Федеральне агентство з освіти
Державна освітня установа вищої НАУКИ
Воронезького державного ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет вечірнього і заочного освіти
Кафедра обладнання і технології зварювального виробництва
Курсова робота
За діціпліне: «Теоретичні основи прогресивної технології»
Тема: «Нові наукові напрямки сучасної хімії та їх прикладне використання»
Виконала:
студентка вечірнього відділення
групи ЕК - 041
залікова книжка № 00231
Філімонова О. С.
Керівник:
д.т.н., професор
Селіванов В. Ф.
2005
2 Основні напрямки розвитку хімії в ХХI 5
2.1 Комп'ютерне моделювання молекул (молекулярний
дизайн) і хімічних реакцій 5
2.2 Спінова хімія 7
2.3 Нанохімія 9
2.4 Фемтохімія 11
2.5 Синтез фулеренів і нанотрубок 12
2.6 Хімія одиночній молекули 13
2.7 електропідривної активація пульпи і розчинів 15
У першій частині даної курсової роботи розглядаються основні тенденції розвитку сучасної хімії, її пріоритетні напрямки наприкінці двадцятого і початку двадцять першого століть.
Друга, сама об'ємна, частина курсової роботи складається з декількох підрозділів, аналізуються більш детально деякі аспекти розвитку хімії в двадцять першому столітті; зокрема в даній частині присутні такі підрозділи, як комп'ютерна хімія, спінова хімія, нанохімія, фемтохімія, синтез фулеренів і нанотрубок, хімія одиночній молекули, електропідривної активація пульпи і розчинів. Наводяться також області застосування даних нових напрямків.
У висновку робиться прогноз розвитку хімії в майбутньому.
1 Загальні тенденції розвитку сучасної хімії
1.1 Хімія як фундаментальна наука
Як фундаментальна наука хімія сформувалася на початку XX століття, разом з новою, квантовою механікою. І це безперечна істина, тому що всі об'єкти хімії - атоми, молекули, іони, і т.д. - Є квантовими об'єктами. Головне, центральна подія в хімії - хімічна реакція, тобто перегрупування атомних ядер і перетворення електронних оболонок, електронних одягів молекул-реагентів в молекули продуктів - також є квантовим подією. Три головні елементи квантової механіки склали міцний і надійний фізичний фундамент хімії:
- Поняття хвильової функції електрона як розподіленого у просторі та часі заряду і спина кутового моменту);
- Принцип Паулі, організуючий електрони з енергетичних рівнів і спінові станам, "розсідалися" електрони за їх власним орбиталям (хвильовим функціям);
- Рівняння Шредінгера як квантовий спадкоємець рівнянь класичної механіки.
У хімії (як, втім, і у всякій живій науці) постійно народжуються нові ідеї, відбуваються великі прориви, формуються нові тенденції. Головні, ключові події відбуваються в хімічному синтезі; тут відбуваються щоденні відкриття - великі і малі, значущі і мало помітні.
1.2
Оцінюючи основні тенденції і вже наявні результати науково-технічного розвитку хімії можна говорити про те, що світ вступає в нову еволюційну фазу, яку можна назвати вторинної еволюцією, коли в протистоянні «технологія - еволюція», вплив технології починає превалювати, радикально змінюючи і біосферу, і самої людини. Змінюються глибинні основи хімічної технології. По-перше, кая теорія будови речовини в поєднанні з моделюючими можливостями супер-ЕОМ дозволяє точно прогнозувати властивості синтезованого речовини і шлях його синтезу.
По-друге, розвиток тонких методів каталізу, «прицільної» хімії розщеплення і зшивання великих молекулярних фрагментів та інші подібні методи перетворюють хіміка як би в зодчого нових хімічних форм. Нарешті, ведеться інтенсивний пошук шляхів самоформування все більш високоорганізованих хімічних структур. Майже фантастичні перспективи розвитку в цьому напрямку намітилися в області хімії бистропротекающих процесів - вибуху, полум'я, плазми. Ці процеси, які відіграють ключову роль в автомобільному, повітряному і морському транспорті, космонавтиці, гідрометалургії і т.д., залишаються до цього часу мало вивченими. Нижче перераховані основні напрямки розвитку сучасної хімії на рубежі ХХ - ХХІ століть:
- Синтез нових, не існуючих в природі, хімічних елементів;
- Розробка методу полярографії;
- Створення фундаментальної прикордонної дисципліни - квантової хімії;
- Розшифровка структури (подвійної спіралі) дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК);
- Синтез дендримерів (молекули, побудовані за фрактальним типу - коли вся речовина складено однієї гігантської молекулою (за принципом алмазу));
- Синтез неметалічних (у тому числі склоподібних) напівпровідників;
- Синтез неметалевих (керамічних) високотемпературних надпровідників;
- Створення мультисенсорних систем типу «електронний ніс», «електронний язик» на основі неселективних сенсорів, розробка методів розпізнавання образів (із застосуванням штучних нейронних мереж) при інтеграції хімії, фізики, математики.
Підводячи підсумок вищесказаного, можна виділити основні напрямки розвитку хімії в 21 столітті:
- Комп'ютерна хімія, комп'ютерне моделювання молекул (молекулярний дизайн) і хімічних реакцій;
- Спин хімія;
- Синтез і дослідження наноструктур, розвиток і застосування нанотехнологій;
- Синтез полімерних напівпровідників;
- Хімія надзвичайно швидкоплинних реакцій (фемтохімія);
- Синтез фулеренів і нанотрубок;
- Розвиток хімії одиночній молекули;
- Розвиток електроніки на молекулярному рівні;
- Створення «молекулярних машин»;
- Електропідривної активація пульпи і розчинів;
- Створення і розвиток «хімічної медицини», вирішення проблеми «хімічного безсмертя».
У наступній частині курсової роботи розглянуті докладніше деякі перспективні напрями сучасної хімії.
2 Основні напрямки розвитку хімії в ХХI
2.1 Комп'ютерне моделювання молекул (молекулярний дизайн) і хімічних реакцій
Комп'ютерне моделювання хімічних реакцій - це сформована на стику теоретичної фізики, прикладної обчислювальної математики та хімії область знань, в якій створена кількісна теорія будови і основних властивостей багатоатомних молекул і реакцій між ними. Пройшовши досить тривалу історію розвитку, комп'ютерна хімія дала можливість зрозуміти, як влаштований мікросвіт на молекулярному рівні. Вона дозволила з досить високим ступенем достовірності виробляти чисельний прогноз. На підставі такого прогнозу можна судити, по-перше, про саму можливість існування або іншої молекулярної системи як стійкої сукупності атомів. По-друге, про індивідуальні характеристики таких систем (геометрична будова, розподіл заряду всередині молекули та ін.) По-третє, про переважних напрямках тих чи інших хімічних реакцій. Створення потужного програмного забезпечення поряд з самим розвитком ЕОМ зробило такий прогноз практично доступним широкому колу дослідників різних напрямків.
Основними напрямками комп'ютерної хімії є:
- Створення принципово нових комп'ютерних програм пошуку та відбір нових ефективних речовин;
- Кількісний аналіз зв'язку структура-активність для широкого спектру ФАВ.
Стало реальним говорити про так званий інженерному рівні розрахунків, коли достовірність прогнозу досягає 80-90 відсотків. При цьому прогноз робиться за такий короткий проміжок часу, що випробувати масу варіантів можна швидше, ніж провести натурний експеримент. Відповідні методи набули такого великого поширення, що склали основу так званого молекулярного дизайну, або моделювання молекул. Сучасний дослідник-хімік вже не може обмежитися лише традиційними хімічними знаннями, навичками й експериментами. Паралельно і навіть з деяким випередженням повинно проводитися моделювання хімічних систем. Зараз вже можна сміливо говорити про двох рівноправних сторонах одного і того ж дослідницького процесу.
Комп'ютер реально стає таким же інструментом дослідження, як і звичний хімічний або фізико-хімічний експеримент. І розрахунок, і експеримент, отже, може проводити один і той же чоловік.
Володіння методами комп'ютерної хімії стає, таким чином, необхідною вимогою до будь-якого сучасного фахівця-хіміка. Більш того, сучасні комп'ютерні програми володіють високим сервісно, тому працювати з ними може, в принципі, будь-який школяр-старшокласник. Основним експериментальним методом вивчення електронних рівнів молекули служить спектроскопія. Наприклад, за допомогою ультрафіолетової, оптичної та фотоелектронної спектроскопії визначають положення рівнів енергії слабосвязанних електронів. Енергії найбільш глибоких електронів вимірюють, застосовуючи рентгенівську фотоелектронну спектроскопію. Дослідження енергетичного спектру молекул є порівняно простий і точної процедурою.
У більшості випадків вивчення електронної будови молекул можливе лише з використанням потужних сучасних комп'ютерів. Можливості сучасних обчислювальних квантово-хімічних програм дуже великі. Рекламний проспект однією з найбільш потужних програм Gaussian'98 наводить приклад розрахунку фрагмента ДНК з 378 атомів, вході якого було встановлено її просторову будову. Сьогодні розвинені програмні пакети дозволяють навіть недосвідченому користувачеві результати з використанням сучасних прецизійних методів розрахунків.
Кінцевим результатом будь-яких розрахунків повинні бути відповіді на питання, що виникають в ході хімічних досліджень. Методи комп'ютерної хімії в ряді випадків дозволяють розрахувати багато властивостей молекул, що робить їх особливо привабливими в тих випадках, коли експериментальне дослідження утруднене (як у випадку короткоживучих станів) або просто неможливо. Якщо раніше мистецтвом було саме отримання результату, то тепер цей процес став рутинним, а творчий момент змістився на створення моделей і осмислення їх. Тому квантово-хімічні дослідження часом називають теж "експериментом", тільки проведеним на ЕОМ. Коло конкретних хімічних задач, що вирішуються методами квантової хімії, дуже широкий.
Отримані результати далеко не завжди легко інтерпретувати в термінах класичної хімії. Встановлення відповідності між експериментально спостережуваними явищами і даними квантово-хімічного розрахунку часто збагачує новими ідеями не тільки квантову хімію, а й саму хімічну науку, створюючи нові моделі для опису хімічного зв'язку, будови молекул і їх взаємодії.
2.2 Спінова хімія
Спінова хімія унікальна: вона вводить в хімію магнітні взаємодії. Будучи пренебрежимо малими в енергії, магнітні взаємодії контролюють хімічну реакційну здатність і пишуть новий, магнітний «сценарій» реакції.
Дизайн молекулярних магнетиків - одне з нових наукових напрямів сучасної хімії, пов'язане із синтезом систем високої розмірності. Сьогодні досягнення сучасної хімії такі, що хіміки можуть ставити перед собою надзавдання - синтезувати в м'яких умовах готовий виріб, скажімо, монокристал, відразу, як цілісний макрооб'єкт, з вихідних молекулярних компонентів. При цьому стають рівноправно значущими як внутрішньо-, так і міжмолекулярні взаємодії і зв'язку. Причому, і це особливо важливо, вони повинні бути не якимись випадковими, а виконують певну функціональне навантаження. У результаті з окремих молекул повинен вийти макрооб'єкт з якимсь кооперативним властивістю, яке притаманне природі кристала, тобто природі макроансамбля, але ніяк не окремо взятої молекулі.
Оскільки в результаті виходить многоспіновая молекула (кожна молекула містить неспарений електрон (спінову мітку)) - це можна віднести до спінової хімії. Особливо цікавлять нас в даному випадку макросвойства, такі як, скажімо, магнетизм - властивості фізичного порядку. У цей момент з'єднуються в ціле інтереси хімії та фізики. Особливість таких сполук в тому, що - це матеріали майбутнього, нові компоненти елементної бази майбутнього, причому зовсім не віддаленого. Молекулярні магнетики володіють різноманітним поєднанням фізичних характеристик, яке для класичних магнітних матеріалів важко було навіть уявити.
Сьогодні ми навчилися отримувати кристали молекулярних магнетиків, які в порівнянні з класичними магнітними матеріалами надзвичайно легкі, оскільки їх щільність у 5-7 разів менше. При цьому вони можуть бути оптично прозорими у видимій та інфрачервоній областях спектру. І ще одна з особливостей - вони, як правило, діелектрики, тобто не вимагають якихось спеціальних ізоляційних покриттів при контакті з електропровідними пристроями. Вони абсолютно не токсичні і стійкі до корозії. Молекулярні магнетики можуть знайти застосування в наступних областях: магнітний захист від низькочастотних полів, трансформатори та генератори, що мають малу вагу, наукове приладобудування, кріогенна техніка, інформаційні технології, медицина, енергетика.
2.3 Нанохімія
Для поняття нанотехнологія, мабуть, не існує вичерпного визначення, але за аналогією з існуючими нині мікротехнологій випливає, що нанотехнології - це технології, що оперують величинами порядку нанометра. Тому перехід від «мікро» до «нано» - це якісний перехід від маніпуляції речовиною до маніпуляції окремими атомами. Коли мова йде про розвиток нанотехнологій, маються на увазі три напрямки: виготовлення електронних схем (у тому числі і об'ємних) з активними елементами, розмірами можна порівняти з розмірами молекул і атомів, розробка та виготовлення наномашин; маніпуляція окремими атомами й молекулами і складання з них макрооб'єктів . Розробки по цих напрямках ведуться вже давно. У 1981 році був створений тунельний мікроскоп, що дозволяє переносити окремі атоми. Тунельний ефект - квантове явище проникнення мікрочастинки з однієї класично доступною області руху в іншу, відокремлену від першої потенційним бар'єром. Основою винайденого мікроскопа є дуже гостра голка, ковзна над досліджуваної поверхнею з зазором менше одного нанометра. При цьому електрони з вістря голки тунельного через цей зазор в підкладку.
Однак крім дослідження поверхні, створення нового типу мікроскопів відкрило принципово новий шлях формування елементів нанометрових розмірів. Були отримані унікальні результати з переміщення атомів, їх видалення та осадженню в задану точку, а також локальної стимуляції хімічних процесів. З тих пір технологія була значно вдосконалена. Сьогодні ці досягнення використовуються в повсякденному житті: виробництво будь-яких лазерних дисків, а тим більше, виробництво DVD неможливо без використання нанотехніческіх методів контролю.
Нанохімія - це синтез нанодисперсних речовин і матеріалів, регулювання хімічних перетворень тел нанометрового розміру, запобігання хімічної деградації наноструктур, способи лікування хвороб з використанням нанокристалів.
Нижче перераховані напрями досліджень у нанохімії:
- Розробка методів складання великих молекул з атомів з допомогою наноманіпулятора;
- Вивчення внутрішньомолекулярних перегрупувань атомів при механічних, електричних і магнітних впливах. Синтез наноструктур в потоках надкритичної рідини; розробка способів спрямованої збірки з утворенням фрактальних, каркасних, трубчастих і стовпчастих наноструктур.
- Розробка теорії фізико-хімічної еволюції ультрадисперсних речовин та наноструктур; створення способів запобігання хімічної деградації наноструктур.
- Отримання нових нанокаталізатор для хімічної і нафтохімічної промисловості; вивчення механізму каталітичних реакцій на нанокристалах.
- Вивчення механізмів нанокрісталлізаціі в пористих середовищах в акустичних полях; синтез наноструктур в біологічних тканинах; розробка способів лікування хвороб шляхом формування наноструктур в тканинах з патологією.
- Дослідження явища самоорганізації в колективах нанокристалів; пошук нових способів пролонгування стабілізації наноструктур хімічними модифікаторами.
Очікуваним результатом буде функціональний ряд машин, що забезпечує:
- Методологію вивчення внутрішньомолекулярних перегрупувань при локальних впливах на молекули.
- Нові каталізатори для хімічної промисловості та лабораторної практики;
- Оксидно-рідкоземельні та ванадієві нанокаталізатор з широким спектром дії.
- Методологію запобігання хімічної деградації технічних наноструктур;
- Методики прогнозу хімічної деградації.
- Наноліків для терапії та хірургії, препарати на основі гідроксиапатиту для стоматології;
- Спосіб лікування онкологічних захворювань шляхом проведення внутрішньопухлинне нанокрісталлізаціі і накладення акустичного поля.
- Методи створення наноструктур шляхом спрямованого агрегування нанокристалів;
- Методики регулювання просторової організації наноструктур.
- Нові хімічні сенсори з ультрадисперсних активною фазою; методи збільшення чутливості сенсорів хімічним модифікуванням.
2.4 Фемтохімія
Фемтохімія досліджує час руху реагуючих систем на потенційній поверхні і вводить в хімію експериментальну хімічну динаміку як вищу, елітарну частину хімічної кінетики.
Освоєння лазерів розсунуло горизонти хімії і забезпечило великий прорив у фемтохімію; це нова хімія, детектируются хімічні події в масштабі ультракоротких часів 10 -15 -10 -14 с (1 -10 фемтосекунд). Ці часи набагато менше періоду коливань атомів у молекулах (10 -13 -10 -11 с). Завдяки такому співвідношенню часів фемтохімія «бачить» саму хімічну реакцію - як переміщаються в часі і в просторі атоми, коли молекули-реагенти перетворюються в молекули продуктів.
Зокрема, фемтохімія займається вивченням перехідного стану хімічної реакції. Перехідний стан - це область міжатомних відстаней, що лежить на шляху від реагентів до продуктів, в якій система проходить через такі структури, які вже не можна назвати реагентами, але ще не можна вважати продуктами. Тимчасова еволюція конфігурації атомів називається динамікою перехідного стану. Оскільки час перебування молекулярної системи в перехідному стані складає всього близько 100 фс, то до появи відповідних інструментів дослідникам доводилося відновлювати його динамку, вивчаючи кінетики реагентів і продуктів. Цих даних виявилося недостатньо для однозначного відновлення послідовності подій. Лише з відкриттям в недавньому часі лазерів, які вивчають ультракороткі імпульси тривалістю 100 фс, з'явилися нові експериментальні можливості:
- При тривалості імпульсу τ = 10 -14 с і швидкості атома v = 10 5 см / с детектируются зміни відстаней в молекулярній системі на 0.1 Е, що дозволяє з гарною точністю простежити часову еволюцію конфігурації ядер;
- Внаслідок когерентності імпульсу можливо когерентне порушення кількох коливальних або обертальних станів молекули з певними відносними фазами руху атомів.
Такий тип збуджених станів називається когерентним ядерним хвильовим пакетом.
- При енергії 1 мкДж імпульсу тривалістю τ = 10 -14 с, пікова потужність дорівнює P = 100 МВт, тому можна легко здійснювати многофотонной процеси поглинання, отримуючи високозбуджений молекулярні системи. Під дією таких імпульсів на речовину генеруються імпульси світла в широкому спектральному діапазоні (суперконтінуум), рентгенівського випромінювання і електронів.
Цей великий прорив у сучасній хімії відкрив прямі шляхи дослідження механізмів хімічних реакцій, а значить, шляхи управління реакціями. Успіхи, досягнуті при використанні фемтосекундний імпульсів, призвели до відкриття іншої науки - фемтобіологіі. Особливості фемтосекундний імпульсів дозволяють: забезпечувати високу тимчасовий дозвіл, утворювати когерентні коливально-обертальні хвильові пакети, легко здійснювати многофотонной процеси поглинання, впливати на поверхню потенційної енергії (ППЕ) і т.д.
Основні напрямки цих нових областей досліджень - це дослідження детальних мікроскопічних хімічних і біологічних процесів і управління ними на фемтосекундний шкалою часу.
2.5 Синтез фулеренів і нанотрубок
Фулерени і нанотрубки - це великі класи найцікавіших наноструктур. Наприклад, серед фулеренів відомо безліч частинок і ізомерів від малих (С 20, С 28) до гігантських (С 240, С 1840) з абсолютно різними властивостями. Отримано многооболочечние фулерени (вуглецеві «цибулини»), що складаються з декількох вкладених одна в одну структур.
Синтезовано фулереновий полімери, плівки, кристали (фуллерита), допованих кристали (фуллеридов) як з власними структурами, так і повторюють будову звичайних кристалів. Наприклад, фулерен З 28 має ту ж валентність, що і атом вуглецю, і утворює стійкий кристал зі структурою алмазу - гіпералмаз. В останні роки виявлено багато молекул неорганічних речовин (оксидів, дихалькогенидов металів та інших), за своєю структурою подібних фуллеренам.
З нанотрубок отримують дуже цікаві матеріали, наприклад унікальною міцності нанопапір: це щільні плівки з переплетених, подібно рослинним волокнам, джгутів нанотрубок. Нещодавно китайські фахівці навчилися прясти нанотрубки і отримувати таким чином вуглецеві нитки. Якщо згадати, що міцність нанотрубок в 50-100 разів більше, ніж у сталі, то стає зрозуміло, що подібні винаходи людству дуже знадобляться. Знайдені цілком реальні області застосування нанотрубок - наприклад, в плоских дисплеях (фірма «Motorola»), які перевершують плазмові і рідкокристалічні аналоги, і в нановесах, що дозволяють зважити об'єкти масою близько 20 Фемто-грам (1 фг = 10 -15 м) - в Зокрема, віруси.
2.6 Хімія одиночній молекули
Сьогодні вчені можуть побачити й розпізнати одну молекулу і навіть маніпулювати їй. Нове знання дозволяє, наприклад, побачити поверхневі комплекси, що каталізують багато процесів. А головне, що можна вже не тільки побачити, а й маніпулювати молекулами, і моделювати з них різні наноструктури.
Основне в хімії одиночних молекул - аналітичні методи. Скануючий електронний мікроскоп (СТМ) був створений в 1982 році, і тоді ж у багатьох наукових центрах почали активно розвиватися методи, за допомогою яких можна спостерігати за окремими молекулами. Хоча теоретично все було підраховано і передбачено, знадобилося майже 20 років, щоб отримати перший коливальний спектр однієї адсорбованої частинки.
Малюнок 1 - Скануюча тунельна мікроскопія
Ідея скануючої тунельної мікроскопії проста (рис. 1) - голка тунельного мікроскопа спрямована на молекулу, розташовану на поверхні твердого тіла. Відстань між голкою і молекулою повинно бути більше, ніж розміри молекули, щоб не перекривалися атомні орбіталі вістря і поверхні. Між вістрям голки і поверхнею подають напругу. У якийсь момент напруга, а значить, і енергія тунельного електронів потрапляє в резонанс з електронно-коливальними рівнями адсорбованої молекули, і відбувається різкий стрибок провідності. Значення напруги, при якому відбувається стрибок тунельного струму, строго індивідуально для кожної молекули, а тому дає її точний «портрет».
Безумовно, поліпшується якість знання і його точність. Разом з тим є області, в яких хімія одиночних молекул і пов'язані з нею технології приносять дійсно нові і іноді несподівані знання. Наприклад, гетерогенний каталіз і біологічне підрозділ хімії очікує підйом саме на базі нових технологій.
Хімія одиночних молекул - це в першу чергу інструмент для управління хімічними реакціями, а також для створення нових високих молекулярних технологій.
Дослідники вчаться маніпулювати окремими молекулами і атомами. Все це необхідно для створення молекулярних конструкцій - елементів наноелектроніки, нанооптика або наномеханікі. Можливо, в цьому головне досягнення хімії одиночних молекул.
Якщо підсумувати все, що вже навчилися робити з окремими молекулами, то вийде досить значний список: вчені вміють обертати одну молекулу і орієнтувати її поверхні; змушувати її переходити з одного місця на інше (не тільки по площині, але і по вертикалі - з голки на поверхню і назад); поміщати в потрібне місце і розривати. Найчастіше всі ці маніпуляції контролюють за допомогою всього двох параметрів - струму і напруги.
Скануючі тунельні мікроскопи та споріднені з ними прилади використовують в якості робочих інструментів, щоб з окремих атомів будувати наномасштабного конструкції. Властивості подібних наноконструкцій унікальні. Вони можуть мати рекордну твердість або легкість, високу адсорбційну або реакційну здібності. Можна цілеспрямовано змінювати провідність таких конструкцій, варіюючи їх атомна будова або впливаючи магнітними полями. Ці технології породжують безліч ідей: як застосовувати такі наноматеріали в різних галузях хімії, електроніки, техніки і медицини.
2.7 електропідривної активація пульпи і розчинів
Застосування електропідривної активації пульпи і розчинів є перспективним напрямком інтенсифікації процесів переробки мінеральної сировини та очищення стічних вод, що підвищує ступінь вилучення цінних компонентів при зниженні негативного впливу виробництва на навколишнє середовище.
На широкому експериментальному матеріалі вивчено вплив імпульсних полів вибухового типу на зміну фізико-хімічних властивостей мінеральних продуктів і водних розчинів. Дано електричні та гідродинамічні характеристики процесу електропідривної обробки водних гетерогенних розчинів. Встановлено вплив ЕВА на зміну структурних і фізико-хімічних властивостей сульфідних і окислених мінералів.
Аналіз проведених досліджень дозволяє зробити наступні висновки:
-Короткочасне імпульсний вплив високовольтним розрядом великої потужності сприяє знеміцнення руди і створює умови для якісної пульпоподготовкі при скороченні часу подрібнення руди на 10 ... 15 хв у порівнянні з з
мельченіем без ЕВА;
-Технологічні особливості електропідривної пульпоподготовкі необхідно розглядати у взаємозв'язку з основними гід-
магнітогідродинамічного характеристиками процесу; для процесу ЕВ пульпоподготовкі істотну роль грають послеразрядние явища і вторинні хвилі стиснення;
-ЕВА інтенсифікує процеси згущення промпродукт в 2,5 - 3 рази і сокращаетвремя освітлення колоїдних частинок, що містяться в стічних водах підприємств;
-Під дією ЕВ спостерігається деструктивне руйнування токсичних органічних реагентів, присутніх у стічних водах багатьох хімічних підприємств; суміщення ЕВ з аерацією дисперговані повітрям або озоно-кисневою сумішшю дозволяє ефективно здійснити очищення від таких токсичних сполук, як ціаніди, феноли, фурфурол.
Розглянуто перспективи застосування ЕВА у різних хімічних технологіях переробки мінеральної сировини. Створені та пройшли випробування у промислових умовах електропідривної установки для активації мінеральних пульп на Кентауской збагачувальній фабриці і Норильському ГМК, по освітленню розчинів на ВАТ "Красноярський алюмінієвий завод" і ВАТ "Ачинський глиноземний комбінат", з очищення стічних вод на ВАТ "Ачинський нафтопереробний завод" , ВАТ "Красноярський біохімзавод", Красноярський хімкомбінат "Єнісей".
2. Бучаченко А.Л. Хімія на рубежі століть: здобутки та прогнози - Успіхи хімії, 1999, тому 68, с. 85-1
3. Зефиров Н.С. Про тенденції розвитку сучасної органічної хімії - Соросівський Освітній Журнал, 1996
4. Саркісов О.М., Уманський С.Я. Фемтохімія - Успіхи хімії 2001, т.70, № 6, с.515-538
5. Сум Б.Д., Іванова Н.І. Колоїдно-хімічні аспекти нанохімії від Фарадея до Пригожина - Вісник Московського Університету, Хімія 2001, тому 42, № 5, с.300-305
6. Шепелєв І.І., Твердохлєбов В.П. Електропідривної обробка водних пульп і емульсій - Хімічеякая технологія, 2001 ℀ 1, с. 2-14, № 2 с.3-18.
7. Благутіна В.В. Хімія одиночних молекул - Хімія і життя, 2004, № 9, с.14-19.
8. Іванівський А.Л. Фулерени і нанотрубки - Хімія і життя, 2004, № 8, с.20-25.
9. Бучаченко А.Л. Спінова хімія - Хімія і життя, 2004, № 3 с.8-13.
Державна освітня установа вищої НАУКИ
Воронезького державного ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет вечірнього і заочного освіти
Кафедра обладнання і технології зварювального виробництва
Курсова робота
За діціпліне: «Теоретичні основи прогресивної технології»
Тема: «Нові наукові напрямки сучасної хімії та їх прикладне використання»
Виконала:
студентка вечірнього відділення
групи ЕК - 041
залікова книжка № 00231
Філімонова О. С.
Керівник:
д.т.н., професор
Селіванов В. Ф.
2005
Зміст
Вступ 3
1 Загальні тенденції розвитку сучасної хімії 42 Основні напрямки розвитку хімії в ХХI 5
2.1 Комп'ютерне моделювання молекул (молекулярний
дизайн) і хімічних реакцій 5
2.2 Спінова хімія 7
2.3 Нанохімія 9
2.4 Фемтохімія 11
2.5 Синтез фулеренів і нанотрубок 12
2.6 Хімія одиночній молекули 13
2.7 електропідривної активація пульпи і розчинів 15
Висновок 17
Список літератури 18
Введення
Хімія - наука соціальна. Її вища мета - задовольняти потреби кожної людини і всього суспільства. Багато надії людства звернені до хімії. Молекулярна біологія, генна інженерія та біотехнологія, наука про матеріали є фундаментально хімічними науками. Прогрес медицини і охорони здоров'я - це проблеми хімії хвороб, ліків, їжі; нейрофізіологія і робота мозку - це, перш за все нейрохімія, хімія нейромедіаторів, хімія пам'яті. Людство чекає від хімії нових матеріалів з магічними властивостями, нових джерел і акумуляторів енергії, нових чистих і безпечних технологій, і т.д.У першій частині даної курсової роботи розглядаються основні тенденції розвитку сучасної хімії, її пріоритетні напрямки наприкінці двадцятого і початку двадцять першого століть.
Друга, сама об'ємна, частина курсової роботи складається з декількох підрозділів, аналізуються більш детально деякі аспекти розвитку хімії в двадцять першому столітті; зокрема в даній частині присутні такі підрозділи, як комп'ютерна хімія, спінова хімія, нанохімія, фемтохімія, синтез фулеренів і нанотрубок, хімія одиночній молекули, електропідривної активація пульпи і розчинів. Наводяться також області застосування даних нових напрямків.
У висновку робиться прогноз розвитку хімії в майбутньому.
1 Загальні тенденції розвитку сучасної хімії
1.1 Хімія як фундаментальна наука
Як фундаментальна наука хімія сформувалася на початку XX століття, разом з новою, квантовою механікою. І це безперечна істина, тому що всі об'єкти хімії - атоми, молекули, іони, і т.д. - Є квантовими об'єктами. Головне, центральна подія в хімії - хімічна реакція, тобто перегрупування атомних ядер і перетворення електронних оболонок, електронних одягів молекул-реагентів в молекули продуктів - також є квантовим подією. Три головні елементи квантової механіки склали міцний і надійний фізичний фундамент хімії:
- Поняття хвильової функції електрона як розподіленого у просторі та часі заряду і спина кутового моменту);
- Принцип Паулі, організуючий електрони з енергетичних рівнів і спінові станам, "розсідалися" електрони за їх власним орбиталям (хвильовим функціям);
- Рівняння Шредінгера як квантовий спадкоємець рівнянь класичної механіки.
У хімії (як, втім, і у всякій живій науці) постійно народжуються нові ідеї, відбуваються великі прориви, формуються нові тенденції. Головні, ключові події відбуваються в хімічному синтезі; тут відбуваються щоденні відкриття - великі і малі, значущі і мало помітні.
1.2
Оцінюючи основні тенденції і вже наявні результати науково-технічного розвитку хімії можна говорити про те, що світ вступає в нову еволюційну фазу, яку можна назвати вторинної еволюцією, коли в протистоянні «технологія - еволюція», вплив технології починає превалювати, радикально змінюючи і біосферу, і самої людини. Змінюються глибинні основи хімічної технології. По-перше, кая теорія будови речовини в поєднанні з моделюючими можливостями супер-ЕОМ дозволяє точно прогнозувати властивості синтезованого речовини і шлях його синтезу.
По-друге, розвиток тонких методів каталізу, «прицільної» хімії розщеплення і зшивання великих молекулярних фрагментів та інші подібні методи перетворюють хіміка як би в зодчого нових хімічних форм. Нарешті, ведеться інтенсивний пошук шляхів самоформування все більш високоорганізованих хімічних структур. Майже фантастичні перспективи розвитку в цьому напрямку намітилися в області хімії бистропротекающих процесів - вибуху, полум'я, плазми. Ці процеси, які відіграють ключову роль в автомобільному, повітряному і морському транспорті, космонавтиці, гідрометалургії і т.д., залишаються до цього часу мало вивченими. Нижче перераховані основні напрямки розвитку сучасної хімії на рубежі ХХ - ХХІ століть:
- Синтез нових, не існуючих в природі, хімічних елементів;
- Розробка методу полярографії;
- Створення фундаментальної прикордонної дисципліни - квантової хімії;
- Розшифровка структури (подвійної спіралі) дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК);
- Синтез дендримерів (молекули, побудовані за фрактальним типу - коли вся речовина складено однієї гігантської молекулою (за принципом алмазу));
- Синтез неметалічних (у тому числі склоподібних) напівпровідників;
- Синтез неметалевих (керамічних) високотемпературних надпровідників;
- Створення мультисенсорних систем типу «електронний ніс», «електронний язик» на основі неселективних сенсорів, розробка методів розпізнавання образів (із застосуванням штучних нейронних мереж) при інтеграції хімії, фізики, математики.
Підводячи підсумок вищесказаного, можна виділити основні напрямки розвитку хімії в 21 столітті:
- Комп'ютерна хімія, комп'ютерне моделювання молекул (молекулярний дизайн) і хімічних реакцій;
- Спин хімія;
- Синтез і дослідження наноструктур, розвиток і застосування нанотехнологій;
- Синтез полімерних напівпровідників;
- Хімія надзвичайно швидкоплинних реакцій (фемтохімія);
- Синтез фулеренів і нанотрубок;
- Розвиток хімії одиночній молекули;
- Розвиток електроніки на молекулярному рівні;
- Створення «молекулярних машин»;
- Електропідривної активація пульпи і розчинів;
- Створення і розвиток «хімічної медицини», вирішення проблеми «хімічного безсмертя».
У наступній частині курсової роботи розглянуті докладніше деякі перспективні напрями сучасної хімії.
2 Основні напрямки розвитку хімії в ХХI
2.1 Комп'ютерне моделювання молекул (молекулярний дизайн) і хімічних реакцій
Комп'ютерне моделювання хімічних реакцій - це сформована на стику теоретичної фізики, прикладної обчислювальної математики та хімії область знань, в якій створена кількісна теорія будови і основних властивостей багатоатомних молекул і реакцій між ними. Пройшовши досить тривалу історію розвитку, комп'ютерна хімія дала можливість зрозуміти, як влаштований мікросвіт на молекулярному рівні. Вона дозволила з досить високим ступенем достовірності виробляти чисельний прогноз. На підставі такого прогнозу можна судити, по-перше, про саму можливість існування або іншої молекулярної системи як стійкої сукупності атомів. По-друге, про індивідуальні характеристики таких систем (геометрична будова, розподіл заряду всередині молекули та ін.) По-третє, про переважних напрямках тих чи інших хімічних реакцій. Створення потужного програмного забезпечення поряд з самим розвитком ЕОМ зробило такий прогноз практично доступним широкому колу дослідників різних напрямків.
Основними напрямками комп'ютерної хімії є:
- Створення принципово нових комп'ютерних програм пошуку та відбір нових ефективних речовин;
- Кількісний аналіз зв'язку структура-активність для широкого спектру ФАВ.
Стало реальним говорити про так званий інженерному рівні розрахунків, коли достовірність прогнозу досягає 80-90 відсотків. При цьому прогноз робиться за такий короткий проміжок часу, що випробувати масу варіантів можна швидше, ніж провести натурний експеримент. Відповідні методи набули такого великого поширення, що склали основу так званого молекулярного дизайну, або моделювання молекул. Сучасний дослідник-хімік вже не може обмежитися лише традиційними хімічними знаннями, навичками й експериментами. Паралельно і навіть з деяким випередженням повинно проводитися моделювання хімічних систем. Зараз вже можна сміливо говорити про двох рівноправних сторонах одного і того ж дослідницького процесу.
Комп'ютер реально стає таким же інструментом дослідження, як і звичний хімічний або фізико-хімічний експеримент. І розрахунок, і експеримент, отже, може проводити один і той же чоловік.
Володіння методами комп'ютерної хімії стає, таким чином, необхідною вимогою до будь-якого сучасного фахівця-хіміка. Більш того, сучасні комп'ютерні програми володіють високим сервісно, тому працювати з ними може, в принципі, будь-який школяр-старшокласник. Основним експериментальним методом вивчення електронних рівнів молекули служить спектроскопія. Наприклад, за допомогою ультрафіолетової, оптичної та фотоелектронної спектроскопії визначають положення рівнів енергії слабосвязанних електронів. Енергії найбільш глибоких електронів вимірюють, застосовуючи рентгенівську фотоелектронну спектроскопію. Дослідження енергетичного спектру молекул є порівняно простий і точної процедурою.
У більшості випадків вивчення електронної будови молекул можливе лише з використанням потужних сучасних комп'ютерів. Можливості сучасних обчислювальних квантово-хімічних програм дуже великі. Рекламний проспект однією з найбільш потужних програм Gaussian'98 наводить приклад розрахунку фрагмента ДНК з 378 атомів, вході якого було встановлено її просторову будову. Сьогодні розвинені програмні пакети дозволяють навіть недосвідченому користувачеві результати з використанням сучасних прецизійних методів розрахунків.
Кінцевим результатом будь-яких розрахунків повинні бути відповіді на питання, що виникають в ході хімічних досліджень. Методи комп'ютерної хімії в ряді випадків дозволяють розрахувати багато властивостей молекул, що робить їх особливо привабливими в тих випадках, коли експериментальне дослідження утруднене (як у випадку короткоживучих станів) або просто неможливо. Якщо раніше мистецтвом було саме отримання результату, то тепер цей процес став рутинним, а творчий момент змістився на створення моделей і осмислення їх. Тому квантово-хімічні дослідження часом називають теж "експериментом", тільки проведеним на ЕОМ. Коло конкретних хімічних задач, що вирішуються методами квантової хімії, дуже широкий.
Отримані результати далеко не завжди легко інтерпретувати в термінах класичної хімії. Встановлення відповідності між експериментально спостережуваними явищами і даними квантово-хімічного розрахунку часто збагачує новими ідеями не тільки квантову хімію, а й саму хімічну науку, створюючи нові моделі для опису хімічного зв'язку, будови молекул і їх взаємодії.
2.2 Спінова хімія
Спінова хімія унікальна: вона вводить в хімію магнітні взаємодії. Будучи пренебрежимо малими в енергії, магнітні взаємодії контролюють хімічну реакційну здатність і пишуть новий, магнітний «сценарій» реакції.
Дизайн молекулярних магнетиків - одне з нових наукових напрямів сучасної хімії, пов'язане із синтезом систем високої розмірності. Сьогодні досягнення сучасної хімії такі, що хіміки можуть ставити перед собою надзавдання - синтезувати в м'яких умовах готовий виріб, скажімо, монокристал, відразу, як цілісний макрооб'єкт, з вихідних молекулярних компонентів. При цьому стають рівноправно значущими як внутрішньо-, так і міжмолекулярні взаємодії і зв'язку. Причому, і це особливо важливо, вони повинні бути не якимись випадковими, а виконують певну функціональне навантаження. У результаті з окремих молекул повинен вийти макрооб'єкт з якимсь кооперативним властивістю, яке притаманне природі кристала, тобто природі макроансамбля, але ніяк не окремо взятої молекулі.
Оскільки в результаті виходить многоспіновая молекула (кожна молекула містить неспарений електрон (спінову мітку)) - це можна віднести до спінової хімії. Особливо цікавлять нас в даному випадку макросвойства, такі як, скажімо, магнетизм - властивості фізичного порядку. У цей момент з'єднуються в ціле інтереси хімії та фізики. Особливість таких сполук в тому, що - це матеріали майбутнього, нові компоненти елементної бази майбутнього, причому зовсім не віддаленого. Молекулярні магнетики володіють різноманітним поєднанням фізичних характеристик, яке для класичних магнітних матеріалів важко було навіть уявити.
Сьогодні ми навчилися отримувати кристали молекулярних магнетиків, які в порівнянні з класичними магнітними матеріалами надзвичайно легкі, оскільки їх щільність у 5-7 разів менше. При цьому вони можуть бути оптично прозорими у видимій та інфрачервоній областях спектру. І ще одна з особливостей - вони, як правило, діелектрики, тобто не вимагають якихось спеціальних ізоляційних покриттів при контакті з електропровідними пристроями. Вони абсолютно не токсичні і стійкі до корозії. Молекулярні магнетики можуть знайти застосування в наступних областях: магнітний захист від низькочастотних полів, трансформатори та генератори, що мають малу вагу, наукове приладобудування, кріогенна техніка, інформаційні технології, медицина, енергетика.
2.3 Нанохімія
Для поняття нанотехнологія, мабуть, не існує вичерпного визначення, але за аналогією з існуючими нині мікротехнологій випливає, що нанотехнології - це технології, що оперують величинами порядку нанометра. Тому перехід від «мікро» до «нано» - це якісний перехід від маніпуляції речовиною до маніпуляції окремими атомами. Коли мова йде про розвиток нанотехнологій, маються на увазі три напрямки: виготовлення електронних схем (у тому числі і об'ємних) з активними елементами, розмірами можна порівняти з розмірами молекул і атомів, розробка та виготовлення наномашин; маніпуляція окремими атомами й молекулами і складання з них макрооб'єктів . Розробки по цих напрямках ведуться вже давно. У 1981 році був створений тунельний мікроскоп, що дозволяє переносити окремі атоми. Тунельний ефект - квантове явище проникнення мікрочастинки з однієї класично доступною області руху в іншу, відокремлену від першої потенційним бар'єром. Основою винайденого мікроскопа є дуже гостра голка, ковзна над досліджуваної поверхнею з зазором менше одного нанометра. При цьому електрони з вістря голки тунельного через цей зазор в підкладку.
Однак крім дослідження поверхні, створення нового типу мікроскопів відкрило принципово новий шлях формування елементів нанометрових розмірів. Були отримані унікальні результати з переміщення атомів, їх видалення та осадженню в задану точку, а також локальної стимуляції хімічних процесів. З тих пір технологія була значно вдосконалена. Сьогодні ці досягнення використовуються в повсякденному житті: виробництво будь-яких лазерних дисків, а тим більше, виробництво DVD неможливо без використання нанотехніческіх методів контролю.
Нанохімія - це синтез нанодисперсних речовин і матеріалів, регулювання хімічних перетворень тел нанометрового розміру, запобігання хімічної деградації наноструктур, способи лікування хвороб з використанням нанокристалів.
Нижче перераховані напрями досліджень у нанохімії:
- Розробка методів складання великих молекул з атомів з допомогою наноманіпулятора;
- Вивчення внутрішньомолекулярних перегрупувань атомів при механічних, електричних і магнітних впливах. Синтез наноструктур в потоках надкритичної рідини; розробка способів спрямованої збірки з утворенням фрактальних, каркасних, трубчастих і стовпчастих наноструктур.
- Розробка теорії фізико-хімічної еволюції ультрадисперсних речовин та наноструктур; створення способів запобігання хімічної деградації наноструктур.
- Отримання нових нанокаталізатор для хімічної і нафтохімічної промисловості; вивчення механізму каталітичних реакцій на нанокристалах.
- Вивчення механізмів нанокрісталлізаціі в пористих середовищах в акустичних полях; синтез наноструктур в біологічних тканинах; розробка способів лікування хвороб шляхом формування наноструктур в тканинах з патологією.
- Дослідження явища самоорганізації в колективах нанокристалів; пошук нових способів пролонгування стабілізації наноструктур хімічними модифікаторами.
Очікуваним результатом буде функціональний ряд машин, що забезпечує:
- Методологію вивчення внутрішньомолекулярних перегрупувань при локальних впливах на молекули.
- Нові каталізатори для хімічної промисловості та лабораторної практики;
- Оксидно-рідкоземельні та ванадієві нанокаталізатор з широким спектром дії.
- Методологію запобігання хімічної деградації технічних наноструктур;
- Методики прогнозу хімічної деградації.
- Наноліків для терапії та хірургії, препарати на основі гідроксиапатиту для стоматології;
- Спосіб лікування онкологічних захворювань шляхом проведення внутрішньопухлинне нанокрісталлізаціі і накладення акустичного поля.
- Методи створення наноструктур шляхом спрямованого агрегування нанокристалів;
- Методики регулювання просторової організації наноструктур.
- Нові хімічні сенсори з ультрадисперсних активною фазою; методи збільшення чутливості сенсорів хімічним модифікуванням.
2.4 Фемтохімія
Фемтохімія досліджує час руху реагуючих систем на потенційній поверхні і вводить в хімію експериментальну хімічну динаміку як вищу, елітарну частину хімічної кінетики.
Освоєння лазерів розсунуло горизонти хімії і забезпечило великий прорив у фемтохімію; це нова хімія, детектируются хімічні події в масштабі ультракоротких часів 10 -15 -10 -14 с (1 -10 фемтосекунд). Ці часи набагато менше періоду коливань атомів у молекулах (10 -13 -10 -11 с). Завдяки такому співвідношенню часів фемтохімія «бачить» саму хімічну реакцію - як переміщаються в часі і в просторі атоми, коли молекули-реагенти перетворюються в молекули продуктів.
Зокрема, фемтохімія займається вивченням перехідного стану хімічної реакції. Перехідний стан - це область міжатомних відстаней, що лежить на шляху від реагентів до продуктів, в якій система проходить через такі структури, які вже не можна назвати реагентами, але ще не можна вважати продуктами. Тимчасова еволюція конфігурації атомів називається динамікою перехідного стану. Оскільки час перебування молекулярної системи в перехідному стані складає всього близько 100 фс, то до появи відповідних інструментів дослідникам доводилося відновлювати його динамку, вивчаючи кінетики реагентів і продуктів. Цих даних виявилося недостатньо для однозначного відновлення послідовності подій. Лише з відкриттям в недавньому часі лазерів, які вивчають ультракороткі імпульси тривалістю 100 фс, з'явилися нові експериментальні можливості:
- При тривалості імпульсу τ = 10 -14 с і швидкості атома v = 10 5 см / с детектируются зміни відстаней в молекулярній системі на 0.1 Е, що дозволяє з гарною точністю простежити часову еволюцію конфігурації ядер;
- Внаслідок когерентності імпульсу можливо когерентне порушення кількох коливальних або обертальних станів молекули з певними відносними фазами руху атомів.
Такий тип збуджених станів називається когерентним ядерним хвильовим пакетом.
- При енергії 1 мкДж імпульсу тривалістю τ = 10 -14 с, пікова потужність дорівнює P = 100 МВт, тому можна легко здійснювати многофотонной процеси поглинання, отримуючи високозбуджений молекулярні системи. Під дією таких імпульсів на речовину генеруються імпульси світла в широкому спектральному діапазоні (суперконтінуум), рентгенівського випромінювання і електронів.
Цей великий прорив у сучасній хімії відкрив прямі шляхи дослідження механізмів хімічних реакцій, а значить, шляхи управління реакціями. Успіхи, досягнуті при використанні фемтосекундний імпульсів, призвели до відкриття іншої науки - фемтобіологіі. Особливості фемтосекундний імпульсів дозволяють: забезпечувати високу тимчасовий дозвіл, утворювати когерентні коливально-обертальні хвильові пакети, легко здійснювати многофотонной процеси поглинання, впливати на поверхню потенційної енергії (ППЕ) і т.д.
Основні напрямки цих нових областей досліджень - це дослідження детальних мікроскопічних хімічних і біологічних процесів і управління ними на фемтосекундний шкалою часу.
2.5 Синтез фулеренів і нанотрубок
Фулерени і нанотрубки - це великі класи найцікавіших наноструктур. Наприклад, серед фулеренів відомо безліч частинок і ізомерів від малих (С 20, С 28) до гігантських (С 240, С 1840) з абсолютно різними властивостями. Отримано многооболочечние фулерени (вуглецеві «цибулини»), що складаються з декількох вкладених одна в одну структур.
Синтезовано фулереновий полімери, плівки, кристали (фуллерита), допованих кристали (фуллеридов) як з власними структурами, так і повторюють будову звичайних кристалів. Наприклад, фулерен З 28 має ту ж валентність, що і атом вуглецю, і утворює стійкий кристал зі структурою алмазу - гіпералмаз. В останні роки виявлено багато молекул неорганічних речовин (оксидів, дихалькогенидов металів та інших), за своєю структурою подібних фуллеренам.
З нанотрубок отримують дуже цікаві матеріали, наприклад унікальною міцності нанопапір: це щільні плівки з переплетених, подібно рослинним волокнам, джгутів нанотрубок. Нещодавно китайські фахівці навчилися прясти нанотрубки і отримувати таким чином вуглецеві нитки. Якщо згадати, що міцність нанотрубок в 50-100 разів більше, ніж у сталі, то стає зрозуміло, що подібні винаходи людству дуже знадобляться. Знайдені цілком реальні області застосування нанотрубок - наприклад, в плоских дисплеях (фірма «Motorola»), які перевершують плазмові і рідкокристалічні аналоги, і в нановесах, що дозволяють зважити об'єкти масою близько 20 Фемто-грам (1 фг = 10 -15 м) - в Зокрема, віруси.
2.6 Хімія одиночній молекули
Сьогодні вчені можуть побачити й розпізнати одну молекулу і навіть маніпулювати їй. Нове знання дозволяє, наприклад, побачити поверхневі комплекси, що каталізують багато процесів. А головне, що можна вже не тільки побачити, а й маніпулювати молекулами, і моделювати з них різні наноструктури.
Основне в хімії одиночних молекул - аналітичні методи. Скануючий електронний мікроскоп (СТМ) був створений в 1982 році, і тоді ж у багатьох наукових центрах почали активно розвиватися методи, за допомогою яких можна спостерігати за окремими молекулами. Хоча теоретично все було підраховано і передбачено, знадобилося майже 20 років, щоб отримати перший коливальний спектр однієї адсорбованої частинки.
Малюнок 1 - Скануюча тунельна мікроскопія
Ідея скануючої тунельної мікроскопії проста (рис. 1) - голка тунельного мікроскопа спрямована на молекулу, розташовану на поверхні твердого тіла. Відстань між голкою і молекулою повинно бути більше, ніж розміри молекули, щоб не перекривалися атомні орбіталі вістря і поверхні. Між вістрям голки і поверхнею подають напругу. У якийсь момент напруга, а значить, і енергія тунельного електронів потрапляє в резонанс з електронно-коливальними рівнями адсорбованої молекули, і відбувається різкий стрибок провідності. Значення напруги, при якому відбувається стрибок тунельного струму, строго індивідуально для кожної молекули, а тому дає її точний «портрет».
Безумовно, поліпшується якість знання і його точність. Разом з тим є області, в яких хімія одиночних молекул і пов'язані з нею технології приносять дійсно нові і іноді несподівані знання. Наприклад, гетерогенний каталіз і біологічне підрозділ хімії очікує підйом саме на базі нових технологій.
Хімія одиночних молекул - це в першу чергу інструмент для управління хімічними реакціями, а також для створення нових високих молекулярних технологій.
Дослідники вчаться маніпулювати окремими молекулами і атомами. Все це необхідно для створення молекулярних конструкцій - елементів наноелектроніки, нанооптика або наномеханікі. Можливо, в цьому головне досягнення хімії одиночних молекул.
Якщо підсумувати все, що вже навчилися робити з окремими молекулами, то вийде досить значний список: вчені вміють обертати одну молекулу і орієнтувати її поверхні; змушувати її переходити з одного місця на інше (не тільки по площині, але і по вертикалі - з голки на поверхню і назад); поміщати в потрібне місце і розривати. Найчастіше всі ці маніпуляції контролюють за допомогою всього двох параметрів - струму і напруги.
Скануючі тунельні мікроскопи та споріднені з ними прилади використовують в якості робочих інструментів, щоб з окремих атомів будувати наномасштабного конструкції. Властивості подібних наноконструкцій унікальні. Вони можуть мати рекордну твердість або легкість, високу адсорбційну або реакційну здібності. Можна цілеспрямовано змінювати провідність таких конструкцій, варіюючи їх атомна будова або впливаючи магнітними полями. Ці технології породжують безліч ідей: як застосовувати такі наноматеріали в різних галузях хімії, електроніки, техніки і медицини.
2.7 електропідривної активація пульпи і розчинів
Застосування електропідривної активації пульпи і розчинів є перспективним напрямком інтенсифікації процесів переробки мінеральної сировини та очищення стічних вод, що підвищує ступінь вилучення цінних компонентів при зниженні негативного впливу виробництва на навколишнє середовище.
На широкому експериментальному матеріалі вивчено вплив імпульсних полів вибухового типу на зміну фізико-хімічних властивостей мінеральних продуктів і водних розчинів. Дано електричні та гідродинамічні характеристики процесу електропідривної обробки водних гетерогенних розчинів. Встановлено вплив ЕВА на зміну структурних і фізико-хімічних властивостей сульфідних і окислених мінералів.
Аналіз проведених досліджень дозволяє зробити наступні висновки:
-Короткочасне імпульсний вплив високовольтним розрядом великої потужності сприяє знеміцнення руди і створює умови для якісної пульпоподготовкі при скороченні часу подрібнення руди на 10 ... 15 хв у порівнянні з з
мельченіем без ЕВА;
-Технологічні особливості електропідривної пульпоподготовкі необхідно розглядати у взаємозв'язку з основними гід-
магнітогідродинамічного характеристиками процесу; для процесу ЕВ пульпоподготовкі істотну роль грають послеразрядние явища і вторинні хвилі стиснення;
-ЕВА інтенсифікує процеси згущення промпродукт в 2,5 - 3 рази і сокращаетвремя освітлення колоїдних частинок, що містяться в стічних водах підприємств;
-Під дією ЕВ спостерігається деструктивне руйнування токсичних органічних реагентів, присутніх у стічних водах багатьох хімічних підприємств; суміщення ЕВ з аерацією дисперговані повітрям або озоно-кисневою сумішшю дозволяє ефективно здійснити очищення від таких токсичних сполук, як ціаніди, феноли, фурфурол.
Розглянуто перспективи застосування ЕВА у різних хімічних технологіях переробки мінеральної сировини. Створені та пройшли випробування у промислових умовах електропідривної установки для активації мінеральних пульп на Кентауской збагачувальній фабриці і Норильському ГМК, по освітленню розчинів на ВАТ "Красноярський алюмінієвий завод" і ВАТ "Ачинський глиноземний комбінат", з очищення стічних вод на ВАТ "Ачинський нафтопереробний завод" , ВАТ "Красноярський біохімзавод", Красноярський хімкомбінат "Єнісей".
Список літератури
1. Бутін К.П. Механізми органічних реакцій: досягнення та перспективи - Російський хімічний журнал, сер.2, тому XLV, 2001, № 22. Бучаченко А.Л. Хімія на рубежі століть: здобутки та прогнози - Успіхи хімії, 1999, тому 68, с. 85-1
3. Зефиров Н.С. Про тенденції розвитку сучасної органічної хімії - Соросівський Освітній Журнал, 1996
4. Саркісов О.М., Уманський С.Я. Фемтохімія - Успіхи хімії 2001, т.70, № 6, с.515-538
5. Сум Б.Д., Іванова Н.І. Колоїдно-хімічні аспекти нанохімії від Фарадея до Пригожина - Вісник Московського Університету, Хімія 2001, тому 42, № 5, с.300-305
6. Шепелєв І.І., Твердохлєбов В.П. Електропідривної обробка водних пульп і емульсій - Хімічеякая технологія, 2001 ℀ 1, с. 2-14, № 2 с.3-18.
7. Благутіна В.В. Хімія одиночних молекул - Хімія і життя, 2004, № 9, с.14-19.
8. Іванівський А.Л. Фулерени і нанотрубки - Хімія і життя, 2004, № 8, с.20-25.
9. Бучаченко А.Л. Спінова хімія - Хімія і життя, 2004, № 3 с.8-13.