3. Уровень структурной химии.
Структурная химия представляет собой уровень развития химических знаний, на котором доминирует понятие «структура», т.е. структура молекулы, макромолекулы, монокристалла.
С возникновением структурной химии у химической науки появились неизвестные ранее возможности целенаправленного качественного влияния на преобразование вещества. Известный немецкий химик Фридрих Кекуле (1829 - 1896) стал связывать структуру с понятием валентности элемента. Известно, что химические элементы обладают определенной валентностью (от лат. valentia – сила, способность) - способностью образовывать соединения с другими элементами. Валентность как раз и определяет, с каким числом атомов способен соединяться атом данного элемента. Еще в 1857 г. 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. Эта трактовка Бутлерова подтвердилась исследованиям квантовой механики. Таким образом, исследование структуры молекулы неразрывно связано с квантово-механическими расчетами.
На основе представлений о валентности возникли те структурные формулы, которыми пользуются при изучении химии, особенно органической. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем можно было управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами, а именно это и составляет важнейшую задачу химической науки.
В 60 – 80-е гг. XIX века появился термин «органический синтез». Из аммиака и каменноугольной смолы были получены анилиновые 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 уровне структурной химии не представлялось возможным указать эффективные пути получения 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. А сам технологический процесс является многоэтапным и трудноуправляемым. Вследствие этого их нельзя было использовать в промышленном масштабе. Требовалось углубление знаний о химических процессах.
4. Учение о химических процессах.
Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в неживой, так и в живой природе. 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.
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 стороны требует специальных способов управления реакциями. Например, реакция получения аммиака: N2 + 3H2 ↔ 2NH3
Эта реакция проста по составу элементов и своей структуре. Однако на протяжении целого столетия с 1813 по 1913 гг. химики не могли ее провести в законченном виде, так как не были известны средства управления ею. Она была осуществима только после открытия соответствующих законов нидерландским и французским физико-химиками Я.Х. Вант-Гофом и А.Д. Ле-Шателье. Было установлено, что синтез аммиака происходит на поверхности твердого катализатора (специально обработанного железа) при сдвиге равновесия за счет высоких давлений. Получение таких давлений сопряжено с большими технологическими трудностями. С открытием возможностей металлорганического катализатора синтез аммиака происходит при обычной температуре 180 оС и нормальном атмосферном давлении,
Проблемы управления скоростью химических процессов решает химическая кинетика. Она устанавливает зависимость химических реакций от различных факторов.
Термодинамическими факторами, которые оказывают существенное влияние на скорость химических реакций, являются температура и давление в реакторе. Например, смесь водорода и кислорода в условиях комнатной температуры и нормального давления можно хранить годами, и никакой реакции при этом не произойдет. Но стоит пропустить через смесь электрическую искру, как произойдет взрыв.
Скорость реакции в существенной степени зависит от температуры. Каждый знает, что сахар скорее растворяется в горячем чае, чем в холодной воде. Так, для большинства химических реакций скорость протекания при повышении температуры на 100оС возрастает приблизительно в два раза.
Наиболее активны в этом отношении соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них и направлено в первую очередь действие разных катализаторов, которые значительно ускоряют ход химических реакций.