Структурная химия и учение о химических процессах. Взаимосвязь химии и физики

5 Янв 2015 | Автор: | Комментариев нет »

"Структурная химия" — понятие условное. Речь идет об уровне развития химических знаний, при котором главенст­вующую роль играет понятие "структура", а именно — структу­ра молекулы реагента, в том числе макромолекулы или моно­кристалла. Структура — это устойчивая упорядоченность каче­ственно неизменной системы, каковой является молекула".

С возникновением структурной химии появился мощный инструмент целенаправленного качественного преобразования веществ. В свое время на химиков оказала влияние теория ва­лентности Ф.А. Кекуле и присущий его формулам схематизм. Они наталкивали исследователей на попытки синтеза самых разнообразных веществ путем комбинирования всевозможных органических радикалов и бирадикалов типа СН, СН2, СОН, СНз и т. д., которые можно было получить посредством преоб­разования соответствующих молекул. Теория химического строения А.М. Бутлерова способствовала активным действиям химиков в этом направлении.

В 1860 - 1880-е гг. появился термин "органический синтез" В это время были синтезированы на основе простейших угле­водов из каменноугольной смолы и аммиака анилиновые кра­сители — фуксин, анилиновая соль, ализарин. Затем получены индиго, флавоны и ксантоны; взрывчатые вещества — тринитро­толуол, тринитрофенол, лекарственные препараты — уротропин, аспирин, фенацетин, антифебрин, салол и др. Это был период триумфального шествия органического синтеза.

Однако сведений только о молекулах вещества, находящего­ся в дореакционном состоянии, которые давала структурная химия, оказалось недостаточно для того, чтобы управлять про­цессами превращения веществ. Структурная химия не смогла указать пути получения этилена, ацетилена, бензола, дифинила и других диеновых углеводородов с цепочкой С = С — С = С из парафиновых углеводородов, хотя все эти процессы состав­ляют основу нефтехимического производства и их оказалось легко осуществить посредством химической кинетики и термодинамики. Производство, основанное на базе органического синтеза, имело очень низкие выходы продуктов и очень боль­шие побочные отходы, кроме синтеза азокрасителей и взрывча­тых веществ.

Кроме того, для производства на основе органического син­теза использовалось дорогостоящее сырье сельскохозяйствен­ного производства - зерно, жиры, молочные продукты.

Относительно недавно был открыт новый класс металлоор-ганических соединений, которые за их двухслойную структуру получили название "сэндвичевых соединений". Эта молекула представляет собой две пластины из соединений водорода и уг­лерода, между которыми находится атом какого-либо металла. Практического применения данные соединения пока не имеют, но они сыграли важную роль в пересмотре представлений о ва­лентности и химической связи. Их можно рассматривать как наглядную демонстрацию наличия у молекул единой системы электронно-ядерного взаимодействия.

Проблемы структурной неорганической химии - это, по суще­ству, проблемы химии твердого тела. В широком смысле их две: поиск путей синтеза кристаллов максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокой механи­ческой прочностью, термостойкостью и долговечностью в экс­плуатации и создание методов получения кристаллов, содержащих запроектированные дефекты решетки, чтобы получить материалы с заданными электрофизическими и оптическими свойствами.

Каждая из названных проблем имеет свои сложности. Для решения первой необходимо соблюдение таких условий выра­щивания кристаллов, которые исключали бы воздействие на процесс всех внешних факторов, в том числе поле гравитации, т. е. земное притяжение. Поэтому данные кристаллы выращи­вают на орбитальных станциях в космосе. Решение второй про­блемы затруднено тем, что наряду с запроектированными дефек­тами практически всегда образуются и непроизвольные. Для их устранения применяются различные структурирующие добавки подобно тому, как это делается при легировании сталей.

Учение о химических процессах — такая область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. Поскольку в основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, которые тра­диционно относятся к физической химии, все учение о химиче­ских процессах в равной мере относят и к химии, и к физике.

Подавляющее большинство химических реакций трудно управляемые. Одни из них пока не удается осуществить, хотя в принципе они выполнимы. Другие сложно остановить, напри­мер, реакция горения и взрывы. Третьи очень трудно управ­ляемы, так как самопроизвольно создают множество непредви­денных ответвлений с образованием массы побочных продук­тов. Методы управления химическими процессами подразделя­ются на термодинамические и кинетические, при которых ве­дущую роль играют те или иные катализаторы.

Каждая химическая реакция обратима и представляет собой перераспределение химических связей. Обратимость служит ос­нованием равновесия между прямой и обратимой реакциями. Од­нако на практике равновесие смещается в ту или иную сторону, в зависимости от природы реагентов и условии процесса. Реакции, в которых равновесие смещено "вправо", в сторону образования це­левых продуктов, как правило, не требуют особых средств управ­ления. Таковы реакции кислотно-основного взаимодействия, или нейтрализации, а также реакции, сопровождающиеся удалением готовых продуктов в виде газов или в форме осадков. Например, нерастворимого сернокислого бария в реакции: BaCLj + K2SO4 - BaSO4 + 2KCL.

Однако немало реакций идет со смещением равновесия "влево". Для их осуществления требуется особое термодинами­ческое управление. Такова, в частности, реакция синтеза ам­миака из элементов:

N2 + ЗН2 ** NH3,

Эта реакция очень проста с точки зрения состава и структу­ры исходных веществ. Но с 1813 по 1913 гг., т. е. на протяже­нии столетия, она не могла быть осуществлена, так как хи­мики не знали способов управления ею. И только открытие Я.Х. Вавт-Гоффа и АЛ. Ле Шателье позволило добиться успеха. Было установлено, что синтез аммиака происходит на поверх­ности твердого катализатора при сдвиге равновесия вправо ча счет применения высоких давлений.

Но термодинамические методы позволяют управлять хими­ческими процессами только при их направленности в прямую или обратную сторону. Термодинамика не оперирует понятием времени. Функции управления скоростью химических процес­сов выполняет химическая кинетика. Она устанавливает зави­симость хода химических процессов от множества структурно-кинетических факторов: строения исходных реагентов, их кон­центрации, наличия в реакторе катализаторов и других доба­вок; способов смешения реагентов; материала и конструкции реактора и т. д. Эти проблемы на современном уровне знаний решает химия.

Здесь вы можете написать комментарий

* Обязательные для заполнения поля
Все отзывы проходят модерацию.
Навигация
Связаться с нами
Наши контакты

vadimmax1976@mail.ru

8-908-07-32-118

8-902-89-18-220

О сайте

Magref.ru - один из немногих образовательных сайтов рунета, поставивший перед собой цель не только продавать, но делиться информацией. Мы готовы к активному сотрудничеству!