Концепції структури хімічних сполук
Характер будь-якої системи, як відомо, залежить не тільки від складу і будови елементів, але і від їх взаємодії. Саме така взаємодія визначає специфічні властивості цілісної системи. Тому при дослідженні різноманітних речовин і їх реакційної здатності хімікам доводилося займатися і вивченням їх структури. При цьому відповідно до рівня досягнутих знань змінювалися й уявлення про хімічну структуру речовини. І хоча у цьому напрямі хімії існували різні концепції і вчені по-різному тлумачили характер взаємодії між елементами хімічних систем, проте всі вони підкреслювали, що цілісні властивості цих систем визначаються саме специфічними особливостями взаємодії між елементами.
Сам термін «структурна хімія» - поняття умовне. У ньому перш за все мається на увазі такий рівень хімічних знань, при якому, комбінуючи атоми різних хімічних елементів, можна створити структурні формули будь-якої хімічної сполуки.Виникнення структурної хімії означало, що з'явилася можливість для цілеспрямованого якісного перетворення речовин, для створення схеми синтезу будь-якої хімічної сполуки, у тому числі і раніше невідомої.
Багато у чому розвиток цього напряму у хімії пов'язаний з теорією хімічної будови органічних сполук російського хіміка Олександра Михайловича Бутлерова. Його теорія дозволяла будувати структурні формули будь-якої хімічної сполуки, оскільки показувала взаємний вплив атомів у структурі молекули і, таким чином, пояснювала хімічну активність одних речовин і пасивність інших. Теорія хімічної будови органічних сполук Бутлерова змогла стати для хіміків практичним керівництвом зі синтезу органічних речовин. Виникнення цієї теорії дозволило перетворити хімію з науки аналітичної, такої, що займається вивченням складу готових речовин, у науку переважно синтетичну, здатну створювати нові речовини і нові матеріали.
|
|
|
Ця теорія наочно демонструє валентність хімічних елементів як число одиниць спорідненості, властивих даному атому =С=; -N=; -О-, Н-. Комбінуючи атоми різних хімічних елементів з їх одиницями спорідненості, можна створити структурні формули будь-якої хімічної сполуки. А це означає, що хімік, у принципі, може створювати план синтезування будь-якої хімічної сполуки, як уже відомої, так і ще невідомої, прогнозувати можливість отримання невідомої сполуки і перевіряти свій прогноз її синтезуванням.
У результаті у хіміків з'явився не тільки ентузіазм, але й упевненість у позитивному результаті експериментів у галузі органічного синтезу. Сам термін «органічний синтез» виник у 60 - 80-ті роки минулого століття. Він став початком цілої галузі науки, названої так на противагу загальному захопленню аналізом природних речовин. Цей період у хімії був названий тріумфальним ходом органічного синтезу. Хіміки гордо заявляли про свої нічим не обмежені можливості, обіцяючи синтезувати з вугілля, води і повітря всі найскладніші речовини, аж до білків, гормонів і алкалоїдів. І дійсність, здавалося, підтвердила ці заяви: протягом другої половини XIX століття число вивчених органічних сполук за рахунок знов синтезованих зросло з півмільйона приблизно до двох мільйонів.
|
|
|
Але справа у тому, що структурна хімія обмежена рамками даних тільки про молекули речовини, що знаходяться у дореакційному стані. Цих даних недостатньо для того, щоб керувати процесами перетворення речовини. Так, згідно із структурними теоріями повинні бути цілком здійсненнимибагато реакцій, які практично не відбуваються. Велика кількість реакцій органічного синтезу, що базуються лише на принципах структурної хімії, має такі низькі виходи продукції і такі великі відходи у вигляді побічних продуктів, що не може бути використана у промисловості. До того ж такий синтез вимагав як початкову сировину дефіцитних активних реагентів і сільськогосподарської продукції, у тому числі і харчової, що вкрай невигідно в економічному відношенні.
|
|
|
Проте сучасна структурна хімія досягла значних результатів: велика частина лікарських препаратів - це продукти органічного синтезу. Одним з її досягнень є відкриття абсолютно нового класу металоорганічних сполук, які за свою двошарову структуру одержали назву «сендвічевих сполук». Молекула цієї речовини є двома пластинами із сполук водню і вуглецю, між якими знаходиться атом якогось металу.
Дослідження у галузі сучасної структурної хімії проводяться за двома основними перспективними напрямами:
- синтез кристалів з кристалічною структурою, максимально наближеною до ідеальної, для отримання матеріалів із високими технічними показниками: максимальною міцністю, термічною стійкістю, довговічністю при експлуатації та ін.;
- створення кристалів з наперед запрограмованими дефектами для виробництва матеріалів із заданими електричними, магнітними та іншими властивостями.
Вирішення кожної проблеми має свої труднощі. Так, у першому випадку необхідне дотримання таких умов вирощування кристалів, які виключали б дію на цей процес зовнішніх чинників, у тому числі і поля гравітації (земного тяжіння). Тому такі кристали вирощують на орбітальних станціях у космосі. Вирішення другої проблеми утруднене тим, що разом із запрограмованими дефектами практично завжди утворюються і небажані.
|
|
|
Вчення про хімічні процеси
Здатність до взаємодії різних хімічних реагентів визначається, крім усього іншого, і умовами перебігу хімічних реакцій. Ці умови можуть впливати на характер і результат хімічних реакцій. Найбільш залежними від умов проходження реакції виявляються сполуки змінного складу з ослабленими зв'язками між їх компонентами. Саме на них у першу чергу спрямована дія різних каталізаторів, які значно прискорюють хід хімічних реакцій.
Одним з основоположників цього напрямку у хімії став російський хімік Н.Н. Семенов - лауреат Нобелівської премії, засновник хімічної фізики. У своїй Нобелівській лекції 1965 р. він заявив, що хімічний процес – це те основне явище, яке відрізняє хімію від фізики і робить її більш складною наукою. Хімічний процес стає першою сходинкою при сходженні від таких відносно простих фізичних об'єктів, як електрон, протон, атом, молекула, до живої системи, тому що будь-яка клітина живого організму, по суті, є своєрідним складним реактором. Це міст від об'єктів фізики до об'єктів біології.
Переважна більшість хімічних реакцій є нестійкими. Їх важко контролювати: в одних випадках їх просто не вдається здійснити, хоча вони принципово можливі, в інших - важко зупинити, наприклад, горіння і вибухи, у третіх випадках їх важко ввести в одне бажане русло, оскільки вони мимовільно створюють десятки непередбачених відгалужень з утворенням сотень побічних продуктів. У найзагальнішому вигляді методи керування хімічними процесами можна розділити на термодинамічні і кінетичні, а серед останніх провідну роль відіграють каталітичні методи.
Виділення хімічної термодинаміки у самостійний напрям вчення про хімічні процеси, звичайно, пов'язують із появою у 1884 р. книги «Нариси з хімічної динаміки» голландського хіміка Я. Вант-Гоффа. У ній обґрунтовані закони, що встановлюють залежність напряму хімічної реакції від зміни температури і теплового ефекту реакції. Тоді ж Ле-Шательє сформулював свій «принцип рухомої рівноваги», озброївши хіміків методами зміщення рівноваги у бік утворення цільових продуктів. Основними важелями керування реакцією є: температура, тиск (якщо реакція відбувається у газовій фазі) і концентрація реагуючих речовин (якщо реакція відбувається у рідкій фазі).
Кожна хімічна реакція, у принципі, оборотна, але на практиці рівновага зміщується в той або інший бік, що залежить як від природи реагентів, так і від умов процесу. Є реакції, які не вимагають особливих засобів керування: кислотно-основна взаємодія (нейтралізація), реакції, що супроводжуються видаленням готових продуктів або у вигляді газів, або у формі осадів. Але існує немало реакцій, рівновага яких зміщена вліво, до початкових речовин. Щоб їх здійснити, необхідні особливі термодинамічні важелі - збільшення температури, тиску і концентрації реагуючих речовин.
Термодинамічна дія впливає переважно на спрямованість хімічних процесів, а не на їх швидкість. Керуванням швидкістю хімічних процесів займається хімічна кінетика, в якій вивчається залежність перебігу хімічних процесів від різних структурно-кінетичних чинників: будови початкових реагентів, їх концентрації, наявності у реакторі каталізаторів та інших домішок, способів змішування реагентів, матеріалу і конструкції реактора і т.ін.
Завдання дослідження хімічних реакцій є виключно складним. Адже при його вирішенні необхідно з'ясувати механізм взаємодії не просто двох реагентів, а ще і «третіх тіл», яких може бути декілька. У цьому випадку найдоцільніше поетапне вирішення, при якому спочатку виділяється найбільш сильна дія будь-якого одного з «третіх тіл», найчастіше всього каталізатора.
Слід розуміти, що практично всі хімічні реакції є не простою взаємодією початкових реагентів, а складними ланцюгами послідовних стадій, де реагенти взаємодіють не тільки один з одним, але і зі стінками реактора, які можуть як каталізувати (прискорювати), так і інгібувати (уповільнювати) процес.
Досліди показують, що на інтенсивність хімічних процесів впливають також випадкові домішки. Речовини різного ступеня чистоти проявляють себе в одних випадках як активні реагенти, в інших - як інертні. Домішки можуть здійснювати як каталітичну, так і інгібовану дію. Тому для керування хімічним процесом у речовини, що реагують, вносять ті або інші домішки.
Таким чином, вплив «третіх тіл» на хід хімічних реакцій може бути зведений до каталізу, тобто позитивної дії на хімічний процес або до інгібування, тобто впливу, що стримує процес.
Каталіз у хімії робить справжні чудеса. Приклад цього -реакція синтезу аміаку. До 1913 р. її взагалі не могли провести. Тільки після того, як був винайдений каталізатор, цю реакцію вдалося здійснити при високій температурі і тиску. Але вона була технологічно дуже складною і небезпечною. На цей час відкриті умови, що дозволяють проводити її з використанням металоорганічних каталізаторів при нормальному тиску і кімнатній температурі.
Застосування каталізаторів стало основою докорінної перебудови всієї хімічної промисловості. Дякуючи їм, стало можливим увести в дію як сировину для органічного синтезу парафіну і циклопарафіну, що до цього часу вважалися хімічно неактивними. Каталіз є основою виробництва маргарину, багатьох харчових продуктів, а також засобів захисту рослин. Майже вся промисловість основної хімії (виробництво неорганічних кислот, основ і солей) і “важкого” органічного синтезу, враховуючи отримання паливно-мастильних матеріалів, базується на каталізі. Останнім часом тонкий органічний синтез також стає все більш каталітичним. 60 - 80 відсотків усієї хімії ґрунтується на каталітичних процесах. Хіміки небезпідставно говорять, що некаталітичних процесів у природі взагалі не існує, оскільки всі вони відбуваються у реакторах, матеріал стінок яких є своєрідним каталізатором. Але сам каталіз довгий час залишався загадкою природи, породжуючи найрізноманітніші теорії як чисто хімічні, так і фізичні.
Ці теорії, навіть будучи помилковими, виявлялися корисними хоча б тому, що підштовхували дослідників до нових експериментів. Адже для більшості промислово важливих хімічних процесів каталізатори підбиралися шляхом незліченних проб і помилок. Так, наприклад, для проведення вищезгаданої реакції синтезу аміаку у 1913 - 1914 роках німецькі хіміки випробували як каталізатор більше 20 тисяч хімічних сполук, використовуючи як елементи періодичної системи, так і різні їх поєднання.
Сьогодні можна зробити деякі висновки про суть каталізу:
1 Реагенти вступають у контакт з каталізатором і взаємодіють з ним, внаслідок цього відбувається ослаблення хімічних зв'язків.
Якщо ж реакцію проводять за відсутності каталізатора, то активація молекул реагуючих речовин повинна відбуватися за рахунок подачі у реактор енергії ззовні.
2 У загальному випадку будь-яку каталітичну реакцію можна подати як таку, що відбуваються через проміжний комплекс, в якому відбувається перерозподіл ослаблених хімічних зв'язків.
3 У переважній більшості випадків як каталізатори виступають сполуки бертолідного типу - речовини змінного складу, що відрізняються наявністю в них ослаблених хімічних зв'язків або навіть вільних валентностей. Це забезпечує їх високу хімічну активність. Такі молекули містять широкий набір енергетично неоднорідних зв'язків або навіть вільні атоми на поверхні.
4 Наслідком взаємодії реагентів з каталізатором є хід реакції у заданому напрямі; збільшення швидкості реакції, оскільки на поверхні каталізатора збільшується число зіштовхувань реагуючих молекул; відбір каталізатором деякої частини енергії екзотермічної реакції енергетичного підживлення все нових актів реакції і її загального прискорення.
На сучасному етапі свого розвитку вчення про хімічні процеси займається вивченням хімії плазми, радіаційної хімії, хімії високих тисків і температур.
Хімія плазми вивчає хімічні процеси в низькотемпературній плазмі (плазма - це іонізований газ). Вона досліджує перебіг хімічних реакцій при температурах від 1000 до 10000 0С. Такі процеси характеризуються збудженим станом частинок, зіткненнями молекул із зарядженими частинками і дуже високими швидкостями реакцій.
У плазмохімічних процесах швидкість перерозподілу хімічних зв'язків дуже висока: тривалість елементарних актів хімічних перетворень становить 10-13 с при повній відсутності оборотності реакції. Швидкість цих хімічних процесів у звичайних реакторах внаслідок їх оборотності знижується у тисячі разів. Тому плазмохімічні процеси дуже продуктивні.
Плазмова хімія останнім часом усе більше впроваджується у промислове виробництво. Вже створені технології виробництва сировини для порошкової металургії, розроблені методи синтезу для цілого ряду хімічних сполук. У 70-х роках XX ст. були створені плазмові сталеплавильні печі, що дозволяють одержувати дуже високоякісні метали. Розроблені методи іонно-плазмової обробки поверхні інструментів, зносостійкість яких збільшується у кілька разів.
Плазмохімія дозволяє синтезувати раніше невідомі матеріали, такі, як металобетон, у якому як зв’язуючийелемент використовуються різні метали. При сплавленні частинок гірської породи з металом утворюється металобетон, який перевершує за своїми якостями звичайний бетон у десятки і сотні разів.
Одним із наймолодших напрямків у дослідженні хімічних процесів є радіаційна хімія, яка зародилася у другій половині XX сторіччя. Предметом її розроблень стали перетворення найрізноманітніших речовин під впливом іонізуючих випромінювань. Джерелами іонізуючого випромінювання є рентгенівські установки, прискорювачі заряджених частинок, ядерні реактори, радіоактивні ізотопи. У результаті радіаційно-хімічних реакцій речовини одержують підвищені термостійкість і твердість.
Найбільш важливими процесами радіаційно-хімічної технології є полімеризація, вулканізація, виробництво композиційних матеріалів, зокрема, отримання полімербетонів шляхом просочення звичайного бетону яким-небудь полімером із подальшим опромінюванням. Такі бетони мають у 4 рази вищу міцність, ніж звичайні, вони водонепроникні і відзначаються високою корозійною стійкістю.
Сьогодні також принципово новою і виключно важливою галуззю вчення про хімічні процеси є високотемпературний синтез тугоплавких і керамічних матеріалів, що саморозповсюджується. Як правило, їх виробництво здійснюється методом порошкової металургії, суть якого полягає у пресуванні і стисненні при високій температурі (1200 – 2000 0С) металевих порошків. Синтез, що саморозповсюджується, є набагато простішим, оскільки базується на реакції горіння одного металу в іншому, або металу в азоті, вуглеці тощо.
Сьогодні абсолютно точно відомо, що процес горіння є поєднанням кисню з горючою речовиною. У хімії прийнято вважати горіння реакцією окислення горючої речовини, що означає переміщення електронів атомів горючого тіла до атомів кисню. З цієї точки зору горіння можливо не тільки у кисні, але і в інших окислювачах. На цьому ефекті і ґрунтується високотемпературний синтез, що саморозповсюджується. Це тепловий процес горіння у твердих тілах. Прикладом є горіння порошку титану у порошку бору або порошку цирконію у порошку кремнію. У результаті такого синтезу отримані сотні тугоплавких сполук найвищої якості.
Еволюційна хімія
До 50 - 60-х рр. XX cт. про еволюційну хімію нічого не було відомо. На відміну від біологів, які вимушені були використовувати еволюційну теорію Дарвіна для пояснення походження численних видів рослин і тварин, хіміків питання про походження речовини не хвилювало, тому що отримання будь-якої нової хімічної речовини завжди було справою рук і розуму людини: молекула нової хімічної сполуки конструювалася за законами структурної хімії з атомів і атомних груп як будівля з цегли. Живі ж організми з блоків зібрати неможливо.
Виникненню еволюційної хімії сприяли дослідження у сфері моделювання біокаталізаторів. Штучний вибір каталітичних структур орієнтувався на здійснювану природою еволюцію від неорганічної хімії до живих систем. Іншою підставою розвитку досліджень у галузі еволюційної хімії є реальні досягнення «нестаціонарної кінетики».
У результаті цих досягнень у хіміків з'явилася можливість вирішувати еволюційні проблеми стосовно своїх об'єктів. Це проблеми мимовільного (без участі людини) синтезу нових хімічних сполук, які є більш високоорганізованими продуктами у порівнянні з початковими речовинами. Тому еволюційну хімію вважають передбіологією - наукою про самоорганізацію і саморозвиток хімічних систем.
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 548; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!