КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ. Химическая составляющая

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Химическая составляющая

 

Учебное пособие

(основные теоретические положения курса)

 

 

Арсеньев

2007

Содержание

 

1. Роль химии в развитии естественнонаучных знаний

1.1. Система химии, логика ее развития и построения

1.2. Практическое значение представлений о концептуальных системах химии

1.3. Теоретическое значение представлений о Системе химии

1.4.Выводы

2. Проблемы и решения на уровне учения о составе

2.1. Проблема вовлечения новых химических элементов в производство материалов

2.2. Проблема частичной замены металлов новыми видами керамики

2.3. Элементоорганические соединения, их использование в создании современных материалов.

2.4.Выводы

3. Проблемы и решения на уровне структурной химии

3.1. Эволюция понятия «структура» в химии

3.2. «Триумфальное шествие органического синтеза»

3.3. Пределы структурной органической химии

3.4. Новые проблемы структурной химии

3.5. Выводы

4. Проблемы и решения на уровне учения о химических процессах

4.1. Проблема катализа

4.2. Проблемы энергетики будущего

4.3. Химия экстремальных состояний

4.4.Выводы

5. Эволюционная химия - высшая ступень развития химических знаний. Ближайшие перспективы химии

5.1. «Лаборатория живого организма» - идеал химиков

5.2. Ферменты в биохимии и биоорганической химии

5.3. Пути освоения каталитического опыта живой природы

5.4. Предпосылки возникновения эволюционной химии

5.5. Понятия «организация» и «самоорганизация» и их познавательные функции в химии.

5.6. Общая теория химической эволюции и биогенеза А.П. Руденко

5.7. Нестационарная кинетика и развитие представлений об эволюции химических систем

5.8.Выводы

6. Кинетика химических реакций

6.1 Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ

6.2 Влияние температуры на скорость реакции

6.3 Катализ

6.4 Поверхность соприкосновения реагирующих веществ

7 Правила выживания в химической лаборатории

Роль химии в развитии естественнонаучных знаний

Система химии, логика ее развития и построения

 

Что такое химия? Химия является высокоупорядоченной - постоянно развивающейся системой знаний о веществах, имеющей определенное социальное назначение и свое место в ряду других наук.

Система представляет собой совокупность элементов или частей, выступающих как единое целое, в которой существует их взаимное влияние и взаимное качественное преобразование. Под системой химии подразумевается объединение всех химических знаний в концептуальные системы, которые находятся между собой в отношениях иерархии, т.к. каждая концептуальная система - это определенный уровень знаний

Рассмотрим системообразующие основы химии. Системообразующим началом в химии может являться только какое-то ее наиболее общее основание, не изменяющееся при любых изменениях ее теории и методов.

Зачем была нужна химия человечеству? Чтобы получить из природных веществ необходимые человеку металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и лекарства, взрывчатые вещества и горючесмазочные материалы, каучуки и пластмассы, химические волокна и материалы с заданными электрофизическими свойствами (полупроводники, изоляторы, сверхпроводники).

Поэтому все химические знания, приобретаемые за многие столетия, объединяет одна главная задача химии - задача получения веществ с необходимыми свойствами. Для ее реализации надо уметь из одних веществ производить другие и знать от чего зависят свойства, т.е. осуществлять качественное превращение веществ.

Эта проблема возникла в древности и не теряет своего значения в наши дни. Таким образом, вся история химии, все ее развитие является закономерным процессом смены способов решения ее основной проблемы.

Свойства веществ зависят от четырех факторов: от его элементного и молекулярного состава; от структуры его молекул; от термодинамических и кинетических условий, в которых вещества находятся в процессе химических реакций; от высоты химической организации вещества.

Поэтому основная проблема химии имеет только четыре общих способа решения:

на первом уровне с учетом одного фактора - изменения состава - учение о составе;

на втором уровне с учетом двух факторов - изменение состава и структуры – структурная химия;

на третьем уровне - с учетом многих факторов (состава, структуры, кинетических, термодинамических факторов) - учение о химических процессах;

на четвертом уровне - с учетом самоорганизации реакторной системы - эволюционная химия.

Строго последовательное закономерное появление четырех способов решения основной проблемы химии послужило причиной строгой упорядоченности построения системы химии, которую следует считать логикой этой науки.

Практическое значение представлений о концептуальных системах химии

 

Представления о концептуальных системах химии позволяют оценить, какими возможностями располагает эта наука для производства новых материалов, каковы ее ближайшие перспективы, на какие теории и методы можно рассчитывать при решении задач синтеза новых веществ. В качестве примера рассмотрим получение синтетического каучука (СК).

Получение СК стало актуальным в начале XX века в связи с высокой стоимостью ввозимого в страну натурального каучука и недостаточным количеством для нужд резинотехнической промышленности. Без резины невозможно развитие авто- и авиатранспорта, изготовление плащей и непромокаемой обуви. Первые успехи в ее синтезе были получены в нашей стране.

Синтез каучука в промышленном масштабе был грандиозным успехом, однако, полученный каучук (дивинил) был дорог: он требовал огромных затрат труда и материальных ресурсов. Его получали из этилового спирта с низким выходом (28%), две трети используемого спирта уходило в отходы. Спирт в свою очередь получали из зерна или картофеля - дорогого пищевого сырья. На тот момент времени это был единственный способ. Требовалось найти более дешевый способ, используя химические знания.

В 1950-х годах химия в целом стала подниматься на уровень учения о химических процессах. Изучение кинетических и термодинамических факторов, определяющих скорость и направление химических реакций, позволило найти условия (температуру, давление и т.д.), при которых из множества направлений термического разложения нефтяного сырья, можно было выбрать то, которое позволит получить дивинил с высоким выходом.

Следующим этапом модернизации синтеза каучука стало использование продуктов переработки нефти: каучук стали получать из дивинила, образующегося при пиролизе нефти. Отпала необходимость в пищевом сырье, снизились затраты. Резко изменилась технология в сторону упрощения производства, сократилась численность работников (с 200-250 тыс. до 3-5 тыс.). В настоящее время на этом уровне и осуществляется производство СК.

В последние годы наметилось дальнейшее усовершенствование технологии получения СК. Появились первые сведения о решении задачи получения дивинила и других мономеров СК на четвертом эволюционном пути развития химии. В этом случае реакцию пиролиза нефтяного сырья осуществляют в условиях плазмы - особого рода газа, состоящего из свободных электронов и ионов, при температуре 4000-5000⁰С. Реакция протекает мгновенно - за десятитысячные доли секунды, строго необратимо с высоким выходом образования дивинила.

 

С_nH_2n+2 → H₂C=CH—CH=CH₂

 

Высокая скорость и необратимость данной плазмохимической реакции позволяют достигнуть высокой производительности реактора, которая сопоставима с производительностью целого завода. Один небольшой реактор - плазмотрон, диаметром 20 см и длиной 60 см, обслуживаемый одним человеком, способен заменить пиролизный завод с 3-5 тысячами рабочих.

Ваша точка зрения?

1. В чем заключается основная проблема химии? Почему она является двуединой и каковы варианты ее решения?

2. Чем обусловлена последовательность появления разных способов решения основной проблемы химии?

3. Что означает «Система химии, логика ее развития и построения»?

4. Дайте толкование понятий «уровень химических знаний», «концептуальная система химии».

5. Каковы практическое и теоретическое значения представлений о концептуальных системах химии?

Выводы

 

1. Главная задача химии - задача получения веществ с необходимыми свойствами.

2. Системообразующим началом химии выступает двуединая проблема: получение веществ с заданными свойствами и выявление способов управления свойствами веществ.

3. Свойства веществ зависят от четырех факторов: от элементного и молекулярного состава; от структуры его молекул; от термодинамических и кинетических условий, в которых вещества находятся в процессе химических реакций; от высоты химической организации вещества.

4. Представления о концептуальных системах химии позволяют оценить, какими возможностями располагает эта наука в смысле производства новых материалов, на какие теории и методы можно рассчитывать при решении задач синтеза новых веществ.

5. Система современной химии с ее четырьмя концептуальными системами служит главной опорой для определения ближайших перспектив развития химического производства.

Ваша точка зрения?

1. Как природа распределила свои материальные ресурсы?

2. Как соотносятся между собой химические элементы железо и алюминий по запасам их сырья в физически доступном слое Земли и по использованию их в производстве конструкционных материалов?

3. Каковы возможные перспективы использования разных химических элементов – металлов в качестве конструкционных материалов?

4. Каковы общие недостатки и преимущества керамики по сравнению с металлами?

5. Каковы основные области применения элементоорганических соединений?

 

Выводы

 

1. На уровне учения о составе решались три основные проблемы: проблема химического элемента; проблема химического соединения; проблема вовлечения все большего числа химических элементов в производство новых материалов.

2. Химический элемент – это совокупность всех атомов, которые обладают одинаковым зарядом ядра.

3. Химическое соединение – это качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет химической связи объединены в частицы – молекулы, комплексы, монокристаллы или другие агрегаты.

4. Чаще всего человек использует те элементы, запасы сырья которых ограничены. В перспективе следует расширить возможности использования алюминия, магния и, может быть, кальция в создании материалов ближайшего будущего.

5. Необходима последовательная замена металлов различными видами керамики.

6. К уникальным свойствам некоторых современных образцов керамики относятся высокая вязкость разрушения, сверхпроводимость при низких температурах (t = -196⁰С).

7. На базе органического синтеза происходит расширение производства элементоорганических соединений: кремнийорганических и фторорганических.

8. Химия кремнийорганических соединений позволила создать производство разнообразных полимеров, обладающих огнезащитными, водоотталкивающими, электроизоляционными и др. ценными свойствами.

9. Фторуглероды обладают исключительной химической инертностью, особой поверхностной активностью, повышенной способностью растворять кислород и перекиси.

 

Ваша точка зрения?

1. Что означает известный среди химиков афоризм - «триумфальный марш органического синтеза»?

2. Каковы возможности и пределы структурной химии?

3. Каковы особенности структуры ферроцена и бульвалена?

4. Каковы важнейшие проблемы структурных теорий твердого тела?

Выводы

 

1. Свойства веществ и их качественное разнообразие, обуславливаются не только их составом, но еще и структурой их молекул.

2. Главным содержанием понятия «структура» в теории Бутлерова является идея об энергетической неэквивалентности химических связей, обусловленной взаимным влиянием атомов в структуре молекулы.

3. Структура - это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула.

4. На основе простейших углеводородов из каменноугольной смолы и аммиака были синтезированы: анилиновые красители, взрывчатые вещества, лекарственные препараты.

5. Проблемы структурной неорганической химии сводятся:

􀀹 к поиску путей синтеза кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке, чтобы получить материалы с высокой механической прочностью и долговечностью в эксплуатации;

􀀹 к созданию методов получения кристаллов, содержащих заранее запроектированные дефекты решетки, для получения материалов с заданными свойств

Проблема катализа

 

Катализ как могучее посредничество «третьих тел» в осуществлении химических процессов был открыт в 1812 году К. С. Кирхгофом (1764-1833гг), впервые получившим с помощью катализатора - серной кислоты H₂SO₄ - из крахмала сахар.

С тех пор и до настоящего времени катализ в химии делает чудеса.

В 1964 году в связи с открытием новых катализаторов (KMgCl, TiCl₄) была реализована возможность синтеза аммиака не при высоких температуре (400⁰ C) и давлении (808 мПа), что затрудняло технологическое исполнение процесса, а при обычных условиях: атмосферном давлении и комнатной температуре.

Но эта реакция может стать триумфом и третьего тысячелетия, т.к. открываются конкретные пути перенести ее из стен лабораторий в природу, на поля, где произрастают злаковые культуры - пшеница и рожь. Горох, фасоль и другие бобовые растения в своих клубеньках содержат «микрореактор» - азотобактер, извлекающий азот прямо из воздуха и перерабатывающий его в амины, являющиеся азотным питанием растений.

Теперь выяснено, что азотобактер действует по принципу связывания свободного азота посредством металлоорганических катализаторов типа RМе-Х, где R - органический радикал, Ме - металл, Х – остаток минеральной кислоты. Открытая в 1964 году реакция синтеза аммиака на металлорганических катализаторах создает предпосылки успешного моделирования азотобактера - включение искусственного азотофиксирующего аппарата посредством генной инженерии в соответствующие ткани злаковых растений. Растения смогут сами извлекать азот из воздуха, и сегодня это серьезно изучаемая научная проблема.

Победой катализа является появление целой отрасли химии, базирующейся на основе такого простейшего сырья, как оксид углерода СО и водород Н₂. На одних катализаторах со 100%-ным выходом из СО и Н₂ образуются парафины нормального строения, на других - только парафины разветвленного строения, на третьих - чистый метанол, на четвертых - уксусная кислота, на пятых - этилен и т.д. Роль катализаторов как своеобразных архитекторов проявилась в построении молекул полимеров.

В 1950-1960-х годах открыты металлоорганические катализаторы стереоспецифической полимеризации дивинила и изопрена. Это позволило по существу воспроизвести натуральный каучук.

Благодаря катализаторам стало возможным ввести в качестве сырья много тоннажного органического синтеза углеводороды нефти - парафины и циклопарафины, которые считались «химическими мертвецами». Благодаря катализу они превратились в практически неисчерпаемое сырье для получения СК и пластмасс, олифы и лаков, моющих веществ и растворителей, лекарственных и парфюмерных веществ, возможных горюче смазочных материалов. Катализ находится в основании производства маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений.

Практически вся промышленность «основной химии» (производство неорганических кислот, оснований и солей) и «тяжелого органического синтеза», включая получение горюче-смазочных материалов, базируется на гетерогенном катализе, который осуществляется с помощью металлов, их сплавов и оксидов. Широкое применение за последние 40-30 лет приобрели цеолитовые (алюмосиликатные) катализаторы, обладающие широко развитой поверхностью и широкими пределами применения.

Теоретические представления о сущности катализа служат сегодня основным пунктом дальнейшего развития всей каталитической химии, и, прежде всего таких наиболее перспективных областей ее, как металлокомплексный катализ, межфазный катализ, мицеллярный (посредством коллоидных систем), мембранный катализ (с участием веществ, действующих как молекулярное сито) и катализ посредством ферментоподобных веществ.

Ваша точка зрения?

1. Охарактеризуйте роль катализа в различных отраслях химии.

2. Раскройте роль успехов физики, химии, биологии в решении проблем энергетики настоящего и будущего.

3. Что такое химия экстремальных состояний?

 

Выводы

 

1. На третьем уровне развития химических знаний - учение о химических процессах - химия становится наукой о процессах и механизмах изменения веществ.

2. Катализ - могучее посредничество «третьих тел» в осуществлении химических процессов, способное творить чудеса в химии.

3. Азотобактер (в клубеньках бобовых растений) действует по принципу каталитического связывания свободного азота посредством металлоорганических катализаторов.

4. Катализаторы позволили ввести дешевые углеводороды нефти в качестве сырья для органического синтеза и получать из них синтетические каучуки, пластмассы, олифу, лаки, моющие средства и т.д.

5. Цеолитовые катализаторы обладают широко развитой поверхностью и избирательностью действия.

6. К перспективным областям каталитической химии относятся: металлокомплексный, межфазный, мембранный катализ и катализ веществами, подобными ферментам.

7. Водород является самым высококалорийным и экологически чистым топливом.

8. В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей между реагирующими молекулами достигает оптимума, заданного природой.

9. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов основан на реакции горения одного металла в другом металле, металла в азоте, углероде или кремнии, что представляет собой принципиально новую область химии экстремальных состояний.

 

Ваша точка зрения?

1. Почему лаборатория живого организма была всегда идеалом химиков?

2. Что называется ферментами и какова их роль в «лаборатории живого организма»?

3. Что можно сказать о естественном отборе химических элементов и их соединений в ходе химической эволюции?

4. Что означает саморазвитие каталитических систем?

5. Что означает нестационарная химическая кинетика?

Выводы

1. Основой процессов в живом организме является биокатализ под действием ферментов.

2. По принципу ферментов создаются катализаторы высокой степени специфичности, превосходящие существующие в данный момент промышленности.

3. Состав и структура биополимерных молекул представляют единый стандартизованный набор для всех живых организмов.

4. Показана исключительная специфичность живого, которая проявляется в поведении фрагментов живых систем на молекулярном уровне.

5. Специфичность молекулярного уровня живого проявляется в существенном различии принципов действия катализаторов и ферментов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров (структура последних определяется генетическим кодом).

6. Пути освоения каталитического опыта живой природы включают в себя:

􀀹 исследования в области металлокомплексного катализа;

􀀹 моделирование биокатализаторов;

􀀹 стабилизация ферментов – создание иммобилизованных ферментов;.

􀀹 исследования, ориентированные на применение биокатализа в промышленной химической технологии.

7. Основу живых систем составляют шесть элементов-органогенов: углерод С, водород Н, кислород О, азот N, фосфор Р и сера S (содержание в организме 97, 4%).

8. Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен.

9. Отбор активных соединений происходил в природе из продуктов, которые получались относительно большим числом химических путей, и обладали широким каталитическим спектром.

10. Химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, эволюционирующим веществом являются катализаторы.

11. В ходе эволюции происходит отбор наиболее активных каталитических центров.

Кинетика химических реакций

 

Одна из особенностей химических реакций заключается в том, что они протекают во времени. Одни реакции протекают медленно, месяцами, как, например, коррозия железа. Другие заканчиваются очень быстро, например осаждение нерастворимых солей, а некоторые реакции происходят мгновенно (например, взрывы). Таким образом, различные химические реакции происходят с самыми разными скоростями.

Раздел химии, изучающий скорости химических реакций, называют химической кинетикой.

I. Основным понятием в химической кинетике является понятие о скорости реакции, которая определяется изменением количества вещества реагентов (или продуктов реакции) в единицу времени в единице реакционного пространства.

Для гомогенных реакций (все участники реакции в одном агрегатном состоянии) реакционным пространством является весь объем, заполненный реагентами. А значит скорость гомогенной реакции определяется как изменение количества вещества в единицу времени в единице объема. А т.к. отношение количества вещества к объему представляет собой молярную концентрацию С, то скорость гомогенной реакции определяется как изменение концентрации одного из веществ в единицу времени:

v _гом = ± C ₂ - C ₁ / t ₂ – t ₁ , (моль/л^. с)

 

где С₂ – С₁ – изменение концентрации одного из реагентов за промежуток времени отt₁ до t_2.

Обычно для реакций, протекающих между газами или в растворах, концентрации реагентов выражают в моль/л, а скорость реакции — в моль/(л • с).

Знак « + »относится к случаю, когда о скорости реакции судят по изменению концентраций продукта реакции (она с течением времени возрастает); знак « —» когда в уравнение подставляется изменение концентрации одного из исходных веществ (она с течением времени убывает).

Если реакция идет между веществами, находящимися в разных агрегатных состояниях (н-р, между твердым веществом и жидкостью), то это гетерогенная реакция. Она проходит только на поверхности соприкосновения веществ.

Поэтому скорость гетерогенной реакции определяется как изменение количества вещества в единицу времени на единице поверхности:

v _гет = ± n ₂ - n ₁ / ( t ₂ – t ₁ ) ^. S, (моль/ с^. м²),

 

где S – площадь поверхности соприкосновения веществ.

II. Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ и от условий, в которых реакция протекает. Важнейшими из них являются: концентрация, температура и присутствие катализатора (а также — давление, если реакция протекает в газовой фазе).

 

Катализ

 

Наиболее сильное влияние на скорость реакции оказывает присутствие в реагирующей системе катализатора — вещества, которое повышает (а иногда и уменьшает — тогда его называют ингибитором) скорость химической реакции, но само не расходуется в этом процессе. Катализаторы подразделяют на три типа: гомогенные, гетерогенные и биологические {биокатализаторы ила ферменты)

Влияние катализаторов на скорость реакции называется катализом. Когда взаимодействующие вещества и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии, говорят о гомогенном катализе. При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в различных агрегатных состояниях: обычно катализатор — в твердом, а реагирующие вещества — в жидком или газообразном (например, в случае окисления SO₂ в SO₃ в присутствии платины или оксида ванадия (V) происходит гетерогенный катализ).

Механизм действия катализаторов может быть самым разнообразным и, как правило, очень сложным. Основной гипотезой, объясняющей влияние катализатора на скорость реакции, является предположение об образовании промежуточных продуктов при взаимодействии катализатора и реагирующего вещества.

Если реакция А + В = АВ без катализатора проходит медленно, а в присутствии катализатора К быстро, то его действие объясняется тем, что катализатор реагирует с одним из исходных веществ образуя непрочное (как правило, очень реакционноспособное) промежуточное соединение АК (или ВК):

А(В) + К = АК (ВК)

 

Образовавшееся промежуточное соединение (например, АК) взаимодействует с другим исходным веществом В, образуя конечный продукт реакции АВ и выделяя катализатор К в первоначальном виде:

АК + В = АВ + К

 

Приведенная простейшая схема катализа показывает, почему частицы катализатора могут принимать участие в реакции «бесчисленное» множество раз. Правда, «бесчисленное» — только теоретически, потому что при практическом протекании реакции в системе могут оказаться вещества (даже в малых количествах), уменьшающие или полностью уничтожающие активность катализатора. Такие вещества называют каталитическими ядами, а само явление снижения активности катализатора — отравлением.

Механизм действия катализатора заключается в том, что он изменяет «путь» процесса « реагенты => продукты реакции», причем новый путь характеризуется меньшей энергией активации по сравнению с энергией активации некатализируемой реакции.

*Энергия активации - избыточная энергия пары частиц, чтобы при их соударении образовалось переходное к новым веществамсостояние, так называемый активированный комплекс. В состоянии активированного комплекса старые связи в молекулах еще до конца не разрушились, а новые связи наметились, но еще не образовались. Такие комплексы существуют недолго, их распад приводит к образованию продукта реакции.

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Химическая составляющая

 

Учебное пособие

(основные теоретические положения курса)

 

 

Арсеньев

2007

Содержание

 

1. Роль химии в развитии естественнонаучных знаний

1.1. Система химии, логика ее развития и построения

1.2. Практическое значение представлений о концептуальных системах химии

1.3. Теоретическое значение представлений о Системе химии

1.4.Выводы

2. Проблемы и решения на уровне учения о составе

2.1. Проблема вовлечения новых химических элементов в производство материалов

2.2. Проблема частичной замены металлов новыми видами керамики

2.3. Элементоорганические соединения, их использование в создании современных материалов.

2.4.Выводы

3. Проблемы и решения на уровне структурной химии

3.1. Эволюция понятия «структура» в химии

3.2. «Триумфальное шествие органического синтеза»

3.3. Пределы структурной органической химии

3.4. Новые проблемы структурной химии

3.5. Выводы

4. Проблемы и решения на уровне учения о химических процессах

4.1. Проблема катализа

4.2. Проблемы энергетики будущего

4.3. Химия экстремальных состояний

4.4.Выводы

5. Эволюционная химия - высшая ступень развития химических знаний. Ближайшие перспективы химии

5.1. «Лаборатория живого организма» - идеал химиков

5.2. Ферменты в биохимии и биоорганической химии

5.3. Пути освоения каталитического опыта живой природы

5.4. Предпосылки возникновения эволюционной химии

5.5. Понятия «организация» и «самоорганизация» и их познавательные функции в химии.

5.6. Общая теория химической эволюции и биогенеза А.П. Руденко

5.7. Нестационарная кинетика и развитие представлений об эволюции химических систем

5.8.Выводы

6. Кинетика химических реакций

6.1 Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ

6.2 Влияние температуры на скорость реакции

6.3 Катализ

6.4 Поверхность соприкосновения реагирующих веществ

7 Правила выживания в химической лаборатории

12345Следующая ⇒

Поделиться: