эффекты колебаний, гистерезиса и пр. Интересная деталь... В детстве по математике я не задумывался над физической сутью метода решения пропорций по принципу "производных дробей". Если, к примеру, надо выразить в явном виде зависимость функции от аргумента
(1-X)/ X = (Y + 1) / 2
Прибавим, в соответствии с правилом производных дробей, в обеих частях уравнения к числителям прибавим знаменатель:
1/ X = (Y + 3)/ 2
~~~~~~~~~~~~~~~
X = 2/ (Y + 3)......!!!

Простой пример по арифметике
2/ 1 = 6/ 3
(2 + 1)/ 1 = (6 + 3)/ 3
это, незатейливый на первый взгляд, анализ решения пропорции.
По сути метод рычажных весов со всей своей совокупностью инвариантностей выражает реально баланс сохранения глобального равновесия. Локальное равновесие для конкретной системы может изменяться, но при расширении системы на внешнее пространство, новая "более масштабная" система, будет находиться во вселенском равновесии. Таким образом, независимо от всех взрывов и катастроф "Вселенная" (в бесконечном понимании этого слова) находится в равновесии сама с собой.
Возвращаясь к катализаторам... В теории катализа используется известный закон Аррениуса [8]
K = k0 exp (-E/RT)
E = ∆S*T + Q
Константа скорости реакции выражена температурной зависимостью, имеющей экспоненциальную тенденцию зависимости от температуры Т.
Энергия активации Е складывается из энтропийной ∆S* и тепловой Q (адсорбционной) составляющей (применительно, скажем, к гетерогенному катализу). Предэкспонента k0 характеризует частотный фактор соударений молекул. Если математически проанализировать закон Аррениуса, то можно выделить энтропийный фактор exp (∆S*/R).
Этот фактор моделирует уровень упорядоченности активированного комплекса - переходное состояние системы из фрагментов катализатора и реагирующих молекул... Теплота адсорбции - это искажение, вносимое в понятие активационный барьер. Истинный активационный барьер - это энтропийная составляющая константы скорости химической реакции.
Словом, традиционная трактовка каталитического акта сводится к статистическому методу, базирующемуся на энтропии и частотном факторе.
В случае применения рычажных весов есть шанс придти к уравнению Аррениуса независимым путем, но основанном не на статистике, а на детерминированном подходе, учитывающем взаимное влияние активного центра и реагирующей молекулы. Над этим стоит задуматься. Если решить эту задачу, то ее эффект будет равносилен дуальному приходу к формуле Клапейрона Менделеева (PV = nRT) через комбинацию законов Бойля-Мариотто и Шарля с термодинамическим решением энтропийной задачи. Естественно, что работы авторов решения такой проблемы вызовут, несомненно, значительный серьезный научный резонанс...
Рассматривая действие различного рода «золотников» в физике ускоряемых (усиливаемых) процессов можно убедиться в том, что дуальная пропорция характерна для метода рычажных весов. По-иному этот свой метод называет автор М. Беляев, еще правилом русского креста). Введение золотника в механизм действия рычажных весов переводит задачу из разряда вяло текущих процессов в процессы, протекающие с ускорением. Поэтому можно говорить в этом смысле о золотом сечении рычажных весов.
Этим золотником (катализатором) могут индуктор или инициатор, которые действуют по законам сопряжения химических реакций, этим золотником может быть вся система в целом, если в ходе первого импульса образуется зародыш, работающий как золотник. Например, в цепных процессах с продолжением цепи, образуется новая фаза. В многофазных системах [9] также проявляется закон рычажных весов, а золотник ускоряет сшивание кристаллов по бинарному сечению (по граням).
У катализатора есть активные центры, которые на первой стадии притягивают одно из реагирующих веществ, а на следующей стадии образованный фрагмент взаимодействует с другим веществом. При этом образуется продукт и выделяется в неизменном виде активный исходный центр. Активация центра возможна либо под влиянием реакционной среды либо путем повышения температуры, либо фотохимически... или какими-то иными путями.