Реферат: Химия на рубеже веков свершения и прогнозы
Многие важные процессы нельзя осуществить в рамках обычной «неорганизованной» химии. Так, фотосенсибилизированное разложение воды на водород и кислород (абиогенный фотосинтез) предполагает осуществление трех основных элементарных стадий: фотогенерированное разделение зарядов, то есть образование разделенных в пространстве электронов и дырок; взаимодействие электрона с молекулой воды и восстановление воды до водорода; взаимодействие дырки с молекулой воды и окисление воды до молекулярного кислорода. При этом необходимо организовать процесс таким образом, чтобы предотвратить рекомбинацию электрона и дырки, а восстановление и окисление воды обеспечить на разных катализаторах. Подводя некоторый итог, можно сказать, что поворот химии как науки к молекулярной и надмолекулярной организации реагентов начался со второй половины этого века, и теперь она одна из главных, устремленных в будущее линий внутренней организации химии. Есть основания полагать, что в будущем «организованная» химия займет достойное место в химической науке и технологии.
Простейшим микрореактором, в котором происходит реакция, является Ван-дер-Ваальсова молекула. Существует огромный набор микрореакторов разной природы, масштаба и молекулярного порядка: комплексы, кристаллосольваты, газогидраты, соединения – включения, макромолекулы, полости цеолитов и пористых сред, мицеллы и везикулы. В микрореакторах изменяются молекулярная динамика реагентов, механизм и скорости химических реакций, рК кислот и оснований, локальные заряды и их распределение, потенциалы и их сродство к электрону, конфигурации и реакционная способность. В них реализуются новые «принудительные» реакции, проявляются и другие аномалии.
К двумерным микрореакторам относятся: двойной электрический слой, мономолекулярные слои (Ленгмюра-Блоджетт), мембраны (биологические и искусственные), межфазные границы, адсорбционные слои реагентов на твердых телах («двумерное» зональное реагирование) и др.
Классический двумерный реактор – двойной электрический слой – в настоящее время обрел «новую жизнь» в режимах высокого временного разрешения (»10-12–10-9 с.). Главным действующим лицом в таком микрореакторе является электрон – свободный и сольватированный. Его химическое поведение – предмет особого интереса в связи с генерацией электрических потенциалов и моделирования потенциалов «природной» химии. Представляют интерес также и потенциалы на границе жидкость-жидкость.
Большим разнообразием отличаются кластерные микрореакторы. Они бывают атомными, молекулярными, ионными, ионно-молекулярными и металлоорганическими, заряженными, нейтральными. Они формируются в газах (например, в расширяющихся сверхзвуковых атомно-молекулярных пучках), в каналах цеолитов (например, кластер In8), в жидкостях, на твердых поверхностях и т.д.
Велико значение кластеров в химическом материаловедении (кластерные материалы с необычной физикой и механикой), в химической аналитике и диагностике (детекторы и сенсоры), а также в других областях прикладной химии.
Главной, фундаментальной проблемой в химии кластеров остаются размерные эффекты. Это интригующий вопрос – как свойство индивидуальных частиц при объединении эволюционируют в свойство фазы, как построены и как строятся мосты между миром отдельной молекулы и макроскопическим миром вещества? Размерные эффекты настолько разнообразны и неожиданны, что общее решение проблемы отсутствует. Методы квантовой химии и молекулярной динамики успешно отвечают лишь на частные вопросы.
Кластеры по-прежнему остаются загадочными объектами. Так, атом Re инертен в реакции с CH4, а кластер Re3 активен, линейные кластеры Cu3 и Ni3 не реагируют с H2 и CH4, а кластер треугольной структуры реагирует легко и быстро; кластер Con активен в реакции с Н2 при n=3, 10 или 12, а при всех других значениях n инертен. Можно привести массу других примеров, показывающих, что кластеры по-прежнему остаются загадочными объектами.
Кластерная химия открывает новую стратегию в гетерогенном катализе, особенно в комбинации с туннельной сканирующей микроскопией. Игла микроскопа способна «копать» любые атомы в любом числе на любые грани, ребра, террасы любого кристалла, создавая разнообразные каталитические реакторы и позволяя тестировать на них любые реакции. Это новое дыхание фундаментальной науки о катализе, ее будущее.
Распространенность, а, следовательно, значимость кластеров существенно больше, чем представлялось до недавнего времени. Так, было обнаружено, что жидкий аммиак кластеризован: он состоит из кластеров (NH3)7 – одна молекула в центре, остальные на периферии. Хорошо известна кластерная структура жидкой воды: молекулы воды объединяются в гекса, пента и тетрамеры с близкими по энергии структурами типа призмы, клетки, «раскрытой книги». Жидкие растворы этанола в воде также неоднородны: они составлены из кластеров воды и спирта. Примечательно, что при содержании спирта в воде » 40% доля кластера воды и спирта сравниваются. В жидком бензоле также обнаружены признаки кластеризации. Возможно, что это общее явление, и тогда все жидкофазные реакции следует трактовать как реакции в микрореакторах.
5. ХИМИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Химия является главным создателем материалов для всех отраслей науки и производства – от техники и металлургии до сельского хозяйства и медицины: в этом смысле химия стоит в центре науки. Разработка и создание новых веществ, препаратов и материалов, а также усовершенствование известных и существующих – главная задача современной химии. Она включает в качестве составных элементов синтез новых веществ и материалов, исследование их свойств и анализ поведения в различных условиях и режимах использования или эксплуатации. Эту область химии можно обобщенно называть химическим материаловедением.
Традиционной и всегда актуальной задачей остается создание сверхпрочных неорганических материалов: стеклокристаллических материалов – ситаллов, керамики. В этом направлении достигнут значительный прогресс – созданы высококачественные оптические, термостойкие, полупроводниковые стекла с высокой механической прочностью, получены пленочные и чешуйчатые стекла, обладающие высокой эластичностью, тепловой и электрической прочностью. Разработаны способы получения пористых стекол с заданным диаметром пор и каналов (до 10 A и меньше), которые могут использоваться как фильтрующие материалы (в частности, для фильтрации биомолекул, вирусов и т.д.).
Получены новые типы керамик с высокой механической, химической и электрической прочностью, с малым коэффициентом термического расширения: керамика становится незаменимым материалом для технических, электро— и радиотехнических целей. Получены стеклометаллы – аморфные, стеклообразные металлы, обладающие высокой химической стойкостью и стабильностью по отношению к коррозии.
Большие перспективы имеют композиционные неорганические материалы, в частности, волокнистые композиты с металлической и керамической матрицей. Это уникальные материалы, удовлетворяющие двум противоречивым требованиям – повышению прочности при одновременном увеличении трещиностойкости. Например, бороалюминиевый композит, созданный в Институте физики твердого тела АН СССР, имеет прочность в направлении армирования 100-15— кГс/мм2, модуль упругости ~25000 кГс/мм2, плотность 27 г/см3, т.е. этот материал имеет механические свойства хорошей стали, а плотность – алюминия. Волокнистые керамические композиты характеризуются работой разрушения, на порядок, превосходящий работу разрушения лучшей однородной керамики. На их основе можно создавать легкие композиты, выдерживающие жесткие тепловые и механические режимы эксплуатации. Актуальны задачи создания легированных и коррозионно-устойчивых сплавов и материалов, неорганических полупроводников, фоторезисторов, приемников и фотоэлектрических преобразователей с высоким квантовым 17 выходом преобразования и высокой селективностью и чувствительностью к различным областям оптического спектра, создание пьезо-, сегнетоэлектриков и других материалов для акустоэлектроники.
Необходима разработка и создание новых минеральных удобрений с высокой питательностью, усваиваемостью и оптимальным составом микроэлементов; новых каучуков на основе полиуретанов и полисилоксанов, фторкаучуков и т.д., обладающие высокой