Учение о химических процессах кратко

Обновлено: 06.07.2024

Физическая химия занимается объяснением сущности химических явлений и установлением их общих закономерностей на основе физических (особенно микрофизических) принципов и экспериментальных данных.

Физическая химия включает квантовую химию, электрохимию, химическую термодинамику, химическую кинетику. Кроме того, в нее иногда включают коллоидную химию [раз так, то логично было бы включить нанохимию и химию суператомов, которые на сайте объединены в рамках нековалентной химии]. Так же здесь отдельно выделена химия атомов со сверхтяжелыми ядрами (химия сверхтяжелых атомов).

Основное различие между физической химией и химической физикой:

(Один из источников экспресс-обзоров на этой странице - Википедия).

Разделы страницы о физической химии:

Общие ресурсы по физической химии
Химическая кинетика и образование молекул (какое вещество образуется и как быстро)
Химическая термодинамика (сколько тепла при этом выделится или поглотится)
Звукохимия (какие реакции возникают в веществах при прохождении звука)
Электрохимия (какие реакции возникают в веществах при протекании тока)
Структурная химия, или стереохимия (какую структуру имеют молекулы данного вещества)
Коллоидная химия (какие явления происходят в смесях и на стыке нереагируемых веществ) (как меняются свойства вещества с разными межмолекулярными структурами)
Химия суператомов (какие реакции идут с молекулярными псевдоатомами)
Химия сверхтяжелых атомов (какие химические свойства у атомов со сверхтяжелыми ядрами)
Квантовая химия (как поможет квантовая механика в химических исследованиях)
Химия высоких энергий (какие химические реакции возникают при нетепловом энергетическом вохдействии)
Необычные (нехимические) соединения атомов

Химия супрамолекулярная (или надмолекулярная, нековалентная) химия вынесена в независимый раздел (как органическая и неорганическая химия, которые также используют методы физической химии, но не входят в нее).

О свойствах отдельных атомов вы можете почитать, указав его в периодической таблице Менделеева.

Общие ресурсы по физической химии

Краткий очерк истории химии. Левченков С.И. 5.3. Учение о химическом процессе - физическая химия.

Химическая кинетика и образование молекул

Химическая кинетика изучает скорость химических реакций, её зависимость от внешних условий (температура, концентрации). Это один из важнейших разделов химии, показывающий какой именно продукт образуется в сложной системе. [Исследуется образование молекул на основе химической связи между атомами, т.е. как проходят химические реакции]

Виды химических связей

Химическая связь удерживает атомы или группы атомов друг около друга. Виды химической связи:

ионная,
ковалентная (полярная и неполярная),
металлическая,
водородная.

Виды химических реакций

Химические реакции - это процессы, протекающие в химическом веществе или в смесях различных веществ. При протекании химических реакций всегда образуются новые вещества. В сущности, это процесс изменения структуры молекулы. В результате реакции количество атомов в молекуле может увеличиваться (синтез), уменьшаться (разложение) или оставаться постоянным (изомеризация, перегруппировка). В ходе реакции изменяются связи между атомами и порядок размещения атомов в молекулах.

Химические реакции выявляют и характеризуют химические свойства данного вещества. Исходные вещества, взятые для проведения химической реакции, называются реагентами, а новые вещества, образующиеся в результате химической реакции, — продуктами реакции.

Химия изучает и описывает эти процессы как в макромасштабе (на уровне макроколичеств веществ), так и в микромасштабе (на атомно-молекулярном уровне). Внешние проявления химических процессов, протекающих в макромасштабе, нельзя непосредственно перенести на микроуровень взаимодействия веществ и однозначно их интерпретировать, однако такие переходы возможны при правильном использовании специальных химических законов, присущих только микрообласти (атомам, молекулам, ионам, взятым в единичных количествах).

Катализ

Химическая термодинамика

Химическая термодинамика изучает процессы взаимодействия веществ методами термодинамики. Её главными направлениями являются:

Классическая химическая термодинамика, изучающая термодинамическое равновесие вообще.
Термохимия, изучающая тепловые эффекты, сопровождающие химические реакции. Ещё одной задачей термохимии является измерение теплоёмкостей веществ и установление теплот их фазовых переходов.
Теория растворов, моделирующую термодинамические свойства вещества исходя из представлений о молекулярном строении и данных о межмолекулярном взаимодействии.

Виды растворов и межмолекулярное взаимодействие в них

Растворами называются гомогенные системы, содержащие не менее двух веществ. Могут существовать растворы твердых, жидких и газообразных веществ в жидких растворителях, а также однородные смеси (растворы) твердых, жидких и газообразных веществ. Как правило, вещество, взятое в избытке и в том же агрегатном состоянии, что и сам раствор, принято считать растворителем, а компонент, взятый в недостатке - растворенным веществом. В зависимости от агрегатного состояния растворителя различают газообразные, жидкие и твердые растворы.

По соотношению преобладания числа частиц, переходящих в раствор или удаляющихся из раствора, различают растворы насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные. Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, т.е. раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом, называют насыщенным, а раствор, в котором еще можно растворить добавочное количество данного вещества, - ненасыщенным.

По относительным количествам растворенного вещества и растворителя растворы подразделяют на разбавленные и концентрированные. Сравнивая растворимость различных веществ, видно, что насыщенные растворы малорастворимых веществ являются разбавленными, а хорошо растворимых веществ - хотя и ненасыщенные, но довольно концентрированными.

В зависимости от того, электронейтральными или заряженными частицами являются компоненты раствора, их подразделяют на молекулярные (растворы неэлектролитов) и ионные (растворы электролитов). Одна из характерных особенностей растворов электролитов заключается в том, что они проводят электрический ток.

Термохимия и теплоёмкость вещества

В 1840 году Герман Иванович Гесс сформулировал фундаментальный закон термохимии – закон постоянства количества теплоты: "Каким бы путём не совершалось соединение, – имело ли оно место непосредственно или происходило косвенным путём в несколько приёмов, – количество выделившейся при его образовании теплоты всегда постоянно".

В 60-е годы XIX века независимо друг от друга два выдающихся исследователя – Пьер Эжен Марселен Бертло и Ханс Петер Юрген Юлиус Томсен высказали предположение о том, что тепловой эффект реакции является мерой химического сродства между реагентами. Основное положение данного подхода Бертло сформулировал следующим образом: "Теплота, выделяющаяся при реакции, служит мерой суммы физических и химических работ, совершаемых при этой реакции. …Принцип максимальной работы заключается в том, что всякое химическое превращение… стремится к образованию тела или системы тел, которые выделяют наибольшее количество тепла".

Химическое равновесие

В середине XIX века появились экспериментальные данные, возродившие интерес к идеям Бертолле, в частности, к введённому им понятию химической массы, которое, по мнению Бертолле, определяет протекание реакции и состав её продуктов. В 1850 г. Александер Уильям Уильямсон, исследуя сложные эфиры, установил, что реакции этерификации являются обратимыми и приводят к наступлению динамического равновесия, в котором присутствуют и исходные вещества, и продукты реакции. Немецкие химики Генрих Розе и Роберт Вильгельм Бунзен в 1851-1853 гг. показали, что реакции обмена часто являются обратимыми и направление реакции можно изменить путём подбора соответствующих условий её протекания. В 1874-1878 гг. американский физик Джозайя Уиллард Гиббс опубликовал работы по теоретическому рассмотрению термодинамики химического равновесия; Гиббс ввёл в термодинамику понятия свободной энергии, термодинамического и химического потенциалов.

Огромный вклад в изучение состояния химического равновесия внёс Якоб Генрик Вант-Гофф, опубликовавший в 1884 г. фундаментальную работу "Этюды химической динамики", в которой, связав представления о химическом равновесии с двумя началами термодинамики, рассмотрел влияние температуры на химическое равновесие. Вант-Гофф вывел формулу изохоры химической реакции: dlnK/dT = Q/RT 2 (Изохора Вант-Гоффа), где К – константа равновесия, Q – теплота реакции.
Вант-Гофф сформулировал также принцип подвижного равновесия и показал, что он выполняется для любых типов равновесных систем: "Каждое равновесие… при понижении температуры смещается в сторону той системы, при образовании которой выделяется теплота". В 1885 г. он термодинамически вывел закон действующих масс Гульдберга-Вааге. Вывод уравнения изотермы химической реакции, связывающего константу равновесия с термодинамическими потенциалами осуществил в 1886 г. французский физик Пьер Дюгем.

Звукохимия (сонохимия)

Звукохимия (сонохимия) исследует звукохимическим реакции - химические реакции, возникающих под действием мощных акустических колебаний. К области звукохимии так же относятся некоторые физико-химические процессы и эффекты в звуковом поле: сонолюминесценция, диспергирование вещества при действии звука, эмульгирование и другие коллоидно-химические процессы. Звукохимия изучает и процессы кавитации.

Обычно звукохимические процессы исследуют в ультразвуковом диапазоне (от 20 кГц до нескольких МГц). Звуковые колебания в килогерцовом диапазоне и инфразвуковой диапазон изучаются значительно реже.

Электрохимия

Электрохимия изучает химические процессы в веществах и межфазовых границах при протекании через них электрического тока, Исследуются процессы окисления-восстановления, перенос ионов и электронов в проводниках. Перенос заряда с молекулы на молекулу в электрохимии не рассматривается.

Имеет теоретический и прикладной разделы. Теоретическая электрохимия занимается теорией электролитов и электрохимией гетерогенных систем.

Магнитный коллапс в твердом кислороде. Кислород при повышении давления меняется, проявляя чрезвычайно интересные свойства. Сначала он сжижается, а потом затвердевает, превращаясь в изолятор-антиферромагнетик — альфа-кислород. Это одно из немногих простых веществ, обладающих сильным магнетизмом в твердом состоянии. Однако, в эпсилон-фазе кислород объединяется в молекулы O4, которые имеют нулевой спин и не могут проявлять магнетизма.

Структурная химия (стереохимия)

Структурная химия (стереохимия) — раздел, область химии, изучающая связь различных физических и физико-химических свойств различных веществ с их химическим строением и реакционной способностью. Структурная химия рассматривает не только геометрическое строение молекул; изучаются также: 1) длины химических связей, 2) валентные углы, 3) координационные числа, 4) конформации и конфигурации молекул; 5) эффекты их взаимного влияния, 6) ароматичность.

Особенности пространственного строения обнаруживаются в появлении стереоизомеров. Эти особенности влияют на скорость и направление химических превращений, на физические свойства веществ, на характер их физиологического действия и др. (Из Википедии)

Проще говоря, структурная химия - прикладная междисциплинарная наука, изучающая различными методами структуру молекул вещества.

Стереохимические методы анализа чрезвычайно важны в фармацевтике, т.к. молекулы одного состава, но зеркально несимметричные (хиральные) могут не только быть бесполезными но даже губительно вредными лекарствами.

Коллоидная химия

Коллоидная химия (др.-греч. kolla — клей) — физическая химия дисперсных систем и поверхностных явлений, возникающих на границе раздела фаз. [Не логичнее ли было это отнести к молекулярной физике?] Изучает адгезию, адсорбцию, смачивание, коагуляцию, электрофорез. Разрабатывает технологии строительных материалов, бурения горных пород, зол-гель технологии. Играет фундаментальную роль в нанотехнологии.

Возможно, эту дисциплину стоит включить в супрамолекулярную химию.

Химия суператомов (молекулярных псевдоатомов)

Суператомы - молекулы из атомов одного химического элемента, ведущие себя как псевдоатом дугого элемента. Например, несколько "слипшихся" атомов алюминия могут в химических реакциях вести себя аналогично атому йода [!].

Химия сверхтяжелых атомов

Здесь приводятся сведения о химических свойствах атомов со сверхтяжелыми ядрами.

Квантовая химия

Квантовая химия рассматривает строение и свойства химических соединений, реакционную способность, скорость и механизм химических реакций на основе квантовой механики. Ее предметами являются:

квантовая теория строения молекул,
квантовая теория химических связей и межмолекулярных взаимодействий,
квантовая теория химических реакций и реакционной способности и др.

Химия высоких энергий

Химия высоких энергий (ХВЭ) изучает химические реакции и превращения, происходящие в веществе под воздействием нетепловой энергии: ионизирующего излучения, света, плазмы, ультразвука, механических ударов и др. В сответствии с этими энергетическими агентами ХВЭ состоит из следующих основных разделов:

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, пи-

щевое 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 трудноконтро-лируемыми. 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.

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.

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 инги-бировать (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.

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.

Наибольшее распространение имеет гетерогенный катализ, — с его помощью осуществляется 80% всех каталитических реакций в современной химии.

Долгое время сам катализ оставался загадкой природы, вызывая к жизни самые разнообразные теории, как чисто химические, так и физические. Эти теории, даже будучи ошибочными, оказывались полезными хотя бы потому, что наталкивали ученых на новые эксперименты. Все дело в том, что для большинства промышленно важных химических процессов катализаторы подбирались путем бесчисленных проб и ошибок. Так, например, для реакции синтеза аммиака в 1913—1914 гг. немецкие химики испробовали в качестве катализаторов более 20 тысяч химических соединений, следуя периодической системе элементов и разноообразно сочетая их.

Сегодня можно сделать некоторые выводы о сущности катализа.

1. Реагирующие вещества вступают в контакт с катализатором, взаимодействуют с ним, в результате чего происходит ослабление химических связей. Если реакция происходит в отсутствие катализатора, то активация молекул реагирующих веществ должна происходить за счет подачи в реактор энергии извне.

2. В общем случае любую каталитическую реакцию можно представить проходящей через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение ослабленных химических связей.

3. В подавляющем большинстве случаев в качестве катализаторов выступают соединения бертоллидного типа с переменным составом, отличающиеся наличием ослабленных химических связей или даже свободных валентностей, что придает им высокую химическую активность. Молекулы соединений бертоллидного типа содержат широкий набор энергетически неоднородных связей или даже свободные атомы на поверхности.

4. Следствиями взаимодействия реагентов с катализатором являются ход реакции в заданном направлении и увеличение скорости реакции, так как на поверхности катализатора увеличивается число встреч реагирующих молекул. Кроме того, катализатор захватывает некоторую часть энергии экзотермической реакции для энергетической подпитки все новых актов реакции и ее общего ускорения.

На современном этапе своего развития химия открыла множество эффективных катализаторов. Среди них — ионнообменные смолы, металлорганические соединения, мембранные катализаторы. Каталитическими свойствами обладают многие химические элементы периодической системы, но важнейшую роль играют металлы платиновой группы и редкоземельные металлы.

С участием катализаторов скорость некоторых реакций возрастает в 10 млрд. раз. Есть катализаторы, позволяющие не просто контролировать состав конечного продукта, но и способствующие образованию молекул определенной формы, что сильно влияет на физические свойства продукта (твердость, пластичность).

В современных условиях одно из важнейших направлений развития учения о химических процессах — создание методов управления этими процессами, поэтому химическая наука занимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.

Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной плазме при температурах от 1000 до 10 000°С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновением молекул с заряженными частицами и очень высокими скоростями протекания химических реакций. В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет

около 10 -13 с при почти полном отсутствии обратимости реакции. Скорость аналогичных химических процессов в обычных реакторах из-за обратимости снижается в тысячи раз. Поэтому плазмохимиче-ские процессы очень производительны. Например, производительность метанового плазмохимического реактора (его размеры: длина — 65 см, диаметр — 15 см) составляет 75 т ацетилена в сутки. В этом реакторе при температуре 3000—3500°С за одну десятитысячную долю секунды около 80% метана превращается в ацетилен.

Плазменная химия в последнее время все больше внедряется в промышленное производство. Уже созданы технологии производства сырья для порошковой металлургии, разработаны методы синтеза для целого ряда химических соединений. В 1970-е гг. были созданы плазменные сталеплавильные печи, позволяющие получать самые высококачественные металлы. Разработаны методы ионно-плазменной обработки поверхности инструментов, износостойкость которых увеличивается в несколько раз.

Плазмохимия позволяет синтезировать ранее неизвестные материалы, такие, как металлобетон, в котором в качестве связующего элемента используются различные металлы. Металлобетон образуется при сплавлении частиц горной породы и прочном сжатии их с металлом. По своим качествам он превосходит обычный бетон в десятки и сотни раз.

Одним из самых молодых направлений в исследовании химических процессов является радиационная химия, которая зародилась во второй половине XX в. Предметом ее разработок стали превращения самых разнообразных веществ под воздействием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы. В результате радиационно-химических реакций вещества получают повышенную термостойкость и твердость.

Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, в том числе получение полимербето-нов путем пропитки обычного бетона каким-либо полимером с его последующим облучением. Такие бетоны имеют в четыре раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозионной стойкостью.

Принципиально новой и исключительно важной областью учения о химических процессах является самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Обычно их производство осуществляется методом порошковой металлургии, суть которого заключается в прессовании и сжатии при высокой температуре (1200—2000°С) металлических порошков. Са-

мораспространяющийся синтез происходит гораздо проще: он основан на горении одного металла в другом или горении металла в азоте, углероде, кремнии и т.п.

Давно известно, что процесс горения представляет собой соединение кислорода с горючим веществом, поэтому горение — это реакция окисления горючего вещества. При этом происходит перемещение электронов от атомов окисляемого вещества к атомам кислорода. С этой точки зрения горение возможно не только в кислороде, но и в других окислителях. На этом выводе и основан самораспространяющийся высокотемпературный синтез — тепловой процесс горения в твердых телах. Он представляет собой, например, горение порошка титана в порошке бора, или порошка циркония в порошке кремния. В результате такого синтеза получаются сотни тугоплавких соединений самого высокого качества.

Очень важно, что данная технология не требует громоздких процессов, отличается высокой технологичностью и легко поддается автоматизации.

Еще одна область развития учения о химических процессах — химия высоких и сверхвысоких давлений. Химические превращения веществ при давлениях выше 100 атм относятся к химии высоких давлений, а при давлениях выше 1000 атм — к химии сверхвысоких давлений. Высокие давления в химии используются с начала XX в. — аммиачное производство осуществлялось при давлении 300 атм и температуре 600°С. Но в последнее время используются установки, в которых достигается давление 5000 атм, а испытания проводятся при давлении 600 000 атм, которое достигается за счет ударной волны при взрыве в течение миллионной доли секунды. При ядерных взрывах возникают еще более высокие давления.

При высоком давлении сближаются и деформируются электронные оболочки атомов, что ведет к повышению реакционной способности веществ. При давлении 10 2 —10 3 атм исчезает различие между жидкой и газовой фазами, а при 10 3 —10 5 атм — между твердой и жидкой фазами. При высоком давлении сильно меняются физические и химические свойства веществ. Например, при давлении 20 000 атм металл становится эластичным, как каучук. Обычная вода при высоких температуре и давлении становится химически активной. С повышением давления многие вещества переходят в металлическое состояние. Так, в 1973 г. ученые наблюдали металлический водород при давлении 2,8 млн. атм.

Одним из важнейших достижений химии сверхвысоких давлений стал синтез алмазов. Он идет при давлении 50 000 атм и температуре 2000°С. При этом графит кристаллизуется в алмазы. Также алмазы можно синтезировать и с применением ударных волн. В последнее время ежегодно производятся тонны синтетических ал-

мазов, которые лишь незначительно отличаются от природных по своим свойствам. Получающиеся алмазы используются для промышленных целей — в режущем и буровом оборудовании. Удалось синтезировать черные алмазы — карбонадо, которые тверже природных алмазов. Они используются для обработки самих алмазов.

В настоящее время налажено промышленное производство не только искусственных алмазов, но и других драгоценных камней — корунда (красного рубина), изумруда и др. При высоких давлениях синтезируют и другие материалы, отличающиеся высокой термостойкостью. Так, из нитрида бора при давлении 100 000 атм и температуре 2000°С синтезирован боразон — материал, пригодный для сверления и шлифования деталей из чрезвычайно твердых материалов при очень высоких температурах.

Учение о химических процессах - область науки, в которой осуществлена наиболее глубокая интеграция физики, химии и биологии. В основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, поэтому оно в равной степени принадлежит физике и химии. Одним из основоположников этого научного направления стал русский химик Н.Н. Семенов, основатель химической физики.

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

Важнейшей задачей химиков становится умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические (влияют на смещение химического равновесия реакции) и кинетические (влияют на скорость протекания химической реакции).

Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.

Французский химик А. Лее Шателье в конце XIX в. сформулировал принцип подвижного равновесия, обеспечив химиков методами смещения равновесия в сторону образования целевых продуктов. Эти методы управления и получили название термодинамических. 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 процесса.

Термодинамические методы преимущественно влияют на направление химических процессов, а не на их скорость.

Скоростью химических процессов управляет химическая кинетика, в которой изучается зависимость протекания химических процессов от строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реактора и т. п.

Объясняет качественные и количественные изменения в химических процессах и выявляет механизм реакции. Реакции проходят, как правило, ряд последовательных стадий, которые составляют полную реакцию. Скорость реакции зависит от условий протекания и природы веществ, вступивших в нее. К ним относятся концентрация, температура и присутствие катализаторов.

Задача исследования химических реакций является очень сложной. Ведь 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.

Катализ - ускорение химической реакции в присутствии особых веществ - катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в конечный состав продуктов. Он был открыт в 1812 г. российским химиком К. Г. С. Кирхгофом.

Сущность катализа сводится к следующему:

1) активная молекула реагента достигается за счет их неполновалентного взаимодействия с веществом катализатора и состоит в расслаблении химических связей реагента;

2) в общем случае любую каталитическую реакцию можно представить проходящей через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение расслабленных (неполновалентных) химических связей.

Каталитические процессы различаются по своей физической и химической природе на следующие типы:

гетерогенный катализ - химическая реакция взаимодействия жидких или газообразных реагентов на поверхности твердого катализатора;

гомогенный катализ - химическая реакция в газовой смеси или в жидкости, где растворены катализатор и реагенты;

электрокатализ - реакция на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока;

фотокатализ - реакция на поверхности твердого тела или в жидком растворе, стимулируется энергией поглощенного излучения.

Применение катализаторов изменило всю химическую промышленность. Катализ необходим при производстве маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Почти вся промышленность основной химии (60-80 %) основаны на каталитических процессах. Химики не без основания говорят, что некаталитических процессов вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит своеобразным катализатором.

С участием катализаторов скорость некоторых реакций возрастает в 10 млрд раз. Есть катализаторы, позволяющие не просто контролировать состав конечного продукта, но и способствующие образованию молекул определенной формы, что сильно влияет на физические свойства продукта (твердость, пластичность).

Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в неживой, так и в живой природе. Эти процессы изучают химия, физика и биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача - научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы, другие трудно остановить - реакции горения, взрывы, а часть из них трудноуправляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов.

Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условием протекания химических реакций. Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций. Наиболее зависимыми от условий протекания реакции оказываются соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них направлено в первую очередь действие разных катализаторов, которые значительно ускоряют ход химических реакций.

Одним из основоположников этого направления в химии стал русский химик Н.Н. Семенов - лауреат Нобелевской премии, основатель химической физики. В своей Нобелевской лекции 1965 г. он заявил, что химический процесс - 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 живой системе, потому что любая клетка живого организма, по существу, представляет собой своеобразный сложный реактор. Это - мост от объектов физики к объектам биологии.

Подавляющее большинство химических реакций находится во власти стихии. Они трудноконтролируемы: в одних случаях их просто не удается осуществить, хотя они в принципе осуществимы, в других - трудно остановить, например, горения и взрывы, в третьих случаях их трудно ввести в одно желаемое русло, так как они самопроизвольно создают десятки непредвиденных ответвлений с образованием сотен побочных продуктов. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические и кинетические, а среди последних ведущую роль играют каталитические методы.

Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону, что зависит как от природы реагентов, так и от условий процесса. Есть реакции, которые не требуют особых средств управления:

кислотно-основное взаимодействие (нейтрализация), реакции, сопровождающиеся удалением готовых продуктов или в виде газов, или в форме осадков. Но существует немало реакций, равновесие которых смещено влево, к исходным веществам. И чтобы их осуществить, требуются особые термодинамические рычаги - увеличение температуры, давления и концентрации реагируемых веществ.

Термодинамическое воздействие влияет преимущественно на направленность 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.

Здесь 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, которые могут как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс.

Опыты показывают, что на интенсивность химических процессов оказывают влияние также случайные примеси. Вещества различной степени чистоты проявляют себя в одних случаях как более активные реагенты, в других - как инертные. Примеси могут оказывать как каталитическое, так и ингибиторное действие. Поэтому для управления химическим процессом в реагирующие вещества вносят те или иные добавки.

Катализ в химии делает настоящие чудеса. Например, реакция синтеза аммиака. До 1913 г. она вообще не могла быть осуществлена. Только после того, как был найден катализатор, при высокой температуре и давлении эту реакцию удалось осуществить. Но она была очень трудной в технологическом исполнении и опасной. А сейчас открыты условия, позволяющие проводить ее при нормальном давлении и комнатной температуре с использованием металлоорганических катализаторов.

Эти теории, даже будучи ошибочными, оказывались полезными хотя бы потому, что наталкивали исследователей на новые эксперименты. Ведь дело было в том, что для большинства промышленно важных химических процессов катализаторы подбирались путем бесчисленных проб и ошибок. Так, например, для вышеназванной реакции синтеза аммиака в 1913 - 1914 годах немецкие химики испробовали в качестве катализатора более 20 тысяч химических соединений, следуя периодической системе элементов и сочетая их самыми разными способами.

Сегодня можно сделать некоторые выводы о сущности катализа:

Если же реакцию проводят в отсутствие катализатора, то активация молекул реагирующих веществ должна происходить за счет подачи в реактор энергии извне.

3. В подавляющем большинстве случаев в качестве катализаторов выступают соединения бертоллидного типа -соединения переменного состава, отличающиеся наличием в них ослабленных химических связей или даже свободных валентностей, что придает им высокую химическую активность. Их молекулы содержат широкий набор энергетически неоднородных связей или даже свободные атомы на поверхности.

4. Следствием взаимодействия реагентов с катализатором является ход реакции в заданном направлении; увеличение скорости реакции, так как на поверхности катализатора увеличивается число встреч реагирующих молекул; захват катализатором некоторой части энергии экзотермической реакции для энергетической подпитки все новых актов реакции и ее общего ускорения.

На современном этапе своего развития учение о химических процессах занимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.

Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной плазме (плазма - это ионизированный газ). Она исследует протекание химических реакций при температурах от 1000 до 10000° С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями молекул с заряженными частицами и очень высокими скоростями реакций.

В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет 10 -13 сек при почти полном отсутствии обратимости реакции. Скорость этих химических процессов в обычных реакторах из-за обратимости снижается в тысячи раз. Поэтому плазмохимические процессы очень производительны.

Плазменная химия в последнее время все больше внедряется в промышленное производство. Уже созданы технологии производства сырья для порошковой металлургии, разработаны методы синтеза для целого ряда химических соединений. В 70-х годах были созданы плазменные сталеплавильные печи, позволяющие получать самые высококачественные металлы. Разработаны методы ионно-плазменной обработки поверхности инструментов, износостойкость которых увеличивается в несколько раз.

Плазмохимия позволяет синтезировать ранее неизвестные материалы, такие как металлобетон, в котором в качестве связующего элемента используются различные металлы. При сплавлении частиц горной породы благодаря прочному сжатию их с металлом образуется металлобетон, превосходящий по своим качествам обычный бетон в десятки и сотни раз.

Одним из самых молодых направлений в исследовании химических процессов является радиационная химия, которая зародилась во второй половине нашего столетия. Предметом ее разработок стали превращения самых разнообразных веществ под воздействием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы. В результате радиационно-химических реакций вещества получают повышенную термостойкость и твердость.

Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, в том числе получение полимербетонов путем пропитки обычного бетона каким-нибудь полимером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в 4 раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозийной стойкостью.

Сегодня также принципиально новой и исключительно важной областью учения о химических процессах является самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Обычно их производство осуществляется методом порошковой металлургии, суть которого заключается в прессовании и сжатии при высокой температуре (1200 - 2000° С) металлических порошков. Самораспространяющийся синтез происходит гораздо проще, так как основан на реакции горения одного металла в другом, или металла в азоте, углероде и т.п.

Сегодня абсолютно точно известно, что процесс горения представляет собой соединение кислорода с горючим веществом. В химии принято считать горение реакцией окисления горючего вещества, что означает перемещение электронов от атомов горючего тела к атомам кислорода. С этой точки зрения горение возможно не только в кислороде, но и в других окислителях. На этом выводе и основан самораспространяющийся высокотемпературный синтез - тепловой процесс горения в твердых телах. Он представляет собой, например, горение порошка титана в порошке бора, или порошка циркония в порошке кремния. В результате такого синтеза получаются сотни тугоплавких соединений самого высокого качества.

Читайте также: