Учение о химических процессах

Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условием протекания химических реакций. Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций. Наиболее зависимыми от условий протекания реакции оказываются соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них направлено в первую очередь действие разных катализаторов, которые значительно ускоряют ход химических реакций.

Одним из основоположников этого направления в химии стал русский химик Н. Н. Семенов — лауреат Нобелевской премии, основатель химической физики. В своей Нобелевской лекции 1965 г. он заявил, что химический процесс — то основное явление, которое отличает химию от физики, делает ее более сложной наукой. Химический процесс становится первой ступенью при восхождении от таких относительно простых физических объектов, как электрон, протон, атом, молекула, к живой системе, потому что любая клетка живого организма, по существу, представляет собой своеобразный сложный реактор. Это — мост от объектов физики к объектам биологии.

Подавляющее большинство химических реакций находится во власти стихии. Они трудноконтролируемы: в одних случаях их просто не удается осуществить, хотя они в принципе осуществимы, в других — трудно остановить, например, горения и взрывы, в третьих случаях их трудно ввести в одно желаемое русло, так как они самопроизвольно создают десятки непредвиденных ответвлений с образованием сотен побочных продуктов. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические и кинетические. Среди последних ведущую роль играют каталитические методы.

Выделение химической термодинамики в самостоятельное направление учения о химических процессах обычно связывают с появлением в 1884 г. книги «Очерки по химической динамике» голландского химика Я. Вант-Гоффа. В ней обоснованы законы, устанавливающие зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции. Тогда же Ле-Шателье сформулировал свой «принцип подвижного равновесия», вооружив химиков методами смещения равновесия в сторону образования целевых продуктов. Основными рычагами управления реакцией выступают: температура, давление (если реакция происходит в газовой фазе) и концентрация реагирующих веществ (если реакция идет в жидкой фазе).

Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону, что зависит как от природы реагентов, так и от условий процесса. Есть реакции, которые не требуют особых средств управления: кислотно-основное взаимодействие (нейтрализация), реакции, сопровождающиеся удалением готовых продуктов или в виде газов, или в форме осадков. Но существует немало реакций, равновесие которых смещено влево, к исходным веществам. И чтобы их осуществить, требуются особые термодинамические рычаги — увеличение температуры, давления и концентрации реагируемых веществ.

Термодинамическое воздействие влияет преимущественно на направленность химических процессов, а не на их скорость. Управлением скоростью химических процессов занимается химическая кинетика, в которой изучается зависимость протекания химических процессов от различных структурно-кинетических факторов: строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реактора и т. п.

Задача исследования химических реакций является исключительно сложной. Ведь при ее решении необходимо выяснить механизм взаимодействия не просто двух реагентов, а еще и «третьих тел», которых может быть несколько. В этом случае наиболее целесообразно поэтапное решение, при котором вначале выделяется наиболее сильное действие какого-нибудь одного из «третьих тел», чаще всего катализатора.

Здесь следует понять, что практически все химические реакции представляют собой отнюдь не простое взаимодействие исходных реагентов, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют не только друг с другом, но и со стенками реактора, которые могут как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс.

Опыты показывают, что на интенсивность химических процессов оказывают влияние также случайные примеси. Вещества различной степени чистоты проявляют себя в одних случаях как более активные реагенты, в других — как инертные. Примеси могут оказывать как каталитическое, так и ингибиторное действие. Поэтому для управления химическим процессом в реагирующие вещества вносят те или иные добавки.

Таким образом, влияние «третьих тел» на ход химических реакций может быть сведено к катализу, то есть положительному воздействию на химический процесс, и к ингибированию, сдерживающему процесс.

Катализ в химии делает настоящие чудеса. Например, реакция синтеза аммиака. До 1913 г. она вообще не могла быть осуществлена. Только после того, как был найден катализатор, при высокой температуре и давлении эту реакцию удалось осуществить. Но она была очень трудной в технологическом исполнении и опасной. А сейчас открыты условия, позволяющие проводить ее при нормальном давлении и комнатной температуре с использованием металлоорганических катализаторов.

Применение катализаторов послужило основанием коренной ломки всей химической промышленности. Благодаря им стало возможным ввести в действие в качестве сырья для органического синтеза парафины и циклопарафины, до сих пор считавшиеся «химическими мертвецами». Катализ находится в основании производства маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Почти вся промышленность основной химии (производство неорганических кислот, оснований и солей) и «тяжелого органического синтеза», включая получение горюче-смазочных материалов, базируется на катализе. Последнее время тонкий органический синтез также становится все более каталитическим. 60 — 80 процентов всей химии основаны на каталитических процессах. Химики не без основания говорят, что некаталитических процессов вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит своеобразным катализатором. Но сам катализ долгое время оставался загадкой природы, вызывая к жизни самые разнообразные теории, как чисто химические, так и физические.

Эти теории, даже будучи ошибочными, оказывались полезными хотя бы потому, что наталкивали исследователей на новые эксперименты. Ведь дело было в том, что для большинства промышленно важных химических процессов катализаторы подбирались путем бесчисленных проб и ошибок. Так, например, для вышеназванной реакции синтеза аммиака в 1913 — 1914 годах немецкие химики испробовали в качестве катализатора более 20 тысяч химических соединений, следуя периодической системе элементов и сочетая их самыми разными способами.

Сегодня можно сделать некоторые выводы о сущности катализа:

Если же реакцию проводят в отсутствие катализатора, то активация молекул реагирующих веществ должна происходить за счет подачи в реактор энергии извне.

2. В общем случае любую каталитическую реакцию можно представить проходящей через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение ослабленных химических связей.

• 3. В подавляющем большинстве случаев в качестве катализаторов выступают соединения бертоллидного типасоединения переменного состава, отличающиеся наличием в них ослабленных химических связей или даже свободных валентностей, что придает им высокую химическую активность. Их молекулы содержат широкий набор энергетически неоднородных связей или даже свободные атомы на поверхности.
• 4. Следствием взаимодействия реагентов с катализатором является ход реакции в заданном направлении; увеличение скорости реакции, так как на поверхности катализатора увеличивается число встреч реагирующих молекул; захват катализатором некоторой части энергии экзотермической реакции для энергетической подпитки все новых актов реакции и ее общего ускорения.

На современном этапе своего развития учение о химических процессах занимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.

Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной плазме (плазма — это ионизированный газ). Она исследует протекание химических реакций при температурах от 1000 до 10 000° С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями молекул с заряженными частицами и очень высокими скоростями реакций.

В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет 10−13сек при почти полном отсутствии обратимости реакции. Скорость этих химических процессов в обычных реакторах из-за обратимости снижается в тысячи раз. Поэтому плазмохимические процессы очень производительны.

Плазменная химия в последнее время все больше внедряется в промышленное производство. Уже созданы технологии производства сырья для порошковой металлургии, разработаны методы синтеза для целого ряда химических соединений. В 70-х годах были созданы плазменные сталеплавильные печи, позволяющие получать самые высококачественные металлы. Разработаны методы ионно-плазменной обработки поверхности инструментов, износостойкость которых увеличивается в несколько раз.

Плазмохимия позволяет синтезировать ранее неизвестные материалы, такие как металлобетон, в котором в качестве связующего элемента используются различные металлы. При сплавлении частиц горной породы благодаря прочному сжатию их с металлом образуется металлобетон, превосходящий по своим качествам обычный бетон в десятки и сотни раз.

Одним из самых молодых направлений в исследовании химических процессов является радиационная химия, которая зародилась во второй половине нашего столетия. Предметом ее разработок стали превращения самых разнообразных веществ под воздействием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы. В результате радиационно-химических реакций вещества получают повышенную термостойкость и твердость.

Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, в том числе получение полимербетонов путем пропитки обычного бетона каким-нибудь полимером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в 4 раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозийной стойкостью.

Сегодня также принципиально новой и исключительно важной областью учения о химических процессах является самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Обычно их производство осуществляется методом порошковой металлургии, суть которого заключается в прессовании и сжатии при высокой температуре (1200 — 2000° С) металлических порошков. Самораспространяющийся синтез происходит гораздо проще, так как основан на реакции горения одного металла в другом, или металла в азоте, углероде и т. п.

Сегодня абсолютно точно известно, что процесс горения представляет собой соединение кислорода с горючим веществом. В химии принято считать горение реакцией окисления горючего вещества, что означает перемещение электронов от атомов горючего тела к атомам кислорода. С этой точки зрения горение возможно не только в кислороде, но и в других окислителях. На этом выводе и основан самораспространяющийся высокотемпературный синтез — тепловой процесс горения в твердых телах. Он представляет собой, например, горение порошка титана в порошке бора, или порошка циркония в порошке кремния. В результате такого синтеза получаются сотни тугоплавких соединений самого высокого качества.