Учебное пособие: Концепции современного естествознания (химическая составляющая)
Сегодня под структурой молекулы мы понимаем и пространственную, и энергетическую упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер, электронов и обладающих единой молекулярной орбиталью.
Таким образом, эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей или элементов, с другой – установления характера физико-химического взаимодействия между ними. С точки зрения системного подхода, под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы.
3.2 «Триумфальное шествие органического синтеза»
Возникновение структурной теории позволило химикам впервые обрести мощный инструмент для целенаправленного качественного преобразования веществ. Именно в 1860-1880-е годы появился термин «органический синтез», означавший целую область науки. В 1860-е годы на основе простейших углеводородов из каменноугольной смолы и аммиака были синтезированы анилиновые красители – фуксин, «анилиновый черный», ализарин. В дальнейшем были получены индиго, флавоны, ксантоны, взрывчатые вещества – тринитротолуол (тротил), тринитрофенол (пикриновая кислота), лекарственные препараты – уротропин, аспирин, фенацетин, антифебрин, салол, антипирин. Химики с гордостью заявляют о своих «ничем не сдерживаемых» возможностях.
За вторую половину XIX века число органических соединений возросло с полумиллиона, примерно, до двух миллионов. Успехами синтетической химии можно восторгаться, но их не следует абсолютизировать.
3.3 Пределы структурной органической химии
Пределы эти обусловлены собственно тем не высоким уровнем химических знаний, на котором находится вся концептуальная система структурной химии.
Она ограничена рамками сведений только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии. Этих сведений недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения веществ.
Структурная химия оказалась не в состоянии указать пути осуществления процессов производства этилена, ацетилена, бензола, и диеновых углеводородов из парафиновых углеводородов нефти, хотя все эти процессы составляют основу нефтехимического производства, и их оказалось легко осуществить посредством химической кинетики и термодинамики.
Многие реакции препаративного органического синтеза, основанные лишь на принципах структурной химии, имеют низкие выходы конечного продукта и отходы в виде побочных продуктов, что затрудняет их использование в промышленной технологии.
Классический органический синтез трудно управляем в технологическом отношении, как правило, он является многостадийным. Это было показано на примере синтеза каучука.
3.4 Новые проблемы структурной химии
Новый класс металлорганических соединений, имеющий двухслойную структуру, называется «сэндвичевые соединения». Наиболее изученным из них является ферроцен, у которого катион железа Fe2+ координируется между двумя пятичленными ароматическими кольцами. Вслед за ним были получены другие сэндвичевые соединения с центральными атомами кобальта Со, никеля Ni, титана Ti, ванадия V, и других переходных металлов. Данные соединения сыграли свою роль в коренном пересмотре представлений о валентности и химической связи, и нашли практическое применение в синтезе полимеров и лекарственных средств.
Еще более поразительной и необычной является структура молекул, существующих в непрерывном перестроении. Такова, в частности, молекула бульвалена С10 Н10 . Его можно представить в виде шара, по поверхности которого с огромной скоростью перемещаются 10 атомов углерода и 10 атомов водорода, имитируя таким способом симметрию молекулы или компенсируя отсутствие симметрии, что необходимо для устойчивого состояния данной структуры. Эта молекула представляет собой своеобразную постоянно протекающую химическую реакцию.
Проблемы структурной неорганической химии - это по существу проблемы химии твердого тела. В широком плане их только две: поиск путей синтеза кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке, чтобы получать материалы с высокой механической прочностью, термической стойкостью и долговечностью в эксплуатации; создание методов получения кристаллов, содержащих заранее запроектированные дефекты решетки, чтобы получить материалы с заданными электрофизическими и оптическими свойствами.
Современные структурные теории твердого тела сегодня дают соответствующие рекомендации для решения обеих названных проблем. Суть этих рекомендаций во многом сводится к воздействию на процессы выращивания кристаллов различных добавок, подобных тем, которые издавна применяются для легирования сталей.
Ваша точка зрения?
1. Что означает известный среди химиков афоризм - «триумфальный марш органического синтеза»?
2. Каковы возможности и пределы структурной химии?
3. Каковы особенности структуры ферроцена и бульвалена?
4. Каковы важнейшие проблемы структурных теорий твердого тела?
3.5 Выводы
1. Свойства веществ и их качественное разнообразие, обуславливаются не только их составом, но еще и структурой их молекул.
2. Главным содержанием понятия «структура» в теории Бутлерова является идея об энергетической неэквивалентности химических связей, обусловленной взаимным влиянием атомов в структуре молекулы.
3. Структура - это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула.
4. На основе простейших углеводородов из каменноугольной смолы и аммиака были синтезированы: анилиновые красители, взрывчатые вещества, лекарственные препараты.
5. Проблемы структурной неорганической химии сводятся:
к поиску путей синтеза кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке, чтобы получить материалы с высокой механической прочностью и долговечностью в эксплуатации;
к созданию методов получения кристаллов, содержащих заранее запроектированные дефекты решетки, для получения материалов с заданными свойств
4. Проблемы и решения на уровне учения о химических процессах
Учение о химических процессах - это область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. На этом уровне развития химических знаний химия становится наукой не только о веществах, как законченных предметах, а наукой о процессах и механизмах превращений веществ.
Благодаря этому химия обеспечила: много тоннажное производство синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных работах; пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов; производство искусственных волокон, каучуков, этилового спирта и многих растворителей на базе нефтяного сырья; производство азотных удобрений на основе азота воздуха; появление технологии нефтехимических производств с ее поточными системами, обеспечивающими непрерывные высокопроизводительные процессы.
Среди большого количества проблем, решаемых на уровне учения о химических процессах, мы рассмотрим те проблемы, которые связаны с созданием методов управления процессами. Подавляющее большинство химических реакций – это чрезвычайно «строптивые кони», они находятся во власти стихии. Они неподатливы: в одних случаях их просто не удается осуществить, в других случаях их трудно остановить, например, реакции горения и взрыва, в третьих случаях их невероятно трудно ввести в одно желательное русло, т.к. они самопроизвольно создают десятки непредвиденных ответвлений с образованием нескольких побочных продуктов.
В основе учения о химических процессах находится химическая термодинамика (термодинамические методы которой позволили управлять химическими процессами только в аспекте их направления в прямую или обратную стороны) и кинетика (выполняющая функцию управления скоростью химических процессов).
4.1 Проблема катализа