Современный этап развития химии, ее основные достижения

Химия XXI века предстает перед нами как весьма разветвленная система знаний, которая находится в процессе интенсивного развития.

Современную химию отличает тесная взаимосвязь с другими науками, особенно с физикой, биологией и многими техническими дисциплинами. Широко распространено междисциплинарное сотрудничество и специализация. В результате выделяются на стыке наук новые дисциплины, например, физическая химия (электрохимия и химическая термодинамика), коллоидная химия и др. Химия разрабатывает и предлагает для других наук новые продукты и методы. С другой стороны, благодаря физическим методам, новейшим видам аппаратуры и оборудования (создаваемых с помощью прикладных технических наук), активно развивается сама.

В настоящее время возникло много новых химических наук, направлений. Например, на стыке химии и биологии сформировалась биохимия. Она относится к достаточно молодым наукам, считают, что у нее большое будущее.

Проблемы биохимии можно свести к двум основным: во-первых, каким образом клетки живого организма вырабатывают энергию, необходимую для поддержания его жизнедеятельности; во-вторых, каким образом действуют вещества, получившие название ферментов, которые служат катализаторами во многих химических реакциях.

К новым специальным областям химии относятся радиационная химия (наука о воздействии радиоактивного излучения на химические реакции), плазмохимия (химия сверхвысоких температур), лазерная химия (теснейшим образом связанная с физикой, использующая ее методы). Науками будущего называют космохимию и фотохимию.

Новейший этап развития химии характеризуется быстрой разработкой пространственных представлений о строении вещества, стереохимических концепций. Ещё в 1874−75 Ж. А. Ле Бель и Вант-Гофф высказали предположение, что 4 атома или радикала, связанные с атомом углерода, расположены не в одной плоскости, а в пространстве, по вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом углерода. В связи с этим было расширено представление об изомерии, установлено несколько её видов и были заложены основы стереохимии. Для многих молекул были определены их стабильные пространственные конфигурации; в дальнейшем исследователи установили лабильные конформации молекул, возникающие в результате некоторого затруднения свободного вращения атомных групп вокруг простых связей.

Современная теоретическая химия основывается на общефизическом учении о строении материи, на достижениях квантовой теории, термодинамики и статистической физики. Применение методов квантовой механики к решению химических задач привело к возникновению квантовой химии. Её задачей стало решение волнового уравнения Шредингера для многоэлектронных систем молекул. Одним из первых результатов была теория валентных связей, ещё широко использовавшая традиционное представление о паре электронов как носительнице химической связи (Гейтлер, Лондон, Дж. Слэтер, Полинг). Затем был разработан метод молекулярных орбиталей (МО), рассматривающий целостную электронную структуру молекулы; каждая молекулярная орбиталь (волновая функция) учитывает вклад в неё всех электронных орбиталей атомов (см. метод молекулярных орбиталей). Наиболее распространённый вариант метода МО основанный на приближённом описании молекулярных орбиталей через линейную комбинацию атомных орбиталей (ЛКАО МО). В ряде случаев для простейших молекул на основе использования новейшей вычислительной техники могут быть проведены весьма сложные расчёты молекул без всяких предварительных упрощений задачи. На основе указанного метода рассчитываются энергетические и электронные параметры молекул (распределение электронной плотности, величина энергии, длина и порядок связей, некоторые физические свойства соединений). Метод МО получил ныне распространение в теории органической химии. В неорганической химии на основе его сочетания с теорией кристаллического поля (Х. Бете) возникла теория поля лигандов [1; c. 163].

Квантовохимическое рассмотрение кинетических соотношений, установленных Аррениусом и Вант-Гоффом, привело к возникновению учения об абсолютных скоростях химических реакций, являющегося основой химической кинетики. Это позволило вычленить очень важную теоретическую проблему современной химии — вопрос о природе переходного состояния, промежуточного активированного комплекса, внутри которого происходят во многом ещё неясные процессы перестройки структуры молекул.

Детальное изучение кинетики и механизмов реакций, исследование элементарных актов химических взаимодействий — важная задача химической физики. Большое значение приобрели работы в области цепных реакций, основы теории которых были разработаны Н. Н. Семеновым и С. Хиншелвудом. Кинетические исследования сыграли важную роль в развитии технологии переработки нефти, горения топлива, синтеза высокомолекулярных веществ. Показана возможность химической фиксации азота при обычных температуре и давлении, что может существенно изменить будущую технологию.

Ядерные превращения и сопутствующие им физико-химические явления, продукты ядерных реакций, радиоактивные изотопы, элементы и вещества служат объектами изучения ядерной химии и радиохимии. Работы в этом направлении имеют большое значение для получения и извлечения атомного сырья, разделения изотопов, использования расщепляющихся материалов.

Взаимодействие вещества с излучением и частицами высоких энергий различной природы, приводящее к химическим превращениям, изучается радиационной химии. Воздействие радиации инициирует многие процессы, в том числе синтез высокомолекулярных соединений из мономеров. В частности, под действием света происходят фотохимические реакции. Фотохимия исследует как связывание энергии электромагнитного излучения (например, в фотосинтезе, осуществляемом зелёными растениями), так и многочисленные реакции синтеза и распада, изомеризации и перегруппировок, возникающие в ходе указанного взаимодействия. Для промышленного производства перспективно использование мощной энергии лазера.

В электрохимии накоплен большой материал по исследованию электролитов, их электропроводности, электрохимических процессов, создана электрохимическая кинетика, изучаются неравновесные электродные потенциалы, процессы коррозии металлов, разрабатываются новые химические источники тока. Успехи теоретической электрохимии позволили дать более прочную научную основу многим промышленным электрохимическим процессам [5; c. 188].

Влияние магнитных полей на химическое поведение молекул рассматривается магнетохимией. Область термохимических исследований расширилась в результате изучения взаимодействия вещества с плазмой, в частности в целях использования в плазмохимической технологии. Становление плазмохимии относится к 60-м гг., когда были выполнены основополагающие работы в СССР (позже в РФ), США и ФРГ.

Химические превращения совершаются во всех агрегатных состояниях вещества — в жидком, газообразном и твёрдом. Всё большую актуальность приобретают исследования химических реакций твёрдых тел (топохимические реакции).

В современной химии накапливаются данные о химической эволюции вещества во Вселенной, что позволяет составить общую картину эволюции природы. Современная ядерная физика и астрофизика сформировали представление о возникновении химических элементов. На основе изучения химии метеоритов, вулканических земных пород, лунного грунта постепенно вырисовывается картина химической дифференциации вещества на планетной стадии развития, в частности геохимической эволюции.

Обнаружение сложных органических молекул в межзвёздном пространстве, в метеоритах и древнейших горных породах Земли, а также модельные опыты по синтезу сложных органических веществ из простейших соединений (CH4, CO2, NH3, H2O) в условиях искрового разряда, радиоактивного и ультрафиолетового облучения позволили представить этапы химической эволюции материи, предшествовавшие возникновению жизни.

Геохимия вулканогенных и осадочных пород, гидрохимия, химия атмосферы, биогеохимия постепенно формируют представления о планетарных миграциях химических элементов, биохимия — о жизненных циклах. На основе этих данных всё более наполняется конкретным содержанием учение В. И. Вернадского о решающей роли процессов жизнедеятельности для понимания судьбы химических элементов на нашей планете.

Большие успехи сделала органическая химия. Так, разработаны автоматические методы синтеза многих белков; установлена структура ряда важных природных веществ — тетродотоксина, гемоглобина, аспартат-аминотрансферазы, содержащей 412 аминокислот, и др.; синтезированы сложнейшие природные соединения — хинин, витамин B12 и даже хлорофилл. Огромное влияние оказала органическая химия на развитие молекулярной биологии. Органическая химия легла в основу создания мощной индустрии тяжелого органического синтеза.

Химия полимеров, которая сформировалась в самостоятельную химическую дисциплину лишь в 30-х гг., изучает весь комплекс представлений о путях синтеза высокомолекулярных соединений, их свойствах и превращениях, а также о свойствах тел, построенных из макромолекул. Для современного этапа химии полимеров характерно углублённое изучение механизмов каталитической полимеризации, вызываемой металлоорганическими соединениями, в частности синтеза стереорегулярных полимеров, исследование микроструктуры высокомолекулярных соединений. Установлено, что свойства полимеров зависят не только от химического состава, строения и размеров макромолекул, но и в не меньшей степени от их взаимного расположения и упаковки (надмолекулярной структуры). Важным достижением явилось создание термостойких полимеров (кремнийорганических, полиимидов и др.). Успехи химии полимеров позволили создать такие важнейшие отрасли химической промышленности как производства пластмасс, синтетического каучука, химических волокон, лакокрасочных материалов, ионитов, клеёв и др.

На всех структурных уровнях организации живого важнейшую роль играют специфические химические процессы. Непрерывный обмен веществ в организме представляет собой сложнейшую систему согласованных химических реакций, осуществляемых с участием специфических белковых катализаторов — ферментов.

Воздействие химических процессов, происходящих во внешней среде, на сообщества организмов (биоценозы), химическая миграция элементов внутри экосистем, химическое стимулирование или подавление симбиотических или конкурентных видов исследуются в рамках химической экологии. Формирование поведения организмов в сообществах в значительной степени зависит от химических средств передачи информации (например, феромонов, используемых животными для привлечения или отпугивания др. особей, регуляции жизнедеятельности в семьях пчёл, муравьев и т. д.) [3; c. 179].

Традиционные для биохимии нейрохимические исследования переросли в новую отрасль знаний, изучающую влияния химических соединений на психические процессы; формируется молекулярная психобиология, связывающая молекулярную биологию с наукой о поведении.

Основными задачами современной неорганической химии являются: изучение строения соединений, установление связи строения со свойствами и реакционной способностью. Также разрабатываются методы синтеза и глубокой очистки веществ. Большое внимание уделяется кинетике и механизму неорганических реакций, их каталитическому ускорению и замедлению. Для синтезов все чаще применяют методы физического воздействия: сверхвысокие температуры и давления, ионизирующее излучение, ультразвук, магнитные поля. Многие процессы проходят в условиях горения или низкотемпературной плазмы. Химические реакции часто сочетают с получением волокнистых, слоистых и монокристаллических материалов, с изготовлением электронных схем.

Неорганические соединения применяются как конструкционные материалы для всех отраслей промышленности, включая космическую технику, как удобрение и кормовые добавки, ядерное и ракетное топливо, фармацевтические материалы.

Ощутимые результаты дает применение математического моделирования. Если нахождение какого-либо фармацевтического препарата или инсектицида требовало синтеза 10— 20 тыс. веществ, то с помощью математического моделирования выбор делается, лишь в результате синтеза нескольких десятков соединений.

Роль органической химии в биохимии трудно переоценить. Так, в 1963 г. В. Виньо синтезировал инсулин, также были синтезированы окситоцин (пептидный гормон), вазопрессин (гормон обладает антидиуретическим действием), брадикикин (обладает сосудорасширяющим действием). Разработаны полуавтоматические методы синтеза полипептидов (Р. Мерифилд, 1962) [1; c. 172].

Вершиной достижений органической химии в генной инженерии явился первый синтез активного гена (X. Корана, 1976). В 1977 г. синтезирован ген, кодирующий синтез человеческого инсулина, а в 78-м — ген соматостатина (способен угнетать секрецию инсулина, пептидный гормон).

Физическая химия объясняет химические явления и устанавливает их общие закономерности. Физическая химия последних десятилетий характеризуется следующими чертами: в результате развития квантовой химии (использует идеи и методы квантовой физики для объяснения химических явлений) многие проблемы химического строения веществ и механизма реакций решаются на основании теоретических расчетов; наряду с этим широко используются физические методы исследования — рентгеноструктурный анализ, дифракция электронов, спектроскопия, методы, основанные на применении изотопов и др.

Аналитическая химия рассматривает принципы и методы изучения химического состава вещества. Включает количественный и качественный анализ. Современные методы аналитической химии связаны с необходимостью получения полупроводниковых и других материалов высокой частоты. Для решения этих задач были разработаны чувствительные методы: активационный анализ, химико-спектральный анализ и др.

К числу концептуальных направлений развития современной химии относятся:

• 1) Проблема химического элемента. Впервые в мире в конце 80-х годов 20 в. в нашей стране был получен сверхтвердый материал — гексанит-Р. Это разновидность нитрида бора с температурой плавления 3200оС и твердостью, близкой к твердости алмаза. Но подлинный переворот в теории химических элементов произвела химия фторорганических соединений. Она открыла совершенно новый мир органических веществ. Изделия из фторуглерода принимаются в качестве материала для изготовления внутренних органов человека (сердечных клапанов, кровеносных сосудов и т. п.). Синтез уникальных материалов заставляет по-новому исследовать все химические элементы и накапливать данные для новых концепций химических элементов.
• 2) Исследование структуры химических соединений. Современная структурная химия достигла больших результатов. Последним ее достижением является открытие совершенно нового класса металлоорганических соединений. Молекула этого вещества представляет собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом какого-либо металла.

Исследования в области современной структурной химии идут по двум перспективным направлениям:

• — синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;
• — создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами для производства материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами.
• 3) Учение о химических процессах. Например, были получены полимербетоны путем пропитки обычного бетона каким-либо полимеров с последующим облучением. Одним из самых молодых направлений в исследовании химических процессов является радиационная химия, которая зародилась во второй половине 20 в. Предмет ее разработок — превращения самых разнообразных веществ под воздействием ионизирующих излучений. Сегодня также принципиально новой и исключительно важной областью учения о химических процессах является самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов [3; c. 188].

Современная химия предстает перед нами как исключительно многогранная и разветвленная система знаний, для которой характерно интенсивное развитие. Важнейшим стратегическим ориентиром этого процесса является все более тесный синтез химии как науки и химии как технологии промышленного производства.

Таким образом, спектр химических наук чрезвычайно широк. Они все более активно внедряются в самые различные отрасли производства, сельского хозяйства и быта. Активно развивается экспериментальная база.

В наше время химики используют разнообразные химические и физико-химические методы, позволяющие следить за протеканием реакций и исследовать их продукты. К ним относятся традиционные качественные и количественные методы анализа, оптические методы, спектральные методы (ИК-спектроскопия, УФ-спектроскопия), электрохимические (кондуктометрия, кулонометрия, потенциометрия, амперометрия и др.). Применение, например, хроматографических методов анализа основано на том, что различные вещества диффундируют или абсорбируются на различных поглотителях с разной скоростью. Каждое вещество обладает специфическим, характерным только для него спектром поглощения. На этом основаны спектроскопические методы. При масс-спектроскопии образец вещества бомбардируют электронами относительно низкой энергии. Возникает излучение, которое наблюдают с помощью призм или дифракционных решеток.

К числу новейших методов относится ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и мессбауэровская спектроскопия. На основе указанных современных методов исследования ученые развивают и теоретическую химию. Нужно подчеркнуть, что химия относится к тем наукам, для которых научный эксперимент имеет первостепенное значение.

Современные достижения химии позволяют изготовлять обширную номенклатуру деталей и узлов машин из разнообразных по свойствам синтетических материалов.

Благодаря современным достижениям химии, успешно разработаны промышленные способы получения низкомолекулярных полимеров, в том числе хорошо растворимых каучуков, способных после нанесения на поверхность превращаться в сплошное резиновое покрытие.

В улучшении внешнего вида станков и машин немалую роль могут сыграть современные достижения химии. Яркие пластические массы создают теплоту окраски и в то же время делают ее устойчивой и долговечной [4; c. 151].

Решая проблемы технического прогресса, ученые добиваются того, чтобы на основе современных достижений химии, физики и других областей науки ускорить внедрение прогрессивных, принципиально новых технологических процессов и высокопроизводительного оборудования, найти кратчайшие пути для перехода от замены отдельных машин и станков к созданию автоматизированных и полуавтоматизированных цехов, а затем и целых предприятий [4; c. 167].

Немногим более десяти лет назад было широко распространено мнение, что переходные металлы не способны образовывать органические производные, имеющие непосредственную связь углерода с металлом. Признание ошибочности этого убеждения и того, что переходные металлы могут действительно непосредственно связываться с атомами углерода, образуя металлорганические соединения, одно из наиболее замечательных современных достижений химии.

В общей системе наук химию относят к естественным наукам, так как она занимается изучением явлений и объектов природы. Иногда вызывает удивление отсутствие полной системы, в которую укладывалась бы вся химия в целом. Однако пробелы в существующей системе показывают, что химия — все еще развивающаяся дисциплина, в которой пока что не установлены все факты, законы и не созданы все теории. Позже мы познакомимся с некоторыми из современных достижений химии и рассмотрим области, где от химии ожидаются значительные успехи в ближайшем будущем. Все это показывает, что химия-это наука сегодняшнего дня, которая обещает в будущем сделать много ярких открытий.