Методы управления химическим процессом

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 8Следующая ⇒

Учение о химических процессах - это такая область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. В основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, поэтому все это учение о химических процессах в равной степени относится как к химии, так и к физике. Основоположник этого учения лауреат Нобелевской премии Н.Н. Семенов говорил о том, что " химический процесс есть то основное явление, которое отличает химию от физики, делает первую более сложной наукой." И действительно, химические процессы являются как бы первой ступенькой при восхождении от таких относительно " простых" понятий как электрон, протон, атом к сложным, многоуровневым живым системам. В этом смысле химия является как бы мостиком, перекинутым от физики к биологии. Физика, объясняя химические процессы на своем языке, по сути закладывает научный фундамент и для биологии, так как в основе жизнедеятельности любого живого организма лежат биохимические процессы.

Существует большое количество решаемых проблем в связи с созданием учения о химических процессах. Но, пожалуй, одной из самых основных проблем являлась задача создания методов, позволяющих управлять химическими процессами. Действительно, если бы эта задача была бы полностью решена, можно себе представить как прекрасно жилось бы химикам на производстве, - все заранее известно: бери вещества в нужном соотношении, создавай соответствующие физические условия в химическом реакторе (температуру, давление и т.п.) и жди высоких результатов выхода химического продукта. Но на самом деле задача эта достаточно сложная: большинство химических реакций - " строптивые кони", они находятся во власти стихии. Вспомните, например, реакцию взрыва или горения, которые так сложно остановить! Но существуют и такие реакции, которые просто не хотят " идти" сами по себе и химикам приходиться стимулировать их осуществление.

Какими же методами пользуются химики для того, чтобы управлять химическим процессом? В самом общем виде все методы управления можно подразделить на две большие группы: термодинамические и кинетические. Первая группа - термодинамические методы - это методы, влияющие на смещение химического равновесия реакции; вторая группа - кинетические методы - это методы, влияющие на скорость протекания реакции.

В 1884 г. появляется книга выдающегося голландского химика Я. Вант-Гоффа, в которой он обосновал законы, устанавливающие зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции. В том же году французский химик А. Ле-Шателье сформулировал свой знаменитый принцип подвижного равновесия, вооружив химиков методами смещения равновесия в сторону образования продуктов реакции. Основными управляющими рычагами в данном случае выступали температура, давление и концентрация реагирующих веществ. Поэтому эти методы управления и получили свое название - термодимические. Вспомним, что любая химическая реакция обратима, Например, реакция типа:

АВ + CD < => АС + BD

Обратимость реакций служит основанием равновесия между прямой и обратной реакциями. На практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Для того, чтобы химическая реакция пошла в сторону увеличения продуктов реакции АС и BD, необходимо либо увеличить концентрацию веществ АВ и CD, либо изменить температуру или давление.

Но термодинамические методы позволяли управлять только направлением реакций, а не их скоростями.

Управлением, скоростью химических реакций в зависимости от различных факторов занимается специальная наука - химическая кинетика. На скорость химической реакции может влиять очень многое, даже стенки сосуда, в котором протекает реакция.

Катализ и химия экстремальных состояний

В 1812 г. русским академиком К.С.Кирхгофом было открыто явление химического катализа. Катализ. представляет собой наиболее общий и распространенный способ проведения химических реакций, особенность которого состоит в активации молекул реагента при их контакте с катализатором. При этом происходит как бы " расслабление" химических связей в исходном веществе, " растаскивание" его на отдельные части, которые затем легче вступают во взаимодействие друг с другом. В отличие от каталитической химии, занимающейся проблемами катализа, химия экстремальных состояний решает вопрос управления химической реакцией иначе - здесь химики пытаются " расшатать" атомы в исходной молекуле за счет дополнительной внешней энергии. Они используют при этом простой нагрев ( плазменная химия ) или энергию света, а иногда для молекул с сильными внутримолекулярными связями и радиационное облучение. Этим вопросом занимается радиационная химия.

Четвертый этап развития химии как науки - вторая половина XX в.

Эволюционная химия

В 1960 - 1979 г. г. появился новый способ решения основной проблемы химии, который получил название эволюционная химия. В основе этого способа лежит принцип использования в процессах получения химических продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем! Термин самоорганизация вам, вероятно, знаком, - он означает способность самостоятельного упорядочения какой-нибудь системы, состоящей из хаотического множества несвязанных между собой элементов. Такой процесс развивается во времени и не зависит от внешних условий. Время выступает здесь как один из самых весомых факторов, поэтому и говорят об эволюции системы, т.е. о том, что произойдет с системой с течением времени. А что происходит с обычной физической системой с течением времени, если поток энергии извне отсутствует? Ну, конечно же, все медленно разрушается! Попробуйте-ка прожить в своем доме в течение хотя бы 10 лет без ремонта! Вряд ли вы смиритесь с таким обстоятельством и скорее всего замените все вышедшие из строя вещи на новые, переклеите обои, перекрасите полы. А теперь представьте себе, что бы было, если бы вы не проявили инициативы и не внесли бы в систему " ваш дом" энергию по восстановлению его внешнего облика. Может быть дом сам по себе отремонтировался? Увы, ответ очевиден - чуда бы не произошло! Для самоорганизации необходимы как дополнительная энергия, так и способность системы к этой самоорганизации - ведь сваленные в кучу материалы для ремонта квартиры - далеко не ее ремонт, нужны действующие лица, которые этот ремонт осуществят. В нащих рассуждениях мы слишком много времени уделили этому действующему " живому лицу", и не зря - именно наблюдая за химическими процессами, происходящими в живых клетках, химики обнаружили способность биологических систем к самоорганизации, развитию, совершенствованию, чего нет в неживой природе. Химический реактор на уровне эволюционной химии предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенное поведение.

Таким образом, четвертый этап развития химии, который продолжается и до настоящего времени, устанавливает связь самоорганизации системы реагентов с поведением этой системы:

САМООРГАНИЗАЦИЯ ------ -> ПОВЕДЕНИЕ

СИСТЕМЫ РЕАГЕНТОВ СИСТЕМЫ РЕАГЕНТОВ

Эволюционные проблемы химии

Начало эволюционной химии связывают с 1950-1960 гг. Под эволюционными проблемами следует понимать проблемы синтеза новых сложных, высокоорганизованных соединений без участия человека.

Сегодня химики пришли к выводу, что используя те же принципы, на которых построена химия живых организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно будет " построить" принципиально новую химию, новое управление химическими процессами - так, как это происходит в любой живой клетке. Химики надеются получить катализаторы нового поколения, которые бы позволили создавать, например, необычные преобразователи солнечного света. Всем известно, что в простом зеленом листочке энергия солнца превращается в энергию химических связей. А что, если подобный принцип использовать в нашем преобразователе света?

Энергия солнечного излучения будет трансформироваться в химическую и электрическую, а затем, при необходимости - обратно, - в энергию света. Исследуя биохимические процессы, протекающие в мышцах, ученые " загорелись" идеей создания новых полимеров, в которых химическую энергию можно было бы использовать для сокращения и растяжения таких материалов, т.е. превращать ее в механическую.

Это все кажется нам пока фантастикой. Но ведь и ученым, жившим в прошлом веке, проблема строения атома казалась нерешаемой. Поживем -увидим, возможно, и вы станете очевидцами новых разработок эволюционных химиков.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 Следующая ⇒