8.4.3 Учение о химических процессах (1950-1970г.)

Интенсивное развитие автомобильной промышленности, авиации, энергетики и приборостроения в первой половине XX века выдвинуло новые требования к производству материалов (синтетические каучуки, высокооктановое топливо, пластмассы, надежные изоляторы, жаропрочные органические полимеры, полупроводники). Для получения этих материалов необходимы: температура, давление, растворители и другие факторы, воздействующие на направление и скорость химических процессов.

Под влиянием новых требований производства с 1950 по 1970г. широко развивается химическая наука, связанная с учением о химических процессах. Химия становится наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, но наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Еще в 1935 году все материалы, такие как кожа, меха, резина, волокна, моющие средства, олифа, лаки, уксусная кислота, этиловый спирт производились из животного и растительного сырья, в том числе из пищевого. А уже в 60-е годы 100% технического спирта, 80% моющих веществ, 90% олифы и лаков, 40% волокон, 70% каучука и около 25% кожевенных материалов изготовляли на основе газового и нефтяного сырья. Химия давала ежегодно в качестве корма скоту сотни тысячи тонн мочевины и около 200 млн. тонн удобрений.

Таким образом, третий уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов. Такие факторы, как температура, давление, объем, время оказывают громадное влияние на характер процессов и объемы получаемых веществ, что имеет первостепенное значение для массового производства. Это и было свойственно XX столетию, так как химия стала основной производительной силой общества.

8.4.4 Развитие эволюционной химии (с 1970г. И далее )

В 1970 г. наступил по существу четвертый и последний уровень развития химических знаний, который назван эволюционной химией. В сущности речь идет об использовании химического опыта живой природы; это своеобразная биологизация химии. В процессах получения различных продуктов используют более совершенные катализаторы химических реакций, речь идет о самоорганизации химических систем.

Концептуальные уровни развития химии (4 уровня) позволяют оценить, какими возможностями располагает эта наука в смысле производства новых материалов, на какие методы, теории надо рассчитывать при решении задач синтеза новых веществ. В качестве примера рассмотрим производство синтетического каучука. В 1909-1913гг. С.В. Лебедев (1874-1934г.) установил, что синтетический каучук можно производить на основе дивинила (С₄H₆), который можно было получить из бутана дегидрогенизацией. Только в 1928 году С. В. Лебедев нашел способ получения дивинила из пищевого этилового спирта (катализатор Al₂ O₃ * Zn; t=425%). На выходе – 28% каучука, а все остальное в отходы. Спирт получали в то время из зерна, свеклы, картофеля.

В 50-е годы смогли путем термического разложения нефтяного сырья, т.е. из бутана получить дивинил с хорошим выходом. Пищевое сырье стало не нужно. Численность работников сократилась с 200-300 тысяч до 3-5 тысяч человек.

Но за последние годы появились потрясающие сведения о решении той же задачи получения дивинила на четвертом эволюционном уровне развития химии. Реакцию пиролиза нефтяного сырья осуществляют в условиях плазмы (особого рода газ, состоящий из электронов и ионов, при t = 4000-5000 С). Реакция идет мгновенно за десятитысячные доли секунды. Реактор – плазмотрон диаметром 20 см и H = 60 см, обслуживает 1 человек и имеет производительность целого пиролизного завода, на котором работали 3 - 5 тысяч рабочих.

Другой пример эволюционного развития химии: синтез новых материалов. Современную материально-техническую базу производства примерно на 90% составляют всего лишь 2 вида материалов: металлы и керамика. В мире производится 600 млн. тонн металла (150 кг на каждого жителя). Основное преимущество керамики: ее плотность на 40% ниже плотности металла. В 1960 году получен у нас сверхтвердый материал гексанит – P (разновидность нитрида бора). Керамика может также иметь сверхпроводимость при t > температуры кипения азота. С 1986 г. - при t = 30-40 ⁰K. В 1992 г. - при t = 170 ⁰K (жидкий ксенон, а не азот). Также широко начали применять элементоорганические соединения. Кремнийорганические соединения, фторорганические соединения имеют повышенную устойчивость в агрессивных средах; их используют также для изготовления протезов внутренних органов человека.

Огромное значение в настоящее время приобретает химия экстремальных состояний. Химия экстремальных состояний включает: плазмохимию, радиационную химию, химию высоких энергий, высоких давлений и температур. Например, радиационное облучение гамма- лучами полиэтилена позволило повысить его прочность.

Четвертый концептуальный уровень является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связан с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также применением катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом этапе мы встречаемся уже с простейшими явлениями самоорганизации, которые изучаются синергетикой.

Эволюционная химия считается предтечей биологии, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем. Используя принципы химии организмов, можно построить совершенно новую химию, основанную на необычном управлении химическими процессами. При рассмотрении 4 уровня развития химических знаний, эволюционной химии, следует еще остановится на самоорганизации систем: основу живых систем составляют 6 элементов (C, O , H , N , P, S) – общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%. За ними следуют 12 элементов (Na, K, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co), их весовая доля – 1,6%. Можно назвать еще 20 элементов – их доля составляет » 1%.

В настоящее время известно около 8 млн. химических соединений. Картина химического мира весьма отчетливо свидетельствует об отборе элементов. 96% от 8 млн. соединений – органические соединения на базе 6-18 элементов. Из остальных элементов (95-99) создала природа 300 тыс. неорганических соединений. Эта диспропорция тоже объясняется только отбором природы прочных и стабильных соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют сотни, а из 100 аминокислот – только 20.

Важной особенностью четвертого уровня развития химии ( эволюционной химии ) является применение катализа, который в настоящее время творит чудеса. Например, синтез аммиака благодаря катализу стал возможен при нормальном давлении и комнатной температуре. Горох, фасоль, другие бобовые не требуют подкормки азотом. Они содержат микрореактор – азотобактер, извлекающий азот прямо и воздуха и перерабатывающей его в амины. Пока такой процесс до промышленного внедрения не дошел. Найденная в 1964 году реакция синтеза NH₃ на металлоорганических катализаторах создает предпосылки успешного моделирования азотобактера – включение искусственного азотофиксирующего аппарата посредством генной инженерии в соответствующие злаковые растения. И тогда отпадет необходимость производства тысяч тонн азотных удобрений.

В ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп. Наметились 4 перспективных пути освоения каталитического опыта живой природы. Первый путь – развитие исследований в области металлокомплексного катализа с постоянной ориентацией на соответствующие объекты живой природы. Второй путь – моделирование биокатализаторов. В 1960 году – открыто самосовершенствование катализаторов в ходе реакции. Третий путь – химия 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 (производство вина, пива, чая, хлеба; обработка кожи и т.д.). Четвертый путь – изучение и освоение всего каталитического опыта живой природы, в том числе опыта формирования фермента, клетки и самого организма.

Новая химия, т.е. химия сегодняшнего дня, способна решать такие сложные задачи: значительно ускорить химические превращения в мягких условиях за счет катализа; достичь избирательности (селективности) процесса до 100%; осуществить новые важные энергетические затруднительные процессы (сопряжение эндотермических и экзотермических реакций ); экономить углеводородное сырье, перейти от нефти к углю; моделирование и интенсификация фотосинтеза; электролиз H₂O с получением H₂ ( высокоэффективного топлива); синтез органических продуктов (метанола, этанола, формальдегида, муравьиной кислоты на основе СО; синтез фторматериалов и т.д.