КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ ХИМИИ

Лекция 7

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ ХИМИИ

Ø По одной версии слово «хеми» означает «Египет», а также «черный»→ «египетское искусство» → т.е. искусство производить… Ø По другой версии – в основе греческое слово «химос», которое…  

T t

H2CO3 + MgO = MgCO3 + H2O, или Ba(OH)2 = BaO + H2O

Термодинамическое воздействие влияет только на направление химического процесса, а не на его скорость.

· Кинетические условия (строение исходных реагентов, их концентрация, наличие катализаторов или ингибиторов и т.п.) - влияют на скорость химических процессов.

В большинстве случаев на скорость химических реакций влияют катализаторы(ускоряют процесс) или ингибиторы (замедляют процесс). Сами эти вещества хотя и участвуют в реакции, но в конце ее выделяются в неизменном виде.

 

Например, реакция разложения бертолетовой соли, или взаимодействие аммиака с кислородом:

MnO2 Pt

KClO3 = 2KCl + 3O2, или 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

 

Суть катализа в том, что сначала:

Ø Реагирующие вещества вступают в контакт с катализатором, взаимодействуют с ним, в результате чего происходит ослабление химических связей;

Ø Затем происходит перераспределение ослабленных химических связей в результате чего получаются новые вещества, а катализатор выходит из реакции в таком же состояние, как и до неё;

Ø Следствием взаимодействия реагентов с катализатором является увеличение скорости реакции, так как на поверхности катализатора молекулы реагирующих веществ чаще встречаются.

 

На современном этапе в рамках учения о химических процессах разрабатывается целый ряд актуальных вопросов. Это

¨ Химия плазмы.

Изучает химические процессы в низкотемпературной плазме (плазма – это ионизированный газ). Такие реакции происходят с огромной скоростью (10^-13 сек) при температуре от 1000 до 10 000 ⁰С. Производительность плазмохимических процессов очень высока.

Сейчас химия плазмы внедряется и в промышленное производство – уже созданы плазменные сталеплавильные печи, позволяющие получать самые высококачественные металлы. Плазмохимия позволяет синтезировать новые ранее неизвестные материалы, такие как металлобетон, превосходящий по своим техническим качествам обычный бетон в десятки и сотни раз.

¨ Радиационная химия.

Изучает превращения самых разных веществ под воздействием ионизирующих излучений. Источниками этих излучений служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц и ядерные реакторы. В результате радиационно-химических реакций вещества получают повышенную термостойкость и твердость.

Наиболее важными направлениями радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов (полимербетон – в 4 раза более прочный, водонепроницаемый, устойчив к коррозии).

¨ Химия высоких давлений и температур.

Основная цель этого направления – высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Это производство основано на реакциях горения одного металла в другом, или металла в азоте, углероде и т.п.

Горение – это реакция окисления. Горение возможно не только в кислороде, но и в других окислителях. Таким образом, происходит горение порошка титана в порошке бора, или порошка циркония в порошке кремния. В результате таких реакций получают тугоплавкие соединения самого высокого качества.

 

5. Проблемы эволюционной химии.

До 50 – 60-х годов ХХ века об эволюционной химии еще ничего не было известно. Химиков вопрос о происхождении вещества не волновал, т.к. получение любого нового химического соединения было делом рук и разума человека. Молекулу нового вещества можно построить по законам структурной химии из атомов, как здание из кирпичей.

Возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области биокатализаторов (химия ферментов). В этом случае искусственный выбор катализаторов ориентировался на естественную, происходящую в природе эволюцию от неорганических веществ к живым системам.

 

Сейчас эволюционная химия решает проблемы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

Эволюционная химия – это наука о самоорганизации и саморазвитии

химических систем.

 

В процессе самоорганизации живых систем происходил определенный отбор химических элементов:

· Из всех химических элементов на Земле наиболее распространены О и Н, а в космосе Н и Не.

· В настоящее время насчитывается около 8 млн. химических соединений. Из них 96% - органические. Они состоят из 6 - 18 элементов.

Из остальных 95 элементов природа создала только 300 тыс. неорганических соединений.

· Основу всех органических соединений, а следовательно, и всех живых систем составляют 6 элементов (органогенов). Это C, H, O, N, P и S. Их общая доля в организме – более 97%.

· За ними следуют 11 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем. Это Na, K, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn и Co. Их общая доля в организме – 1,6%.

· Еще 20 элементов участвуют в построении и функционировании отдельных узкоспециализированных биосистем. Их суммарная доля – 1%.

· Все остальные элементы в построении биосистем практически не участвуют.

Определяющими критериями в отборе химических элементов при формировании биологических систем являются:

Ø Способность образовывать прочные и энергоёмкие химические связи;

Ø Эти химические связи должны быть лабильны (т.е. способны к образованию новых разнообразных связей).

è Элемент № 1 – это углерод (С). Он лучше других элементов соответствует этим критериям.

В настоящее время все процессы, происходящие в живом организме можно изложить на языке химии, в виде конкретных химических процессов.

 

Химическая промышленность

В основе всей химической промышленности лежит прикладная научная дисциплина – химическая технология. Она изучает процессы, методы и средства переработки сырья в конечный химический продукт.

Химические технологии классифицируются:

¨ по сырью (технология нефти, пластмасс и т.д.);

¨ по виду товара (технология удобрений, красителей и т.п.);

¨ по группам элементов (технология щелочных металлов, технология тяжелых металлов и т.п.);

¨ по типам химических процессов (технология хлорирования и др.).

Химическая технология является научной базой химической промышленности.

 

Химическая промышленность включает в себя ряд специализированных отраслей. Они подразделяются на собственно химическую промышленность и нефтехимическую промышленность.

 

К собственно химической промышленности относятся:

Ø Основная химия;

Ø Горнохимическая промышленность;

Ø Промышленность химических волокон;

Ø Промышленность синтетических смол и пластических масс;

Ø Промышленность пластмассовых изделий;

Ø Лакокрасочная промышленность;

Ø Промышленность химических реактивов и особо чистых веществ;

Ø Промышленность синтетических красителей;

Ø Химико-фотографическая промышленность;

Ø Промышленность бытовой химии.

 

В нефтехимическую промышленность входят:

Ø Производство синтетического каучука;

Ø Производство продуктов основного органического синтеза;

Ø Сажевая промышленность;

Ø Резиноасбестовая промышленность.

 

Взаимосвязь химии с физикой

Физика и химия изучают практически одни и те же объекты, но только каждая из них видит в этих объектах свою сторону, свой предмет изучения.

Физика и химия вместе изучают:

¨ природу химической связи и особенности строения молекул органических и неорганических веществ.

¨ энергетику химических процессов, тесно связанную с законами термодинамики;

В конце XIX века возникла новая наука – физическая химия. Теоретической базой для неё послужили работы Д.И. Менделеева (открытие периодического закона), Вант-Гоффа (термодинамика химических процессов), С. Аррениуса (теория электролитической диссоциации) и т.д. Она изучает общетеоретические вопросы:

· Строение и свойства молекул химических соединений;

· Процессы превращения веществ, обусловленные их физическими свойствами;

· Условия протекания химических реакций и происходящие при этом физические явления.

Внутри физической химии к настоящему времени выделились самостоятельные разделы: это электрохимия, учение о растворах, фотохимия, кристаллохимия, коллоидная химия, радиационная химия, химия изотопов.

В первой половине ХХ века возникла еще одна пограничная наука – химическая физика. Она изучает взаимосвязь и взаимопереход химической и субатомной форм движения материи.

 

Взаимосвязь химии с биологией

Взаимосвязь химии с биологией изначально основывалась на давней мечте химиков – создании в лабораторных условиях живого организма. У химиков имелись и образцы для подражания – различные вещества растительного и животного происхождения. Химики всегда хотели не только подражать природе, но и превзойти её. И сегодня это во многом удалось.

С точки зрения химии, все процессы, происходящие в живом организме, можно представить в виде целого ряда сравнительно простых химических реакций. То есть в самой основе всех функций живого лежат химические механизмы. Поэтому, именно химии принадлежит ведущая роль в изучении многих биологических процессов:

¨ Химия выявила роль хлорофилла в процессе фотосинтеза;

¨ Установила функции гемоглобина в процессе дыхания;

¨ Изучила химическую природу передачи нервного возбуждения;

¨ Определила природу нуклеиновых кислот.

 

На стыке биологии и химии возникли отдельные науки:

Биохимия– наука об обмене веществ и химических процессах в живых организмах.

Биоорганическая химия – наука о строении, функциях и путях синтеза

соединений, составляющих живые организмы.

Физикохимическая биология – наука о функционировании сложных систем

передачи информации и регулировании биологических процессов на молекулярном уровне.