Chimia Statelor Extreme
În contrast cu chimia catalitică, caracteristica căreia este activarea chimică a moleculelor de reactiv, adică relaxarea legăturilor chimice inițiale în interacțiunea cu catalizatorul lor, chimia stărilor extreme este caracterizată prin activarea energetică a reactivului, adică furnizarea de energie din exterior pentru o ruptură completă a legăturilor originale.
lungimea evenimentelor elementare conversii chimice se apropie în ea la 10 -13 secunde cu aproape nici o reversibilitate a reacției: în plasmă-chimică a proceselor ratei legăturilor chimice dintre moleculele reacționând atinge optim, având în vedere natura redistribuire. Prin urmare, procesele plasma-chimice sunt extrem de performante.
Se creează o tehnologie chimică plasmă pentru producerea pulberilor fine, principala materie primă pentru metalurgia pulberilor.
Chimia plasmei face posibilă obținerea de materiale care până acum nu au fost cunoscute de om, de exemplu metalul, în care oțelul, fonta și aluminiu sunt utilizate ca liant. Tehnologia plasmei permite, prin topirea particulelor de rocă, să creeze o adeziune puternică a acestei roci la metal, astfel încât betonul rezultat să fie mai puternic decât comprimarea obișnuită cu 10 și întinderea de 100 de ori.
În Rusia, au fost dezvoltate procese chimice în plasmă pentru transformarea cărbunelui în combustibil lichid, eliminând utilizarea presiunilor mari și a emisiilor de sulf și cenușă.
Radiație chimie. Începutul a fost pus de iradierea polietilenă pentru a-i da o putere mare. Cele mai importante procese în tehnologia radiațiilor-chimice sunt de polimerizare, vulcanizarea, producerea materialelor compozite, fixarea lacurilor și a altor materiale de acoperire pentru suprafetele din lemn si metal, obtinerea polimerbetonov prin impregnarea betonului simplu sau alt monomer, urmat de iradiere.
O arie fundamentală nouă și importantă a chimiei stărilor extreme este sinteza auto-propagatoare de temperatură înaltă (SHS) a materialelor refractare și ceramice. Metoda SHS este rezultatul dezvoltării teoriei termice a proceselor de combustie și explozii în solide. Se bazează pe reacția de ardere a unui metal în altul sau a metalelor în azot, carbon, siliciu. Metoda SHS a produs sute de compuși refractari de o calitate excelentă.
Noi abordări la sinteza de noi materiale anorganice
În ultimii ani sa înregistrat o dezvoltare intensă a diferitelor domenii ale științei și tehnologiei legate de utilizarea materialelor anorganice: inginerie mecanică, industria spațială și militară și industria nucleară. Stabilirea acestor întrebări ne obligă să căutăm soluții non-triviale, de exemplu, pentru a crește unele cristale în spațiu sau pentru a folosi tehnologii explozive.
Ce ar putea oamenii de știință să sugereze extinderea gamei de tehnici aplicate la crearea (sintetizarea) de noi materiale, având în vedere rolul proceselor chimice? Se pare că, odată cu scăderea temperaturii, numărul moleculelor active ar trebui să scadă și, în consecință, viteza de reacție. Dar sa dovedit brusc că sinteza materialelor la temperaturi scăzute de azot lichid este posibilă - vorbim despre criochimie. În acest caz, cursul reacțiilor la temperaturi scăzute asociate cu mecanismul de schimbare proces format ca ușor degradabile (instabile termic) complexe moleculare, care sunt implicate în procesul chimic. Mai mult, scăderea în mod diferit temperatura afectează mecanismul legat reciproc interacțiuni care permite proces chimic înalt selectiv (procese chimice prin la temperaturi joase este suprimată).
Ideea tehnologiei criochimice a materialelor cu fază solidă a provenit cu mai bine de treizeci de ani în urmă la Universitatea de Stat din Moscova și a fost realizată pentru prima oară de academicianul Yu.D. Tretyakov, vă permite să primiți pe baza de ceramică de înaltă calitate pentru crioproane.
Un alt exemplu de direcție nouă în sinteza materialelor se află departe de temperaturile scăzute - în regiunea temperaturilor ridicate, în timpul cărora apar reacții de combustie dintr-un metal în altul sau un metal în azot, carbon, siliciu. Aceasta este așa-numita sinteză auto-propagatoare de temperatură înaltă (SHS) a materialelor refractare, descoperită în 1967 de academicianul A. Merzhanov.
Într-un amestec de pulberi, încălzirea locală ("aprindere") are loc într-un singur loc și începe o reacție de sinteză. Căldura degajată de reacția exotermică încălzește straturile vecine (coolere) ale materiei în care reacția este excitată și apare un proces de auto-susținere. Într-un astfel de proces, o reacție chimică însoțită de o strălucire strălucitoare are loc într-o zonă îngustă care se propagă în mod spontan prin material. Un astfel de proces este un fel de combustie și este considerat pe baza teoriei arderii.
Fără a vorbi în detaliu, vom enumera o serie de direcții științifice noi, interesante și promițătoare care utilizează diferite abordări netradiționale la sinteza materialelor:
· Mecanochimie - studiaza transformarea materiei sub influenta mecanica (frecare, iradiere cu ultrasunete, explozie). Reacțiile mecanochemice sunt asociate cu trecerea unei substanțe într-o stare activă chimic activă, precum și cu intensificarea transferului de masă ca urmare a absorbției energiei mecanice.
· Chimia plasmei - studiază procesele chimice în plasmă cu temperatură scăzută. Caracteristica principală a acestor procese este formarea unui număr mare de diferite specii reactive (molecule excitate, electroni, atomi, ioni atomice și moleculare, radicali liberi, și apariția unora dintre astfel de particule este posibilă numai în plasmă), care sunt responsabile pentru noile tipuri de reacții chimice.
· Chimia laserului - studiază procesele chimice stimulate de radiațiile laser. De exemplu, selectivitatea proceselor este asociată cu o monocromie ridicată a radiației laser, care permite excitația moleculelor unei singure specii; o intensitate ridicată a radiației laser face posibilă obținerea unor particule de reacție excitate la concentrații ridicate.
· Chimia radiațiilor - studiază efectele radiațiilor ionizante asupra proceselor chimice.
În prezent, se dezvoltă în mod activ noi tehnologii pentru producerea de materiale: cea mai modernă, interesantă și posibilă abordare promițătoare este abordarea bazată pe dezvoltarea de nanomateriale de diferite tipuri. Nanomaterialele includ materiale a căror dimensiune este de 10-100 nm (1 nm = 10-9 m), adică această pulbere este foarte "fin grind." În acest caz, ține cont de faptul că, de fapt, nu rămâne atomi de „interne“ sunt în domeniul de aplicare al particulei - majoritatea atomilor sunt pe suprafața particulei. Sa constatat că aceste materiale au proprietăți inaccesibili pentru obiecte obișnuite: de exemplu, nanoceramics rezistență crescut de zece ori în comparație cu puterea ceramicii obținute prin tehnologia convențională.
Vorbind doar despre noile materiale solide, se poate uimi de cât de largă este spectrul lor - materialele cu temperaturi de topire ultrahighă pentru reactoarele din centralele nucleare; Fibră din fibră de sticlă nouă pentru cablu, care transmite cantități uriașe de informații prin Internet; Materiale "inteligente" cu memorie de formă sau sticlă cu "transmisie de lumină" reglabilă; biomateriale pentru proteze osoase, care nu sunt respinse de corpul uman; materiale pentru computerele moleculare etc. Dintre noile materiale funcționale promițătoare, vom trăi mai în detaliu pe două clase interesante - supraconductoare și electroliți solizi.
Se știe de la cursul școlii că metalele conduc curentul electric mai bun decât alte materiale, iar rezistivitatea electrică a metalelor scade odată cu scăderea temperaturii. (De ce?) In 1911, cand superconductivitatea a fost descoperit celebrul fizician olandez H. Kamerlingh Onnes a constatat că, la o temperatură de 4,2 K rezistența electrică a mercurului solid devine zero. Sa demonstrat curând că într-un număr de alte metale la temperaturi foarte scăzute (5-10 K), adică despre temperatura absolută zero, rezistența dispare, devine practic egală cu zero și apare supraconductivitatea. Prin natura sa, supraconductibilitate - un efect cuantic: electronii în supraconductori se comportă ca o colecție de așa-numitele „perechi Cooper“ și pentru a muta prin zăbrele de metal, fără să observe „atomi de ei înșiși“.
Electroliți solizi sau conductoare superioare
De la fizica școală curs este cunoscut faptul că există conductori electrici de 1 si 2: felul în conductorii de primul tip de curent este transportat de electroni, și în conductorii 2 al doilea tip - ioni. Exemple de conductori de tipul celui de-al doilea sunt, de obicei, soluții de electroliți, deoarece în solide este dificil pentru ionii mari să se miște în rețeaua cristalină. Prin urmare, majoritatea bateriilor folosesc o varietate de electroliți lichizi. Totuși, s-au dovedit că există compuși ai căror structuri sunt aranjate astfel încât să existe un spațiu liber în care ionii mici (Li +, Na +, Ag +) se pot mișca destul de ușor. Se constată că conductivitatea de ioni a acestor materiale este comparabil cu electrolit lichid care conduce ioni, motiv pentru care acești compuși se numesc electrolit solid (sau conductori superionic, care subliniază valorile ridicate ale conductivității ionice). Este cunoscut un număr mare de electroliți solizi, în care conductivitatea este asigurată de o varietate de cationi - argint, cupru, litiu, precum și anioni - oxigen, fluor.
Schema vizuală a structurii conductorului ionic AgI (bile - anioni de iod, înotători - cationi de argint).
Nu trebuie să se presupună că faza superionic - un anume exotic: sa dovedit că compoziția mantalei Pământului și include NaMgF3 MgSiO3. care prezintă proprietăți electrolitice solide la temperaturi ridicate. Chiar și apă bine cunoscută prezintă surprize: a fost calculată starea de apă recent exotică: nici gheață, nici gaz, nici lichid, ci - superionic.
Materialele cu conductivitate superioară sunt utilizate în diferite tipuri de baterii și baterii, celule de combustie și senzori de gaz.
După cum sa observat la începutul acestui capitol, chimia astăzi se îndreaptă către o nouă etapă - o etapă de dezvoltare evolutivă. Aceasta înseamnă că oamenii de știință se gândesc dacă este posibilă rezolvarea problemei sintezei spontane (fără participare la om) a noilor compuși chimici. Academicianul AE Arbuzov a scris: "Ce ar trebui să fie chimia viitorului diferită de chimia prezentului?" Imitarea naturii vii este chimia viitorului! Și în ziua în care prima enzimă va fi sintetizată în laborator, adică biocatalizatorul, putem spune că știința are cheia pentru ea, pe care o căuta atât de mult, este cheia pentru chimia naturii vii ". În acest fel este necesar să se rezolve mai multe probleme în domeniul chimiei catalitice:
· Dezvoltarea cercetării în domeniul catalizei metalice complexe, orientate spre obiectele corespondente ale faunei sălbatice;
· Modelarea biocatalizatorilor bazați pe enzime cu activitate și selectivitate ridicată;
· Crearea de sisteme imobilizate (stabilizarea enzimelor izolate de la un organism viu pe o suprafață solidă) pentru utilizarea lor ca catalizatori heterogeni;
· Aplicarea principiilor biocatalizei în chimie și tehnologie chimică.
De exemplu, pe principiul catalizatorilor de enzime va fi creat, mult mai eficiente decât existente sau construite convertoare (randament ridicat) luminii solare în energie chimică și electrică, la fel ca și organismele vii.
5. Procesele de nerambursare în chimie. Auto-organizare în sisteme chimice.
Până de curând nu sa știut nimic despre chimia evolutivă. Spre deosebire de biologi, chimiști nu sunt interesați de întrebarea despre „originea speciilor“ de materie, deoarece obtinerea orice compus chimic nou a fost întotdeauna o chestiune de mâini și mintea omului: O nouă moleculă este proiectat de ele în conformitate cu legile chimiei structurale ale atomilor și grupări atomice, cum ar fi construirea de cărămizi. Organismele vii din blocuri nu pot fi colectate.
Apariția chimiei evolutive este asociată cu nevoia de a înțelege cât de organic și, odată cu aceasta, viața provine din materia anorganică. Chimia evolutivă este știința autoorganizării și auto-dezvoltării sistemelor chimice. Ea studiază procesele de sinteză spontană a compușilor chimici noi, care sunt mai complexe și extrem de organizate în comparație cu substanțele inițiale.
Principalul subiect de studiu al chimiei evolutive este evoluția compușilor chimici (chemogeneza), care a oferit o tranziție la biogeneză. Biogeneza este formarea de compuși organici de către organisme vii. Înțelegerea mecanismului chemogenezei este importantă pentru clarificarea problemei originii vieții pe Pământ și a proceselor de autoorganizare a sistemelor materiale.
Există două abordări diferite ale problemei autoorganizării sistemelor prebiologice - substrat și funcțional.