Основные проблемы современной химии
Изобутан более активный, чем бутан. Бутлеров доказал, что имеется энергетическая неэквивалентность химических связей, обусловленная взаимным влиянием атомов. Появилось понятие порядка связи.
Противопоставление «структура» - «динамика» имеет глубокие корни. После работ Гаюи понятие структуры как синонима жесткого прикрепления прочно вошло в кристаллографию, а оттуда перекочевало в химию. Тем
более что практика подтверждала истину представления о неизменных, неперемещающихся химических связях атомов. Однако с течением времени появилась мысль о том, что нельзя рассматривать химическую связь как жесткое прикрепление, и после дискуссии Бутлерова и Меншуткина появилось не очень ясное суждение о «жестких» и лабильных структурах. Определенная ясность о внутренней динамике молекул появилась лишь в XX веке при применении физических способов исследования структуры веществ, но до поры до времени никому и в голову не приходила мысль о существовании молекулы, в которой происходила бы миграция химической связи.
В последнее время открыта быстрая, обратимая, валентная изомеризация таких соединений как С10Н10(бульвалент), циклооктотетраен. Для этого нового типа изомеризации характерно то, что она сопровождается изменениями в относительном расположении S- и π-связей.
Пределы структурной химии. Ограниченность химической технологии
Эти пределы обусловлены относительно невысоким уровнем химических знаний, на которых находится данная концептуальная система. Она ограничена рамками информации о явлениях, происходящих в качественно не изменяющейся молекуле, то есть, в веществе, находящемся в дореакционном состоянии. Эти пределы:
1) Структурные теории могут лишь весьма приблизительно определить направление химической реакции и ее скорость.
2) Основываясь на принципах формульного схематизма удалось синтезировать очень сложные биологические вещества: витамины, гормоны, антибиотики, белок, инсулин.
3) Многие реакции, основанные на структурной химии, имеют очень малый выход продукции – 15% - 30%, а выход инсулина 7/100%.
4) Синтез на основе структурной химии требует дефицитных активных веществ.
5) Классический органический синтез на этом уровне плохо управляем.
Все это привело к тому, что химия была вынуждена перейти на следующий химический уровень знаний.
III концептуальная система. Закономерности развития учения о химическом процессе
1. Химический процесс и решение основной задачи химии.
2. Основы учения о химическом процессе.
3. Основная тенденция развития учения о химическом процессе.
- первая теория химического процесса.
- влияние растворителей, примесей, стенок реактора.
4. Катализ:
- 3 направления в развитии катализа.
- главный критерий катализа.
- сущность катализа.
Успехи химии в производстве привели к абсолютизации структурных воззрений, но к 1950 году стало ясно, что лозунг: «Дайте нам воду, воздух и уголь, и мы синтезируем любое химическое соединение» имеет лишь принципиальное значение, но не промышленное. До начала XX века.
При этом главной проблемой связи науки с производством стала проблема масштабного перехода от лабораторного эксперимента к промышленному производству. Структурная химия не касалась этой проблемы. Поэтому ее решение вызвало развитие новых разделов химии, такие как химическая термодинамика, химическая кинетика, макрокинетика, то есть, таких разделов, которые составляют учение о химическом процессе… Это есть переход на более высокий уровень знаний, где осуществляется максимально разносторонне изучение химических объектов. Учение о химическом процессе формировалось в течение более 100 лет, при этом были эволюционные и революционные этапы его развития.
Двойственная природа реакционной способности
Поскольку большинство реакций начинается с взаимодействия двух реагентов, то факторами, определяющими скорость реакции являются:
1. состав и структура 1-го реагента.
2. состав и структура 2-го реагента.
3. взаимодействие молекул А+В, как акт передачи протона (кислотно-основное взаимодействие) или как акт передачи электронов (окислительно-восстановительное взаимодействие), то есть реакционная способность веществ обусловлена не только структурой и составом, но и наполовину природой сореагента. Если сореагент, например, сильная кислота, то:
Zn(OH)2 + 2HCl → ZnCl2 + 2H2O
Zn(OH)2 + 2NaOH → Na2ZnO2 + 2H2O
C2H5OH + HCl → C2H5Cl + H2O
2C2H5OH + 2Na → C2H5ONa + H2
Причиной амфотерности неорганических соединений является двойственная природа органических веществ. Это есть проявление общей закономерности двойственной реакционной способности любого вещества, вступающего в реакцию.
Чтобы понять, как реакционная способность зависит от сореагента, понадобилось 100 лет. Первое объяснение дал Бутлеров. Он исходил из того, что вещество расщепляется на 2 изомера, которые находятся в равновесии. Эта равновесная изомерия – таутомерия. Это явление подтверждено экспериментально и было выяснено, что эти изомеры обладают различной реакционной способностью, и это есть логическая основа III концептуальной системы. В классической химии реакции интерпретируются как взаимодействие только 2-х элементов, но, оказывается, в реакции принимают участие и другие компоненты, такие как катализаторы, примеси, растворители, стенки сосудов или реактора.
Одни из этих компонентов катализируют химические реакции, другие могут быть ингибиторами, третьи – привести к образованию побочных продуктов. Выяснилось, что представление о двойственной природе реакционной способности необходимо распространить на каждого участника процесса, поэтому определение процесса стало сложной задачей в связи с увеличением числа участников, но даже в таком сложном взаимодействии стало возможным найти общие закономерности. История поиска закономерностей и есть история появления и развития различных кинетических теорий.
Первые теории, описывающие химические процессы, появились одновременно с первыми структурами.
Ростки первой кинетической теории (Бертолле) появились преждевременно. Однако получили широкое признание после открытия закона действ. масс (Гульдберг и Вааге). Позднее Вант Гофф ввел понятие концентрации, и это открытие одного из важнейших факторов – влияние концентрации на скорость реакции, дало мощнейший толчок к созданию кинетических теорий химического процесса. При этом изучалось влияние растворителей, цепные реакции, влияние примесей и влияние стенок реактора, что привело к созданию одной из теорий гетерогенного катализа.
Катализ
Очень показательны химические реакции с N. Возникает вопрос, почему столь резко различаются условия реакций с участием одних и тех же веществ. Ответ кроется в участии третьих веществ, в их каталитическом действии. Химия изобилует такими примерами, и поэтому вопрос о катализе – это фундамент вопроса всей химии. От решения этой задачи во многом зависит развитие и дальнейшая судьба химии. Причем будущее учение о катализе стоит на пути между химией и биологией. В настоящее время функционирует более 10 теорий катализа. Обилие теорий – это свидетельство сложности явления. Первые представления стали формироваться в связи с открытием основных законов химии, которые впервые позволили разобраться в отношениях между реагирующими веществами и ограничить их от воздействий других веществ. Эти же законы позволили обнаружить и отклонения от стехиометрии. Но после победы Пруста любое не стехиометрическое взаимодействие вызывало интерес и критику, поэтому первые объяснения катализа могли быть любыми, кроме допущения нарушения законов стехиометрии.
Скачать реферат