5.3.2. Проблемы и решения на уровне структурной химии

"Структурная химия" – понятие условное. Речь идет об уровне развития химических знаний, при котором главенствующую роль играет структура молекулы реагента.

С возникновением структурной химии появился мощный инструмент целенаправленного качественного преобразования веществ. В свое время на химиков оказала влияние теория валентности Ф.А. Кекуле и присущий его формулам схематизм. Они наталкивали исследователей на попытки синтеза самых разнообразных веществ путем комбинирования всевозможных органических радикалов и бирадикалов типа СН, СН₂, СОН, СН₃ и т.д., которые можно было получить посредством преобразования соответствующих молекул. Теория химического строения A.M. Бутлерова способствовала активным действиям химиков в этом направлении.

В 1860-1880-е гг. появился термин "органический синтез". В это время были синтезированы на основе простейших углеводов из каменноугольной смолы и аммиака анилиновые красители – фуксин, анилиновая соль, ализарин. Затем получены индиго, флавоны и ксантоны; взрывчатые вещества – тринитротолуол, тринитрофенол; лекарственные препараты – уротропин, аспирин, фенацетин, антифебрин, салол и др. Это был период триумфального шествия органического синтеза.

Однако сведений только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии, которые давала структурная химия, оказалось недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения веществ. Производство, основанное на базе органического синтеза, имело очень низкие выходы продуктов и очень большие побочные отходы, кроме синтеза азокрасителей и взрывчатых веществ.

Кроме того, для производства на основе органического синтеза использовалось дорогостоящее сырье сельскохозяйственного производства – зерно, жиры, молочные продукты.

Проблемы структурной неорганической химии – это, по существу, проблемы химии твердого тела. В широком смысле их две: поиск путей синтеза кристаллов максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокой механической прочностью, термостойкостью и долговечностью в эксплуатации и создание методов получения кристаллов, содержащих запроектированные дефекты решетки, чтобы получить материалы с заданными электрофизическими и оптическими свойствами.

Каждая из названных проблем имеет свои сложности. Для решения первой необходимо соблюдение таких условий выращивания кристаллов, которые исключали бы воздействие на процесс всех внешних факторов, в том числе поле гравитации, т.е. земное притяжение. Поэтому данные кристаллы выращивают на орбитальных станциях в космосе. Решение второй проблемы затруднено тем, что наряду с запроектированными дефектами практически всегда образуются и непроизвольные. Для их устранения применяются различные структурирующие добавки подобно тому, как это делается при легировании сталей.

5.3.3. Проблемы и решения на уровне учения о химических процессах

Учение о химических процессах – такая область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. Поскольку в основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, которые традиционно относятся к физической химии, все учение о химических процессах в равной мере относят и к химии, и к физике.

Подавляющее большинство химических реакций трудноуправляемые. Одни из них пока не удается осуществить. Другие сложно остановить, например, реакция горения и взрывы. Третьи очень трудно управляемы, так как самопроизвольно создают множество непредвиденных ответвлений с образованием массы побочных продуктов. Методы управления химическими процессами подразделяются на термодинамические и кинетические, при которых ведущую роль играют те или иные катализаторы.

Каждая химическая реакция обратима и представляет собой перераспределение химических связей. Обратимость служит основанием равновесия между прямой и обратимой реакциями. Однако на практике равновесие смещается в ту или иную сторону, в зависимости от природы реагентов и условий процесса. Реакции, в которых равновесие смещено "вправо", в сторону образования целевых продуктов, как правило, не требуют особых средств управления. Таковы реакции кислотно-основного взаимодействия, или нейтрализации, а также реакции, сопровождающиеся удалением готовых продуктов в виде газов или в форме осадков.

Однако немало реакций идет со смещением равновесия "влево". Для их осуществления требуется особое термодинамическое управление. Такова, в частности, реакция синтеза аммиака из элементов:

Эта реакция очень проста с точки зрения состава и структуры исходных веществ. Но с 1813 по 1913 гг., т.е. на протяжении столетия, она не могла быть осуществлена, так как химики не знали способов управления ею. И только открытие Я.Х. Вант-Гоффа и А.Л. Ле Шателье позволило добиться успеха. Было установлено, что синтез аммиака происходит на поверхности твердого катализатора при сдвиге равновесия вправо за счет применения высоких давлений.

Но термодинамические методы позволяют управлять химическими процессами только при их направленности в прямую или обратную сторону. Термодинамика не оперирует понятием времени. Функции управления скоростью химических процессов выполняет химическая кинетика. Она устанавливает зависимость хода химических процессов от множества структурно-кинетических факторов: строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок; способов смешения реагентов; материала и конструкции реактора и т.д. Эти проблемы на современном уровне знаний решает химия.