Современные концепции химии

Современная теоретическая химия основана на общефизическом учении о строении материи, на достижениях квантовой механики и статистической физики. В результате дифференциации химии образовались такие разделы, как органическая и неорганическая химии, электрохимия, химическая термодинамика, химия полимеров, квантовая химия, химия плазмы, кристаллохимия, химия атмосферы, фотохимия и др. Химия активно интегрируется с другими естественными науками, в результате чего возникли междисциплинарные научные направления: геохимия, биохимия, биогеохимия, молекулярная психология, молекулярная биология, химическая физика, физическая химия. Таким образом, химия в ХХ в. предстаёт перед нами как весьма разветвлённая система знаний, находящаяся в процессе интенсивного развития.

Основная задача современной химии – получение веществ с необходимыми свойствами и выявление способов управления химическими процессами.

Свойства веществ и их реакционная способность зависят от следующих факторов: 1) состав вещества; 2) его структура; 3) условия, в которых находится вещество (давление, температура, наличие ионизирующих излучений и катализаторов); 4) уровень химической организации вещества. В соответствии с этим можно выделить четыре этапа в развитии химического учения: 1) учение о составе, 2) учение о структуре вещества, 3) учение о химических процессах, 4) эволюционная химия.

Учение о составе вещества. В ХХ в. были разработаны атомно-молекулярное учение и электронная теория строения вещества. В соответствии с ними химические соединения состоят из молекул, а молекулы – из атомов. Атомы связываются в молекулы с помощью различных видов химической связи, изменяя при этом свою электронную структуру. В результате объединения электронных оболочек атомов образуется общая молекулярная электронная оболочка. В химических реакциях происходит перераспределение связей между атомами, сопровождающееся разрушением одних молекул и образованием других.

· Атом – частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и электронов.

· Химический элемент– определенный сорт атома.

· Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

· Химическая связь – вид взаимодействия между отдельными атомами или атомно-молекулярными частицами, который обусловлен совместным использованием их электронов. Типы химической связи: ковалентная полярная, ковалентная неполярная, ионная, водородная, металлическая и др.

В настоящее время для анализа состава веществ используются такие методы, как хроматография (метод разделения, основанный на том, что различные вещества имеют разную прочность связи с поверхностью контакта), ЯМР (ядерный магнитный резонанс – анализ резонансного поглощения электромагнитных волн), спектроскопия (анализ спектра вещества). Для идентификации состава неизвестного вещества достаточно всего 10^{-10 г соединения.}

Сколько всего химических элементов известно в настоящее время? Во времена Менделеева были известны всего 62 элемента, в 30-е гг. XX в. – 88, сегодня – более 110 химических элементов. И химиков продолжает волновать вопрос, сколько всего элементов в таблице Менделеева. В основном все трансурановые элементы (с номерами более 92) были получены искусственным путем – в ядерном реакторе методом бомбардировки изотопа урана-238 нейтронами или в ускорителях элементарных частиц. Современная теория позволяет с большой вероятностью рассчитать стабильность сверхтяжелых элементов и предсказать их физические и химические свойства. Химики предполагают, что элементы с порядковыми номерами между 114-м и 164-м должны обладать неожиданно высокой стабильностью. Если они будут получены, их можно будет использовать в промышленном производстве и энергетике.

Долгое время считалось, что состав химического соединения может быть только постоянным. Но дальнейшее развитие химии привело к выводу, что наряду с веществами, имеющими определенный состав, существуют еще и соединения переменного состава, названные бертоллидами. В результате были переосмыслены представления о молекуле в целом. Теперь к молекулам относят и такие необычные квантово-механические системы, как ионные, атомные и металлические монокристаллы, а также полимеры, образованные за счет водородных связей. По этой причине оксиды, хлориды, сульфиды, нитриды металлов относят к веществам молекулярного строения, не имеющим постоянного состава. Также стало ясно, что свойства тел определяются не столько тем, постоянен или не постоянен состав соединения, а физической природой химизма, т.е. природой тех сил, которые заставляют несколько атомов объединяться в одну молекулу.

Проблема создания новых материалов. При современных масштабах добычи запасы многих химических элементов (меди, свинца, цинка, золота, серебра, олова, урана и др.) будут исчерпаны в ближайшие десятилетия. Поэтому важнейшая задача современной химии – рациональное использование всех ресурсов, замена дефицитных материалов имеющимися в изобилии, утилизация отходов и использование вторичного сырья. Кроме того, технический прогресс требует создания принципиально новых материалов с уникальными свойствами.

Многие традиционные материалы (например, стекло и керамика) в ХХ в. приобрели новые свойства. Сейчас умеют получать жаропрочное стекло, бронестекло (стекло со слоями пластика и напылением из металла), стёкла с полупроводниковыми свойствами, керамические материалы с высокой термической (до 1600ºС) и коррозионной стойкостью. В сосудах из такой керамики можно выплавлять металлы, делать из нее металлорежущие инструменты. В 90-х гг. был синтезирован керамический материал на основе оксидов меди со свойствами высокотемпературной сверхпроводимости (переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 170 К). Область применения стекла и керамики постоянно расширяется.

Наряду с традиционными материалами появились совершенно новые – полимерные и синтетические. Полимеры – искусственные органические соединения, построенные из макромолекул и способные приобретать заданную форму при нагревании и устойчиво сохранять её после охлаждения (полиэтилен, политетрафторэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол и др.). Они используются для производства упаковочных, изоляционных материалов, покрытий и т.д. Созданы пластмассы, способные заменить металлы, для авиационной и ракетной техники, автомобилестроения. Они широко используются и в строительстве (кровельные материалы, пластиковые окна). К полимерам относят и каучук – исходный материал для изготовления шин, обуви и др.

Настоящая революция произошла в текстильной промышленности. Более 50% современных волокон – синтетические (вискоза, полиамид, полиэстер и др.). Сегодня химики работают над созданием нового поколения искусственных волокон со свойствами, максимально приближенными к естественным материалам. Появились микроволокна в десять раз тоньше волоса; пустотелые волокна, защищающие от холода; волокна с триклозаном, останавливающие размножение микробов; кевлар – синтетическая ткань, используемая для изготовления пуленепробиваемых жилетов и курток, в пять раз более прочная на разрыв, чем сталь.

Элементоорганические соединения – ещё одна новация в химии. Например, кремнийорганические соединения (пластичный силикон), фторорганические соединения (очень стойкие в агрессивных средах) используются в медицине для создания всевозможных покрытий, протезов и т.п. Ещё в 60-е гг. в нашей стране был получен сверхтвёрдый материал гексанит – нитрид бора с температурой плавления 3200 ºС, твёрдый как алмаз.

Одним из последних достижений структурной химии является открытие совершенно нового класса металлорганических («сэндвичевых») соединений. Молекула этого вещества представляет собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом металла.

Исследования в области структурной химии идут по двум перспективным направлениям: 1) синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решётке, так как подобные материалы обладают высокими техническими показателями (высокая прочность, термическая стойкость, долговечность и др.); 2) создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами для получения материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами.

В основе учения о химических процессах лежат химическая термодинамика и кинетика. Одним из основоположников учения о химических процессах является русский ученый Н.Н. Семёнов (лауреат Нобелевской премии по химии, основатель химической физики). Учение о химических процессах базируется на идее, что способность к взаимодействию веществ определяется, кроме всего прочего, и условиями протекания реакции. Большинство химических реакций трудно контролируемо: одни или вовсе не идут, или идут в специальных условиях, другие трудно остановить, третьи создают ненужные ответвления с массой побочных продуктов. Поэтому одна из важнейших задач химии – поиск способов управления химическими процессами.

В самом общем виде методы управления химическими процессами можно разделить на термодинамические и кинетические. Термодинамические методы связаны с изменением условий протекания реакции (температуры, давления, концентраций реагентов) и влияют на смещение химического равновесия. В химической технологии широко используется принцип смещения равновесия ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается воздействие, то изменения в системе направлены на уменьшение этого воздействия.Например, если нужная реакция протекает с повышением температуры, то для смещения равновесия в ее сторону необходимо понизить температуру.

Среди кинетических методов, влияющих на скорость протекания реакций, ведущую роль играет катализ – ускорение химических реакций в присутствии особых веществ (катализаторов), которые взаимодействуют с реагентами, но не входят в состав конечных продуктов. Существуют различные виды катализа: гетерогенный, гомогенный, электрокатализ, фотокатализ, биокатализ. Более 80% процессов химической технологии и практически все биохимические процессы являются каталитическими.

Сущность катализа такова: в область протекания реакции вводится катализатор – вещество, отличающееся наличием ослабленных химических связей, т.е. высокой химической активностью. Реагенты вступают с ним во взаимодействие, в процессе которого происходят расслабление и перераспределение химических связей и облегчается протекание нужной химической реакции. С участием катализаторов скорость некоторых реакций увеличивается в десятки миллионов раз. Основой исключительно эффективных биологических процессов является биокатализ. Сейчас химики пытаются моделировать некоторые свойства и функции биокатализаторов (ферментов) и использовать некоторые из них для ускорения реакций.

Помимо катализаторов, на скорость химической реакции влияют и другие факторы: температура, концентрации реагентов, наличие ионизирующих излучений. В соответствии с законом действующих масс скорость реакции увеличивается с повышением температуры и концентраций реагентов.

Исследования в области управления химическими процессами идут по нескольким направлениям: химия плазмы, радиационная химия, химия высоких температур и давлений.

Плазмохимические процессы, протекающие при температуре 1000-10 000 ºС очень производительны и позволяют почти полностью исключить обратимость реакции. Например, производительность метанового плазмохимического реактора с диаметром 15 см и длиной 65 см составляет 75 т ацетилена в сутки.

В результате радиационно-химических реакций, протекающих под действием ионизирующего излучения, вещества приобретают повышенную термостойкость и твёрдость. Особенно перспективным направлением в последние годы является лазерная химия (использование лазерного излучения для активации химических процессов, в частности термоядерного синтеза).

Химические процессы, протекающие при давлении более 100 атм, относятся к химии высоких давлений. Сейчас в химической технологии используются установки с давлением от 5 000 до 600 000 атм. При высоком давлении химические процессы сильно ускоряются, так как происходят сближение и деформирование электронных оболочек атомов. Одно из важных достижений в этой области – синтез алмазов. При 50000 атм и 2000 ºС графит кристаллизируется в алмазы. Синтетические алмазы используют в режущем и буровом оборудовании. Удалось синтезировать чёрные алмазы (карбонадо), которые твёрже природных и используются для их обработки.

В настоящее время химия начинает всё больше использовать опыт живой природы. Появилась эволюционная химия как высший уровень развития химического знания. Под эволюционными в химии понимают процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными по сравнению с исходными. Зарождение эволюционной химии произошло в 1960-х гг., когда были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции. Химическую эволюцию напрямую связывают с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. В 1964 г. профессор МГУ А.П. Руденко выдвинул теорию саморазвития открытых каталитических систем. Очень быстро она была преобразована в общую теорию химической эволюции и биогенеза. Суть теории такова. Эволюционирующим веществом являются катализаторы. Саморазвитие каталитических систем происходит за счёт постоянного притока трансформируемой энергии. Таким образом, максимальное эволюционное развитие получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций. Возникает явление автокатализа, при котором продукты реакции выступают в роли катализаторов, и реакция становится саморазвивающейся. Эта теория позволяет определить этапы химической эволюции, связанные с переходом от химогенеза к биогенезу.

Практическим следствием теории саморазвития открытых каталитических систем является развитие новейшего направления в химии – нестационарной кинетики, являющейся основой теории управления нестационарными процессами и открывающей перед химиками возможности создания новых наукоемких и энергосберегающих технологий.

Вопросы для самоконтроля

1. Что изучает химия и каковы ее основные задачи? Какие этапы можно выделить в развитии химии?

2. От чего зависят свойства и реакционная способность веществ?

3. Каковы основные методы управления химическими процессами?

4. Охарактеризуйте основные проблемы, достижения и направления развития современной химии.