Концепції сучасного природознавства хімічна складова

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ
РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ
ТИХООКЕАНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФІЛІЯ У М. АРСЕНЬВЕ
КОНЦЕПЦІЇ СУЧАСНОГО природознавства
хімічна складова
Навчальний посібник
(Основні теоретичні положення курсу)
Арсеньєв
2007

Зміст
1. Роль хімії у розвитку природничо-наукових знань
1.1. Система хімії, логіка її розвитку та побудови
1.2. Практичне значення уявлень про концептуальні системах хімії
1.3. Теоретичне значення уявлень про Систему хімії
1.4.Виводи
2. Проблеми і рішення на рівні вчення про склад
2.1. Проблема залучення нових хімічних елементів у виробництво матеріалів
2.2. Проблема часткової заміни металів новими видами кераміки
2.3. Елементорганічні сполуки, їх використання у створенні сучасних матеріалів.
2.4.Виводи
3. Проблеми і рішення на рівні структурної хімії
3.1. Еволюція поняття «структура» в хімії
3.2. «Тріумфальна хода органічного синтезу»
3.3. Межі структурної органічної хімії
3.4. Нові проблеми структурної хімії
3.5. Висновки
4. Проблеми і рішення на рівні вчення про хімічні процеси
4.1. Проблема каталізу
4.2. Проблеми енергетики майбутнього
4.3. Хімія екстремальних станів
4.4.Виводи
5. Еволюційна хімія - найвищий ступінь розвитку хімічних знань. Найближчі перспективи хімії
5.1. «Лабораторія живого організму» - ідеал хіміків
5.2. Ферменти в біохімії та біоорганічної хімії
5.3. Шляхи освоєння каталітичного досвіду живої природи
5.4. Передумови виникнення еволюційної хімії
5.5. Поняття «організація» і «самоорганізація» та їх пізнавальні функції в хімії.
5.6. Загальна теорія хімічної еволюції і біогенезу А.П. Руденко
5.7. Нестаціонарна кінетика і розвиток уявлень про еволюцію хімічних систем
5.8.Виводи
6. Кінетика хімічних реакцій
6.1 Залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин
6.2 Вплив температури на швидкість реакції
6.3 Каталіз
6.4 Поверхня зіткнення реагуючих речовин
7 Правила виживання в хімічній лабораторії

1. Роль хімії у розвитку природничо-наукових знань
1.1 Система хімії, логіка її розвитку та побудови
Що таке хімія? Хімія є високоупорядоченной - постійно розвивається системою знань про речовини, що має певне соціальне призначення і своє місце в ряду інших наук.
Система являє собою сукупність елементів або частин, що виступають як єдине ціле, в якій існує їх взаємний вплив і взаємне якісне перетворення. Під системою хімії мається на увазі об'єднання всіх хімічних знань у концептуальні системи, які перебувають між собою у відносинах ієрархії, тому що кожна концептуальна система - це певний рівень знань
Розглянемо системоутворюючі основи хімії. Системоутворюючим початком у хімії може бути тільки якесь її найбільш загальну підставу, що не змінюється при будь-яких змінах її теорії та методів.
Навіщо була потрібна хімія людству? Щоб отримати з природних речовин необхідні людині метали і кераміку, вапно і цемент, скло і бетон, барвники та ліки, вибухові речовини і пально-мастильні матеріали, каучуки та пластмаси, хімічні волокна і матеріали з заданими електрофізичними властивостями (напівпровідники, ізолятори, надпровідники).
Тому всі хімічні знання, що здобуваються за багато століть, об'єднує одне головне завдання хімії - завдання одержання речовин з необхідними властивостями. Для її реалізації треба вміти з одних речовин виробляти інші і знати від чого залежать властивості, тобто здійснювати якісне перетворення речовин.
Ця проблема виникла в давнину і не втрачає свого значення в наші дні. Таким чином, вся історія хімії, всі її розвиток є закономірним процесом зміни способів вирішення її основної проблеми.
Властивості речовин залежать від чотирьох факторів: від його елементного і молекулярного складу; від структури його молекул; від термодинамічних та кінетичних умов, у яких речовини знаходяться в процесі хімічних реакцій; від висоти хімічної організації речовини.
Тому основна проблема хімії має тільки чотири загальні способу розв'язання:
на першому рівні з урахуванням одного фактора - зміни складу - вчення про склад;
на другому рівні з урахуванням двох чинників - зміна складу і структури - структурна хімія;
на третьому рівні - з урахуванням багатьох факторів (складу, структури, кінетичних, термодинамічних факторів) - вчення про хімічні процеси;
на четвертому рівні - з урахуванням самоорганізації реакторної системи - еволюційна хімія.
Строго послідовне закономірне поява чотирьох способів вирішення основної проблеми хімії послужило причиною суворої впорядкованості побудови системи хімії, яку слід вважати логікою цієї науки.
1.2 Практичне значення уявлень про концептуальні системах хімії
Уявлення про концептуальні системах хімії дозволяють оцінити, якими можливостями володіє ця наука для виробництва нових матеріалів, які її найближчі перспективи, на які теорії та методи можна розраховувати при вирішенні завдань синтезу нових речовин. В якості прикладу розглянемо отримання синтетичного каучуку (СК).
Отримання СК стало актуальним на початку XX століття у зв'язку з високою вартістю ввезеного в країну натурального каучуку та недостатньою кількістю для потреб гумотехнічної промисловості. Без гуми неможливий розвиток авто-та авіатранспорту, виготовлення плащів і непромокаючої взуття. Перші успіхи в її синтезі були отримані в нашій країні.
Синтез каучуку в промисловому масштабі був грандіозним успіхом, однак, отриманий каучук (дивинил) був доріг: він вимагав величезних витрат праці і матеріальних ресурсів. Його отримували з етилового спирту з низьким виходом (28%), дві третини використовуваного спирту йшло у відходи. Спирт у свою чергу отримували із зерна або картоплі - дорогого харчової сировини. На той момент часу це був єдиний спосіб. Потрібно було знайти більш дешевий спосіб, використовуючи хімічні знання.
У 1950-х роках хімія в цілому стала підніматися на рівень вчення про хімічних процесах. Вивчення кінетичних і термодинамічних факторів, що визначають швидкість і напрям хімічних реакцій, дозволило знайти умови (температуру, тиск і т.д.), при яких з безлічі напрямків термічного розкладання нафтової сировини, можна було вибрати те, яке дозволить отримати дивинил з високим виходом.
Наступним етапом модернізації синтезу каучуку стало використання продуктів переробки нафти: каучук стали отримувати з дивинила, що утворюється при піролізі нафти. Відпала необхідність в харчовому сировину, знизилися витрати. Різко змінилася технологія в бік спрощення виробництва, скоротилася чисельність працівників (з 200-250 тис. до 3-5 тис.). В даний час на цьому рівні і здійснюється виробництво СК.
В останні роки намітилося подальше удосконалення технології отримання СК. З'явилися перші відомості про рішення задачі одержання дивинила та інших мономерів СК на четвертому еволюційному шляху розвитку хімії. У цьому випадку реакцію піролізу нафтової сировини здійснюють в умовах плазми - особливого роду газу, що складається з вільних електронів та іонів, при температурі 4000-5000 0 С. Реакція протікає миттєво - за десятитисячні частки секунди, суворо необоротно з високим виходом освіти дивинила.
З n H 2n +2 → H 2 C = CH-CH = CH 2
Висока швидкість і незворотність даної плазмохімічного реакції дозволяють досягти високої продуктивності реактора, яка порівнянна з продуктивністю цілого заводу. Один невеликий реактор - плазмотрон, діаметром 20 см і довжиною 60 см , Який обслуговується однією людиною, здатний замінити піролізний завод з 3-5 тисячами робітників.
1.3 Теоретичне значення уявлень про Систему хімії
Важливість уявлень про Систему хімії найкраще охарактеризував Д.І. Менделєєв. «Як там не міркуйте і не критикуйте історію, - писав він, - а людському розуму замало самих подробиць: необхідні систематичні узагальнення, тобто класифікація, поділ спільного; потім потрібні закони, гіпотези і теорії. Якщо ще немає цих узагальнень, знання ще не наука, не сила, а рабство перед досліджуваним. Науки немає в деталях: вона в загальному, в цілому, у злитті подробиць в систему. "
Систематична праця Д.І. Менделєєва привів до відкриття Періодичного закону і створення Періодичної системи хімічних елементів. Це принципово новий «план будівлі хімії», який у 1860-70-х роках, складався лише з першого етапу - вчення про склад речовин. Цей новий етап дозволив докорінно перебудувати всю систему хімічного освіти і створити кращий в світі навчальний курс «Основ хімії».
На сьогоднішній день експериментальні хімічні дані зросли в тисячі разів. Тепер є відомості про 8 мільйонів індивідуальних хімічних сполук постійного складу і мільярдах сполук змінного складу.
Система сучасної хімії з її чотирма концептуальними рівнями стала єдиною надійною опорою класифікації хімічних знань. І разом з тим вона служить головною опорою для визначення тенденцій та найближчих перспектив розвитку хімічного виробництва.
Ваша точка зору?
1. У чому полягає основна проблема хімії? Чому вона є двоєдиної і які варіанти її вирішення?
2. Чим зумовлена ​​послідовність появи різних способів вирішення основної проблеми хімії?
3. Що означає «Система хімії, логіка її розвитку та побудови»?
4. Дайте тлумачення понять «рівень хімічних знань», «концептуальна система хімії».
5. Які практичне і теоретичне значення уявлень про концептуальні системах хімії?
1.4 Висновки
1. Головне завдання хімії - завдання одержання речовин з необхідними властивостями.
2. Системоутворюючим початком хімії виступає двоєдина проблема: отримання речовин з заданими властивостями та виявлення способів керування властивостями речовин.
3. Властивості речовин залежать від чотирьох факторів: від елементного і молекулярного складу; від структури його молекул; від термодинамічних та кінетичних умов, у яких речовини знаходяться в процесі хімічних реакцій; від висоти хімічної організації речовини.
4. Уявлення про концептуальні системах хімії дозволяють оцінити, якими можливостями володіє ця наука в сенсі виробництва нових матеріалів, на які теорії та методи можна розраховувати при вирішенні завдань синтезу нових речовин.
5. Система сучасної хімії з її чотирма концептуальними системами служить головною опорою для визначення найближчих перспектив розвитку хімічного виробництва.

2. Проблеми і рішення на рівні вчення про склад
Спосіб вирішення основної проблеми хімії - проблеми походження властивостей речовин - став виражатися за допомогою схеми: СКЛАД → ВЛАСТИВОСТІ
Цей спосіб поклав початок вченню про склад речовин, яке стало першим рівнем наукових хімічних знань.
Три головні проблеми вирішувалися на рівні вчення про склад: проблема хімічного елемента; проблема хімічної сполуки; проблема залучення все більшого числа хімічних елементів у виробництво нових матеріалів.
Особливу увагу буде звернено на рішення третьої проблеми, тому що її дослідження відкриває новий світ - другу природу, нам не ведену.
2.1 Проблема залучення нових хімічних елементів у виробництво матеріалів
Розглянемо можливості, які пропонуються самою природою, її матеріальними ресурсами.
Перша з них - приведення у відповідність практики використання хімічних елементів у виробництві з їх ресурсами в природі.
Якщо порівняти поширеність елементів у природі з найбільш часто вживаними людиною матеріалами, неважко помітити між ними назад пропорційну залежність: людина часто використовує ті елементи, запаси сировини яких обмежені, і менше використовує ті елементи та їх сполуки, сировинні ресурси яких майже безмежні.
Вісім хімічних елементів складають 98,6% маси фізично доступного шару Землі. Картина їх розподілу наступна: О - 47%; Si - 27,5%; Al - 8,8%; Fe - 4,6%; Ca - 3,6%; Na - 2,6%; K - 2,5 %; Mg - 2,1%.
Зауважимо, що заліза майже в два рази менше, ніж алюмінію. Однак 95% всіх металевих виробів проводиться з залізовмісного сировини. На підставі даних про поширеність восьми названих елементів, можна подумати про перспективи збільшення використання алюмінію і магнію у створенні металевих матеріалів найближчого майбутнього.
Кремній у вигляді сполук надзвичайно широко поширений в земній корі, однак поки недостатньо використовується. Силікати становлять 97% всієї маси земної кори. Сполуки кремнію можуть стати в найближчому майбутньому основною сировиною для виробництва практично всіх будівельних матеріалів і напівфабрикатів для виготовлення кераміки, здатної конкурувати з металами.
2.2 Проблема часткової заміни металів новими видами кераміки
Друга проблема полягає в послідовній заміні металів різними видами кераміки. Метали і кераміка - це два види матеріалів, які на 90% становлять матеріальну основу умов життя людства.
У світі щорічно виробляється близько 600 мільйонів тонн металу - понад 150 кг на кожного жителя планети. Кераміки разом із цеглою виробляється стільки ж. Проте виготовлення металу обходиться в сотні і тисячі разів дорожче, ніж виготовлення кераміки.
Кераміка в деяких випадках виявляється більш підходящим конструкційним матеріалом в порівнянні з металом. До переваг кераміки слід віднести її жаропрочность і більш низьку щільність (в середньому на 40% у порівнянні з металом).
Залучення у виробництво кераміки нових елементів (титан, бор, германій, хром, молібден, вольфрам) дає можливість отримати вогнетривку, високотвердих кераміку, прозору, а також кераміку з набором заданих електрофізичних властивостей.
У нашій країні вперше в світі в 1980-х отриманий надтвердий матеріал - гексаном-р як один з кристалічних різновидів нітриду бору. На основі бору й азоту отримано хімічна сполука найпростішого складу N 3 B 3 температурою плавлення понад 3200 о С і твердістю, близької до твердості алмазу. Синтетичний гексаном-р має рекордно високою в'язкістю руйнування, тобто він не так крихкий, як всі інші керамічні матеріали.
До цих пір всій конструкційної кераміці був притаманний спільний недолік - крихкість, тепер зроблено крок до її подолання. Великою перевагою технічної кераміки нового складу є те, що деталі машин з неї виробляються пресуванням порошків з отриманням готових виробів заданих форм і розмірів. Це виключає токарну обробку заготовок, свердління, фрезерування.
Сьогодні можна назвати ще одну унікальну властивість кераміки: надпровідність деяких її зразків при температурі вище температури кипіння азоту (-196 о С). Відкриття цієї властивості кераміки відбулося завдяки залученню до її виробництво таких нових для неї хімічних елементів, як барій, лантан і мідь. Взяті в єдиному комплексі вони викликали сенсацію у світі науки і техніки.
Реалізація високотемпературної надпровідності відкриває небачені можливості для створення надпотужних двигунів і електрогенераторів, транспорту на магнітній подушці, для розробки надпотужних електромагнітних прискорювачів для виведення корисних вантажів у космос.
2.3 Елементорганічні сполуки, їх використання у створенні сучасних матеріалів
Третя проблема полягає в розширенні виробництва елементоорганічних сполук на базі органічного синтезу.
У першій половині двадцятого століття хімія знала лише кілька типів елементоорганічних сполук: магнійорганіческіе з'єднання загальної формули R-Mg-I; цінкорганіческіе з'єднання R 2 Zn і органічні похідні металів R-Na; R-Li.
Починаючи з середини XX століття в синтез елементоорганічних сполук стали залучатися всі нові хімічні елементи - алюміній, титан, хром, марганець, ванадій, залізо, свинець, олово, кремній, фосфор, сірка, миш'як, фтор.
Наприклад, хімія кремнійорганічних сполук дозволила створити багатотоннажні виробництво різноманітних полімерів, що володіють вогнезахисними, водовідштовхувальними, електроізоляційними та іншими цінними властивостями.
Справжнім «революціонером» в хімічній промисловості стала хімія фторорганічних сполук. Хімія фторорганічних сполук протиставляє вуглеводнів фторуглероди: тетрафторметан CF 4; гексафторетан - CF 3-CF 3; тетрафторетілен - CF 2 = CF 2 та їх похідні, у складі яких є суперміцна зв'язок CF
Фторуглероди і полімери на їх основі (тефлон) мають виняткову стійкість до дії агресивних середовищ (сильні кислоти і луги), низькою адгезією (малу здатністю до прилипання), підвищеною здатністю розчиняти кисень і абсолютною нешкідливістю для людського організму. У зв'язку з цим, тефлон застосовується в якості матеріалу для потреб відновлювальної хірургії (протези, серцеві клапани), для виготовлення довговічних підшипників ковзання, що не вимагають мастила і антипригарних покриттів. Перфторвуглеці у вигляді емульсій входять до складу кровозамінників, косметичних засобів, твердих мастил і т.д.
Cинтез фторорганічних сполук - це крок до нових речовин, що володіють специфічними споживчими властивостями, що піднімає всю хімічну науку на новий щабель.
У результаті, вчення про склад речовин існує і сьогодні, тільки воно тепер вже є частина хімії, що входить в ієрархічну Систему сучасної хімії.
Ваша точка зору?
1. Як природа розподілила свої матеріальні ресурси?
2. Як співвідносяться між собою хімічні елементи залізо і алюміній по запасах їх сировини у фізично доступному шарі Землі й по використанню їх у виробництві конструкційних матеріалів?
3. Які можливі перспективи використання різних хімічних елементів - металів як конструкційних матеріалів?
4. Які загальні недоліки та переваги кераміки в порівнянні з металами?
5. Які основні області застосування елементоорганічних сполук?
2.4 Висновки
1. На рівні вчення про склад вирішувалися три основні проблеми: проблема хімічного елемента; проблема хімічної сполуки; проблема залучення все більшого числа хімічних елементів у виробництво нових матеріалів.
2. Хімічний елемент - це сукупність всіх атомів, які володіють однаковим зарядом ядра.
3. Хімічне з'єднання - це якісно певну речовину, що складається з одного або декількох хімічних елементів, атоми яких за рахунок хімічного зв'язку об'єднані в частинки - молекули, комплекси, монокристали або інші агрегати.
4. Найчастіше людина використовує ті елементи, запаси сировини яких обмежені. У перспективі слід розширити можливості використання алюмінію, магнію і, може бути, кальцію в створенні матеріалів найближчого майбутнього.
5. Необхідна послідовна заміна металів різними видами кераміки.
6. До унікальним властивостям деяких сучасних зразків кераміки відносяться висока в'язкість руйнування, надпровідність при низьких температурах (t = -196 0 С).
7. На базі органічного синтезу відбувається розширення виробництва елементоорганічних сполук: кремнійорганічних і фторорганічних.
8. Хімія кремнійорганічних сполук дозволила створити виробництво різноманітних полімерів, що володіють вогнезахисними, водовідштовхувальними, електроізоляційними та ін цінними властивостями.
9. Фторуглероди мають виняткову хімічною інертністю, особливої ​​поверхневою активністю, підвищеною здатністю розчиняти кисень і перекису.

3. Проблеми і рішення на рівні структурної хімії
У даному розділі мова йде про особливий рівень розвитку хімічних знань, на якому чільну роль відіграє структура молекули реагенту.
Властивості речовин, і їх якісну різноманітність, обумовлені не тільки їхнім складом, а й структурою їх молекул.
Хімія перетворюється з аналітичної науки, що займається вивченням складу готових речовин, в науку переважно синтетичну, здатну створювати нові речовини і нові матеріали.
3.1 Еволюція поняття «структура» в хімії
Зміст поняття «структура» ні за Берцелиусу, ні по Жерару не давало конкретних вказівок для практичних робіт у галузі синтезу нових речовин. Такі конкретні вказівки з'явилися на наступному щаблі еволюції поняття «структура» в хімії. Кекуле сформулював основні положення теорії валентності та обгрунтував наявність у вуглецю чотирьох одиниць спорідненості (валентності), у азоту-3-х, у кисню - 2-х і у водню однієї одиниці. Об'єднання атомів в молекулу, згідно Кекуле, відбувається шляхом замикання вільних одиниць спорідненості (валентності).
Комбінуючи атоми різних хімічних елементів з їх одиницями спорідненості, можна створювати структурні формули будь-якого хімічної сполуки. Це означає, що хімік може запланувати синтез будь-якого хімічної сполуки, як вже відомого, так ще нікому не відомого. Формульний схематизм Кекуле - прямий шлях до практичних дій з отримання речовин із заданими властивостями. Однак, це далеко не повна гарантія успіху: намічена хімічна реакція може просто не піти. Формульний схематизм Кекуле не вказує на реакційну активність реагентів. Знання про хімічної активності реагенту мають першорядне значення для практики отримання цільових продуктів. Ці знання дає теорія хімічної будови А.М. Бутлерова. Теорія Бутлерова тому і названа теорією хімічної будови, що вона вказувала на причини активності одних речовин і пасивності інших. Саме тому вона стала для хіміків дійсним керівництвом у практиці синтезу органічних речовин.
Ідеї ​​про енергетичну нееквівалентності хімічних зв'язків, зумовленої взаємним впливом атомів у структурі молекули, є головним змістом поняття «структура» у теорії Бутлерова.
Теорія хімічної будови Бутлерова знайшла фізичні обгрунтування у квантовій механіці.
Сьогодні під структурою молекули ми розуміємо і просторову, і енергетичну впорядкованість квантово-механічної системи, що складається з атомних ядер, електронів і володіють єдиної молекулярної орбиталью.
Таким чином, еволюція поняття хімічної структури здійснювалася в напрямку, з одного боку, аналізу її складових частин або елементів, з іншого - встановлення характеру фізико-хімічної взаємодії між ними. З точки зору системного підходу, під структурою розуміють впорядковану зв'язок і взаємодія між елементами системи, завдяки якій і виникають нові цілісні властивості. У такій хімічної системі, як молекула, саме специфічний характер взаємодії складових її атомів визначає властивості молекули.
3.2 «Тріумфальна хода органічного синтезу»
Виникнення структурного теорії дозволило хімікам вперше знайти потужний інструмент для цілеспрямованого якісного перетворення речовин. Саме в 1860-1880-і роки з'явився термін «органічний синтез», який означав цілу галузь науки. У 1860-і роки на основі найпростіших вуглеводнів з кам'яновугільної смоли і аміаку були синтезовані анілінові барвники - фуксин, «аніліновий чорний», алізарин. У подальшому були отримані індиго, флавони, ксантони, вибухові речовини - тринітротолуол (тротил), тринітрофенолу (пікринова кислота), лікарські препарати - уротропін, аспірин, фенацетин, антіфебрін, салолу, антипірин. Хіміки з гордістю заявляють про свої «нічим не стримуваних» можливостях.
За другу половину XIX століття кількість органічних сполук зросла з півмільйона, приблизно, до двох мільйонів. Успіхами синтетичної хімії можна захоплюватися, але їх не слід абсолютизувати.
3.3 Межі структурної органічної хімії
Межі ці обумовлені власне тим не високим рівнем хімічних знань, на якому знаходиться вся концептуальна система структурної хімії.
Вона обмежена рамками відомостей лише про молекули речовини, що знаходиться в дореакціонном стані. Цих відомостей недостатньо для того, щоб керувати процесами перетворення речовин.
Структурна хімія виявилася не в змозі вказати шляхи здійснення процесів виробництва етилену, ацетилену, бензолу, і дієнових вуглеводнів з парафінових вуглеводнів нафти, хоча всі ці процеси становлять основу нафтохімічного виробництва, і їх виявилося легко здійснити за допомогою хімічної кінетики і термодинаміки.
Багато реакції препаративного органічного синтезу, засновані лише на принципах структурної хімії, мають низькі виходи кінцевого продукту і відходи у вигляді побічних продуктів, що ускладнює їх використання в промислової технології.
Класичний органічний синтез важко управляємо в технологічному відношенні, як правило, він є багатостадійним. Це було показано на прикладі синтезу каучуку.
3.4 Нові проблеми структурної хімії
Новий клас металоорганічних сполук, що має двошарову структуру, називається «сендвічеве з'єднання». Найбільш вивченим з них є Ферроцен, у якого катіон заліза Fe 2 + координується між двома п'ятичленних ароматичними кільцями. Слідом за ним були отримані інші сендвічеве з'єднання з центральними атомами кобальту Со, нікелю Ni, титану Ti, ванадію V, та інших перехідних металів. Дані сполуки зіграли свою роль у докорінного перегляду уявлень про валентність і хімічного зв'язку, і знайшли практичне застосування в синтезі полімерів та лікарських засобів.
Ще більш разючою і незвичайної є структура молекул, що існують у безперервному перестроювання. Така, зокрема, молекула бульвалена З 10 Н 10. Його можна представити у вигляді кулі, по поверхні якого з величезною швидкістю переміщаються 10 атомів вуглецю і 10 атомів водню, імітуючи таким способом симетрію молекули або компенсуючи відсутність симетрії, що необхідно для сталого стану даної структури. Ця молекула є своєрідну постійно протікає хімічну реакцію.
Проблеми структурної неорганічної хімії - це по суті проблеми хімії твердого тіла. У широкому плані їх тільки дві: пошук шляхів синтезу кристалів з максимальним наближенням до ідеальної решітці, щоб отримувати матеріали з високою механічною міцністю, термічною стійкістю та довговічністю в експлуатації; створення методів одержання кристалів, що містять заздалегідь запроектовані дефекти решітки, щоб отримати матеріали з заданими електрофізичними і оптичними властивостями.
Сучасні структурні теорії твердого тіла сьогодні дають відповідні рекомендації для вирішення обох названих проблем. Суть цих рекомендацій багато в чому зводиться до впливу на процеси вирощування кристалів різних добавок, подібних тим, які здавна застосовуються для легування сталей.
Ваша точка зору?
1. Що означає відомий серед хіміків афоризм - «тріумфальний марш органічного синтезу»?
2. Які можливості та межі структурної хімії?
3. Які особливості структури ферроцена і бульвалена?
4. Які найважливіші проблеми структурних теорій твердого тіла?
3.5 Висновки
1. Властивості речовин і їх якісну різноманітність, обумовлюються не тільки їхнім складом, але ще і структурою їх молекул.
2. Головним змістом поняття «структура» у теорії Бутлерова є ідея про енергетичну нееквівалентності хімічних зв'язків, зумовленої взаємним впливом атомів у структурі молекули.
3. Структура - це стійка впорядкованість якісно незмінною системи, якою є молекула.
4. На основі найпростіших вуглеводнів з кам'яновугільної смоли і аміаку були синтезовані: анілінові барвники, вибухові речовини, лікарські препарати.
5. Проблеми структурної неорганічної хімії зводяться:
􀀹 до пошуку шляхів синтезу кристалів з максимальним наближенням до ідеальної решітці, щоб отримати матеріали з високою механічною міцністю та довговічністю в експлуатації;
􀀹 до створення методів одержання кристалів, що містять заздалегідь запроектовані дефекти решітки, для отримання матеріалів з заданими властивостей

4. Проблеми і рішення на рівні вчення про хімічні процеси
Вчення про хімічні процеси - це галузь науки, в якій існує найбільш глибоке взаємопроникнення фізики, хімії та біології. На цьому рівні розвитку хімічних знань хімія стає наукою не тільки про речовини, як закінчених предметах, а наукою про процесах і механізмах перетворень речовин.
Завдяки цьому хімія забезпечила: багато тоннажний виробництво синтетичних матеріалів, що заміняють дерево і метал в будівельних роботах; харчова сировина у виробництві оліфи, лаків, миючих засобів і мастильних матеріалів; виробництво штучних волокон, каучуків, етилового спирту і багатьох розчинників на базі нафтової сировини; виробництво азотних добрив на основі азоту повітря; появу технології нафтохімічних виробництв з її поточними системами, що забезпечують безперервні високопродуктивні процеси.
Серед великої кількості проблем, які вирішуються на рівні вчення про хімічні процеси, ми розглянемо ті проблеми, які пов'язані зі створенням методів управління процесами. Переважна більшість хімічних реакцій - це надзвичайно «норовливі коні», вони знаходяться у владі стихії. Вони непіддатливою: в одних випадках їх просто не вдається здійснити, в інших випадках їх важко зупинити, наприклад, реакції горіння і вибуху, в третіх випадках їх неймовірно важко ввести в одне бажане русло, тому що вони спонтанно створюють десятки непередбачених відгалужень з утворенням декількох побічних продуктів.
В основі вчення про хімічні процеси знаходиться хімічна термодинаміка (термодинамічні методи якої дозволили керувати хімічними процесами тільки в аспекті їх направлення в пряму або зворотну сторони) і кінетика (виконує функцію керування швидкістю хімічних процесів).
4.1 Проблема каталізу
Каталіз як могутнє посередництво «третіх тіл» у здійсненні хімічних процесів був відкритий в 1812 році К. С. Кірхгофа (1764-1833гг), вперше отримали за допомогою каталізатора - сірчаної кислоти H 2 SO 4 - з крохмалю цукор.
З тих пір і до теперішнього часу каталіз в хімії робить чудеса.
У 1964 році у зв'язку з відкриттям нових каталізаторів (KMgCl, TiCl 4) була реалізована можливість синтезу аміаку не при високих температурі ( 400 0 C ) І тиску (808 мПа), що ускладнювало технологічне виконання процесу, а при звичайних умовах: атмосферному тиску і кімнатній температурі.
Але ця реакція може стати тріумфом і третього тисячоліття, тому що відкриваються конкретні шляхи перенести її зі стін лабораторій в природу, на поля, де виростають злакові культури - пшениця і жито. Горох, квасоля та інші бобові рослини в своїх бульбочках містять «мікрореактори» - азотобактер, який видобуває азот прямо з повітря і переробний його в аміни, які є азотним живленням рослин.
Тепер з'ясовано, що азотобактер діє за принципом зв'язування вільного азоту за допомогою металоорганічних каталізаторів типу RМе-Х, де R - органічний радикал, Ме - метал, Х - залишок мінеральної кислоти. Відкрита в 1964 році реакція синтезу аміаку на металоорганічних каталізаторах створює передумови успішного моделювання азотобактера - включення штучного азотфіксуючою апарату за допомогою генної інженерії у відповідні тканини злакових рослин. Рослини зможуть самі витягувати азот з повітря, і сьогодні це серйозно вивчається наукова проблема.
Перемогою каталізу є поява цілої галузі хімії, що базується на основі такого найпростішого сировини, як оксид вуглецю СО і водень Н 2. На одних каталізаторах з 100%-ним виходом із СО і Н 2 утворюються парафіни нормальної будови, на інших - лише парафіни розгалуженої будови, на третіх - чистий метанол, на четверте - оцтова кислота, на п'ятих - етилен і т.д. Роль каталізаторів як своєрідних архітекторів проявилася в побудові молекул полімерів.
У 1950-1960-х роках відкриті металоорганічні каталізатори стереоспеціфіческой полімеризації дивинила і ізопрену. Це дозволило по суті відтворити натуральний каучук.
Завдяки каталізаторам стало можливим ввести в якості сировини багато тоннажного органічного синтезу вуглеводні нафти - парафіни і ціклопарафіни, які вважалися «хімічними мерцями». Завдяки каталізу вони перетворилися на практично невичерпне сировину для отримання СК і пластмас, оліфи і лаків, миючих речовин і розчинників, лікарських та парфумерних речовин, можливих паливно мастильних матеріалів. Каталіз знаходиться в основі виробництва маргарину, багатьох харчових продуктів, а також засобів захисту рослин.
Практично вся промисловість «основної хімії» (виробництво неорганічних кислот, основ і солей) та «важкого органічного синтезу», включаючи отримання паливно-мастильних матеріалів, базується на гетерогенному каталізі, який здійснюється за допомогою металів, їхніх сплавів і оксидів. Широке застосування за останні 40-30 років придбали цеолітові (алюмосилікатні) каталізатори, що володіють широко розвиненою поверхнею і широкими межами застосування.
Теоретичні уявлення про сутність каталізу служать сьогодні основним пунктом подальшого розвитку всієї каталітичної хімії, і, перш за все таких найбільш перспективних галузей її, як металокомплексної каталіз, міжфазний каталіз, міцелярна (за допомогою колоїдних систем), мембранний каталіз (за участю речовин, що діють як молекулярне сито ) і каталіз допомогою ферментоподобних речовин.

4.2 Проблеми енергетики майбутнього
Сучасна енергетика в основному базується на горючих копалин, якими є кам'яне і буре вугілля, сланці, торф, нафта і газ. В даний час в світі видобувається близько 7 млрд. тонн умовного палива на рік. Підраховано, що цих запасів буде досить за одними даними на 80, а за іншими - на 120-140 років. Тому постає питання про нові джерела енергії.
Перспективою є перетворення атомних електростанцій найближчого майбутнього в хіміко-енергетичні комбінати, ядерні реактори яких одночасно з їх основним призначенням могли б служити генераторами різних видів нейтронного випромінювання для радіохімічного синтезу елементів, для опромінення твердих тіл з метою їх зміцнення і, що особливо важливо, для термічного розкладання води на водень і кисень. Сучасні атомні електростанції не можна вважати верхом досягнень атомної енергетики та енергетики загалом. Їх основний недолік - екологічна небезпека, до того ж, основним ядерним паливом є ізотоп U-235, частка якого в природному урані становить 0,7%. Тому розвиток атомної енергетики на основі сучасного покоління АЕС визначається ресурсами урану, які з енергетичних запасах порівнянні із запасами нафти.
Абсолютно нові можливості відкриваються перед людством із здійсненням керованої термоядерної реакції.
Некерована термоядерна реакція - це воднева бомба, вибух якої відбувається в результаті ядерної взаємодії. Реакція протікає при температурі значно вище 100.000.000 0 С. Тому утримати настільки високо розігріту масу, що складається з ядер, протонів і нейтронів (плазма) неможливо. Це обставина виявилася головною перешкодою на шляху здійснення керованої термоядерної реакції. Існують і інші перешкоди, головним з яких є можливий перегрів поверхні Землі в результаті виділення тепла термоядерними реакторами.
Мова йде про розумні екологічних обмеженнях виробництва термоядерної енергії в межах не більш ніж 5% від сонячної енергії, що поглинається Землею. Проте навіть і в цих межах виробництво термоядерної енергії піднімає розігрів земної поверхні на 3,7 0 С.
Вважають, що розігрів вище цієї граничної температури може призвести до суттєвої зміни клімату всієї нашої планети, навіть всесвітнього потопу, за рахунок танення льодів Антарктики і Гренландії.
Потрібні заходи з пошуку екологічно бездоганних і практично невичерпних джерел енергії. Однією з таких заходів є використання сонячної енергії. Близько половини сонячної енергії розсіюється і поглинається атмосферою і близько 10% затримується в капельножидкой і пилових хмарах. Залишається частка дійшла до поверхні Землі сонячної енергії виявляється в десятки разів перевищує гранично допустимий виробництво термоядерної енергії.
Виникає завдання хімічного перетворення сонячної енергії, тобто завдання акумулювання сонячної енергії, орієнтуючись на той досвід, яким користується природа, а саме фотосинтез.
Є сенс поставити завдання штучного великомасштабного отримання на основі перетворення сонячної енергії такого хімічного палива, яким є водень із води:
Принципово ця реакція здійсненна. Практично для її реалізації потрібно подача великих кількостей енергії, тому що енергія зв'язку Н - О в молекулі води значна (467 кДж / моль), тому термічний розклад води починається лише при температурі вище 1200 0 С і завершується при 2500-2600 0 С.
Аналогічна кількість електроенергії потрібно також і для електролітичного розкладання води. Як же, однак, справляється з залученням в фотосинтез води зелений лист? Виявляється, що його фотокаталізатори діють за принципом електролітичного розкладання води. Розробляються нині штучні молекулярні фото каталітичні системи все більше наближаються до природних фотосинтезуючим об'єктів не тільки за принципом їх дії, а й по самій організації систем. Широкомасштабне перетворення сонячної енергії в енергію хімічних палив поставлено на чергу дня. При цьому треба мати на увазі, що водень є висококалорійним та екологічно чистим паливом. Він зручний і для стаціонарної, і для транспортної енергетики. Безперечно, - це універсальне паливо енергетики майбутнього.
4.3 Хімія екстремальних станів
На відміну від каталітичної хімії, особливістю якої є хімічна активізація молекул реагенту, тобто розслаблення вихідних хімічних зв'язків при взаємодії з їх каталізатором, хімія екстремальних станів характеризується енергетичної активацією реагенту, тобто подачею енергії ззовні для повного розриву вихідних зв'язків.
До хімії екстремальних станів відносяться плазмохімії та радіаційна хімія (хімія високих енергій).
У плазмохімічних процесах швидкість перерозподілу хімічних зв'язків між реагують молекулами досягає оптимуму, заданого природою: тривалість елементарних актів хімічних перетворень наближається в ньому до 10 -13 сек. при майже повній відсутності оборотності реакції, тоді як у всіх сучасних заводських реакторах така швидкість через оборотності знижується в тисячі й мільйони разів. Тому плазмохимические процеси виключно високопродуктивні.
Метановий плазмотрон з продуктивністю 75 тонн ацетилену на добу має довжину всього 65 см і діаметр 15 см ., По суті, заміняє цілий завод. При цьому метан у ньому при температурі 3000-3500 градусів за одну десятитисячну частки секунди перетворюється на 80% в ацетилен.
В даний час розроблені способи зв'язування атмосферного азоту за допомогою плазмохімічного синтезу оксидів азоту, що може бути економніше аміачного методу з енергетичних витрат.
Створюється Плазмохимическая технологія виробництва дрібнодисперсних порошків - основної сировини для порошкової металургії.
Плазмохимія дозволяє отримати такі матеріали, які до цього часу взагалі не були відомі людині, наприклад, металлобетон, де в якості сполучного використовуються сталь, чавун, алюміній. Плазмова технологія дозволяє шляхом оплавлення частинок гірської породи створити міцне зчеплення цієї породи з металом, завдяки чому отримується металлобетон міцніше звичайного на стиск в 10 і на розтяг в 100 разів.
У Росії розроблені плазмохимические процеси перетворення вугілля в рідке паливо, що усувають застосування високих тисків і викиди сірки та золи.
Радіаційна хімія. Початок її було покладено опроміненням поліетилену з метою надання йому великої міцності. Найбільш важливими процесами радіаційно-хімічної технології є полімеризація, вулканізація, виробництво композиційних матеріалів, в тому числі композицій на деревній основі, закріплення лаків та інших криють матеріалів на поверхні дерева і металу, отримання полімербетонів шляхом просочення звичайного бетону тим чи іншим мономером з наступним опроміненням.
Принципово новою і важливою областю хімії екстремальних станів є високотемпературний синтез (СВС) тугоплавких і керамічних матеріалів.
Він заснований на реакції горіння одного металу в іншому або металу в азоті, вуглеці, кремнії. Метод СВС - це результат розвитку теплової теорії процесів горіння та вибуху в твердих тілах. Він передбачає свого роду горіння, наприклад, порошку титану в порошку бору з утворенням боридів ТiВ і ТiВ 2 або порошку цирконію в порошку кремнію з освіту силіцидів цирконію ZrSi, ZrSi 2. Методом СВС отримано сотні тугоплавких сполук чудової якості.
Характерною особливістю методу СВС є простота технологічних установок, виключно велика вигода у витратах енергії. За оцінкою американських фахівців, СВС - технологія є найвищим досягненням російських учених з Інституту хімічної фізики Російської Академії наук.
Ваша точка зору?
1. Охарактеризуйте роль каталізу в різних галузях хімії.
2. Розкрийте роль успіхів фізики, хімії, біології у вирішенні проблем енергетики сьогодення і майбутнього.
3. Що таке хімія екстремальних станів?
4.4 Висновки
1. На третьому рівні розвитку хімічних знань - вчення про хімічні процеси - хімія стає наукою про процесах і механізмах зміни речовин.
2. Каталіз - могутнє посередництво «третіх тіл» у здійсненні хімічних процесів, здатне творити дива в хімії.
3. Азотобактер (у бульбочках бобових рослин) діє за принципом каталітичного зв'язування вільного азоту за допомогою металоорганічних каталізаторів.
4. Каталізатори дозволили запровадити дешеві вуглеводні нафти як сировини для органічного синтезу та отримувати з них синтетичні каучуки, пластмаси, оліфу, лаки, миючі засоби і т.д.
5. Цеолітові каталізатори володіють широко розвиненою поверхнею та вибірковістю дії.
6. До перспективних областях каталітичної хімії відносяться: металокомплексної, міжфазний, мембранний каталіз і каталіз речовинами, подібними ферментам.
7. Водень є висококалорійним та екологічно чистим паливом.
8. У плазмохімічних процесах швидкість перерозподілу хімічних зв'язків між реагують молекулами досягає оптимуму, заданого природою.
9. Високотемпературний синтез тугоплавких і керамічних матеріалів заснований на реакції горіння одного металу в іншому металі, металу в азоті, вуглеці або кремнії, що представляє собою принципово нову область хімії екстремальних станів.

5. Еволюційна хімія - найвищий ступінь розвитку хімічних знань. Найближчі перспективи хімії
До недавнього часу про еволюційної хімії нічого не було відомо. На відміну від біологів, хіміків не цікавило питання про «походження видів» речовини, тому що отримання будь-якого нового хімічної сполуки завжди було справою рук і розуму людини: нова молекула конструювалася їм за законами структурної хімії з атомів і атомних груп, як будівля з цегли. Живі організми з блоків зібрати не можна.
Тепер виникла необхідність вирішувати еволюційні проблеми стосовно до своїх об'єктів і у хіміків. При цьому під еволюційними проблемами слід розуміти проблеми самовільного (без участі людини) синтезу нових хімічних сполук, що є до того ж більш складними і більш високоорганізованими продуктами в порівнянні з вихідними речовинами. Тому еволюційну хімію вважають наукою про самоорганізацію і про саморозвиток хімічних систем.
Витоки виникнення еволюційної хімії йдуть в далеке минуле і пов'язані з давньої мрією хіміків - «освоїти досвід лабораторії живого організму» і зрозуміти, як з неорганічної матерії виникає органічна, а разом з нею і життя.
5.1 «Лабораторія живого організму» - ідеал хіміків
Засновник органічної хімії - шведський учений Йєнс Якоб Берцеліус був першим ученим, котра усвідомила виключно високу впорядкованість і ефективність хімічних процесів у живих організмах. Саме він вперше встановив, що основою основ лабораторії живого організму є каталіз, а точніше біокаталізу.
Ідеалом досконалості каталітичних перетворень вважали лабораторію живого організму німецький учений Ю. Лібіх, французький натураліст М. Бертло і багато інших хіміки Х1Х століття. Але і в ХХ ст. хімізм живої природи залишався ідеалом дослідників.
Академік А. Є. Арбузов писав: «Чим же хімія майбутнього повинна відрізнятися від хімії сьогодення? Наслідування живій природі є хімія майбутнього! І в той день, коли в лабораторії буде синтезовано перший фермент, тобто біокаталізатор, ми можемо сказати, що наука отримала в свої руки ключ, який вона так довго і наполегливо шукає, - це ключ до хімії живої природи ».
Багато уваги питанням орієнтації на каталітичний досвід живої природи приділяв лауреат Нобелівської премії М. М. Семенов. Він говорив про хімічні процеси, що протікають в тканинах рослин і тварин, як про своєрідний «хімічному виробництві» живої природи. Природа при зародженні і еволюції нових організмів створила «молекулярні машини» виняткової точності, швидкості дії і надзвичайного досконалості. Наприклад, розкритий нещодавно хіміками і біологами синтез великих білкових молекул із суворим чергуванням амінокислот. У клітинах є «субмікроскопічні збірні заводики» - рибосоми, що включають в себе РНК як складальні «машини». Кожен сорт коротких молекул транспортних рибонуклеїнових кислот захоплює один певний вид амінокислот, несе їх у рибосому і ставить кожну амінокислоту на своє місце, згідно з інформацією, що міститься в молекулах рибонуклеїнових кислот. Тут же до амінокислот підходять каталізатори - ферменти і здійснюють «зшивання» амінокислот в одну молекулу білка з суворим чергуванням. Це справжній кваліфікований завод, який будує молекули за планом, виробленому природою в процесі еволюції.
Хіміки сьогодні прийшли до висновку, що, використовуючи ті ж принципи, на яких побудована хімія організмів, в майбутньому (не повторюючи в точності природу) можна створити принципово нову хімію, нове управління хімічними процесами, де почнуть застосовувати принципи синтезу собі подібних молекул. За принципом ферментів будуть створені каталізатори високого ступеня специфічності, які переважать наявні. Збудують перетворювачі, які використовують з більшим ККД сонячну енергію, перетворюючи її в хімічну і електричну, і назад. Бути може, суміщення біохімічної енергетики з полімерними матеріалами дасть можливість створити макромолекули, що перетворюють хімічну енергію в механічну, подібно до наших машин.
Це здається фантазією. Але ж є в науці великі проблеми. Розглянута нами проблема носить такий же характер.
5.2 Ферменти в біохімії та біоорганічної хімії
Дослідження, спрямовані на з'ясування як матеріального складу рослинних і тваринних тканин, так і хімічних процесів, що відбуваються в організмі, здійснювалися і «чистими» хіміками - органіка, і біохіміками, і медиками. У кожної з цих груп фахівців були свої цілі.
Хіміків-органіків захоплювали перспективи синтезу все більш складних речовин шляхом конструювання їх молекул з метою показати можливості штучного одержання аналогів органічних сполук, що утворюються в живих організмах. Біологи переслідували мети вивчення субстратної та функціональної основ живого. Медики прагнули з'ясувати межі між нормою і патологією в організмах. Об'єднуючим початком всіх цих досліджень є ідея про провідну роль ферментів і біорегуляторів в процесі життєдіяльності.
Вивчення хімізму живої природи відбувалося у надрах динамічної біохімії, предметом якої стали хімічні процеси, що відбуваються в живому організмі.
Історичні корені динамічної біохімії є досить глибокими. Історія вивчення бродіння - типовий приклад дослідження живої природи. У ньому як у дзеркалі, відбилися всі труднощі і всі перипетії проникнення в таємниці живого. Надії Берцеліуса на особливі функції каталізу в життєдіяльності організмів, геніальні передбачення Пастера про відмінність між безклітинним бродінням і ферментативної діяльністю дріжджових клітин, і, нарешті, відкриття білкової основи ферментів і їх глибокої диференціації.
Дослідження явища бродіння з'явилося програмою розвитку ензимології (ферментології), як стрижневий галузі знань про процеси життєдіяльності. Ці дослідження виявили дві протилежні точки зору на біокаталізу взагалі. Їх умовно можна назвати хімічної та біологічної.
Хімічна концепція бродіння, що базується на успіхах препаративного органічного синтезу, в тенденції зводила весь біокаталізу до звичайного хімічному каталізу.
Незважаючи на значні спрощення в пізнанні дійсності, її заслуги в розвитку ензимології великі. Саме вона допомогла встановити багато положень, що міцно ввійшли в сучасну ензимології, а саме:
􀀹 аналогію між біокаталізу і каталізом, між ферментами і каталізаторами;
􀀹 положення про наявність у ферментах двох нерівноцінних компонентів - свого роду активних центрів і носіїв;
􀀹 висновок про важливу роль іонів перехідних металів в активних центрах багатьох ферментів;
􀀹 висновок про поширення на біокаталізу законів хімічної кінетики;
􀀹 зведення в окремих випадках біокаталізу до каталізу неорганічними реагентами (гідроліз крохмалю до глюкози в присутності сірчаної кислоти).
Біологічна концепція на перших етапах розвитку ензимології не мала таких вагомих експериментальних доказів, які перебували під хімічної концепцією. Самою фундаментальною опорою біологічної концепції були праці Пастера, зокрема, його прямі спостереження за діяльністю молочно-кислих бактерій, відкриття їм маслянокислого бродіння та існування анаеробіозу, тобто здатності мікроорганізмів отримувати необхідну їм енергію для життєдіяльності шляхом бродіння.
Відкрита Пастером сувора стереоспеціфічность живої природи, дозволила йому зробити висновок про особливий рівень матеріальної організації ферментів. Про достовірність і перспективності ідей Пастера свідчать сьогодні і хімія, і біологія. І саме некласичні форми - еволюційний каталіз та молекулярна біологія.
З одного боку, отримано висновок про те, що склад і структура біополімерний молекул представляють єдиний стандартизований набір для всіх живих істот, цілком доступний для дослідження фізичними і хімічними методами, що вказує на єдність фізико-хімічних законів, керуючих як абіогенним процесами, так і процесами життєдіяльності.
З іншого боку, була показана виняткова специфічність живого, яка проявляється не тільки у високих рівнях організації клітини, а й у поведінці фрагментів живих систем на молекулярному рівні, де знаходять відображення закономірності інших рівнів.
Специфічність молекулярного рівня живого виявляється в наступному: у істотному відмінності принципів дії каталізаторів і ферментів, у відмінності механізмів утворення полімерів та біополімерів, (їх структура визначається генетичним кодом) і, нарешті, в зовсім не-звичайному факт: деякі реакції окиснення-відновлення в клітці «можуть відбуватися без безпосереднього контакту між реагують молекулами». Це говорить про те, що в живих системах здійснюються такі типи хімічних перетворень, які не були виявлені в неживому світі.
Твердження Пастера виявилися достовірними і ведуть надійними шляхами до дійсного освоєння каталітичного досвіду живої природи.
5.3 Шляхи освоєння каталітичного досвіду живої природи
Перспективними шляхами освоєння досвіду живої природи представляються ті, які ведуть до певних практичних результатів - до створення промислових аналогів хімічних процесів, які відбуваються в живій природі.
Перший з цих шляхів - це розвиток досліджень в області металокомплексного каталізу з постійною орієнтацією на відповідні об'єкти живої природи. Нині реалізовано більше 40 великотоннажних промислових процесів за участю металокомплексної каталізаторів. Сьогодні металокомплексної каталіз поступово збагачується такими прийомами, якими користуються живі організми у ферментативних реакціях, а також прийомами гетерогенного каталізу.
Другий шлях, що веде до вирішення конкретних завдань освоєння каталітичного досвіду живої природи, полягає у певних успіхи моделювання біокаталізаторів. В. ангенбеку, Л.А. іколаеву та іншим дослідникам шляхом штучного відбору вдалося побудувати моделі багатьох ферментів, що характеризуються високою активністю та селективністю, іноді майже такий же, як і у оригіналів. Але жодна досі отримана модель не в змозі замінити природні аналоги. Цей висновок не так вже песимістичний. Мова йде про заміну біокаталізаторів у біосистемах штучної моделлю. Таке завдання дуже важка, вона порівнянна із завданням створення штучних органів.
Фермент можна виділити з живої системи, можна точно визначити його структуру. Фермент можна ввести в реакцію і змусити здійснювати каталітичні функції. Але при цьому виявляється, що він працює всього лише кілька хвилин. Під час роботи він руйнується. Цілісна клітина з усім її ферментним апаратом - більш важливий об'єкт, ніж одна, грубо віддалена деталь. Біокаталізу не можна відокремити від проблеми біогенезу, походження життя, і якими б складними не здавалися ці питання, у дослідника нічого іншого не залишається.
Третій шлях до освоєння «прийомів», якими користується жива природа в своїх «лабораторіях» in vivo, полягає в значних досягненнях хімії іммобілізованих систем.
«Технічна біохімія» не могла піти далі кількох обмежених областей промисловості, де застосовуються переважно гідролітичні ферменти, що виділяються мікроорганізмами. Ці області - виробництво вин, пива, чаю, хліба і деяких харчових продуктів, обробка шкіри. Всі спроби використовувати багатющий набір ферментів, що є в розпорядженні природа, для здійснення лабораторних і промислових процесів наштовхувалися на нерозв'язні проблеми:
􀀹 важку доступність чистих ферментів та їх високу вартість;
􀀹 їх нестабільність при зберіганні і транспортуванні;
􀀹 швидко наступаючу втрату їхньої активності в роботі, навіть якщо вдалося їх виділити і ввести в реакцію.
В даний час ці проблеми вдалося частково вирішити. Відкриті шляхи стабілізації ферментів, і саме ця обставина стала підставою хімії іммобілізованих систем, або «биоорганического каталізу». Сутність іммобілізації полягає в закріпленні виділених з живого організму ферментів на твердій поверхні або в гелі, що забезпечує його стабільність і безперервну дію в умовах in vitro. Вирішені питання використання іммобілізованих ферментів у тонкому органічному синтезі, в трансформації стероїдів, в модифікації малостабільних станів, у поділі рацематів на оптично активні форми. Вивчаються перспективи ферментативного знешкодження стічних вод.
Наступний, четвертий, шлях у розвитку досліджень, орієнтованих на застосування принципів біокаталізу в хімії та хімічній технології, характеризується постановкою самої широкої завдання - вивченням і освоєнням всього каталітичного досвіду живої природи, у тому числі і досвіду формування самого ферменту, клітини і навіть організму. Це така щабель, на якій виникають основи еволюційної хімії, як пролог до принципово нової хімічної технології, здатної стати аналогом живих систем.
5.4 Передумови виникнення еволюційної хімії
Першим практичним приводом до усвідомлення необхідності вивчення хімічної еволюції з'явилися дослідження в області моделювання біокаталізаторів. Представляючи собою, штучний відбір каталітичних структур, дослідження в цій області не можуть не орієнтуватися на природний відбір, який здійснювала природа на шляхах еволюції від неорганічної матерії до живих систем.
Другим і головним приводом до розвитку досліджень в області еволюційної хімії є реально відчутні успіхи «нестаціонарної кінетики», або динаміки хімічних систем.
У 1960-х роках були відкриті випадки самовдосконалення каталізаторів в ході реакції, тоді як зазвичай каталізатори в процесі їх роботи дезактивували, погіршувалися і викидалися.

5.5 Поняття «організація» і «самоорганізація» та їх пізнавальні функції в хімії
Поняття «організація» і «самоорганізація» мають дуже широке поширення в багатьох галузях знань і зазвичай характеризуються як загальнонаукові поняття. Вони позначають впорядкованість існування якісно змінюються, або процесуальних систем. На відміну від поняття «організація», «самоорганізація» відображає закони такого існування динамічних систем, яке супроводжується їх сходженням на все більш високі рівні складності і системної упорядкованості.
Існує два різні підходи до проблеми самоорганізації передбіологічних систем. Це звані «субстратний» і «функціональний» підходи.
До першого з них відносять ті теорії походження життя, відправним пунктом яких є строго певний склад елементів - органогенов і не менш певна структура входять в живий організм хімічних сполук. Раціональними результатами субстратного підходу до проблеми біогенезу, є накопичена інформація про відбір хімічних елементів і структур.
Відбір хімічних елементів - цього рухомого будівельного матеріалу еволюціонують систем - виступає як красномовний факт. Нині відомі більш ста хімічних елементів. Проте основу живих систем складають лише 6 елементів, що отримали найменування органогенов; це - вуглець, водень, кисень, азот, фосфор і сірка, загальна вагова частка яких в організмах складає 97,4%.
За ними слідують 12 елементів, які беруть участь у побудові багатьох фізіологічно важливих компонентів біосистем: - натрій, калій, кальцій, магній, залізо, кремній, алюміній, хлор, мідь, цинк, кобальт, марганець. Їх вагова частка в організмах приблизно 1,6%.
Картина хімічного світу виразно свідчить про відбір елементів. Тепер відомо близько десяти мільйонів хімічних сполук.
З них переважна більшість (близько 96%) - це органічні сполуки, основний будівельний матеріал яких - все ті ж 6-18 елементів. І як це не парадоксально, з усіх інших 95-99 хімічних елементів природа (принаймні, на Землі) створила лише близько 300 тис. неорганічних сполук.
За поширеністю на Землі вуглець займає 16 місце. Вуглець в літосфері землі поширений в 276 разів менше, ніж кремній і в 88 разів менше, ніж алюміній. З органогенов найбільш поширені лише кисень і водень. Поширеність ж вуглецю, азоту, фосфору і сірки в поверхневих шарах Землі приблизно однакова і невелика - близько 0,24%. Отже, геохімічні умови не грають скільки-небудь істотної ролі у відборі хімічних елементів при формуванні органічних систем, а тим більше біосистем. Визначальними чинниками тут виступають і вимоги відповідності між будівельним матеріалом і тими спорудами, про які говорилося як про структури високоорганізованих.
З хімічної точки зору ці вимоги зводяться до відбору елементів, здатних до утворення:
􀀹 досить міцних і, отже, енергоємних хімічних зв'язків;
􀀹 зв'язків лабільних, тобто легко піддаються гомолізу, гетеролізу або циклічному перерозподілу.
Ось чому вуглець обраний елементом номер один. Він, як ніякий інший елемент, здатний вміщати і утримувати всередині себе найбільш рідкісні хімічні протилежності, реалізовувати їх єдність, виступати в якості носія внутрішнього протиріччя. Атоми вуглецю в одному і тому ж з'єднанні здатні виконувати роль і акцептора, і донора електронів. Вони утворюють майже всі типи зв'язків, які знає хімія: менш ніж одноелектронні і одноелектронні (при хемосорбції вуглеводнів на графіті); двухелектронние (у етан); трехелектронние (в бензолі); четирехелектронние (у етилену); шестіелектронние (у ацетилені).
Кисень і водень слід розглядати в якості носіїв крайніх і односторонніх властивостей - окисних і відбудовних. Дж. Бернал розглядав питання про відбір елементів і відзначив, що лабільні атоми сірки, фосфору і заліза, мають основне значення в біохімії, в той час як стабільні атоми, такі як кремній, алюміній або натрій, що становлять більшу частину земної кори, відіграють другорядну роль або відсутні зовсім.
Про те, як відбувався відбір структур, який його механізм, сказати досить важко. Але цей процес залишив нам свого роду музей. Подібно до того, як з усіх хімічних елементів тільки 6 органогенов та 10-15 інших елементів відібрані природою, щоб скласти основу біосистем, так само в результаті еволюції йшов ретельний відбір хімічних сполук. З мільйонів органічних сполук у побудові живого бере участь лише кілька сотень; з 100 відомих амінокислот до складу білків входить тільки 20; лише по чотири нуклеотиду ДНК і РНК лежать в основі всіх складних полімерних нуклеїнових кислот, відповідальних за спадковість і регуляцію білкового синтезу в будь-яких живих організмах .
Як хіміки, так і біологи називають вражаючим той факт, що з такого вузького кола відібраних природою органічних речовин складено важко доступний для огляду світ тварин і рослин. Яким чином проводилася та «хімічна підготовка», в результаті якої з мінімуму хімічних елементів і мінімуму хімічних сполук утворився складний високоорганізований комплекс - біосистеми?
Завіса, яка відділяла нас від цих таємниць, став потроху підніматися. У ході еволюції відбирались ті структури, які сприяли різкому підвищенню активності і селективності дії каталітичних груп. Прикладом чого може служити система піррольних циклів у Геміні, що забезпечує підвищення активності атома заліза в окислювально-відновних реакціях в мільярди разів.
Першою і найбільш простий з цих структур можна назвати різні фазові кордону. Вони служили основою фізичної та хімічної адсорбції, яка служила чинником появи каталітичного ефекту. Другим структурним фрагментом називають угруповання, що забезпечують процеси перенесення електронів і протонів. Третій структурний фрагмент, необхідний для еволюційних систем - це угруповання, відповідальні за енергетичне забезпечення. Сюди входять окси-(ОН) і оксогрупи (-С = О), фосфор і інші фрагменти з макроергічними зв'язками. Наступним фрагментом еволюціонують систем є вже розвинена полімерна структура типу РНК і ДНК, що виконує ряд функцій, властивих перерахованим вище структурам, і головне - роль каталітичної матриці, на якій здійснюється відтворення собі подібних структур.
Звертає на себе увагу ряд висновків, отриманих різними шляхами і в самих різних галузях науки (геології, геохімії, космохімії, біохімії, термодинаміки, хімічної кінетики):
􀀹 на ранніх стадіях хімічної еволюції світу каталіз зовсім відсутня. Роль каталізу зростала в міру того, як фізичні умови (головним чином, температура) наближалися до земних умов;
􀀹 роль каталізу у розвитку хімічних систем після досягнення стартового стану, тобто відомого кількісного мінімуму органічних і неорганічних сполук, почала зростати з фантастичною швидкістю;
􀀹 відбір активних сполук відбувався в природі з тих продуктів, які виходили відносно великим числом хімічних шляхів і володіли широким каталітичним спектром.
Відмінною рисою другого - функціонального - підходу до проблеми передбіологічній еволюції є зосередження уваги на дослідженні процесів самоорганізації матеріальних систем, на виявленні законів, яким підкоряються такі процеси.
5.6 Загальна теорія хімічної еволюції і біогенезу А.П. Руденко
Теорія саморозвитку каталітичних систем, висунута А.П. Руденко в 1964 році, вирішує в комплексі питання про закони хімічної еволюції, про відбір елементів і структур та їх причинної зумовленості, про висоту хімічної організації та ієрархії хімічних систем.
Сутність цієї теорії полягає в тому, що хімічна еволюція являє собою саморозвиток каталітичних систем і, отже, еволюціонуючим речовиною є каталізатори.
У ході реакції відбувається природний відбір тих каталітичних центрів, які володіють найбільшою активністю. Ті ж центри, зміна яких пов'язане зі зменшенням активності, постійно вимикаються з кінетичного процесу, «не виживають». При багаторазових послідовних необоротних змінах каталізатора перехід його на все більш високі рівні супроводжується еволюцією механізму базисної реакції як за рахунок змін складу і структури каталізаторів, які функціонували на початку реакції, так і за рахунок дроблення хімічного процесу на елементарні стадії і поява нових каталізаторів цих стадій. Ці нові каталізатори з'являються за рахунок їхнього саморозвитку.
А.П. Руденко сформулював основний закон хімічної еволюції, згідно з яким з найбільшою швидкістю і ймовірністю реалізуються ті шляхи еволюційних змін каталізатора, на яких відбувається максимальне збільшення його абсолютної активності.
Саморозвиток, самоорганізація і самоусложненіе каталітичних систем відбувається за рахунок постійного потоку трансформованою енергії. А так як основним джерелом енергії є базисна реакція, то максимальні еволюційні переваги отримують каталітичні системи, що розвиваються на базі реакцій з найбільшим спорідненістю (екзотермічні реакції).
Базисна реакція є, таким чином, не тільки джерелом енергії, необхідної для корисної роботи в системі, яка спрямована проти рівноваги, а й знаряддям відбору найбільш прогресивних еволюційних змін каталізаторів.
Теорія саморозвитку відкритих каталітичних систем має ряд важливих наслідків:
􀀹 загальна класифікація етапів хімічної еволюції, а на її основі - класифікація каталізаторів за рівнем їх організації;
􀀹 принципово новий метод вивчення каталізу як динамічного явища, пов'язаного зі зміною каталізаторів в ході реакції;
􀀹 конкретна характеристика меж хімічної еволюції і переходу від хемогенеза до біогенезу в результаті подолання так званого кінетичного межі саморозвитку каталітичних систем.
5.7 Нестаціонарна кінетика і розвиток уявлень про еволюцію хімічних систем
Г.К. Боресков переконливо довів, що під впливом реакційного середовища свіжі каталізатори змінюють свій склад і структуру, досягаючи стаціонарного складу та відповідної йому питомої каталітичної активності. Вважається і нині, що переважна більшість промислових каталітичних процесів здійснюється в стаціонарних умовах.
Починаючи з 1970-х років, хіміки все більше почали звертати увагу на те, що ті ж самі причини впливу реакційного середовища на каталізатори, які зумовили появу кінетики стаціонарних процесів, виявляються відповідальними і за наявність нестаціонарних режимів роботи каталітичних систем. Було встановлено, що в одних випадках стаціонарне стан каталізаторів не реалізується через блокування їх поверхні щільним шаром будь-якого адсорбату, швидкість утворення якого вище швидкості руху стаціонарності. В інших випадках в ході реакцій було зафіксовано кілька нестаціонарних режимів з стрибкоподібними переходами між ними. Відкрито і вивчено безліч автоколивальних процесів, що свідчать про особливе типі нестаціонарності.
Дослідники приходять до висновків, що стаціонарний режим, стабілізація якого здавалася запорукою високої ефективності промислового процесу, є лише окремим випадком нестаціонарного режиму. З 1970-х років виявлено багато випадків нестаціонарних режимів, що сприяють інтенсифікації реакцій. З'явилися роботи, що описують штучно створювані нестаціонарні режими, при яких виявляється можливим не тільки легше реалізувати оптимальні умови реакцій, але й досягти поліпшення якості продуктів (наприклад, більш ефективного розподілу молекулярних ваг в полімерах).
Одним з провідних ланок у розвитку нестаціонарної кінетики є теорія саморозвитку відкритих каталітичних систем. Першою прикладної областю, де теорія розвитку відкритих каталітичних систем може бути широко і ефективно використана, є вже досліджені в лабораторних умовах процеси, в основу яких покладено енергетичне поєднання реакцій, в тому числі таких, на які накладено суворі термодинамічні обмеження. У цьому випадку одна реакція допомагає інший; в системі розвиваються процеси, спрямовані проти рівноваги, сама ж система набуває динамічну стійкість, або «сталий не рівновагу». Цей принцип використаний для здійснення низки реакцій, які поки не були реалізовані іншими шляхами.
У результаті розвитку вчення про хімічні процеси хімія тепер має реальні передумови для вирішення таких загальних завдань, як:
􀀹 моделювання та інтенсифікація фотосинтезу;
􀀹 фотоліз води з отриманням водню як найефективнішого палива;
􀀹 промисловий синтез широкого спектру органічних продуктів і в першу чергу метанолу, етанолу, формальдегіду і мурашиної кислоти, на основі вуглекислого газу;
􀀹 промисловий синтез багатьох фтор матеріалів.
Ця обставина є запорукою успішного втілення в життя завдань зі створення маловідходних, безвідходних та енергозберігаючих промислових процесів, дбайливого використання кожного кілограма сировини і кожного кіловата енергії для виробництва необхідних матеріалів.
Ваша точка зору?
1. Чому лабораторія живого організму була завжди ідеалом хіміків?
2. Що називається ферментами і яка їхня роль в «лабораторії живого організму»?
3. Що можна сказати про природний добір хімічних елементів і їх сполук у ході хімічної еволюції?
4. Що означає саморозвиток каталітичних систем?
5. Що означає нестаціонарна хімічна кінетика?
5.8 Висновки
1. Основою процесів в живому організмі є біокаталізу під дією ферментів.
2. За принципом ферментів створюються каталізатори високого ступеня специфічності, які переважать наявні в даний момент промисловості.
3. Склад і структура біополімерний молекул представляють єдиний стандартизований набір для всіх живих організмів.
4. Показана виняткова специфічність живого, яка проявляється в поведінці фрагментів живих систем на молекулярному рівні.
5. Специфічність молекулярного рівня живого виявляється в істотному розходженні принципів дії каталізаторів і ферментів, у відмінності механізмів утворення полімерів та біополімерів (структура останніх визначається генетичним кодом).
6. Шляхи освоєння каталітичного досвіду живої природи включають в себе:
􀀹 дослідження в області металокомплексного каталізу;
􀀹 моделювання біокаталізаторів;
􀀹 стабілізація ферментів - створення іммобілізованих ферментів;.
􀀹 дослідження, орієнтовані на застосування біокаталізу в промисловій хімічної технології.
7. Основу живих систем складають шість елементів-органогенов: вуглець С, водень Н, кисень О, азот N, фосфор Р і сірка S (вміст в організмі 97,4%).
8. З мільйонів органічних сполук у побудові живого беруть участь лише кілька сотень.
9. Відбір активних сполук відбувався в природі з продуктів, які виходили відносно великим числом хімічних шляхів, і володіли широким каталітичним спектром.
10. Хімічна еволюція являє собою саморозвиток каталітичних систем, еволюціонуючим речовиною є каталізатори.
11. У ході еволюції відбувається відбір найбільш активних каталітичних центрів.

6. Кінетика хімічних реакцій
Одна з особливостей хімічних реакцій полягає в тому, що вони протікають у часі. Одні реакції протікають повільно, місяцями, як, наприклад, корозія заліза. Інші закінчуються дуже швидко, наприклад осадження нерозчинних солей, а деякі реакції відбуваються миттєво (наприклад, вибухи). Таким чином, різні хімічні реакції відбуваються з різними швидкостями.
Розділ хімії, що вивчає швидкості хімічних реакцій, називають хімічної кінетикою.
I. Основним поняттям у хімічній кінетиці є поняття про швидкість реакції, яка визначається зміною кількості речовини реагентів (або продуктів реакції) в одиницю часу в одиниці реакційного простору.
Для гомогенних реакцій (всі учасники реакції в одному агрегатному стані) реакційним простором є весь обсяг, заповнений реагентами. А значить швидкість гомогенної реакції визначається як зміна кількості речовини в одиницю часу в одиниці об'єму. А тому відношення кількості речовини до об'єму представляє собою молярну концентрацію С, то швидкість гомогенної реакції визначається як зміна концентрації однієї з речовин в одиницю часу:
v гом = ± C 2 - C 1 / t 2 - t 1, (моль / л. с)
де С 2 - С 1 - зміна концентрації одного з реагентів за проміжок часу від t 1 до t 2.
Зазвичай для реакцій, що протікають між газами або в розчинах, концентрації реагентів висловлюють у моль / л, а швидкість реакції - у моль / (л • с).
Знак «+» відноситься до випадку, коли про швидкість реакції судять по зміні концентрацій продукту реакції (вона з часом зростає); знак «-» коли в рівняння підставляється зміна концентрації одного з вихідних речовин (вона з плином часу убуває).
Якщо реакція йде між речовинами, які перебувають у різних агрегатних станах (н-р, між твердим речовиною і рідиною), то це гетерогенна реакція. Вона проходить тільки на поверхні зіткнення речовин.
Тому швидкість гетерогенної реакції визначається як зміна кількості речовини в одиницю часу на одиниці поверхні:
v гет = ± n 2 - n 1 / (t 2 - t 1) . S, (моль / с. М 2),
де S - площа поверхні зіткнення речовин.
II. Швидкість реакції залежить від природи реагуючих речовин і від умов, у яких реакція протікає. Найважливішими з них є: концентрація, температура і присутність каталізатора (а також - тиск, якщо реакція протікає в газовій фазі).
6.1 Залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин
Розглянемо реакцію між речовинами А і В, що протікає по схемі:
а А + у В = з С + d D
Кількісно залежність між швидкістю реакції і концентраціями реагуючих речовин описується основним постулатом хімічної кінетики - законом діючих мас:
швидкість хімічної реакції в кожен момент часу пропорційна поточним концентрацій реагуючих речовин, зведеним в ступені їх стехіометричних коефіцієнтів:
v = k . [A] а. [B] в.
Вираз такого типу називають кінетичним рівнянням реакції. Коефіцієнт пропорційності k називають константою швидкості ..
Щоб зрозуміти фізичний зміст константи швидкості реакції, треба в кінетичному рівнянні прийняти, що [А] = 1 моль / л і [В] = 1 моль / л (або прирівняти одиниці їх твір) і тоді v = k. Звідси ясно, що константа швидкості k чисельно дорівнює швидкості реакції, коли концентрації реагуючих речовин (або їх добуток в рівняннях швидкості) рівні одиниці.
6.2 Вплив температури на швидкість реакції
Із загальних міркувань зрозуміло, що швидкість реакцій повинна збільшуватися з ростом температури, тому що при цьому зростає енергія частинок, що стикаються і підвищується ймовірність того, що при зіткненні відбудеться хімічне перетворення.
Для наближеної оцінки зміни швидкості при зміні температури широко використовується правило Вант-Гоффа: швидкість хімічної реакції стає в 2 - 4 рази більше при підвищенні температури на кожні 10 градусів .. Математично це означає, що швидкість реакції залежить від температури наступним чином:
2 - Т 1) / 10
v 2 = v 1 * Y
де v 1 і v 2 - швидкість реакції при температурах Т 1 і Т 2.,
Y - Температурний коефіцієнт, що показує у скільки разів збільшується швидкість реакції з підвищенням температури на кожні 10 о С.
6.3 Каталіз
Найбільш сильний вплив на швидкість реакції надає присутність в реагує системі каталізатора - речовини, яка підвищує (а іноді і зменшує - тоді його називають інгібітором) швидкість хімічної реакції, але сама не витрачається в цьому процесі. Каталізатори поділяють на три типи: гомогенні, гетерогенні та біологічні {біокаталізатори мулу ферменти)
Вплив каталізаторів на швидкість реакції називається каталізом. Коли взаємодіючі речовини і каталізатор перебувають в одному агрегатному стані, говорять про гомогенному каталізі. При гетерогенному каталізі реагують речовини і каталізатор перебувають у різних агрегатних станах: зазвичай каталізатор - у твердому, а реагують речовини - в рідкому або газоподібному (наприклад, у разі окислення SO 2 в SO 3 в присутності платини або оксиду ванадію (V) відбувається гетерогенний каталіз ).
Механізм дії каталізаторів може бути найрізноманітнішим і, як правило, дуже складним. Основною гіпотезою, що пояснює вплив каталізатора на швидкість реакції, є припущення про утворення проміжних продуктів при взаємодії каталізатора і реагує речовини.
Якщо реакція А + В = АВ без каталізатора проходить повільно, а в присутності каталізатора К швидко, то його дія пояснюється тим, що каталізатор реагує з одним з вихідних речовин утворюючи нетривке (як правило, дуже реакційно) проміжна сполука АК (або ВК):
А (В) + К = АК (ВК)
Утворене проміжне з'єднання (наприклад, АК) взаємодіє з іншим вихідним речовиною В, утворюючи кінцевий продукт реакції АВ і виділяючи каталізатор К в первісному вигляді:
АК + В = АВ + К
Наведена найпростіша схема каталізу показує, чому частинки каталізатора можуть брати участь в реакції «незліченну» безліч разів. Щоправда, «незліченну» - тільки теоретично, тому що при практичному протікання реакції в системі можуть виявитися речовини (навіть в малих кількостях), що зменшують або повністю знищують активність каталізатора. Такі речовини називають каталітичними отрутами, а саме явище зниження активності каталізатора - отруєнням.
Механізм дії каталізатора полягає в тому, що він змінює «шлях» процесу «реагенти => продукти реакції», причому новий шлях характеризується меншою енергією активації в порівнянні з енергією активації некаталізіруемой реакції.
* Енергія активації - надлишкова енергія пари частинок, щоб при їх зіткненні утворилося перехідний до нових речовин стан, так званий активоване комплекс. У стані активованого комплексу старі зв'язки в молекулах ще до кінця не зруйнувалися, а нові зв'язки намітилися, але ще не утворилися. Такі комплекси існують недовго, їх розпад призводить до утворення продукту реакції.

6.4 Поверхня зіткнення реагуючих речовин
Необхідно збільшувати для підвищення швидкості гетерогенної реакції. Для цього тверді речовини необхідно подрібнювати, а також ефективно застосовувати перемішування реакційної суміші.
Контрольні питання.
У чому полягає головне завдання хімії?
Підставою хімії є основна двоєдина проблема хімії. У чому вона полягає?
Від яких факторів залежать властивості речовини?
Запишіть чотири концептуальні системи хімічних знань щодо ієрархії (субординації),
Що таке швидкість хімічної реакції?
Чим відрізняється швидкість гомогенної та гетерогенної реакції?
Як залежить швидкість реакції від концентрації реагуючих речовин? Закон діючих мас.
Як залежить швидкість реакції від температури? Правило Вант-Гоффа.
Каталіз. Механізм дії каталізаторів.

7. Правила виживання в хімічній лабораторії
􀀹 Якщо у вас в руках рідке - не розлийте, порошкоподібне НЕ розсипте, газоподібне - не випустіть назовні.
􀀹 Якщо Ви користуєтеся чим-небудь - тримайте в чистоті і порядку.
􀀹 Якщо включили - вимкніть; якщо відкрили - закрийте; якщо розібрали - зберіть.
􀀹 Якщо Ви позичили що-небудь - поверніть.
􀀹 Якщо Ви привели що-небудь в безладдя - відновіть статус кво.
􀀹 Якщо Ви хочете скористатися чим-небудь, що належить іншому, попросіть дозволу.
􀀹 Якщо Ви не знаєте, як це діє, не чіпайте.
􀀹 Якщо у Вас щось вибухнуло, перевірте, чи залишилися ви живі.
􀀹 Якщо Ви не засвоїли цих правил - не входите в лабораторію.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Книга
164кб. | скачати


Схожі роботи:
Концепції сучасного природознавства 4
Концепції сучасного природознавства 10
Концепції сучасного природознавства 6
Концепції сучасного природознавства
Концепції сучасного природознавства 3
Концепції сучасного природознавства 2
Концепції сучасного природознавства 2
Концепції сучасного природознавства 5 лютого
Концепції та методи сучасного природознавства
© Усі права захищені
написати до нас