Глава 3. Основные законы химии

Закон сохранения массы

Химические процессы подчиняются всеобщим законам природы — закону сохранения массы вещества и закону сохранения энергии, а также ряду специфических для хи­мии законов, которыми управляются все химические реак­ции.

Закон сохранения массывещества установили М.В. Ломоносов (1756 г.) и А.Л. Лавуазье (1789 г.) почти независимо друг от друга. Они далеко продвинули разви­тие химии тем, что при химических реакциях применили физические методы, в частности, взвешивание.

Закон сохранения массы в химических процессах мож­но сформулировать так: масса веществ,вступающих в химическую реакцию,равна массе веществ, образующих­ся в результате реакции.Например, при разложении воды масса воды будет равна сумме массы водорода и массы кис­лорода. Из закона сохранения вещества вытекает, что ве­щество нельзя ни создать из ничего, ни уничтожить совсем.

Количественным выражением закона сохранения мас­сы веществ применительно к производственному химиче­скому процессу является материальный баланс, в котором подтверждается, что масса веществ, поступивших на техно­логическую операцию (приход), равна массе полученных веществ (расход):

где- соответственно массы твердых, жидких и

газоооразных материалов, поступивших на обработку (при­ход материалов); — массы продуктов, получив­шихся в результате химической переработки (расход мате­риалов).[9]

Закон сохранения массы веществ М.В. Ломоносов свя­зывал с законом сохранения энергии. Он рассматривал эти

законы в единстве. Взгляды Ломоносова подтверждены современной наукой.

 

Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии действует во всех случаях и повсюду, где одна форма энергии переходит в другую. Например, при переходе энергии пара в турбине в энергию вращательного движения, т. е. механическую энергию, при переходе электрической энергии в электрической лампоч­ке в световую и т. д. Так же как нельзя ни уничтожить, ни создать вещество, нельзя ни создать, ни уничтожить энергию.

Особым видом энергии является химическая энергия, которая освобождается или расходуется при каждой хими­ческой реакции. Химическую энергию, как любой вид энер­гии, можно превратить в механическую (использование взрывчатых веществ), тепловую (сжигание топлива), элект­рическую (гальванические элементы) и т. п. Измерить хи­мическую энергию непосредственно нельзя. Ее величина определяется, как и величина тепловой энергии, в килоджо­улях (в кДж).

Различают химические реакции с выделением тепла и химические реакции с поглощением тепла. Первые назы­ваются экзотермическими, вторые — эндотермическими реакциями. Изучением тепловых явлений при химических реакциях занимается термохимия.

Количественным выражением закона сохранения энер­гии в химическом производстве является тепловой (энер­гетический) баланс. Применительно к тепловым процес­сам химической переработки закон сохранения энергии формулируется так: количество тепловой энергии, прине­сенной в зону взаимодействия веществ, равно количеству энергии, вынесенной веществами из этой зоны. Пример равенства прихода и расхода теплоты можно выразить уравнением:

где Q _ф — физическая теплота, введенная в процесс с исход­ными веществами; Q_э — теплота экзотермических реак­ций; Q_в — теплота, введенная в процесс извне; Q'_ф — фи­зическая теплота, выведенная из процесса с продуктами реакции; Q'_п — потери теплоты в окружающую среду.[10]

 

Специфические законы химии

К специфическим законам химии относятся такие зако­ны, как закон постоянства состава (Ж. Пруст, 1808 г.), закон постоянных весовых отношений (Дж. Дальтон, 1800 г.), за­кон простых объемных отношений для газов (Ж.Л. Гей-Люс­сак, 1808 г.) и в качестве его развития — закон А. Авогадро (1811 г.). Данными законами руководствуются ученые-хи­мики и практики для проведения химических расчетов.

Глава 4. Химия в современном мире

Эволюция химических систем

Под эволюцией химической системы понимают самопроизвольный синтез новых химических соединений, являющихся более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Химики сегодня пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в будущем можно будет построить принципиально новую химию, новое управление химическими процессами, где начнут применять принципы синтеза себе подобных молекул. По принципу ферментов будут созданы катализаторы такой степени специфичности, что далеко превзойдут существующие в нашей промышленности. Хотя химия в настоящее время еще далека от решения этих проблем, но намечены следующие пути решения этой задачи:

1. Развитие исследований в области металлокомплексного катализа с постоянной ориентацией на соответствующие объекты живой природы. Сегодня металлокомплексный катализ постепенно обогащается такими приемами, которыми пользуются живые организмы в ферментативных реакциях, а также приемами классического гетерогенного катализа.

2. Освоение каталитического опыта живой природы, заключающегося в определенных успехах моделирования биокатализаторов. Для решения проблемы освоения каталитического опыта живой природы необходимо изучение законов химической эволюции и происхождения жизни.

3. Использование достижений иммобилизованных систем. Сущность иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорбции, которая превращает последние в гетерогенный катализатор и обеспечивает его стабильность и непрерывное действие, т. е. осуществляется биоорганический катализ.

4. Развитие исследований, ориентированных на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии. Характеризуется изучением и освоением всего каталитического опыта живой природы, в том числе и опыта формирования самого фермента, клетки и даже организма, т. е. это пролог к принципиально новой химической технологии, способной стать аналогом живых систем.

 

Перспективы химии

Успехи химии экстремальных состояний, каталитической химии, в областях металлокомплексного катализа, моделирования биокатализаторов, химии и технологии иммобилизированных систем, "нестационарной технологии", важным звеном которой должна стать теория саморазвития открытых каталитических систем, позволяют видеть в ближайшей перспективе богатейшие возможности развития новой химии. Эта новая химия уже теперь становится способной решать такие задачи, для реализации которых до сих пор еще не было предпосылок.[11]

В частности, в области тяжелого органического синтеза это задачи:

а) значительного ускорения химических превращений в мягких условиях за счет объединения в катализаторах будущего достоинств гетерогенного, гомогенного и металлоэнзимного катализа;

б) достижение близкой к 100% селективности процессов;

в) осуществление новых важных энергетически затрудненных
процессов за счет сопряжения эндо- и экзотермических реакций;

г) существенной экономии углеводородного сырья и перехода от
нефти к углю как более распространенному сырьевому источнику.

Химия теперь имеет реальные предпосылки и для решения
таких общих задач, как:

а) моделирование и интенсификация фотосинтеза;

б) фотолиз воды с получением водорода как самого высокоэффективного топлива;

в) промышленный синтезширокого спектра органических продуктов, и в первую очередьметанола, этанола, формальдегида и муравьиной кислоты, на
основе углекислого газа;

г) промышленный синтез многочисленных фторматериалов.

Все это является залогом успешного претворения в жизнь задач по созданию малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных процессов, рачительного использования каждого килограмма сырья и каждого киловатта энергии для производства необходимых материалов.

 

 

Заключение

В заключение можно сказать, что роль развития химии как науки, в развитии естественнонаучных знаний – это одна из ключевых ролей. Химия занимает немаловажную роль в истории формирования общей естественнонаучной картине мира.

Стоит заметить, что практическая сторона развития химии людям всегда была более интересна, чем методологическая.

Развитие химической науки, физики и биологии, оказывало влияние на формирование естественнонаучных и мировоззренческих знаний.

Также можно сказать, что вопросы химии не являются вопросами, без решения которых эта наука может быстро и успешно развиваться. Эти вопросы, так или иначе, выступают как одна из составных частей и в разработке конкретных научных проблем современной химии, прежде всего ее больших теоретических проблем, и в повседневной деятельности химика по добыванию новых знаний о веществе, по преобразованию веществ природы в жизненно нужные людям материальные блага.