V . Химия в высоких гравитационных полях

К «экстремальной» химии, бесспорно, принадлежит и химия высоких гравитационных полей (наравне с химией невесомости).

Большой вклад в химию механических (гравитационных, центробежных и др. полей) внесли академик Г.А. Абакумов и В.Б.Федосеев. В многочисленных работах этих автора показано, что механическое поле (центробежное и/или гравитационное) способно оказать весьма существенное влияние на химические и фазовые равновесия в многокомпонентных и гетерогенных системах.

• механическое поле способно изменить равновесный химический состав системы;

• механическое поле способно изменить скорость протекания химических процессов;

• механическое поле способно вызвать в системе фазовые превращения с возникновением и исчезновением фаз;

• в условиях механического поля химический состав сосуществующих в равновесии фаз отличается от равновесного состава в отсутствие поля.

Кроме того, этими авторами предсказан и смоделирован ряд новых физико-химических эффектов и закономерностей.

• Эффект формы — влияние геометрических параметров системы и взаимодействующих с ней полей на химический состав, термодинамические свойства и скорость процессов; (Эффект можно наблюдать экспериментально даже в условиях земной гравитации. Простой пример — конденсация паров брома в высоком коническом сосуде.)

• Эффект снятия аллостерического вырождения — состав и физико-химические свойства гетерогенной системы в центробежном (гравитационном) поле зависят от точки локализации конденсированных фаз;

• Эффект растворителя — в жидкофазных системах, находящихся в условиях механического поля, присутствие инертных компонентов (растворителей или примесей) способно заметно изменить равновесный химический состав системы, а также скорость химических процессов; (За счет выбора растворителя в условиях внешнего поля можно как увеличить, так и уменьшить константы равновесия и скорость химических процессов, что позволяет управлять химическим составом системы либо увеличивая выход продуктов по сравнению с условиями без поля, либо наоборот, „консервируя" реакционную смесь).

• Эффект псевдоавтокатализа и псевдоавтоипгибирования — эффективная константа скорости химических процессов в жидкофазных системах, находящихся в условиях механического поля, может заметно меняться по мере уменьшения концентрации реагентов и накопления продуктов реакции.

Описанные эффекты механических полей в перспективе являются гибким и эффективным инструментом управления технологическими процессами, повышения эффективности и надежности химических аппаратов, газовых турбин, двигателей.

Резкое увеличение силы тяжести молекул, кластеров и ассоциатов в таких полях должно производить новые эффекты: изменить величину и знак градиентов концентраций, смещать равновесие, интерпретировать фазы по их плотности, изменять скорости и конкуренцию процесса. Возможности здесь практически безграничны, и весь вопрос лишь в доступности технических средств для их реализации. И, конечно, речь может идти лишь о высоких технологиях, а не о массовом химическом производстве.

VI. Xимия низких температур

VI.1. Достижение низких температур в лабораторной практике

 и промышленности

Xимия низких температур, часто называемая в иностранной научной литературе криохимия (от греческого kryos – холод, мороз), изучает химические превращения веществ в конденсированных фазах при низких температурах. основные ее задачи – получение химически неустойчивых соединений, выяснение нижних температурных границ химической активности веществ, разработка полезных технологических процессов с использованием низких температур.

В химии и химической технологии, как правило, используют низкие температуры в диапазоне от 270 до 120 К (умеренный холод) и сравнительно редко температуры ниже 120 К (глубокий холод). В лабораторных условиях для получения умеренного холода используют смеси льда с солями, кислотами или щелочами, в которых охлаждение достигается за счет плавления льда. Более низкие температуры порядка 200 К получают, применяя охлаждающие смеси твердой углекислоты (сухой лед) со спиртом или эфирами. Наконец, для получения низких и сверхнизких температур применяют жидкий азот, жидкий гелий и жидкий водород. В промышленных масштабах используют процессы расширения сжатых газов, термоэлектрические явления или адиабатическое размагничивание, реализуемые в специальных холодильных машинах. Применение низкотемпературных воздействий позволяет решить ряд принципиально важных задач, в том числе

1. Перевод атомов и молекул в электронное состояние, невозможное при обычных температурах;

2. Реализация специфических механизмов взаимодействия с участием молекулярных комплексов;

3. Выделение продуктов взаимодействия, термодинамически и кинетически стабильные только при низких температурах.