6.3. Проблемы элементарного и молекулярного состава и их решение.
При исследовании состава решались 3 главные проблемы:
а) проблема химического элемента;
б) проблема химического соединения;
в) проблема вовлечения все большего числа химических элементов в производство новых материалов.
а) химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра.
Именно заряд ядра обеспечивает индивидуальность химического элемента;
б) молекула – наименьшая частица вещества, определяющая его свойства и способная существовать самостоятельно.
Химическое соединение определяется как качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких элементов, атомы которых за счет химической связи объединены в частицы – молекулы, комплексы, монокристаллы;
в) металлы и керамика – материалы, на 80% составляют материальную базу условий жизни человечества.
Металлы в производстве обходятся в сотни тысяч раз дороже керамики.
На основе достижений химии возможна замена металлов керамикой с заранее заданными свойствами (пример: 1960 г. – гексанит – Р; tпл. = 3200 градусов С; твердость около твердости алмаза, отсутствует хрупкость).
6.4.Проблемы и решения на уровне структурной химии.
«Структурная химия» - понятие условное. Речь идет об уровне развития химических знаний, при котором главную роль играет понятие «структура», а именно – структура молекулы реагента, в т.ч. макромолекулы или монокристаллы.
Структура – это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула.
С возникновением структурной химии появляется инструмент целенаправленного качественного преобразования веществ.
Теория химического строения А.М.Бутлерова лежит в основе органического синтеза.
Однако органический синтез имел очень низкие выходы продуктов; недостаточно было сведений о молекулах, находящихся в дореакционном состоянии.
Проблема структурной неорганической химии – это, по существу, проблемы химии твердого тела.
поиск путей синтеза кристаллов без дефектов кристаллической решетки для получения материалов с высокой механической прочностью, термостойкостью и долговечностью в эксплуатации;
создание методов получения кристаллов, содержащих запроектированные дефекты решетки, для получения материалов с заданными свойствами.
6.5. Учение о химических процессах.
Методы управления химическими процессами подразделяются на термодинамические и кинетические, при которых ведущую роль играют катализаторы.
Каждая химическая реакция при определенных условиях может быть обратима и представляет собой перераспределение химических связей.
Реакции, в которых равновесие смещено в сторону образования продуктов, не требуют особых средств управления. Например, реакции нейтрализации, а также реакции с образованием газов и осадков.
ВаС12 + К2SО4 = ВаSО4 + 2КС1
Однако немало реакций идет со смещением равновесия в сторону исходных реагентов.
Для их протекания требуется особое термодинамическое управление:
N
2
+ 3Н2
2NН3
Эта реакция почти 100 лет не могла быть осуществлена, т.к. химики не знали способов управления ею. И только открытие Вант-Гоффа и Ле Шателье позволило добиться успеха.
Было установлено, что синтез NН3 происходит на поверхности твердого катализатора при сдвиге равновесия вправо за счет применения высоких давлений.
Термодинамика не оперирует понятием времени. Скоростью химических реакций управляет химическая кинетика. Химическая кинетика определяет зависимость хода реакции от природы исходных веществ, их концентрации, температуры, наличия катализаторов, материала реактора и т.д.
Эти проблемы на современном уровне знаний решает химия.
Эволюционная химия.
Под эволюционными проблемами в химии понимают процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.
Эти проблемы начали исследовать в 70-е годы прошлого века.
Однако еще основатель органической химии И.Я.Берцелиус установил, что основой лаборатории живого организма является биокатализ.