7.3.2. Проблемы и решения на уровне структурной химии

«Структурная химия» – название условное. Речь идет об уровне развития химических знаний, при котором главенствующую роль играет понятие «структура», а именно – структура молекулы реагента, в том числе макромолекулы или монокристалла.

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. Однако формульный схематизм Кекуле не указывает на реакционную активность реагентов, имеющую первостепенное значение для практики получения целевых продуктов. Эти знания дает теория химического строения А. М. Бутлерова, нашедшая физическое обоснование в квантовой механике. Сегодня под структурой понимают устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула.

Воззрения Кекуле и Бутлерова превратили химию из науки аналитической, занимающейся изучением состава готовых веществ, в науку преимущественно синтетическую, способную создавать новые вещества и новые материалы.

В 1760–1880 гг. появился термин «органический синтез». В это время были синтезированы фуксин, ализарин. Затем получены взрывчатые вещества – тринитротолуол, лекарственные препараты – уротропин, аспирин и др. Этот период был назван триумфальным шествием органического синтеза.

Однако сведений, которые давала структурная химия, оказалось недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения веществ. Структурная химия оказалась не в состоянии указать пути осуществления процессов производства этилена, ацетилена, бензола, дифенила и других диеновых углеводородов с цепочкой С=С–С=С из парафиновых углеводородов, хотя все эти процессы составляют основу нефтехимического производства и их оказалось легко осуществить посредством химической кинетики и термодинамики.

К оглавлению

Все это, однако, не умаляет роли структурной химии, без которой был бы невозможен вообще органический синтез при любых успехах учения о химических процессах.

7.3.3. Проблемы и решения на уровне учения о химических процессах

Учение о химических процессах – это 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 трудноуправляемы. В одних случаях их просто не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы, в других случаях их исключительно трудно остановить, например реакции горения и взрывы, в третьих случаях их невероятно трудно ввести в одно желательное русло, так как они самопроизвольно создают десятки непредвиденных ответвлений с образованием сотен побочных продуктов. Методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические и кинетические, среди которых ведущую роль выполняют каталитические методы.

Каждая химическая реакция в принципе и в действительности обратима и представляет собой перераспределение химических связей. Обратимость реакций служит основанием равновесия между прямой и обратной реакциями. Однако на практике равновесие смещается в ту или иную сторону, что зависит как от природы реагентов, так и от условий процесса. Реакции, в которых равновесие смещено вправо, в сторону образования целевых продуктов, как правило, не требуют особых средств управления. Таковыми являются реакции кислотно-основного взаимодействия, или реакции нейтрализации, а также реакции, сопровождающиеся удалением продуктов или в виде газов, или в форме осадков, например нерастворимого хлорида серебра в реакции:

AgNO₃+KClAgCl+KNO₃.

Однако существует немало реакций, равновесие в которых смещено влево. И чтобы их осуществить, необходимы особые термодинамические рычаги. Такова, в частности, реакция синтеза аммиака:

К оглавлению

N₂+ 3H₂2NH₃.

Эта реакция очень проста с точки зрения состава и структуры исходных веществ. Но с 1813 по 1913 г., т. е. на протяжении целого столетия, она не могла быть осуществлена, т. к. химики не имели средств управления ею. И только законы, открытыеВант-Гоффом(С увеличением температуры на каждые 10 К скорость химической реакции возрастает в 2–4 раза) иЛе Шателье (Если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказывать внешнее воздействие, то равновесие всегда смещается в направлении той реакции, протекание которой ослабляет это воздействие),позволили добитьсяуспеха.

Термодинамические методы позволяли управлять химическими процессами только в аспекте их направленности в прямую или обратную сторону, а не скорости. Функции же управления скоростью химических процессов выполняет химическая кинетика. Она устанавливает зависимость хода химических процессов от множества факторов: природы исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, от способов смешения реагентов, от материала и конструкции реактора и т. д.

Рассмотрим действие хотя бы одного фактора – катализатора. Катализ был открыт в 1812 г. академиком Петербургской академии наук К. С. Кирхгофом. С тех пор и до настоящего времени катализ в химии делает буквально чудеса.

Катализаторомназывают вещество, участвующее в реакции и увеличивающее ее скорость, но остающееся химически неизмененным в результате реакции. Катализатор не вызывает смещения химического равновесия, а только ускоряет его наступление.