Третий этап развития химии как науки - первая половина XX в: Учение о химических процессах - кинетическая химия

В связи с развитием техники и именно в это времяхимия становится наукой уже не только и не столько о веществах, сколько наукой о процессах и механизмах изменения веществ.

Интенсивное развитие автомобильной промышленности, авиации, энергетики и приборостроения в начале нашего века требовало качественного топлива для работы моторов. Специальные высокопрочные каучуки для шин автомобилей, пластмассы для облегчения их веса, всевозможные полимеры и полупроводники,- все это было необходимо получать в больших количествах, но, увы, развитие химических навыков не соответствовало запросам производства.

Дело в том, что сама по себе химическая реакция - вещь достаточно капризная. Взаимодействие веществ в ходе реакции приводит к изменению состава вещества. Для этого должна быть разрушена одна комбинация атомов и создана другая. Для разрушения старого соединения необходимо затратить энергию. Образование нового соединения, как правило, сопровождается выделением энергии.

Химические реакции описываются уравнениями, основанными на законе сохранения вещества. Согласно этому закону, полная масса веществ, вступивших в реакцию, должна точно соответствовать массе образовавшихся веществ. Для расчетов массы используется счетная единица – моль, содержит одинаковое количество частиц (6 10²³, число Авогадро)

Учение о химических процессах. Методы управления химическим процессом. Учение о химических процессах - это такая область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. В основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, поэтому все это учение о химических процессах в равной степени относится как к химии, так и к физике.

Существует большое количество решаемых проблем в связи с созданием учения о химических процессах. Подробное их описание можно найти в любом современном учебнике по физической химии. Но, пожалуй, одной из самых основных проблем являлась задача создания методов, позволяющих управлять химическими процессами.

В самом общем виде все методы управления можно подразделить на две большие группы: термодинамические и кинетические. Первая группа - термодинамические методы - это методы, влияющие на смещение химического равновесия реакции; вторая группа- кинетические методы - это методы, влияющие на скорость протекания реакции.

В 1884 г. появляется книга выдающегося голландского химика Я. Вант-Гоффа, в которой он обосновал законы, устанавливающие зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции. В том же году французский химик А. Ле-Шателье сформулировал свой знаменитый принцип подвижного равновесия, вооружив химиков методами смещения равновесия в сторону образования продуктов реакции. Основными управляющими рычагами в данном случае выступали температура, давление и концентрация реагирующих веществ. Поэтому эти методы управления и получили свое название - термодинамические.

Вспомним, что любая химическая реакция обратима. Например, реакция типа:

AB + CD <=> AC + BD

Обратимость реакций служит основанием равновесия между прямой и обратной реакциями. На практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Для того, чтобы химическая реакция пошла в сторону увеличения продуктов реакции АС и BD, необходимо либо увеличить концентрацию веществ AB и CD, либо изменить температуру или давление.

Но термодинамические методы позволяли управлять только направлением реакций, а не их скоростями. Управлением скоростью химических реакций в зависимости от различных факторов занимается специальная наука - химическая кинетика. На скорость химической реакции может влиять очень многое, даже стенки сосуда, в котором протекает реакция.

Третий способ решения основной проблемы, учитывающий всю сложность организации химических процессов и обеспечивший экономически приемлемую производительность этих процессов в химических реакторах, может быть представлен схемой:

ОРГАНИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО ———> ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

ПРОЦЕССА В РЕАКТОРЕ РЕАКТОРА

Катализ и химия экстремальных состояний. В 1812 г. русским академиком К.С.Кирхгофом было открыто явление химического катализа. Катализпредставляет собой наиболее общий и распространенный способ проведения химических реакций, особенность которого состоит в активации молекул реагента при их контакте с катализатором. При этом происходит как бы «расслабление» химических связей в исходном веществе, «растаскивание» его на отдельные части, которые затем легче вступают во взаимодействие друг с другом.

Нестационарная кинетика. Развитие представлений об эволюции систем. В 1970 годы было обнаружено много химических систем, в которых использовались катализаторы, в которых с течением времени все происходило наоборот, - процесс не стабилизировался, как обычно, а становился нестационар­ным. Было открыто несколько типов автоколебательных химических реакций, в которых с течением времени происходят периодические изменения выхода продуктов реакции. Другими словами, необходимый продукт химической реакции то выделяется в большом количестве, то, напротив, реакция почти не идет или даже изменяет свое направление, а затем все это повторяется вновь. Оказалось, что в ряде случаев общее количество вещества, получаемое в ходе такой нестабильной химической реакции, даже превышает то количество вещества, которое выделялось бы в ходе реакции, если бы она проходила стационарно или, т.е. имела бы постоянную скорость.

Изучение нестационарной кинетики началось недавно. Но уже есть и практические результаты. С ее помощью были исследованы некоторые энергетически сопряженные процессы, т.е. такие химические процессы, в которых принимают участие сразу несколько реакций, обменивающихся энергией друг с другом. Нестационарные химические процессы были обнаружены и в живой природе.

Четвертый этап развития химии как науки - вторая половина XX в: Эволюционная химия. В 1960 - 1979 г. г. появился новый способ решения основной проблемы химии, который получил название эволюционная химия. В основе этого способа лежит принцип использования в процессах получения химических продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем.

Таким образом, четвертый этап развития химии, который продолжает­ся и до настоящего времени,устанавливает связь самоорганизации системы реагентов с поведением этой системы:

САМООРГАНИЗАЦИЯ —————> ПОВЕДЕНИЕ СИСТЕМЫ РЕАГЕНТОВ СИСТЕМЫ РЕАГЕНТОВ

Эволюционные проблемы химии. Начало эволюционной химии связывают с 1950-1960 гг. Под эволюционными проблемами следует понимать проблемы синтеза новых сложных, высокоорганизо­ванных соединений без участия человека.

Теория химической эволюции и биогенеза А.П.Руденко. В 1960-х годах были отмечены случаи самосовершенствования некоторых химических катализаторов в ходе химической реакции. Обычные катализаторы со временем (как и все на свете) стареют и изнашиваются. Но химикам удалось обнаружить такие катализаторы, которые не только не старели, а, напротив, «молодели» с каждой химической реакцией. Ответ на этот вопрос попыталась дать теория химической эволюции и биогенеза, предложенная ученым мира в 1964 г. русским профессором А. П. Руденко. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем. В ходе реакции происходит отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью (основной закон химической эволюции): Эволюционные изменения катализатора происходят в том направлении, где проявляется его максимальная активность. Саморазвитие систем происходит за счет постоянного поглощения катализаторами потока энергии, которая выделяется в ходе самой химической реакции, поэтому эволюционируют каталитические системы с большей энергией. Такие системы разрушают химическое равновесие и в результате являются инструментом отбора наиболее устойчивых эволюционных изменений в катализаторе.

Изучение строения и функционирования ферментов в живой природе - это такая ступень химического познания, которая откроет в дальнейшем создание принципиально новых химических технологий.

Несмотря на то, что химия в настоящее время все еще далека от совершенства, которым обладает «лаборатория живого организма», пути к этому идеалу намечены. Сегодня химики пришли к выводу, что используя те же принципы, на которыхпостроена химия живых организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно будет «построить» принципиально новую химию, новое управление химическими процессами - так, как это происходит в любой живой клетке. Химики надеются получить катализаторы нового поколения, которые бы позволили создавать, например, необычные преобразователи солнечного света.

Ученые стремятся создавать промышленные аналоги химических процессов, происходящих в живой природе. Они исследуют опыт работы биохимических катализаторов и создают такие катализаторы в лабораторных условиях. Особой сложностью работы с биохимическими катализаторами - ферментами, является то обстоятельство, что они очень неустойчивы при хранении и быстро портятся, теряя свою активность. Поэтому химики долгое время работали над созданием стабилизации ферментови в результате научились получать так называемые иммобилизованные ферменты - это ферменты, выделенные из живого организма и прикреплен­ные к твердой поверхности путем их адсорбции. Такие биокатализаторы очень стабильны и устойчивы в химических реакциях и их можно использовать многократно. Основоположником химии иммобилизованных систем является русский химик И. В. Березин.

Ø Среди перспективных направлений химии XXI века особый интерес вызывают:

Ø Химия мозга

Ø Макрохимия Земли

Ø Когерентная химия

Ø Спиновая химия и химическая радиофизика

Ø Химия экстремальных состояний

Ø Холодный синтез

Ø Физика химических реакций.

Дата добавления: 2014-01-05