Вопрос 40.

Исторические уровни развития химии: эмпирический, аналитический, технологический. структурный, современный.

ЭМПИРИЧЕСКИЙ: он длился до сер. 17 в. Химия носила чисто прикладной хар-тер. Основные отрасли: произ-во Ме, стеклоделие, парфюмерия, фармацевтика. Мало чего известно о развитии химии этого периода, т.к. хим. язык был не ясен. Известно немного химиков. # Болос из Менде (2000 лет назад) превращал один Ме в другой (трансмутация). Христианство вообще загнало химию в подполье, т.к. эта наука отождествлялась с колдовством. Как-то возродили химию арабы (алхимия) на рубеже 9 века.

Джабир (Гебер) (8в до н э)– известный араб. химик. Занимался трансмутацией, искал эликсир жизни (философ камень).

Авиценна (10 в) –дал развитие фармацевтике (гомеопатии), не верил в трансмутацию.

Псевдо-Джабир(14 в) открыл H₂SO ₄ и HNO₃. Но этот ученый нам не известен.

В 17 веке алхимия превратилась в химию (Бойль).

АНАЛИТИЧЕСКИЙ сер 17 до сер 19 века. Три основные концепции аналитич химии были разработаны за эти 200 лет:

1. концепция простого и сложного в-ва

2. концепция понятия хим соединения

3. концепция атомизма

(они лежат в основе сегодняшней химии).

Георг Шталь разработал неверную теорию флогистона. Он считал, что в-во флогистон соединяется с Ме, при выделении его из руды.=> Ме слож в-во. Эту теорию опровергнул А. Лавуазье –первый западный экспериментатор, проводивший колич-ные

расчеты. Он же открыл закон сохранения массы (правда, Ломоносов открыл его раньше). Объяснение: E=mc². Если меняется энергия, то меняется масса. Следовательно в хим р-циях должна меняться масса, но это изменение настолько мало, что мы можем не учитывать его. (# если взорвать 1 кг тротила, m=10^-9г, а самые точные весы– 10^-7г.).

Концепция понятия хим соединения объединила неск колич-ных законов, т.к. аналитическая химия стала грамотнее.

1. з. Пруста (1799)- з. постоянства состава хим соединения. Соотношения м/у массами э-тов, входящих в состав данного соединения, постоянные и не зависит от способа получения соединения.

# H₂O: 2H₂ +O₂ 2H₂O

H₂+1/2O₂ HO₂

2г 16г

1 : 8

2.з. Гей-Люссака (нач 19в) з. простых объемных отношений для газообразных в-в.

объемы, вступающих в р-цию, газов при одинаковых условиях относятся друг к другу и объемам образующихся газообразных в-в, как небольшие простые числа.

# 1v : 3v : 2v

N₂ +3H ₂ 2NH₃

1:3:2

3.з. Авогадро (1811г) в равных объемах любых газов, взятых при одинаковых условиях содержится одно и тоже число молекул.

Эти законы прочно утвердили химию как точную науку. Кроме того, они внесли свой вклад в атомно-молекулярное учение, т.к. они все дали представление о мельчайших частицах вещества.

# з. кратного соотношения:

СО СО

12 16 12 32

3:4 3:8

1атом:1 атом 1 атом:2 атома

если два эл-та образуют друг с другом неск хим соединений, масса одного из эл-тов, приходящаяся на одну и ту же массу др э-та, относятся м/у собой как небольшие целые числа. Эл-ты соединяются друг с другом в строго определ весовых соотношениях, соответствующих кол-ву их атомов.

В этот же период была опубликована период система (1869)

З. Менделеева: св-ва простых тел, а также их соединений, нах-ся в периодической зависимости от величины атомных весов эл-тов. Менделеев открыл естест закономерность изменения св-в эл-тов с изменением их атомных весов. Правда, проверив атомный состав всех 86 эл-тов ПС, Мозли в 1913 нашел ошибку Менделеева: св-ва зависят от заряда ядра.

Но с открытием органики законы Пруста, Дальтона стали нарушаться.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ: длился до сер 20в.

Были разработаны две главные концепции:

А. условий проведения хим р-ций

Б. структуры хим соединений.

А.Первая основана на классической термодинамике. Самый главный раздел: химическая кинетика.

Первый шаг в этом направлении сделали Гульдберг и Ваате (1863), открыв з. действия масс. Скорость хим р-ции при t=const прямопропорциональна концентрации реагирующих веществ.

A+BC; V=K*C_AC_B; K- константа скорости;

С- молярная концентрация(моль/л); K=V при C_A=C_B=1;

Но скорость зависит еще и от температуры по з Вант-Гоффа (1865). При повышении температуры на 10 градусов скорость р-ции увелич в 2-4 раза. (V_t+t)/V_t=γ^t/10, где γ от 2 до 4;

Для того, чтобы молекулы прореагировали, нужно преодолеть энергетич барьер=>нужна доп энергия (активации).

Второй шаг заключался в смещении хим равновесия. Т.к. многие р-ции обратимы, нам надо сместить равновесие в сторону увеличения массовой доли того в-ва, которое нам нужно. В 1888г Ле-Шателье вывел правило смещения равновесия: любое изменение одного из условий равновесия вызывает смещение системы в том направлении, которое противодействует этому воздействию. Смещают равновесие с помощью изменения температуры, давления, концентрации.

Третий шаг–открытие катализа( Оствальд, к 19в). ускорить р-цию можно с помощью катализатора:

1.кат-р необходим в очень небольших кол-вах, т.к. он участвует в р-ции, но вконце р-ции выходит химически неизменимым.

2.действие кат-ра строго специфично, т.е. надо подобрать кат-р именно для этой р-ции.

3.кат-р действует не всей массой, а только активными центрами.

М-изм действия кат-ра:

1.А+ВАВ; Е_АКТ1; К-катализатор.

2.А+КАК; Е_АКТ2

3.АК+ВАВ+К; Е_АКТ3

Е_АКТ2+ Е_АКТ3<< Е_АКТ1; => Энергия активации уменьшается. Кат-р увеличивает кол-во активных молекул в реакционной среде.

Есть еще проматоры– в-ва, помогающие катализатору, т.е. они усиливают актив центры кат-ра.(ускоряют ход р-ции в 10-20р)

Б.Еще Берцелиус стал разделять в-ва, относящиеся к органике и к неорганике (1807). Потом открыли органический синтез, нашли вещ-ва с одинаковым кол-ным , но с разным качественным составом. (этиловый спирт и этиловый эфир). Все это ставило перед учеными множество вопросов. Вот какие были приняты решения:

1. все органич в-ва имеют атом С

2. кол-во атомов С может быть любым.

3. Расположение атомов может быть разное, т.е. простр-ое строение.

Впервые о разном строении высказался Берцелиус, введя термин изомеры.

А в 1852 произошла 2-я тихая революция. Франкланд – теория валентности. Valentia– сила, с кот-ой атомы присоединяются друг к другу, насыщаемость связей.

Огромный вклад внес А. Бутлеров. Вот современные положения его теории:

1. св-ва орг соединений определяется их хим строением, т.е. последовательным соединением атомов м/у собой.

2. Взаимное влияние атомов в мол-ах орг соединений проявляют атомы, непосредственно связанные друг с другом и нах-щиеся недалекр друг от друга.

3. Отличит особенность орг в-в от неорг явл-ся их структурное строение (изомерия)

Изомерия:

А) углеродного скелета

Б) за счет положения кратной связи

В) геометрич изомерия ( цис и транс)

Г) изомеря классов (#эфиры и спирты)

Есть еще зеркальная изомерия(глюкоза)

СОВРЕМЕННЫЙ ЭТАП:

Направления:

1. химия новых материалов:полимеры и металлокерамика.

2. Химия новых состояний (экстремальная): традиционная химия, химия высоких тем-тур, давлений, энергий(лазерная химия)

3. Биологизация химии: получение биокат-ров (ферментов), моделирование работы жив клетки, исследования самоколебательных р-ций (самоорганиз системы)

4. Фармацевтика , парфюмерия, пищ добавки

Рассматриваем первое направление: полимеры бывают природные– продукт жизнедеятельности орг-ма (клетчатка), искусственные – из природных материалов(ацетатный шелк из целлюлозы), синтетические– синтез из орган или неорган в-в (аналогов в природе нет). Сейчас полимеры очень распространены. Сущ-ет два пути получения полимеров:

1. р-ция полимеризации. Полимер получаешь быстро, но исх в-ва должны быть очень чисты, т.к. эта р-ция чувствительна к примесям.

2. Р-ция поликонденсации – постепенное присоединение мономеров. Не особенно чувст-на к примесям. Промежуточные в-ва очень устойчивы, еще выделяется низкомолекул. в-во.

В 1994г 94% всех полимеров составляют синтетические. Их св-ва:

1. стойкость к окислителям

2. стойкость к растворению

3. электроизоляционные свойства

4. простота получения

недостаток: ксенобиотизм – засоряют наши свалки, т.к. они не съедобны длы бактерий.

Металлокерамика– сплавление С с др добавками(#Zr, Ti, B, Ge, Mo, W)

Св-ва: огнеупорная, химостойкая, высокотвердая, но не хрупкая.

Последний писк– BN темпер плавления 3200, используют в космич технике.

Рассмотрим 2-ой пункт: экстремальная химия бывает:

радиационная химия– исследование влияния жестких лучей на протекание хим р-ций. Можно их использовать вместо кат-ров в р-ции полимеризации, срок технич способности полимеров растет.

Химия высоких Т, р, Е– синтез очень тугоплавких материалов (метод порошковой металлургии). металлы сплавляют с С,Si, В. нет оксидов, поэтому не надо раскислять, а Ме-ы очень тугоплавкие (2100-3500^оС)

Плазмохимия – проведение р-ций в струе плазмы (# для порошковой химии– измельчения металлов). Нужен прибор плазмотрон. В нем за 0, 0001с 80% метана превращается в ацителен.

Лазерная химия. Лазер– узконаправленный пучок(когерентные волны). Поиск пут прямого использования энергии, выделяющейся в хим р-ции. Преобразовать энергию в направленные когерентные излучения. Перспективы этого направлены на космос.

Рассматриваем третий пункт:

Биологизация химии– изучение работы живой клетки с точки зрения, т.е. мех-зм проведения хим р-ций. Одно из направлений– изучение ферментов.

Ферменты – белковые мол-лы с актив центром не в белке, а в комплексном соединении. Это биокатализаторы, играющие осн роль в биор-циях. Известно более 1000 ферментов.

Преимущества перед катализаторами:

• Работают при физиологических температурах и давлениях.

• Долго работают без регененрации.

• Ускор-ют ход хим р-ции в 10-100 млн раз

• Все ферменты способны, как все биологич системы к самоорганизации и саморегуляции=> естест отбор актив центров.

Но как внедрить их в произ-во?

Сначала ферменты выделяли из жив в-ва, но жизнь их оказалась слишком мала. К тому же сколько надо живого в-ва даже для небольшого кол-ва ферментов.да еще они при высоких Т денатурируются. Сейчас сущ-ет неск направлений по разработке:

Выделение и очистка природ ферментов (энзимология). Или используют иммобилизацию– изготовление ферментов на подложках (казеин, силикон) для увеличения жизни

Разработка и синтез искусственных ферментов.# инсулин, лактаза, витамины, др. гормоны.

Моделирование работы жив клетки(наиб перспективно)

Четвертое направление: вся фармацевтика стоит на получении сверхчистых в-в.

#Флеминг вырастил плесень, из которой получил пенициллин в 1928. Это открытие было очень важно. Этот антибиотик мог побелить многие известные болезни.

Были открыты алкалоиды – целая группа горьких соединений(морфин, кофеин, хинин), широко применяемых в медицине.