6.2. Развитие неклассических взглядов в химии
6.2.1. Модели реального вещества (11). Суть проблемы химического соединения по неклассической концепции состоит в физической природе сил, объединяющих атомы в молекулу. В общем случае химические связи обусловлены проявлением волновых свойств валентных электронов: перекрытием электронных облаков, обобществлением электронов. Эта концепция, конечно, имеет свои корни в структурной концепции.
Но в результате выявления сущности химической связи на основе неклассических представлений квантовой физики понятие молекулы претерпело изменение.
Теперь в категорию молекул вошли и такие квантово-механические системы, как монокристаллы, а также полимеры, образованные за счет водородных связей. Но это уже макромолекулы.
Кристаллы обладают периодической (атомной, молекулярной или ионной) структурой, которая называется кристаллической решеткой, и обычно имеют форму правильного симметричного многогранника. Правда, большинство твердых материалов являются поликристаллическими, т. е. состоят из множества отдельных, беспорядочно ориентированных мелких кристаллических зерен (например, многие горные породы, технические металлы, сплавы) и потому подобной формой симметрии не обладают.
В противоположность им крупные одиночные кристаллы называют монокристаллами (кристаллы кварца, флюорита, полевого шпата, алмаза и т. п.). Одна из отличительных особенностей монокристаллов — наличие у них определенной температуры плавления. Другой особенностью, присущей всем монокристаллам, является их анизотропия (от греч. «анизос» — неравный и «тропос» — направление), т. е. зависимость физических свойств от направления внутри кристалла. Например, по разным направлениям в кристалле могут быть неодинаковые механическая прочность, теплопроводность, электропроводность, тепловое расширение, оптические и другие свойства. Причина анизотропии кристаллов — упорядоченное расположение в них частиц, приводящее к различию расстояний и интенсивности взаимодействия этих частиц по разным направлениям внутри кристаллической решетки. Все эти свойства хорошо описываются квантовой физикой.
Среди изобилия самых разнообразных по строению и свойствам органических соединений есть особый класс — полимеры (от греч. «поли» — много и «мерос» — часть). К молекулярным гигантам относятся, прежде всего, важнейшие природные полимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), синтетические материалы (полиэтилен, поливинилхлорид, каучук и т. д.). Поэтому полимеры играют важную роль и в биологических процессах, и в практической деятельности человека. Прежде к макромолекулам относили только гигантские органические молекулы (полимеры), имеющие молекулярную массу порядка 106, построенные из многих повторяющихся частей — более простых органических систем (мономеров). Полимеры могут иметь линейное, разветвленное и сетчатое строение. Если каждое звено мономера условно обозначить буквой М, то макромолекула линейного строения будет выглядеть так: ….- М – М – М – М – М – М- …..
И в этом случае каждое звено из элементарных звеньев связано только с двумя предыдущими соседними и образует неразветвленную цепь. Основная цепь макромолекулы может иметь короткие ответвления, и тогда построенные по такому типу полимеры будут разветвленными:
В сетчатых, сшитых полимерах длинные линейные цепи связаны друг с другом в единую сетку более короткими поперечными цепями:
Полимеры еще по-другому называются высокомолекулярными соединениями, сокращенно (ВМС). ВМС не имеют четкой температуры плавления. При нагревании многие полимеры не плавятся, а лишь размягчаются, что позволяет формовать из них изделия методами пластической деформации — прессованием, выдавливанием, литьем. Такие полимеры называют пластическими массами (пластмассами, пластиками). У пластмасс низкая плотность, они легче самых легких металлов (магния, алюминия) и потому считаются ценными конструкционными материалами.
Таким образом, в соответствии с современной, неклассической точкой зрения, химические соединения — это вещество, атомы которого за счет химических связей объединены в молекулы, комплексы, макромолекулы, монокристаллы или иные квантово-механические системы.
6.2.2. Неклассические подходы к управлению химическими процессами (11) . Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомарно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К ним относятся термодинамические факторы (температура, давление и др.) и кинетические факторы (все, что связано с переносом вещества, образованием промежуточных форм). Влияние этих факторов мы рассматривали на концептуальном уровне химии, который обобщенно называют «учение о химических процессах».
Современное учение о химических процессах является областью глубокого взаимопроникновения физики, химии, биологии и обладает характерными признаками неклассического подхода. Современная химия пытается реализовать в макроскопическом масштабе высокоэффективные механизмы управления химическими процессами, которые выработаны природой в живой клетке. Изучая условия протекания и закономерности химических процессов, человек вскрывает глубокую связь, существующую между физическими, химическими, биологическими явлениями, и одновременно перенимает у живой природы опыт, необходимый ему для получения новых веществ и материалов.
Мы знаем, что снизить энергию активации химической реакции и увеличить ее скорость при относительно низких температурах удается за счет эффекта катализа. В живой природе распространены такие реакции, в которых один из продуктов сам оказывается катализатором (так называемый автокатализ). Фактически катализаторы играют роль активного внешнего окружения для основных реагентов, а учет каталитического действия среды есть одно из проявлений неклассического подхода в современной химии.
Успехи теории катализа послужили основой для преобразования всей химической промышленности. Большинство современных химических технологий реализуется с использованием катализаторов.
В химии развивается также новейшее направление, основным принципом которого является энергетическая активация реагентов (т. е. подача энергии извне) до состояния полного разрыва исходных связей. В отличие от простой термической активации в данном случае речь идет о больших энергиях. Это так называемая химия экстремальных состояний, использующая очень высокие температуры, большие давления, излучения с большой величиной энергии кванта (ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение). К этой области относятся плазмохимия (химия на основе плазменного состояния реагентов), а также технологии, в которых активация процессов достигается за счет направленных электронных или ионных пучков (элионные технологии). Все эти новации в химии базируются на современной неклассической физике.