Химия

Современное общество характеризуется быстрым развитием промышленности, сельского хозяйства и других сфер материального производства.

В связи с этим появились потребности в новых материалах.

Основные особенности новейшей химии заключаются в том, что она стала мощной производительной силой” в создании огромного ассортимента веществ. Она синтезирует и извлекает из природного сырья, в том числе растительного и животного происхождения, большое количество новых химических соединений.

Это стало возможным на основе теоретических предпосылок направленного получения продуктов с заранее заданными свойствами.

К настоящему времени химия представляет собой высокоупорядоченную систему знаний о составе, структуре, свойствах различных веществ и их превращениях.

Теоретическая химия вскрыла глубинные причины свойств вещества, открыла ряд фундаментальных законов, позволивших выяснить многие механизмы процессов превращения одних веществ в другие. В результате она использует многие способы управления химическими процессами.

В процессе развития химических знаний было выяснено, что свойства вещества зависят от элементного и молекулярного состава, структуры его молекул, от условий протекания реакций, в которых получено данное вещество, и от уровня химической организации участвующих в химических реакциях веществ.

Одной из характерных особенностей современной химии является то, что она все в большей мере интегрируется с физикой и биологией. Наибольшее развитие получили именно новые, пограничные с химией, науки: со стороны физики — это химическая физика и физическая химия, а со стороны биологии — это химия высокомолекулярных (органических) соединений и биохимия.

В то же время прикладная химия все в большей мере использует опыт эволюции живых систем, изучение химических процессов и реакций в биологических системах.

Такое направление работ было сформулировано, в частности, в речи известного химика, академика А. Е. Арбузова (1877–1968 гг.) еще в 1930 г. на 125-летнем юбилее Казанского университета.

Рассуждая “о путях и целях химии”, он сказал: “Чем же химия будущего должна отличаться от настоящего? Подражание живой природе — есть химиябудущего! И в тотдень, когда в лабораториибудет синтезирован первый фермент, т. е. биокатализатор, мы можем сказать, что наука получила в свои руки ключ, который она так долго и упорно ищет, — это ключ к химии живой природы”.

Что касается экспериментальной основы, то она, как отмечалось, все в большей мере опирается на новые физические методы исследования: лазерную технику, спектроскопию, ядерный магнитный резонанс, электронный парамагнитный резонанс, молекулярные пучки, рентгеноструктурный анализ, протонографию, нейтронографию, томографию, методы меченых атомов, возможности создания экстремальных условий протекания реакций — низких и высоких температур и давлений, плазмы и т. д.

Одновременно с развитием физических методов исследований развиваются и новые методы обработки и анализа экспериментальных данных — различного моделирования химических систем (в том числе и математического), системы автоматической обработки данных с помощью ЭВМ и т. д. Все это позволяет получать гораздо более высокое качество заключений и выводов экспериментальных результатов.

Отмечая впечатляющие успехи химии, следует, однако, специально отметить, что в ХХ столетии теоретическая химия получила большое развитие в основном только в первой его половине, тогда как во второй половине века успехи теоретической химии оказались достаточно скромными.

До конца ХХ в. так и не была создана научная теория химического катализа — одного из важнейших направлений химической кинетики. И до сих пор выбор состава катализаторов решается пока в основном эмпирическим путем.

Другими нерешенными проблемами теоретической химии являются проблемы химических процессов при сверхвысоких давлениях. В самом начале находится теория управления химическими процессами.

Явно недостаточно теоретическое объяснение новых направлений в химии — радиационной химии, лазерной химии и т. д. Здесь накоплен определенный экспериментальный материал, но теорий этих процессов до сих пор практически нет, их нужно создавать, иначе поиск нужных результатов будет осуществляться вслепую.

Одно из направлений “поисков вслепую”, которое, однако, оказалось весьма плодотворным, — это, как уже отмечалось, изучение и использование биокатализаторов. В живой природе роль биокатализаторов играют ферменты.

Поэтому вначале рассматривались только металоорганические соединения, молекулы которых содержали атомы металлов (цинка, алюминия, хрома, титана, железа, свинца, олова), а затем были открыты многие другие элементоорганические соединения, обладающие каталитическими свойствами (в которые входили атомы кремния, фосфора, серы, фтора и др.).

В результате появились целые классы элементоорганических соединений, позволяющих синтезировать различные вещества с уникальными свойствами.

В ХХ столетии одним из основных направлений в химии было создание полимерных материалов, в первую очередь — получение искусственного каучука. С применением элементоорганических соединений эта проблема была решена.

Кроме того, было синтезировано и большое число других материалов, в том числе капрон и нейлон. Они отличаются высокой механической прочностью и износоустойчивостью, применяются для производства волокон, пленок, машиностроительных деталей. Это и поликарбонаты, которые прочны, оптически прозрачны.

Они применяются в производстве смотровых стекол, корпусов разных машин, бытовой техники, в авиации и космической технике.

В качестве других примеров можно указать на применение металоорганических катализаторов для синтезирования аммиака и водорода при обычной температуре и давлении.

Использование и изучение кремнийорганических соединений позволило заменить в  промышленных изделиях металл керамикой, получать в качестве смазочных масел жидкость с постоянной вязкостью в широком интервале температур; из них изготавливают смолу с исключительными диэлектрическими свойствами.

На основе этих смол получают каучукообразный материал, сохраняющий эластичность также в широком диапазоне температур от –60 до + 200 С.

Помимо биокатализаторов, используемых для синтеза необходимых веществ, в ХХ в. были открыты и получили широкое внедрение многие процессы, ускоряющие течение нужных химических реакций. Особенно это связано с успехами в области физики.

Например, каталитическое действие на ход химических реакций оказывают разные типы излучений магнитных и электрических полей.

В этих новых отраслях химии уже получены практические результаты. Так, например, внедрено в промышленность радиационно-химическое модифицирование полимеров.

Под воздействием радиации в полиэтилене образуется полимерная сетка, после чего этот полиэтилен можно использовать для изоляции высокочастотных кабелей вместо дорогого тефлона. Реализован фотохимический процесс получения синтетических моющих веществ, растворителей для пластмасс.

С помощью плазмы с 80-x гг. ХХ в. проводится синтез карбида урана в промышленном масштабе. В США с 1972 г. в плазме с температурой 11 000 К был получен продукт, пригодный для производства глазурей и жаропрочного кирпича.

Высокие и сверхвысокие давления вызывают существенные изменения химической активности соединений. При высоких давлениях получаются такие важные соединения, как аммиак, метанол, проводится полимеризация этилена при давлении 1500–2000 бар.

В заключение настоящего раздела следует указать и на целый ряд негативных тенденций, связанных с развитием химии и химизацией экономики. Речь идет об известных экологических проблемах.

Сегодня расширение и удовлетворение потребности общества за счет химии приходит во все большее противоречие с самой возможностью дальнейшего сохранения среды обитания человека на Земле.

Повышение урожайности сельскохозяйственных культур благодаря применению минеральных удобрений и ядохимикатов дало возможность говорить о “зеленой революции”, но это же привело к загрязнению воды, почв и самих продуктов.

В промышленности новые химические вещества дали возможность существенно обогатить производственный потенциал, но, с другой стороны, это повлекло за собой отрицательные экологические последствия, так как большинство новых химических веществ не усваиваются природной средой и таким образом становятся ее загрязнителями. Химия нашла широкое применение в быту, но это также имеет свою обратную, экологическую, сторону.