Эволюция системы знаний в химии: учение о составе вещества, структурная химия, концепция химических процессов, эволюционная химия

На основе достижений структурной  химии у исследователей появилась  уверенность в положительном  исходе экспериментов в области  органического синтеза. Сам термин «органический синтез» появился в 1860—1880-е гг. и стал обозначать целую  область науки, названную так  в противоположность общему увлечению  анализом природных веществ. Этот период в химии был назван триумфальным шествием органического синтеза. Химики гордо заявляли о своих ничем  не сдерживаемых возможностях, обещая синтезировать из угля, воды и воздуха  все самые сложные тела, вплоть до белков, гормонов и пр. И действительность, казалось, подтверждала эти заявления: за вторую половину XIX в. число органических соединений, за счет вновь синтезированных возросло с полумиллиона до двух миллионов.

В это время появились  всевозможные азокрасители для текстильной  промышленности, различные препараты  для фармации, искусственный шелк и т.д. До этого подобные материалы  добывались в ограниченных количествах  и с огромными затратами низкопроизводительного, преимущественно сельскохозяйственного, труда.

Современная структурная  химия достигла больших результатов. Синтез новых органических веществ  позволяет получить полезные и ценные материалы, отсутствующие в природе. Так, ежегодно в мире синтезируют  тысячи килограммов аскорбиновой кислоты (витамина С), множество новых лекарств, среди которых — безвредные антибиотики, лекарства против гипертонии, язвенной болезни и др.

Самым последним достижением  структурной химии является открытие совершенно нового класса металлорганических соединений, которые за свою двухслойную  структуру получили название «сэндвичевых»  соединений. Молекула этого вещества представляет собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом какого-либо металла.

Исследования в области  современной структурной химии  идут по двум перспективным направлениям:

1. синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;
2. создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами кристаллической решетки для производства материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами.

Решение каждой из этих проблем  имеет свои сложности. Так, для решения  первой проблемы необходимо соблюдение таких условий выращивания кристаллов, которые исключали бы воздействие  на процесс всех внешних факторов, в том числе и поля гравитации (земного притяжения). Поэтому кристаллы с заданными свойствами выращиваются на орбитальных станциях в космосе. Решение второй проблемы затруднено тем, что, наряду с запрограммированными дефектами, практически всегда образуются и нежелательные нарушения.

Тем не менее, классическая структурная химия была ограничена рамками сведений только о молекулах  вещества, находящегося в дореакционном  состоянии. Этих сведений недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения вещества. Так, согласно структурным теориям должны быть вполне осуществимы многие химические реакции, которые на практике не происходят. Большое количество реакций органического  синтеза, основанных лишь на принципах  структурной химии, имеют столь  низкие выходы продукции и такие  большие отходы в виде побочных продуктов, что не могут быть использованы в  промышленности. К тому же подобный синтез требовал в качестве исходного  сырья дефицитных активных реагентов  и сельскохозяйственной продукции, в том числе и пищевой, что  крайне невыгодно в экономическом  отношении.

Поэтому изумление успехами структурной химии было недолгим. Интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики, приборостроения  в первой половине XX в. выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получить высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов способ решения основной проблемы химии, основанный на учении о составе и структурных теориях, был явно недостаточен. Он не учитывал резких изменений свойств вещества в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость протекания химических процессов. Учет и использование этих факторов вывело химию на новый качественный уровень ее развития.

Глава 3. Учение о химическом процессе

Под влиянием новых требований производства возникло учение о химических процессах, в котором учитывается  изменение свойств вещества под  влиянием температуры, давления, растворителей  и других факторов. После этого  химия становится наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, но и наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Благодаря этому она обеспечила создание производства синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных работах, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов. Производство искусственных волокон, каучу-ков, этилового спирта и многих растворителей стало базироваться на нефтяном сырье, а производство азотных удобрений — на основе азота воздуха. Появилась технология нефтехимических производств с ее поточными системами, обеспечивающими непрерывные высокопроизводительные процессы.

Так, еще в 1935 г. такие материалы, как кожа, меха, резина, волокна, моющие средства, олифа, лаки, уксусная кислота, этиловый спирт, производились всецело  из животного и растительного  сырья, в том числе из пищевого. На это расходовались десятки  миллионов тонн зерна, картофеля, жиров, сырой кожи и т.д. Но уже в 1960-е  гг. 100% технического спирта, 80% моющих средств, 90% олифы и лаков, 40% волокон, 70% каучука  и около 25% кожевенных материалов изготовлялись  на основе газового и нефтяного сырья. Помимо этого, химия дает ежегодно сотни  тысяч тонн мочевины и нефтяного  белка в качестве корма скоту  и около 200 млн. т удобрений.

Столь впечатляющие успехи были достигнуты на основе учения о  химических процессах — области  науки, в которой осуществлена наиболее глубокая интеграция физики, химии  и биологии. В основу данного учения положены химическая термодинамика  и кинетика, поэтому этот раздел науки в равной степени принадлежит  физике и химии. Одним из основоположников этого научного направления стал русский химик Н.Н. Семенов —  лауреат Нобелевской премии, основатель химической физики. Он в своей Нобелевской  лекции 1965 г. заявил, что химический процесс — это то основное явление, которое отличает химию от физики, делает ее более сложной наукой. Химический процесс становится первой ступенью при восхождении от таких  относительно простых физических объектов, как электрон, протон, атом, молекула, к сложным, многоуровневым живым  системам. Ведь любая клетка живого организма, по существу, представляет собой своеобразный сложный реактор. Поэтому химия становится мостом от объектов физики к объектам биологии.

Учение о химических процессах  базируется на идее, что способность  к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего  прочего и условиями протекания химических реакций. Эти условия  могут оказывать воздействие  на характер и результаты химических реакций.

Подавляющее большинство  химических реакций находится во власти стихии. Конечно, есть реакции, которые не требуют особых средств  управления или особых условий. Таковы всем известные реакции кислотно-основного  взаимодействия (нейтрализации). Однако подавляющее большинство реакций являются трудно контролируемыми. Есть реакции, которые просто не удается осуществить, хотя они в принципе осуществимы. Существуют реакции, которые трудно остановить: горения и взрывы. И, наконец, встречаются реакции, которые трудно ввести в одно желательное русло, так как они самопроизвольно создают десятки непредвиденных ответвлений с образованием сотен побочных продуктов. Поэтому важнейшей задачей для химиков становится умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов.

В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические  и кинетические. Термодинамические методы влияют на смещение химического равновесия реакции. Кинетические методы влияют на скорость протекания химической реакции.

Выделение химической термодинамики  в самостоятельное направление  обычно связывают с появлением в 1884 г. книги голландского химика Я. Вант-Гоффа  «Очерки по химической динамике». В  ней обоснованы законы, устанавливающие  зависимость направления химической реакции от изменения температуры  и теплового эффекта реакции. Энергетика химических процессов тесно  связана с законами термодинамики. Химические реакции, протекающие с  выделением энергии, называются экзотермическими реакциями. В них энергия высвобождается одновременно с уменьшением внутренней энергии системы. Существуют также эндотермические реакции, протекающие с поглощением энергии. В этих реакциях идет повышение внутренней энергии системы за счет притока тепла. Измеряя количество энергии, выделяющейся при реакции (тепловой эффект химической реакции), можно судить об изменении внутренней энергии системы.

Тогда же французский химик  А. Ле-Шателье сформулировал свой знаменитый принцип подвижного равновесия, вооружив химиков методами смещения равновесия в сторону образования  целевых продуктов. Эти методы управления и получили название термодинамических  методов.

Каждая химическая реакция  в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или  иную сторону. Это зависит как  от природы реагентов, так и от условий протекания процесса. Существует много реакций, равновесие в которых  смещено в сторону образования  конечных продуктов: к ним относятся  реакция нейтрализации, реакции  с удалением готовых продуктов  в виде газов или осадков.

Однако существует немало химических реакций, равновесие в которых  смещено влево, в сторону образования  исходных веществ. Чтобы их осуществить, требуются особые термодинамические  рычаги — увеличение температуры  и давления (если реакция происходит в газовой фазе), а также концентрации реагирующих веществ (если реакция протекает в жидкой фазе).

Термодинамические методы преимущественно  влияют на направление химических процессов, а не на их скорость. Управлением  скоростью химических процессов  занимается химическая кинетика, в  которой изучается зависимость  протекания химических процессов от различных структурно-кинетических факторов — строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материала  и конструкции реактора и т.п.

Задача исследования химических реакций является очень сложной. Ведь при ее решении необходимо выяснить механизм взаимодействия не просто двух реагентов, а еще и «третьих тел», которых может быть несколько. В этом случае наиболее целесообразно поэтапное решение, при котором вначале выделяется наиболее сильное действие какого-нибудь одного из «третьих тел», чаще всего катализатора.

Кроме того, следует понять, что практически все химические реакции представляют собой отнюдь не простое взаимодействие исходных реагентов, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют  не только друг с другом, но и со стенками реактора, могущими как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс.

Также на интенсивность химических процессов оказывают влияние  случайные примеси. Вещества различной  степени чистоты проявляют себя в одних случаях как более  активные реагенты, а в других —  как инертные. Примеси могут оказывать  как каталитическое, так и ингибирующее воздействие. Поэтому для управления химическим процессом в реагирующие  вещества вносятся те или иные добавки.

Таким образом, влияние «третьих тел» на ход химических реакций может  быть сведено к катализу, т.е. положительному воздействию на химический процесс, или ингибированию, сдерживающему  процесс.

Как уже отмечалось выше, способность химических элементов  к взаимосвязи определяется не только их молекулярной структурой, но и условиями, при которых происходит соединение. Эти условия оказывают воздействие  на результат химических реакций. Наибольшее воздействие испытывают при этом вещества с переменным составом, у  которых связи между отдельными компонентами слабее. Именно на реакцию  таких веществ оказывают сильное  влияние различные катализаторы.

Катализ — ускорение химической реакции в присутствии особых веществ — катализаторов, которые  взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечных продуктов. Катализ был открыт в 1812 г. русским химиком К.С. Кирхгофом. Каталитические процессы различаются по своей физической и химической природе на следующие типы:

• гетерогенный катализ — химическая реакция взаимодействия жидких или газообразных реагентов идет на поверхности твердого катализатора;
• гомогенный катализ — химическая реакция идет либо в газовой смеси, либо в жидкости, где растворены как катализатор, так и реагенты;
• электрокатализ — реакция идет на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока;
• фотокатализ — реакция идет на поверхности твердого тела или в жидком растворе и стимулируется энергией поглощенного излучения.