Учение о химическом процессе

Под влиянием новых требований производства возникло учение о химических процессах, в котором учитывается изменение свойств вещества под влиянием температуры, давления, растворителей и других факторов. После этого химия становится наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, но и наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Благодаря этому она обеспечила создание производства синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных работах, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов.

Столь впечатляющие успехи были достигнуты на основе учения о химических процессах — области науки, в которой осуществлена наиболее глубокая интеграция физики, химии и биологии. В основу данного учения положены химическая термодинамика и кинетика, поэтому этот раздел науки в равной степени принадлежит физике и химии. Одним из основоположников этого научного направления стал русский химик Н.Н. Семенов — лауреат Нобелевской премии, основатель химической физики. Он в своей Нобелевской лекции 1965 г. заявил, что химический процесс — это то основное явление, которое отличает химию от физики, делает ее более сложной наукой. Химический процесс становится первой ступенью при восхождении от таких относительно простых физических объектов, как электрон, протон, атом, молекула, к сложным, многоуровневым живым системам. Ведь любая клетка живого организма, по существу, представляет собой своеобразный сложный реактор. Поэтому химия становится мостом от объектов физики к объектам биологии.

Учение о химических процессах базируется на идее, что способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условиями протекания химических реакций. Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результаты химических реакций.

Подавляющее большинство химических реакций находится во власти стихии. Конечно, есть реакции, которые не требуют особых средств управления или особых условий. Таковы всем известные реакции кислотно-основного взаимодействия (нейтрализации). Однако подавляющее большинство реакций являются трудноконтролируемыми. Есть реакции, которые просто не удается осуществить, хотя они в принципе осуществимы. Существуют реакции, которые трудно остановить: горения и взрывы. И, наконец, встречаются реакции, которые трудно ввести в одно желательное русло, так как они самопроизвольно создают десятки непредвиденных ответвлений с образованием сотен побочных продуктов. Поэтому важнейшей задачей для химиков становится умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов.

В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические и кинетические. Термодинамические методы влияют на смещение химического равновесия реакции. Кинетические методы влияют на скорость протекания химической реакции.

Французский химик А. Ле-Шателье сформулировал свой знаменитый принцип подвижного равновесия, вооружив химиков методами смещения равновесия в сторону образования целевых продуктов. Эти методы управления и получили название термодинамических методов.

Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Это зависит как от природы реагентов, так и от условий протекания процесса. Существует много реакций, равновесие в которых смещено в сторону образования конечных продуктов: к ним относятся реакция нейтрализации, реакции с удалением готовых продуктов в виде газов или осадков.

Однако существует немало химических реакций, равновесие в которых смещено влево, в сторону образования исходных веществ. Чтобы их осуществить, требуются особые термодинамические рычаги — увеличение температуры и давления (если реакция происходит в газовой фазе), а также концентрации реагирующих веществ (если реакция протекает в жидкой фазе).

Термодинамические методы преимущественно влияют на направление химических процессов, а не на их скорость. Управлением скоростью химических процессов занимается химическая кинетика, в которой изучается зависимость протекания химических процессов от различных структурно-кинетических факторов — строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реактора и т.п.

Задача исследования химических реакций является очень сложной. Ведь при ее решении необходимо выяснить механизм взаимодействия не просто двух реагентов, а еще и «третьих тел», которых может быть несколько. В этом случае наиболее целесообразно поэтапное решение, при котором вначале выделяется наиболее сильное действие какого-нибудь одного из «третьих тел», чаще всего катализатора.

Кроме того, следует понять, что практически все химические реакции представляют собой отнюдь не простое взаимодействие исходных реагентов, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют не только друг с другом, но и со стенками реактора, могущими как катализировать (ускорять), так и инги-бировать (замедлять) процесс.

В современных условиях одно из важнейших направлений развития учения о химических процессах — создание методов управления этими процессами, поэтому химическая наука занимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.

Еще одна область развития учения о химических процессах — химия высоких и сверхвысоких давлений. Химические превращения веществ при давлениях выше 100 атм относятся к химии высоких давлений, а при давлениях выше 1000 атм — к химии сверхвысоких давлений. Высокие давления в химии используются с начала XX в. — аммиачное производство осуществлялось при давлении 300 атм и температуре 600°С. Но в последнее время используются установки, в которых достигается давление 5000 атм, а испытания проводятся при давлении 600 000 атм, которое достигается за счет ударной волны при взрыве в течение миллионной доли секунды. При ядерных взрывах возникают еще более высокие давления.

При высоком давлении сближаются и деформируются электронные оболочки атомов, что ведет к повышению реакционной способности веществ. При давлении 102—103 атм исчезает различие между жидкой и газовой фазами, а при 103—105 атм — между твердой и жидкой фазами. При высоком давлении сильно меняются физические и химические свойства веществ. Например, при давлении 20 000 атм металл становится эластичным, как каучук. Обычная вода при высоких температуре и давлении становится химически активной. С повышением давления многие вещества переходят в металлическое состояние. Так, в 1973 г. ученые наблюдали металлический водород при давлении 2,8 млн. атм.

Принципиально новой и исключительно важной областью учения о химических процессах является самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Обычно их производство осуществляется методом порошковой металлургии, суть которого заключается в прессовании и сжатии при высокой температуре (1200—2000°С) металлических порошков. Самораспространяющийся синтез происходит гораздо проще: он основан на горении одного металла в другом или горении металла в азоте, углероде, кремнии и т.п.

Давно известно, что процесс горения представляет собой соединение кислорода с горючим веществом, поэтому горение — это реакция окисления горючего вещества. При этом происходит перемещение электронов от атомов окисляемого вещества к атомам кислорода. С этой точки зрения горение возможно не только в кислороде, но и в других окислителях. На этом выводе и основан самораспространяющийся высокотемпературный синтез — тепловой процесс горения в твердых телах. Он представляет собой, например, горение порошка титана в порошке бора, или порошка циркония в порошке кремния. В результате такого синтеза получаются сотни тугоплавких соединений самого высокого качества.