Методы и концепции в познании химии

Электрон измеряется и как частица, и как волна, и как точечный заряд, а в силу движения на очень малых расстояниях он выглядит как электронное облако, располагающееся в поле действия атомного ядра. Химические связи представляют собой обменное взаимодействие электронов с соответствующими характеристиками.

В результате химических и физических открытий претерпело изменение классическое определение молекулы. Молекула понимается как наименьшая частица вещества, которая в состоянии определить его свойства и в то же время существовать самостоятельно. Представления о классе молекул расширились, в него включают ионные системы, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образующиеся на основе водородных связей и представляющие собой уже макромолекулы. Они обладают молекулярным строением, хотя и не находятся в строго постоянном составе.

С открытием физиками природы химизма как обменного взаимодействия электронов химики совершенно по-другому стали рассматривать химическое соединение. «Это качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы — молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты. Химическое соединение — понятие более широкое, чем "сложное вещество", которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента. Это молекулы Н2, О2, графит, алмаз и другие кристаллы без посторонних включений в их решетку в идеальном случае».

Проблема производства новых материалов связана с включением в их состав новых химических элементов. Дело в том, что 98,7% массы слоя Земли, на котором осуществляет свою производственную деятельность человек, составляют восемь химических элементов: 47% — кислород, 27,5% — кремний, 8,8% — алюминий, 4,6% — железо, 3,6% — кальций, 2,6% — натрий, 2,5% — калий, 2,1 — магний. Однако эти химические элементы распределены на Земле неравномерно и также неравномерно используются. Более 95% изделий из металла в своей основе содержат железо. Такое потребление ведет к дефициту железа. Поэтому стоит задача использовать для человеческой деятельности и другие химические элементы, способные заменить железо, в частности наиболее распространенный кремний. Силикаты, различные соединения кремния с кислородом и другими элементами составляют 97% массы земной коры. Исходя из этого, вполне естественно возникает проблема использования силикатов как основного вида сырья в возможно больших сферах человеческой деятельности — от строительства до машиностроения. Металлы и керамические изделия производятся почти в одинаковом количестве, но металлы в производстве обходятся значительно дороже.

На основе современных достижений химии появилась возможность замены металлов керамикой не только как более экономичным продуктом, но во многих случаях и как более подходящим конструкционным материалом по сравнению с металлом. Более низкая плотность керамики (40%) дает возможность снизить массу изготовляемых из нее предметов. Включение в производство керамики новых химических элементов: титана, бора, хрома, вольфрама и других позволяет получать материалы с заранее заданными специальными свойствами (огнеупорность, термостойкость, высокая твердость и т.п.).

В 60-е годы XX в. в нашей стране был получен сверхтвердый материал -гексанит-Р. Это одна из кристаллических разновидностей нитрида бора с температурой плавления 3200°С и твердостью почти как у алмаза. Данный материал к тому же обладает повышенной вязкостью, что не присуще керамике. Такая керамика получается прессованием порошков, что позволяет получать изделия необходимой формы и исключить их дальнейшую обработку. Кроме того, получена керамика, обладающая сверхпроводимостью, что открывает новые возможности в электронике.

Во второй половине XX в. стали использоваться все новые и новые химические элементы в синтезе элементоорганических соединений от алюминия до фтора. Часть таких соединений служит в качестве химических реагентов для лабораторных исследований, а другая – для синтеза новейших материалов.

4. Уровень структурной химии

Структурная химия представляет собой уровень развития химических знаний, на котором доминирует понятие «структура», т.е. структура молекулы, макромолекулы, монокристалла. «Структура – это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула».

С возникновением структурной химии у химической науки появились неизвестные ранее возможности целенаправленного качественного влияния на преобразование вещества. Еще в 1857 г. немецкий химик Ф.А. Кекуле показал, что углерод четырехвалентен, и это дает возможность присоединить к нему до четырех элементов одновалентного водорода. Азот может присоединить до трех одновалентных элементов, кислород – до двух. Эта схема Кекуле натолкнула исследователей на понимание механизма получения новых химических соединений. А.М. Бутлеров заметил, что в таких соединениях большую роль играет энергия, с которой вещества связываются между собой. В настоящее время структура молекулы понимается как ее пространственная и энергетическая упорядоченность.

В 60 – 80 -е годы XX в. было изучено такое явление, как органический синтез. Из каменноугольной смолы и аммиака были получены новые красители – фуксин, анилиновая соль, ализарин, а позднее – взрывчатые вещества и лекарственные препараты – аспирин и др. Структурная химия дала повод для оптимистических заявлений, что химики могут все.

Однако дальнейшее развитие химической науки и основанного на ее достижениях производства показали более точно возможности и пределы структурной химии. На ее уровне не представлялось возможным получение этилена, ацетилена, бензола и других углеводородов из парафиновых углеводородов. Многие реакции органического синтеза на основе структурной химии давали очень низкие выходы необходимого продукта и большие отходы в виде побочных продуктов. Вследствие этого их нельзя было использовать в промышленном масштабе.

Кроме того, для производства на основе органического синтеза использовалось дорогостоящее сельскохозяйственное сырье – зерно , жиры, молочные продукты. А сам технологический процесс был многоэтапным и трудноуправляемым.

В последнее время ученые открыли новую группу металлоорганических соединений с двойной структурой, из-за чего они получили название «сэндвичевых соединений». Это не что иное, как молекула, представляющая собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом металла или атомы двух металлов. Пока данные соединения практического применения не нашли, но оказали влияние на пересмотр прежних взглядов на валентность и химические связи. Их рассматривают как доказательство наличия электронно-ядерного взаимодействия молекул.

Структурная химия неорганических соединений ищет пути получения кристаллов для производства высокопрочных материалов с заданными свойствами, обладающих термостойкостью, сопротивлением агрессивной среде и другими качествами, предъявляемыми сегодняшним уровнем развития науки и техники. Решение этих вопросов наталкивается на различные препятствия. Выращивание, например, некоторых кристаллов требует исключения условий гравитации, поэтому такие кристаллы выращивают в космосе, на орбитальных станциях.

5. Учение о химических процессах

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

Все химические реакции имеют свойство обратимости, происходит перераспределение химических связей. Обратимость удерживает равновесие между прямой и обратной реакциями. В действительности равновесие зависит от условий прохождения процесса и чистоты реагентов. Смещение равновесия в ту или другую сторону требует специальных способов управления реакциями, например, реакция получения аммиака:

Эта реакция проста по составу элементов и своей структуре. Однако на протяжении целого столетия с 1813 по 1913 г. химики не могли ее провести в законченном виде, так как не были известны средства управления ею. Она стала осуществимой только после открытия соответствующих законов нидерландским и французским физико-химиками Я.Х. Вант-Гофом и А.Л. Ле-Шателье. Было установлено, что «синтез аммиака происходит на поверхности твердого катализатора при сдвиге равновесия за счет высоких давлений».

Все проблемы, связанные с такими сложными процессами как, например, получение аммиака, решает химическая кинетика. Она устанавливает зависимость химических реакций от различных факторов — от строения и концентрации реагентов, наличия катализаторов, от материала и конструкции реакторов и т.д.

6. Эволюционная химия

Химики давно пытались понять, каким образом из неорганической безжизненной материи возникает органическая как основа жизни на Земле. Какая лаборатория лежит в основе этого процесса? Лаборатория, в которой без участия человека получаются новые химические соединения, более сложные, чем исходные вещества.

И.Я. Берцелиус первым установил, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что и служит идеалом для многих химиков. Идеалом совершенства считали «живую лабораторию» немецкий ученый Ю. Либих, француз П.Э.М. Вертело и другие ученые.

Современные химики считают, что на основе изучения химии организмов можно разработать новое управление химическими процессами, а это позволит более экономично использовать имеющиеся в природе материалы и извлекать из них большую пользу. Для решения проблемы биокатализа и использования его результатов в промышленных масштабах химическая наука разработала ряд методов – изучение  и использование приемов живой природы, применение отдельных ферментов для моделирования биокатализаторов, освоение механизмов живой природы, развитие исследований с целью применения принципов биокатализа в химических процессах и химической технологии.

В эволюционной химии существенное место отводится проблеме «самоорганизации» систем. Теория самоорганизации «отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности в системной упорядоченности, или материальной организации».

Для того чтобы начала действовать биологическая эволюция, природа на Земле создала необходимые химические элементы. Они возникают при очень высоких температурах при протекании ядерных реакций синтеза химических элементов. В начале образуются ядра протия (протоны), потом ядра гелия, бериллия, углерода, азота, кислорода и далее в определенной последовательности при соответствующих условиях другие элементы.

При температуре около 1010 степени по Кельвину возрастает и кинетическая энергия частиц звездной массы до такой степени, что силы гравитации не в состоянии удержать частицы вещества вместе и происходит взрыв звезды и ее последующее охлаждение. В этих условиях большая часть возникших элементов не может участвовать в ядерных реакциях и они остаются стабильными. При понижении температуры Земли ниже 5000 градусов по Кельвину вступает в силу химическая эволюция, которая дает различные химические соединения образовавшихся химических элементов.

В процессе самоорганизации предбиологических систем шел отбор необходимых элементов для появления жизни и ее функционирования. Из более 100 химических элементов, открытых к настоящему времени, многие принимают участие в жизнедеятельности живых организмов. Наука же считает, что только шесть элементов – углерод,  водород, кислород, азот, фосфор и сера — составляют основу живых систем, из-за чего они и получили название органогенов. Весовая доля этих элементов в живом организме составляет 97,4%. Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор. Еще около 20 элементов участвуют в жизнедеятельности живых систем в зависимости от среды обитания и состава питания.

Не менее важно и то обстоятельство, что все элементы, участвующие в построении живых систем и их функционировании, распределены по всей поверхности Земли. Таким образом, жизнь  возникала в любом месте на Земле, где для этого создавались благоприятные условия. В космосе же преимущественно господствуют два элемента – водород  и гелий, а остальные существуют в виде примесей и составляют ничтожно малую массу.

Особая роль отведена природой углероду. Этот элемент способен организовать связи с элементами, противостоящими друг другу, и удерживать их внутри себя. Атомы углерода образуют почти все типы химических связей. На основе шести органогенов и еще около 20 других элементов природа создала около 8 млн различных химических соединений, обнаруженных к настоящему времени; из них 96% приходится на органические соединения.

Из такого количества органических соединений в строительстве биомира задействованы природой всего несколько сотен. «Из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах».

Химики стремятся открыть секреты природы. Как она из такого ограниченного количества химических элементов и химических соединений образовала сложнейший высокоорганизованный комплекс — биосистему? Ответ на этот вопрос может дать возможность из имеющихся в избытке химических продуктов получать необходимые, дефицитные, например из загрязняющего атмосферу СО2 – сахар  и т.д.