Áèáëèîòåêà

Òåîëîãèÿ

Êîíôåññèè

Èíîñòðàííûå ÿçûêè

Äðóãèå ïðîåêòû







Êîììåíòàðèè (3)

Ñàäîõèí À. Êîíöåïöèè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ

ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ

Ãëàâà 8 Ñîâðåìåííûå êîíöåïöèè õèìèè

8.1. Ñïåöèôèêà õèìèè êàê íàóêè Îñíîâíûå çàäà÷è õèìèè

Îäíîé èç âàæíåéøèõ äëÿ æèçíè ÷åëîâåêà åñòåñòâåííûõ íàóê ÿâëÿåòñÿ õèìèÿ.

Õèìèÿ — íàóêà î ñîñòàâå, âíóòðåííåì ñòðîåíèè è ïðåâðàùåíèè âåùåñòâà, à òàêæå î ìåõàíèçìàõ ýòèõ ïðåâðàùåíèé.

Ïðàêòè÷åñêè åæåäíåâíî êàæäûé ÷åëîâåê ìîæåò íàáëþäàòü, êàê òå èëè èíûå âåùåñòâà ïîäâåðãàþòñÿ ðàçëè÷íûì èçìåíåíèåì: æåëåçíûé ïðåäìåò ïîä âîçäåéñòâèåì âëàãè ïîêðûâàåòñÿ ðæàâ÷èíîé, îïàâøèå ëèñòüÿ äåðåâüåâ ïîñòåïåííî èñòëåâàþò, ïðåâðàùàÿñü â ïåðåãíîé, è ò.ä. Ðåçóëüòàò ýòèõ èçìåíåíèé — ïîÿâëåíèå íîâûõ âåùåñòâ ñ ñîâåðøåííî èíûìè ñâîéñòâàìè. Òàêîãî ðîäà ïðîöåññû íàçûâàþòñÿ õèìè÷åñêèìè ÿâëåíèÿìè, ïðè êîòîðûõ èç îäíèõ âåùåñòâ îáðàçóþòñÿ äðóãèå, íîâûå âåùåñòâà, à íàóêà, èçó÷àþùàÿ ïðåâðàùåíèÿ âåùåñòâ, íàçûâàåòñÿ õèìèåé.

Åùå Ä. È. Ìåíäåëååâ îáðàòèë âíèìàíèå íà òî, ÷òî õèìèÿ, â îòëè÷èå îò ìíîãèõ äðóãèõ íàóê (íàïðèìåð, áèîëîãèè èëè ãåîãðàôèè), ñàìà ñîçäàåò ñâîé ïðåäìåò èññëåäîâàíèÿ. Êàê íèêàêàÿ äðóãàÿ íàóêà, îíà ÿâëÿåòñÿ îäíîâðåìåííî è íàóêîé, è ïðîèçâîäñòâîì. Õèìèÿ âñåãäà áûëà íóæíà ÷åëîâå÷åñòâó äëÿ òîãî, ÷òîáû ïîëó÷àòü èç ïðèðîäíûõ âåùåñòâ ìàòåðèàëû ñ íåîáõîäèìûìè äëÿ ïîâñåäíåâíîé æèçíè è ïðîèçâîäñòâà ñâîéñòâàìè. Ïîýòîìó âñå õèìè÷åñêèå çíàíèÿ, ïðèîáðåòåííûå çà ìíîãèå ñòîëåòèÿ è ïðåäñòàâëåííûå â âèäå òåîðèé, çàêîíîâ, ìåòîäîâ, òåõíîëîãèé, îáúåäèíÿåò îäíà-åäèíñòâåííàÿ íåïðåõîäÿùàÿ, ãëàâíàÿ çàäà÷à õèìèè — ïîëó÷åíèå âåùåñòâ ñ çàäàííûìè ñâîéñòâàìè. Íî ýòî — ïðîèçâîäñòâåííàÿ çàäà÷à, è, ÷òîáû åå ðåàëèçîâàòü, íóæíî óìåòü èç îäíèõ âåùåñòâ ïðîèçâîäèòü äðóãèå, ò.å. îñóùåñòâëÿòü êà÷åñòâåííûå ïðåâðàùåíèÿ âåùåñòâ. À ïîñêîëüêó êà÷åñòâî — ýòî ñîâîêóïíîñòü ñâîéñòâ âåùåñòâà, òî íåîáõîäèìî çíàòü, îò ÷åãî çàâèñÿò ýòè ñâîéñòâà. Èíà÷å ãîâîðÿ, ÷òîáû ðåøèòü íàçâàííóþ ïðîèçâîäñòâåííóþ

184

çàäà÷ó, õèìèÿ äîëæíà ñïðàâèòüñÿ ñ òåîðåòè÷åñêîé ïðîáëåìîé ãåíåçèñà (ïðîèñõîæäåíèÿ) ñâîéñòâ âåùåñòâà.

Òàêèì îáðàçîì, îñíîâàíèåì õèìèè âûñòóïàåò îñíîâíàÿ äâóåäèíàÿ ïðîáëåìà — ïîëó÷åíèå âåùåñòâ ñ çàäàííûìè ñâîéñòâàìè (íà äîñòèæåíèå åå íàïðàâëåíà ïðîèçâîäñòâåííàÿ äåÿòåëüíîñòü ÷åëîâåêà) è âûÿâëåíèå ñïîñîáîâ óïðàâëåíèÿ ñâîéñòâàìè âåùåñòâà (íà ðåàëèçàöèþ ýòîé çàäà÷è íàïðàâëåíà íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêàÿ ðàáîòà ó÷åíûõ).

Ñèñòåìà õèìèè

Îñíîâíàÿ äâóåäèíàÿ ïðîáëåìà õèìèè ÿâëÿåòñÿ ñèñòåìîîáðàçóþùèì íà÷àëîì äàííîé íàóêè. Îíà âîçíèêëà â ãëóáîêîé äðåâíîñòè è íå ïîòåðÿëà ñâîåé àêòóàëüíîñòè â íàøè äíè. Åñòåñòâåííî, ÷òî â ðàçíûå èñòîðè÷åñêèå ýïîõè äàííàÿ çàäà÷à ðåøàëàñü ïî-ðàçíîìó, òàê êàê ñïîñîáû åå ðåøåíèÿ çàâèñÿò îò óðîâíÿ ìàòåðèàëüíîé è äóõîâíîé êóëüòóðû îáùåñòâà, à òàêæå âíóòðåííèõ çàêîíîìåðíîñòåé, ïðèñóùèõ õîäó íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ. Äîñòàòî÷íî ñêàçàòü, ÷òî èçãîòîâëåíèå òàêèõ ìàòåðèàëîâ, êàê, íàïðèìåð, ñòåêëî è êåðàìèêà, êðàñêè è äóøèñòûå âåùåñòâà, â äðåâíîñòè îñóùåñòâëÿëîñü ñîâåðøåííî èíà÷å, ÷åì â XVIII â. è ïîçæå.

Âàæíåéøåé îñîáåííîñòüþ îñíîâíîé ïðîáëåìû õèìèè ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî îíà èìååò âñåãî ÷åòûðå ñïîñîáà ðåøåíèÿ. Ðå÷ü ïðè ýòîì èäåò íå î ÷àñòíûõ ìåòîäàõ èçó÷åíèÿ ïðåâðàùåíèé âåùåñòâ — èõ ìíîæåñòâî, à î ñàìûõ îáùèõ ñïîñîáàõ ðåøåíèÿ âîïðîñà: îò ÷åãî, ot êàêèõ ôàêòîðîâ çàâèñÿò ñâîéñòâà âåùåñòâ. À çàâèñÿò îíè îò ÷åòûðåõ ôàêòîðîâ:

  1. îò ýëåìåíòíîãî è ìîëåêóëÿðíîãî ñîñòàâà âåùåñòâà;

  2. ñòðóêòóðû ìîëåêóë âåùåñòâà;

  3. òåðìîäèíàìè÷åñêèõ è êèíåòè÷åñêèõ (íàëè÷èå êàòàëèçàòîðîâ è èíãèáèòîðîâ, âîçäåéñòâèå ìàòåðèàëà ñòåíîê ñîñóäîâ è ò.ä.) óñëîâèé, â êîòîðûõ âåùåñòâî íàõîäèòñÿ â ïðîöåññå õèìè÷åñêîé ðåàêöèè;

  4. âûñîòû õèìè÷åñêîé îðãàíèçàöèè âåùåñòâà.

Ïîñêîëüêó ñïîñîáû ðåøåíèÿ îñíîâíîé ïðîáëåìû õèìèè ïîÿâëÿëèñü ïîñëåäîâàòåëüíî, òî â èñòîðèè õèìèè ìîæíî âûäåëèòü ÷åòûðå ïîñëåäîâàòåëüíî ñìåíÿâøèõ äðóã äðóãà ýòàïà.  òî æå âðåìÿ ñ êàæäûì èç íàçâàííûõ ñïîñîáîâ ðåøåíèÿ îñíîâíîé ïðîáëåìû õèìèè ñâÿçàíà ñîáñòâåííàÿ êîíöåïòóàëüíàÿ ñèñòåìà çíàíèé. Ýòè ÷åòûðå êîíöåïòóàëüíûõ ñèñòåìû çíàíèÿ íàõîäÿòñÿ â îòíîøåíèÿõ èåðàðõèè (ñóáîðäèíàöèè).  ñèñòåìå õèìèè îíè ÿâëÿþòñÿ ïîäñèñòåìàìè, òàê æå êàê ñàìà õèìèÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïîäñèñòåìó åñòåñòâîçíàíèÿ â öåëîì. Êîíöåïòóàëüíûå ñèñòåìû õèìèè ìîæíî ïðåäñòàâèòü íàãëÿäíî â âèäå ñõåìû.

Ñåðåäèíà XX âåêà

4. Ýâîëþöèîííàÿ õèìèÿ

XX âåê

3. Ó÷åíèå î õèìè÷åñêèõ ïðîöåññàõ

XIX âåê

2. Ñòðóêòóðíàÿ õèìèÿ

XVII âåê

1. Ó÷åíèå î ñîñòàâå âåùåñòâà

185

 ðàçâèòèè õèìèè ïðîèñõîäèò íå ñìåíà, à ñòðîãî çàêîíîìåðíîå, ïîñëåäîâàòåëüíîå ïîÿâëåíèå êîíöåïòóàëüíûõ ñèñòåì. Ïðè ýòîì êàæäàÿ âíîâü ïîÿâëÿþùàÿñÿ ñèñòåìà íå îòðèöàåò ïðåäûäóùóþ, à, íàîáîðîò, îïèðàåòñÿ íà íåå è âêëþ÷àåò â ñåáÿ â ïðåîáðàçîâàííîì âèäå. Òàêèì îáðàçîì, ôîðìèðóåòñÿ ñèñòåìà õèìèè — åäèíàÿ öåëîñòíîñòü âñåõ õèìè÷åñêèõ çíàíèé, êîòîðûå âîçíèêàþò è ñóùåñòâóþò íå îòäåëüíî äðóã îò äðóãà, à â òåñíîé âçàèìîñâÿçè, äîïîëíÿþò äðóã äðóãà è îáúåäèíÿþòñÿ â êîíöåïòóàëüíûå ñèñòåìû õèìè÷åñêèõ çíàíèé, êîòîðûå íàõîäÿòñÿ ìåæäó ñîáîé â îòíîøåíèÿõ èåðàðõèè.

8.2. Ïåðâûé óðîâåíü õèìè÷åñêîãî çíàíèÿ. Ó÷åíèå î ñîñòàâå âåùåñòâà

Ïåðâûé ïî-íàñòîÿùåìó äåéñòâåííûé ñïîñîá ðåøåíèÿ ïðîáëåìû ïðîèñõîæäåíèÿ ñâîéñòâ âåùåñòâà ïîÿâèëñÿ â XVII â. â ðàáîòàõ àíãëèéñêîãî ó÷åíîãî Ð. Áîéëÿ. Åãî èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî êà÷åñòâà è ñâîéñòâà òåë íå èìåþò àáñîëþòíîãî õàðàêòåðà è çàâèñÿò îò òîãî, èç êàêèõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ýòè òåëà ñîñòàâëåíû. Ó Áîéëÿ íàèìåíüøèìè ÷àñòè÷êàìè âåùåñòâà îêàçûâàëèñü íåîñÿçàåìûå îðãàíàìè ÷óâñòâ ìåëü÷àéøèå ñòðóêòóðû — àòîìû, èëè, êàê îí èõ íàçûâàë, minima naturalia. Ýòè ÷àñòèöû ìîãëè ñâÿçûâàòüñÿ äðóã ñ äðóãîì, îáðàçóÿ áîëåå êðóïíûå ñîåäèíåíèÿ — êëàñòåðû, ïî òåðìèíîëîãèè Áîéëÿ. Ñâÿçü ÷àñòèö â êëàñòåðàõ áûëà äîñòàòî÷íî ïðî÷íîé, è ïîýòîìó êëàñòåðû ñàìè áûëè íåâèäèìûìè ãëàçó êèðïè÷èêàìè äëÿ ïîñòðîåíèÿ ðåàëüíûõ ôèçè÷åñêèõ òåë.  çàâèñèìîñòè îò îáúåìà è ôîðìû êëàñòåðîâ, îò òîãî, íàõîäèëèñü ëè îíè â äâèæåíèè èëè ïîêîèëèñü, çàâèñåëè è ñâîéñòâà ïðèðîäíûõ òåë. Ñåãîäíÿ ìû âìåñòî òåðìèíà «êëàñòåð» èñïîëüçóåì ïîíÿòèå «ìîëåêóëà».

 ïåðèîä ñ ñåðåäèíû XV11 â. äî ïåðâîé ïîëîâèíû XIX â. ó÷åíèå î ñîñòàâå âåùåñòâà ïðåäñòàâëÿëî ñîáîé âñþ òîãäàøíþþ õèìèþ. Îíî ñóùåñòâóåò è ñåãîäíÿ, ïðåäñòàâëÿÿ ñîáîé ïåðâóþ êîíöåïòóàëüíóþ ñèñòåìó õèìèè. Íà ýòîì óðîâíå õèìè÷åñêîãî çíàíèÿ ó÷åíûå ðåøàëè è ðåøàþò òðè âàæíåéøèå ïðîáëåìû: õèìè÷åñêîãî ýëåìåíòà, õèìè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ è çàäà÷ó ñîçäàíèÿ íîâûõ ìàòåðèàëîâ ñ èñïîëüçîâàíèåì âíîâü îòêðûòûõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ.

Êîíöåïöèÿ õèìè÷åñêîãî ýëåìåíòà

Êîíöåïöèÿ õèìè÷åñêîãî ýëåìåíòà ïîÿâèëàñü â õèìèè êàê ðåçóëüòàò ñòðåìëåíèÿ ÷åëîâåêà îáíàðóæèòü ïåðâîýëåìåíò ïðèðîäû. Êîðíè ðåøåíèÿ äàííîé ïðîáëåìû óõîäÿò â Äðåâíþþ Ãðåöèþ, ãäå âîçíèêëè ó÷åíèÿ î ïåðâîýëåìåíòàõ ïðèðîäû. Òàì æå âîçíèêëà è àòîìèñòè÷åñêàÿ êîíöåïöèÿ ïðèðîäû, âîçðîæäåííàÿ â Íîâîå âðåìÿ

186

â õèìèè Ð. Áîéëåì. Èìåííî îí ïîëîæèë íà÷àëî ñîâðåìåííîìó ïðåäñòàâëåíèþ î õèìè÷åñêîì ýëåìåíòå êàê î ïðîñòîì òåëå, ïðåäåëå õèìè÷åñêîãî ðàçëîæåíèÿ âåùåñòâà, ïåðåõîäÿùåì áåç èçìåíåíèÿ èç ñîñòàâà îäíîãî ñëîæíîãî òåëà â äðóãîå.

Íî åùå öåëûé âåê ïîñëå ýòîãî õèìèêè äåëàëè îøèáêè â âûäåëåíèè õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Äåëî â òîì, ÷òî, ñôîðìóëèðîâàâ ïîíÿòèå õèìè÷åñêîãî ýëåìåíòà, õèìèêè åùå íå çíàëè íè îäíîãî èç íèõ. Ñòðåìÿñü ïîëó÷èòü ýëåìåíòû â ÷èñòîì âèäå, îíè ïîëüçîâàëèñü ñ÷èòàâøèìñÿ òîãäà óíèâåðñàëüíûì ìåòîäîì ïðîêàëèâàíèÿ, è îêàëèíó ïðèíèìàëè çà ÷èñòûé ýëåìåíò. Òàê ÷òî èçâåñòíûå òîãäà ìåòàëëû — æåëåçî, ìåäü, ñâèíåö — ïðèíèìàëè çà ñëîæíûå òåëà, ñîñòîÿâøèå èç ñîîòâåòñòâóþùåãî ýëåìåíòà è ôëîãèñòîíà. Îäíàêî èìåííî ôëîãèñòîííàÿ òåîðèÿ, ëîæíàÿ ïî ñóòè, îêàçàëàñü äâèãàòåëåì ìíîãèõ èññëåäîâàíèé, ïðèâåäøèõ â èòîãå ê èñòèííûì âûâîäàì.

Ýòîò âûâîä áûë ñäåëàí Ä.È. Ìåíäåëååâûì, äîêàçàâøèì, ÷òî ñâîéñòâà õèìè÷åñêîãî ýëåìåíòà çàâèñÿò îò ìåñòà äàííîãî àòîìà â ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìå. Ñàì Ìåíäåëååâ îïðåäåëÿë ýòî ìåñòî ïî àòîìíîé ìàññå, íî â XX â. áûëî âûÿñíåíî, ÷òî ïîðÿäêîâûé íîìåð ýëåìåíòà çàâèñèò íå îò àòîìíîé ìàññû, à îò çàðÿäà àòîìíîãî ÿäðà è êîëè÷åñòâà ýëåêòðîíîâ.  íàñòîÿùåå âðåìÿ èçâåñòíî, ÷òî àòîì ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñëîæíóþ êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêóþ ñèñòåìó, ñîñòîÿùóþ èç ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííîãî ÿäðà è îòðèöàòåëüíî çàðÿæåííîé ýëåêòðîííîé îáîëî÷êè. Âûÿñíåíû îñîáåííîñòè ñòðîåíèÿ ýëåêòðîííûõ îðáèòàëåé àòîìîâ âñåõ ýëåìåíòîâ è îñîáàÿ ðîëü âíåøíåãî ýëåêòðîííîãî óðîâíÿ àòîìà, îò êîëè÷åñòâà ýëåêòðîíîâ â êîòîðîì çàâèñèò ðåàêöèîííàÿ ñïîñîáíîñòü ýëåìåíòà — õèìè÷åñêàÿ àêòèâíîñòü âåùåñòâà, ó÷èòûâàþùàÿ êàê ðàçíîîáðàçèå ðåàêöèé, âîçìîæíûõ äëÿ äàííîãî âåùåñòâà, òàê è èõ ñêîðîñòü. Íàèáîëåå àêòèâíûìè ñ õèìè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ ÿâëÿþòñÿ ýëåìåíòû, èìåþùèå ìèíèìàëüíóþ àòîìíóþ ìàññó è 6—7 ýëåêòðîíîâ íà âíåøíåì ýëåêòðîííîì óðîâíå (ôòîð, õëîð, êèñëîðîä). Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî îíè ñòðåìÿòñÿ äîñòðîèòü ñâîþ ýëåêòðîííóþ îáîëî÷êó ïóòåì ïðèñîåäèíåíèÿ íåäîñòàþùåãî ÷èñëà ýëåêòðîíîâ. Òàêæå áîëüøîé ðåàêöèîííîé ñïîñîáíîñòüþ îòëè÷àþòñÿ ìåòàëëû, îáëàäàþùèå áîëüøîé àòîìíîé ìàññîé è èìåþùèå 1—2 ýëåêòðîíà íà âíåøíåì ýëåêòðîííîì óðîâíå (áàðèé, öåçèé), ñòðåìÿùèåñÿ îòäàòü èõ äëÿ åãî äîñòðîéêè.

Ñîâðåìåííûé îêðóæàþùèé ÷åëîâåêà ìèð çàïîëíåí ìíîãî÷èñëåííûìè ñîåäèíåíèÿìè, îáðàçîâàííûìè ýëåìåíòàìè ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû Ìåíäåëååâà. Âî âðåìåíà ñàìîãî Ìåíäåëååâà áûëî èçâåñòíî âñåãî 62 õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòà.  30-å ãã. XX â. òàáëèöà Ìåíäåëååâà âêëþ÷àëà 88 ýëåìåíòîâ, à âñåãî â íåé áûëî 92 êëåòêè (ýëåìåíò ïîä íîìåðîì 92 — ýòî óðàí). Ñåãîäíÿ íàóêå èçâåñòíî 110 õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ (ýëåìåíò 109 ïîëó÷èë íàçâàíèå ìåéòíåðèé, 110-é ýëåìåíò åùå íå èìååò îôèöèàëüíîãî íàçâàíèÿ), è õèìèêîâ ïðîäîëæàåò âîëíîâàòü âîïðîñ, ñêîëüêî âñåãî ýëåìåíòîâ â òàáëèöå Ìåíäåëååâà.

187

Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî íà ïåðâîíà÷àëüíîé ñòàäèè ðàçâèòèÿ Çåìëè ñóùåñòâîâàëè òðàíñóðàíîâûå ýëåìåíòû ñ ïîðÿäêîâûìè íîìåðàìè äî 106-ãî. Òàêèå ýëåìåíòû èìåëè íåáîëüøóþ ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè ïî ñðàâíåíèþ ñ âîçðàñòîì Çåìëè è ïîýòîìó ïîëíîñòüþ ðàñïàëèñü, íå ñîõðàíèâøèñü äî íàøèõ äíåé. Ñàìûì äîëãîæèâóùèì ýëåìåíòîì èç äàííîé ãðóïïû îêàçàëñÿ ïëóòîíèé-244 ñ ïåðèîäîì ïîëóðàñïàäà 82,2 ìëí. ëåò.  1971 ã. èç ìèíåðàëà áàñòíåçèòà óäàëîñü âûäåëèòü íåêîòîðîå êîëè÷åñòâî àòîìîâ ýòîãî ýëåìåíòà. Íî â îñíîâíîì âñå òðàíñóðàíîâûå ýëåìåíòû áûëè ïîëó÷åíû èñêóññòâåííûì ïóòåì.  1940 ã. áûë ñèíòåçèðîâàí íåïòóíèé, ïîñëå ýòîãî áûëè çàðåãèñòðèðîâàíû åùå 15 òðàíñóðàíîâûõ ýëåìåíòîâ ñ íîìåðàìè äî 107-ãî.

Òðàíñóðàíîâûå ýëåìåíòû ñ àòîìíûìè íîìåðàìè äî 100-ãî ìîæíî ïîëó÷èòü â ÿäåðíîì ðåàêòîðå ïóòåì áîìáàðäèðîâêè ÿäåð èçîòîïà óðàíà-238 íåéòðîíàìè. Áîëåå òÿæåëûå ýëåìåíòû ïîëó÷àþò òîëüêî â óñêîðèòåëÿõ â î÷åíü íåçíà÷èòåëüíûõ êîëè÷åñòâàõ. Äëÿ ýòîãî óðàí áîìáàðäèðóþò èîíàìè êñåíîíà, ãàäîëèíèÿ, ñàìàðèÿ, ãàôíèÿ èëè ñàìîãî óðàíà.  ðåçóëüòàòå ýòîãî îáðàçóþòñÿ î÷åíü òÿæåëûå ïðîìåæóòî÷íûå ÿäðà. Íî òàêèå ðåàêöèè ñòàëè âîçìîæíû ëèøü ñ 1971 ã., êîãäà ïîÿâèëèñü íîâûå ìîùíûå óñêîðèòåëè, ñïîñîáíûå ðàçîãíàòü òÿæåëûå èîíû äî âûñîêèõ ýíåðãèé.

Ñîâðåìåííàÿ òåîðèÿ ïîçâîëÿåò ñ áîëüøîé âåðîÿòíîñòüþ ðàññ÷èòàòü ñòàáèëüíîñòü ñâåðõòÿæåëûõ ýëåìåíòîâ è ïðåäñêàçàòü èõ ôèçè÷åñêèå è õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà. Ïîýòîìó õèìèêè ïðåäïîëàãàþò, ÷òî ýëåìåíòû ñ ïîðÿäêîâûìè íîìåðàìè ìåæäó 114-ì è 164-ì äîëæíû îáëàäàòü íåîæèäàííî âûñîêîé ñòàáèëüíîñòüþ. Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî â ðàéîíå ýòèõ ïîðÿäêîâûõ íîìåðîâ â ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìå äîëæåí ñóùåñòâîâàòü òàê íàçûâàåìûé îñòðîâîê ñòàáèëüíîñòè, íà êîòîðîì âîçìîæíî ïîëó÷åíèå èçîòîïîâ ñ ïåðèîäîì ïîëóðàñïàäà 108 ëåò. Âåðõíÿÿ ãðàíèöà ñòàáèëüíîñòè äîëæíà ïðèáëèæàòüñÿ ê íîìåðó 174. Åñëè ýòè ýëåìåíòû áóäóò ïîëó÷åíû, òî èõ ìîæíî áóäåò èñïîëüçîâàòü â ïðîìûøëåííîì ïðîèçâîäñòâå è ýíåðãåòèêå. Íî äëÿ èõ ñèíòåçà íóæíû íîâûå ýêñïåðèìåíòàëüíûå ìåòîäû è òåõíè÷åñêèå ñðåäñòâà.

Õèìè÷åñêèì ýëåìåíòîì íàçûâàþò âñå àòîìû, èìåþùèå îäèíàêîâûé çàðÿä ÿäðà.

Îñîáîé ðàçíîâèäíîñòüþ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ÿâëÿþòñÿ èçîòîïû, ó êîòîðûõ ÿäðà àòîìîâ îòëè÷àþòñÿ ÷èñëîì íåéòðîíîâ (ïîýòîìó ó íèõ ðàçíàÿ àòîìíàÿ ìàññà), íî ñîäåðæàò îäèíàêîâîå ÷èñëî ïðîòîíîâ è ïîýòîìó çàíèìàþò îäíî è òî æå ìåñòî â ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìå ýëåìåíòîâ. Òåðìèí «èçîòîï» áûë ââåäåí â 1910 ã. Ôðåäåðèêîì Ñîääè, èçâåñòíûì àíãëèéñêèì ðàäèîõèìèêîì, ëàóðåàòîì Íîáåëåâñêîé ïðåìèè. Ðàçëè÷àþò ñòàáèëüíûå (óñòîé÷èâûå) è íåñòàáèëüíûå (ðàäèîàêòèâíûå) èçîòîïû.

188

Ñ ìîìåíòà îòêðûòèÿ èçîòîïîâ íàèáîëüøèé èíòåðåñ âûçâàëè ðàäèîàêòèâíûå èçîòîïû, êîòîðûå ñòàëè øèðîêî èñïîëüçîâàòüñÿ â àòîìíîé ýíåðãåòèêå, ïðèáîðîñòðîåíèè, ìåäèöèíå è ò.ä.  íàñòîÿùåå âðåìÿ âûïóñêàåòñÿ îãðîìíîå êîëè÷åñòâî ðàçëè÷íûõ ïðèáîðîâ, ñîäåðæàùèõ ðàäèîàêòèâíûå èçîòîïû. Îíè ñëóæàò äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïëîòíîñòè, îäíîðîäíîñòè, ãèãðîñêîïè÷íîñòè è äðóãèõ õàðàêòåðèñòèê ìàòåðèàëîâ.

Äîâîëüíî øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ ìåòîä ìå÷åíûõ àòîìîâ, êîòîðûé ïîçâîëÿåò ïðîñëåäèòü çà ïåðåìåùåíèåì õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé ïðè ôèçè÷åñêèõ, õèìè÷åñêèõ è áèîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññàõ Äëÿ ýòîãî â èññëåäóåìîå âåùåñòâî ââîäÿòñÿ ðàäèîàêòèâíûå èçîòîïû îïðåäåëåííûõ ýëåìåíòîâ è âåäåòñÿ íàáëþäåíèå çà èõ ïðîäâèæåíèåì. Òàê ìîæíî ïðîñëåäèòü çà ïðåâðàùåíèåì âåùåñòâ êàê â äîìåííîé ïå÷è, òàê è â æèâîì îðãàíèçìå. Íàïðèìåð, ñ ïîìîùüþ èçîòîïà êèñëîðîäà-18 ñòàëî âîçìîæíûì âûÿñíåíèå ìåõàíèçìà äûõàíèÿ æèâûõ îðãàíèçìîâ.

 ìåäèöèíå ñ ïîìîùüþ ðàäèîàêòèâíûõ èçîòîïîâ ëå÷àò ìíîãèå çàáîëåâàíèÿ, â òîì ÷èñëå îíêîëîãè÷åñêèå. Êðîìå òîãî, áàòàðåè íåáîëüøîé ìîùíîñòè íà èçîòîïàõ ïëóòîíèÿ-238 è êþðèÿ-224 ïðèìåíÿþòñÿ â ïðèáîðàõ äëÿ ñòàáèëèçàöèè ðèòìà ñåðäöà.  õèìè÷åñêîé ïðîìûøëåííîñòè èçîòîïû èñïîëüçóþòñÿ äëÿ îáëó÷åíèÿ ïîëèýòèëåíà è äðóãèõ ïîëèìåðîâ ñ öåëüþ ïîâûøåíèÿ èõ òåðìîñòîéêîñòè è ïðî÷íîñòè.

Òàêèì îáðàçîì, ïðàâèëüíîå èñïîëüçîâàíèå ðàäèîàêòèâíûõ èçîòîïîâ ïðèíîñèò íåñîìíåííóþ ïîëüçó ÷åëîâå÷åñòâó. Ê ñîæàëåíèþ, â ïîñëåäíåå âðåìÿ îá ýòîì ñòàëè çàáûâàòü, âñå ìåíüøå äîâåðÿÿ ðàäèàöèè, êîòîðàÿ àññîöèèðóåòñÿ ñ àòîìíîé áîìáîé èëè ×åðíîáûëüñêîé êàòàñòðîôîé. Çàáûòû òå âðåìåíà, êîãäà ðàäèîàêòèâíîñòü è ðåíòãåíîâñêîå èçëó÷åíèå áûëè òîëüêî ÷òî îòêðûòû è èõ ïîñ÷èòàëè ïàíàöååé â ìåäèöèíå. Ìàëî êòî ïîìíèò î òîì, ÷òî â íà÷àëå XX â. â ñâîáîäíîé ïðîäàæå áûëè ðàäèåâûå ïîäóøêè, ðàäèîàêòèâíàÿ çóáíàÿ ïàñòà è êîñìåòèêà, ñ÷èòàâøèåñÿ ïîëåçíûìè äëÿ çäîðîâüÿ. Óæå â 20—30-å ãã. XX â. ïîÿâèëèñü ïåðâûå ñâèäåòåëüñòâà òîãî, ÷òî ðàäèîàêòèâíîå èçëó÷åíèå íåáëàãîïðèÿòíî âëèÿåò íà æèâûå îðãàíèçìû, âûçûâàÿ ãåíåòè÷åñêèå èçìåíåíèÿ — ìóòàöèè, à òàêæå ðàçëè÷íûå âèäû îíêîëîãè÷åñêèõ çàáîëåâàíèé. Ïîñëåäñòâèÿ àòîìíîé áîìáàðäèðîâêè Õèðîñèìû è Íàãàñàêè ïîäòâåðäèëè ýòè âûâîäû. Ïîýòîìó ñîâðåìåííàÿ ìåäèöèíà äâîéñòâåííî îòíîñèòñÿ ê ðàäèàöèè. Ñ îäíîé ñòîðîíû, ãîâîðèòñÿ, ÷òî òîëüêî â ìàëûõ äîçàõ ðàäèàöèÿ áåçîïàñíà (â ïðèðîäå ñóùåñòâóåò åñòåñòâåííûé ðàäèîàêòèâíûé ôîí), ñ äðóãîé — ïðîäîëæàþò èñïîëüçîâàòü ðåíòãåíîâñêîå îáñëåäîâàíèå è ëó÷åâóþ òåðàïèþ â ëå÷åáíûõ öåëÿõ.

Êîíöåïöèÿ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé

Äîëãîå âðåìÿ õèìèêè ýìïèðè÷åñêèì ïóòåì îïðåäåëÿëè, ÷òî îòíîñèòñÿ ê õèìè÷åñêèì ñîåäèíåíèÿì, à ÷òî — ê ïðîñòûì òåëàì èëè

189

ñìåñÿì. Åùå â íà÷àëå XIX â. Æ. Ïðóñò ñôîðìóëèðîâàë çàêîí ïîñòîÿíñòâà ñîñòàâà, â ñîîòâåòñòâèè ñ êîòîðûì ëþáîå èíäèâèäóàëüíîå õèìè÷åñêîå ñîåäèíåíèå îáëàäàåò ñòðîãî îïðåäåëåííûì, íåèçìåííûì ñîñòàâîì — ïðî÷íûì ïðèòÿæåíèåì ñîñòàâíûõ ÷àñòåé (àòîìîâ) è òåì ñàìûì îòëè÷àåòñÿ îò ñìåñåé. Òàêæå Ïðóñò óñòàíîâèë, ÷òî âñÿêîå ÷èñòîå âåùåñòâî íåçàâèñèìî îò åãî ïðîèñõîæäåíèÿ è ñïîñîáà ïîëó÷åíèÿ èìååò îäèí è òîò æå ñîñòàâ.

Òåîðåòè÷åñêîå îáîñíîâàíèå çàêîíà Ïðóñòà áûëî äàíî Äæ. Äàëüòîíîì â çàêîíå êðàòíûõ îòíîøåíèé. Ñîãëàñíî ýòîìó çàêîíó ñîñòàâ ëþáîãî âåùåñòâà ìîæíî ïðåäñòàâèòü êàê ïðîñòóþ ôîðìóëó, à ýêâèâàëåíòíûå ñîñòàâíûå ÷àñòè ìîëåêóëû — àòîìû, îáîçíà÷àâøèåñÿ ñîîòâåòñòâóþùèìè ñèìâîëàìè, ìîãëè çàìåùàòüñÿ íà äðóãèå àòîìû.

Ïîñëå ýòîãî äîëãî ñ÷èòàëè, ÷òî ñîñòàâ õèìè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ ìîæåò áûòü òîëüêî ïîñòîÿííûì. Íî äàëüíåéøåå ðàçâèòèå õèìèè è èçó÷åíèå âñå áîëüøåãî ÷èñëà ñîåäèíåíèé ïðèâîäèëè õèìèêîâ ê ìûñëè, ÷òî íàðÿäó ñ âåùåñòâàìè, èìåþùèìè ïîñòîÿííûé ñîñòàâ, ñóùåñòâóþò åùå è ñîåäèíåíèÿ ïåðåìåííîãî ñîñòàâà, èëè áåðòîëëè-äû.  ðåçóëüòàòå áûëè ïåðåîñìûñëåíû ïðåäñòàâëåíèÿ î ìîëåêóëå â öåëîì. Ìîëåêóëîé, êàê è ïðåæäå, ïðîäîëæàëè íàçûâàòü íàèìåíüøóþ ÷àñòè÷êó âåùåñòâà, ñïîñîáíóþ îïðåäåëÿòü åãî ñâîéñòâà è ñóùåñòâîâàòü ñàìîñòîÿòåëüíî. Íî â XX â. áûëà ïîíÿòà ñóùíîñòü õèìè÷åñêîé ñâÿçè, êîòîðàÿ ñòàëà ïîíèìàòüñÿ êàê âèä âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó àòîìàìè è àòîìíî-ìîëåêóëÿðíûìè ÷àñòèöàìè, îáóñëîâëåííûé ñîâìåñòíûì èñïîëüçîâàíèåì èõ ýëåêòðîíîâ. Ñóùåñòâóþò êîâà-ëåíòíûå ïîëÿðíûå, êîâàëåíòíûå íåïîëÿðíûå èîííûå, âîäîðîäíûå è ìåòàëëè÷åñêèå õèìè÷åñêèå ñâÿçè, îòëè÷àþùèåñÿ õàðàêòåðîì ôèçè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ÷àñòèö ìåæäó ñîáîé.

Ïîýòîìó òåïåðü ïîä õèìè÷åñêèì ñîåäèíåíèåì ïîíèìàþò îïðåäåëåííîå âåùåñòâî, ñîñòîÿùåå èç îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, àòîìû êîòîðûõ çà ñ÷åò âçàèìîäåéñòâèÿ äðóã ñ äðóãîì îáúåäèíåíû â ÷àñòèöó, îáëàäàþùóþ óñòîé÷èâîé ñòðóêòóðîé — ìîëåêóëó, êîìïëåêñ, ìîíîêðèñòàëë èëè èíîé àãðåãàò.

Ïðîáëåìà ñîçäàíèÿ íîâûõ ìàòåðèàëîâ

Íà ñåãîäíÿøíèé äåíü íàóêå èçâåñòíî 110 õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, íî ïî óäåëüíîìó âåñó îíè ðàñïðåäåëåíû êðàéíå íåðàâíîìåðíî. Òàê, 98,6% ìàññû ôèçè÷åñêè äîñòóïíîãî ñëîÿ Çåìëè ñîñòàâëÿþò âñåãî âîñåìü õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ: êèñëîðîä (47%), êðåìíèé (27,5), àëþìèíèé (8,8), æåëåçî (4,6), êàëüöèé (3,6), íàòðèé (2,6), êàëèé (2,5), ìàãíèé (2,1). Îäíàêî âñå ýòè ýëåìåíòû èñïîëüçóþòñÿ íåïðîïîðöèîíàëüíî. Íàïðèìåð, æåëåçà ñîäåðæèòñÿ â Çåìëå â äâà

190

ðàçà ìåíüøå, ÷åì àëþìèíèÿ. Îäíàêî äëÿ áîëåå 95% âñåõ ìåòàëëè÷åñêèõ èçäåëèé èçãîòàâëèâàþòñÿ èç æåëåçîðóäíîãî ñûðüÿ. Ïîýòîìó äëÿ ñîâðåìåííîé õèìèè âàæíåéøåé çàäà÷åé ÿâëÿåòñÿ ðàöèîíàëüíîå èñïîëüçîâàíèå èìåþùèõñÿ ðåñóðñîâ. Äëÿ ýòîãî íóæíî èñïîëüçîâàòü õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû â ïðîèçâîäñòâå â ñîîòâåòñòâèè ñ èõ ðåàëüíûìè ðåñóðñàìè â ïðèðîäå, çàìåíèòü äåôèöèòíîå ñûðüå èìåþùèìñÿ â èçîáèëèè, óòèëèçèðîâàòü îòõîäû è èñïîëüçîâàòü âòîðè÷íîå ñûðüå.

Ñåãîäíÿ íà ñìåíó ñòàðûì ìàòåðèàëàì ïðèõîäÿò íîâûå. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî íîâûå ìàòåðèàëû áîëåå ýôôåêòèâíû, ÷åì ñòàðûå. Êðîìå òîãî, íóæíî èñêàòü çàìåíèòåëè òðàäèöèîííûì âèäàì ñûðüÿ. Ïîýòîìó èññëåäîâàíèÿ ó÷åíûõ íàïðàâëåíû íà èçó÷åíèå è èñïîëüçîâàíèå ñèëèêàòîâ, êîòîðûå ñîñòàâëÿþò 97% ìàññû çåìíîé êîðû. Èìåííî îíè äîëæíû ñòàòü îñíîâíûì ñûðüåì äëÿ ïðîèçâîäñòâà âñåõ ñòðîèòåëüíûõ ìàòåðèàëîâ è ïîëóôàáðèêàòîâ ïðè èçãîòîâëåíèè êåðàìèêè, ñïîñîáíîé êîíêóðèðîâàòü ñ ìåòàëëàìè.

Âíèìàíèå õèìèêîâ ê ìåòàëëàì è êåðàìèêå íå ñëó÷àéíî, èìåííî îíè ñîñòàâëÿþò íà 90% ñîâðåìåííóþ ìàòåðèàëüíî-òåõíè÷åñêóþ áàçó ïðîèçâîäñòâà.  ìèðå åæåãîäíî âûïëàâëÿåòñÿ îêîëî 600 ìëí. ò ìåòàëëà — áîëåå 150 êã íà êàæäîãî æèòåëÿ ïëàíåòû. Ïðèìåðíî ñòîëüêî æå ïðîèçâîäèòñÿ è êåðàìèêè âìåñòå ñ êèðïè÷îì. Íî ìåòàëëîâ íå òàê ìíîãî, êðîìå òîãî, èõ èçãîòîâëåíèå îáõîäèòñÿ â ñîòíè è òûñÿ÷è ðàç äîðîæå, ÷åì ïîëó÷åíèå êåðàìèêè. Ðàçíèöà â èõ ñòîèìîñòè äî íåäàâíåãî âðåìåíè íèêîãî îñîáåííî íå âîëíîâàëà, òàê êàê êàæäûé ìàòåðèàë èìåë ñâîå ñòðîãî îïðåäåëåííîå íàçíà÷åíèå. Îäíàêî áëàãîäàðÿ ðàçâèòèþ õèìèè îòêðûâàåòñÿ âñå áîëüøå âîçìîæíîñòåé äëÿ çàìåíû ìåòàëëà êåðàìèêîé. Î÷åâèäíîå ïðåèìóùåñòâî êåðàìèêè ñîñòîèò â òîì, ÷òî åå ïëîòíîñòü íà 40% íèæå, ÷åì ïëîòíîñòü ìåòàëëîâ. Ýòî ïîçâîëÿåò ñîîòâåòñòâåííî ñíèçèòü ìàññó èçãîòîâëÿåìûõ èç êåðàìèêè äåòàëåé. À èñïîëüçóÿ â ïðîèçâîäñòâå êåðàìèêè òàêèå õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû, êàê öèðêîíèé, òèòàí, áîð, ãåðìàíèé, õðîì, ìîëèáäåí, âîëüôðàì è äð., ìîæíî ïîëó÷àòü êåðàìè÷åñêèå èçäåëèÿ ñ çàðàíåå çàäàííûìè ñâîéñòâàìè.

Òàê, ñòåêëî äîëãîå âðåìÿ èñïîëüçîâàëîñü ëèøü â êà÷åñòâå óêðàøåíèé, èç íåãî èçãîòàâëèâàëèñü áóñèíû. Çàòåì èç ñòåêëà ñòàëè èçãîòàâëèâàòü ïîñóäó, îêîííûå ñòåêëà è ò.ä. Ê XX â. íàó÷èëèñü óæå âûïëàâëÿòü ñòåêëî áîëåå 800 ðàçíîâèäíîñòåé, èç íåãî äåëàëè îêîëî 43 òûñÿ÷ ðàçëè÷íûõ èçäåëèé. Íî ñòåêëî îáëàäàëî ñåðüåçíûì íåäîñòàòêîì — îíî áûëî õðóïêèì, èçäåëèÿ èç íåãî ëåãêî áèëèñü è ëîìàëèñü. Ïîýòîìó âàæíåéøåé çàäà÷åé ó÷åíûõ è èíæåíåðîâ â XX â. ñòàëî ïîëó÷åíèå íåáüþùåãîñÿ ñòåêëà. Ýòî ñòàëî âîçìîæíûì ïîñëå òîãî, êàê â 20—30-å ãã. XX â. áûëà âûÿñíåíà åãî ñòðóêòóðà. Ïîñëå ýòîãî ïîÿâèëàñü âîçìîæíîñòü äåëàòü ñòåêëî íå òîëüêî íåáüþùèìñÿ, íî è æàðîïðî÷íûì, ñïîñîáíûì âûäåðæèâàòü ïåðåïàäû òåìïåðàòóð îò 1000°Ñ äî êîìíàòíîé òåìïåðàòóðû. Êðîìå òîãî, áûëî ïîëó÷åíî ñòåê-

191

ëî, êîòîðîå ìîæíî îáðàáàòûâàòü, êàê îáû÷íûé ìåòàëë. À êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû, èçãîòîâëåííûå èç õèìè÷åñêè îáðàáîòàííîãî ñòåêëà ñî ñëîÿìè ïëàñòèêà, îáëàäàþò ïðî÷íîñòüþ ìåòàëëà (áðîíåñòåêëî). Ñòåêëà ñ íàïûëåííûì íà íèõ òîíêèì ñëîåì ìåòàëëà ëåòîì çàäåðæèâàþò ëó÷è ïàëÿùåãî ñîëíöà, à çèìîé ñîõðàíÿþò òåïëî.

Ïðîèçâîäèòñÿ îãðîìíîå êîëè÷åñòâî ñòåêëîâîëîêíèñòûõ ìàòåðèàëîâ, êîòîðûå èñïîëüçóþòñÿ äëÿ àðìèðîâàíèÿ, îòäåëêè, ñêëåèâàíèÿ, äåêîðèðîâàíèÿ, èçîëèðîâàíèÿ è ò.ï. Êðîìå òîãî, ñòåêëîâîëîêíî èñïîëüçóåòñÿ â êà÷åñòâå ñâåòîïðîâîäà, ïî êîòîðîìó ìîæíî ïåðåäàòü áîëüøîå êîëè÷åñòâî èíôîðìàöèè.

Åñëè òðàäèöèîííîå ñòåêëî ÿâëÿåòñÿ õîðîøèì èçîëÿòîðîì, òî â ïîñëåäíåå âðåìÿ ïîÿâèëîñü ñòåêëî ñ ïîëóïðîâîäíèêîâûìè ñâîéñòâàìè, êîòîðîå èçãîòàâëèâàåòñÿ ìåòîäîì òîíêîïëåíî÷íîé òåõíîëîãèè. Òàêèì îáðàçîì, îáëàñòü ïðèìåíåíèÿ ñòåêëà ïîñòîÿííî ðàñøèðÿåòñÿ, òðàäèöèîííûé ìàòåðèàë ïðèîáðåë íîâûå ñâîéñòâà.

Ìåíÿþò â íàøè äíè ñâîè ñâîéñòâà è ñèëèêàòíûå è êåðàìè÷åñêèå ìàòåðèàëû, òàêæå äàâíî èçâåñòíûå ÷åëîâåêó. 90% âñåõ ïðîèçâîäèìûõ â ìèðå ñòðîèòåëüíûõ ìàòåðèàëîâ ïðèõîäèòñÿ íà ñèëèêàòû. Ê íèì îòíîñÿòñÿ äàâíî èçâåñòíûå ÷åëîâåêó (ñî âðåìåí ýòðóñêîâ) áåòîí è öåìåíò, à òàêæå ñîâðåìåííûå ìàòåðèàëû — âûñîêîïðî÷íûé ïîëèìåð-áåòîí; îãíåóïîðíûé áåòîí, âûäåðæèâàþùèé òåìïåðàòóðó äî 1800°Ñ; ëåãêèé áåòîí, â êîòîðûé ìîæíî çàáèâàòü ãâîçäè; áåòîí ñ âûñîêèìè òåïëîèçîëèðóþùèìè ñâîéñòâàìè; áåòîí ñ ìàëûì âëàãîïîãëîùåíèåì.

Òðàäèöèîííàÿ êåðàìèêà — ýòî ôàÿíñ, ôàðôîð, êàìåííàÿ êåðàìèêà, êîòîðóþ ïîëó÷àþò èç ñìåñè ãëèíû, êâàðöà è ïîëåâîãî øïàòà, îáðàáîòàííîé ïðè âûñîêîé òåìïåðàòóðå. Èç êåðàìèêè èçãîòàâëèâàþòñÿ êèðïè÷è ðàçíûõ âèäîâ, èçîëÿòîðû, à òàêæå ðàçëè÷íûå âèäû ïîñóäû.  ïîñëåäíåå âðåìÿ áûëà ïîëó÷åíà êåðàìèêà âûñîêîé òåðìè÷åñêîé è êîððîçèîííîé ñòîéêîñòè è ïðî÷íîñòè. Íåêîòîðûå êåðàìè÷åñêèå ìàòåðèàëû íà÷èíàþò ðàçðóøàòüñÿ òîëüêî ïðè òåìïåðàòóðå âûøå 1600°Ñ.  ñîñóäàõ èç òàêîé êåðàìèêè ìîæíî ïëàâèòü ìåòàëëû, èç íåå ìîæíî äåëàòü êàìåðû ñãîðàíèÿ äëÿ êîñìè÷åñêèõ ðàêåò è äåòàëè äëÿ ìåòàëëîðåæóùèõ èíñòðóìåíòîâ. À â íà÷àëå 90-õ ãã. XX â. áûë ñèíòåçèðîâàí êåðàìè÷åñêèé ìàòåðèàë íà îñíîâå îêñèäîâ ìåäè, îáëàäàþùèé ñâîéñòâîì âûñîêîòåìïåðàòóðíîé ñâåðõïðîâîäèìîñòè — îí ïåðåõîäèò â ñâåðõïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå ïðè 170 Ê.

 XX â. íàðÿäó ñ òðàäèöèîííûìè ìàòåðèàëàìè ïîÿâèëèñü íîâûå — ïîëèìåðíûå è ñèíòåòè÷åñêèå. Îíè íàõîäÿò âñå áîëüøåå ïðèìåíåíèå, ïîòåñíèâ òðàäèöèîííûå ìàòåðèàëû.

Íà îñíîâå ïðèðîäíûõ è ñèíòåòè÷åñêèõ ïîëèìåðîâ ïîëó÷àþò ïëàñòìàññû — ìàòåðèàëû, ñïîñîáíûå ïðèîáðåòàòü çàäàííóþ ôîðìó ïðè íàãðåâàíèè ïîä äàâëåíèåì è óñòîé÷èâî ñîõðàíÿòü åå ïîñëå îõëàæäåíèÿ. Îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ ïîëèìåðîâ âåñüìà ðàçíîîáðàçíû — îò òåêñòèëüíîé ïðîìûøëåííîñòè äî ìèêðîýëåêòðîíèêè. Ãëàâíîå äîñòîèíñòâî ýòèõ ìàòåðèàëîâ — èõ äåøåâèçíà è ëåãêîñòü â ïåðåðàáîòêå.

192

Êðîìå òîãî, ñîçäàíû ïëàñòìàññû, ñïîñîáíûå çàìåíèòü ìåòàëëû, òåðìîñòîéêèå ïëàñòìàññû äëÿ àâèàöèîííîé è ðàêåòíîé òåõíèêè. Âñå áîëüøå ïëàñòìàññ èñïîëüçóåòñÿ â ñòðîèòåëüñòâå — ïëàñòìàññîâûå ðàìû, îáëèöîâî÷íûå ìàòåðèàëû, êðîâëÿ è ò.ä. Ñóùåñòâóþò ïðîåêòû ñîçäàíèÿ ïîëíîñòüþ ïëàñòìàññîâûõ àâòîìîáèëåé, ò.å. äîëÿ ïëàñòìàññ ïî ñðàâíåíèþ ñ ìåòàëëàìè ñòàíîâèòñÿ âñå áîëüøå.

Íàñòîÿùàÿ ðåâîëþöèÿ ïðîèçîøëà â òåêñòèëüíîé ïðîìûøëåííîñòè, â êîòîðîé óâåëè÷èâàåòñÿ äîëÿ èñêóññòâåííûõ òêàíåé è ñèíòåòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ. Áîëåå 50% ñîâðåìåííûõ âîëîêîí ïðîèçâîäèòñÿ èç ìàòåðèàëîâ, ñèíòåçèðîâàííûõ çà ïîñëåäíèå ïîëâåêà, — âèñêîçû, ïîëèàìèäà, ïîëèàêðèëîíèòðèëà è ïîëèýôèðîâ. Ðàçðàáîòàíû òåõíîëîãèè õèìè÷åñêîé îáðàáîòêè è îòäåëêè òêàíåé èç íàòóðàëüíûõ âîëîêîí — îáðàáîòêà øåðñòè äëÿ îáåñïå÷åíèÿ óñòîé÷èâîñòè ïðîòèâ ìîëè, óìåíüøåíèå óñàäêè ìàòåðèàëà è ïðèäàíèå åìó íåñìèíàåìîñòè, îáåñïå÷åíèå àíòèñòàòè÷åñêèõ, àíòèìèêðîáíûõ è ãðÿ-çåîòòàëêèâàþùèõ ñâîéñòâ.

 íàñòîÿùåå âðåìÿ õèìèêè ðàáîòàþò íàä ñîçäàíèåì íîâîãî ïîêîëåíèÿ èñêóññòâåííûõ âîëîêîí ñî ñâîéñòâàìè, ìàêñèìàëüíî ïðèáëèæåííûìè ê åñòåñòâåííûì ìàòåðèàëàì. Óæå ñîçäàíû òêàíè, îáëàäàþùèå âûñîêîé ñòåïåíüþ çàùèòû îò ñîëíå÷íûõ ëó÷åé. Ïðîèçâîäÿòñÿ òêàíè, îáëàäàþùèå ëó÷øèìè ñâîéñòâàìè ëüíà, õëîïêà, øåðñòè. Ïîÿâèëèñü ìèêðîâîëîêíà ñ äèàìåòðîì â äåñÿòü ðàç òîíüøå âîëîñà. Îíè ïîçâîëÿþò òêàòü ìàòåðèàëû ìÿãêèå, çàùèùàþùèå îò ñûðîñòè, íî ïðîïóñêàþùèå ïðè ýòîì âîçäóõ ê òåëó. Ïóñòîòåëûå âîëîêíà, òàêæå ðàçðàáîòàííûå õèìèêàìè, ëó÷øå ïðîòèâîñòîÿò õîëîäó. Åñòü âîëîêíà ñ òðèêëîçàíîì — âåùåñòâîì, îñòàíàâëèâàþùèì ðàçìíîæåíèå ìèêðîáîâ. Îäíîé èç ðàçíîâèäíîñòåé ñèíòåòè÷åñêèõ òêàíåé ÿâëÿåòñÿ êåâëàð — ìàòåðèàë, êîòîðûé â ïÿòü ðàç ïðî÷íåå íà ðàçðûâ, ÷åì ñòàëü. Îí èäåò íà èçãîòîâëåíèå ïóëåíåïðîáèâàåìûõ æèëåòîâ, êóðòîê è ò.ä. Ñîçäàíèå êîñìè÷åñêèõ ñêàôàíäðîâ — òàêæå çàñëóãà õèìèêîâ.  òêàíü ñêàôàíäðà âñòðîåíû ìèëëèîíû ìèêðîñêîïè÷åñêèõ êàïñóë ñ ïàðàôèíîì, êîòîðûå ïðè íàãðåâàíèè ïëàâÿòñÿ è îòáèðàþò òåïëî ó âåùåñòâ, íàõîäÿùèõñÿ ðÿäîì, à ïðè îõëàæäåíèè îòâåðäåâàþò è âûäåëÿþò òåïëî, ñîãðåâàþùåå êîñìîíàâòà.

Ñèíòåç óíèêàëüíûõ ìàòåðèàëîâ çàñòàâëÿåò ïî-íîâîìó èññëåäîâàòü âñå õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû è íàêàïëèâàòü äàííûå äëÿ ïðîèçâîäñòâà íîâûõ ìàòåðèàëîâ.

8.3. Âòîðîé óðîâåíü õèìè÷åñêîãî çíàíèÿ. Ñòðóêòóðíàÿ õèìèÿ

Ìíîãî÷èñëåííûå ýêñïåðèìåíòû ïî èçó÷åíèþ ñâîéñòâ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ â ïåðâîé ïîëîâèíå XIX â. ïðèâåëè ó÷åíûõ ê óáåæ-

193

äåíèþ, ÷òî ñâîéñòâà âåùåñòâ è èõ êà÷åñòâåííîå ðàçíîîáðàçèå îáóñëîâëåíû íå òîëüêî ñîñòàâîì ýëåìåíòîâ, íî è ñòðóêòóðîé èõ ìîëåêóë. Ê ýòîìó âðåìåíè ìàíóôàêòóðíîå ïðîèçâîäñòâî ñìåíèëîñü ôàáðè÷íûì, îïèðàþùèìñÿ íà ìàøèííóþ òåõíèêó è øèðîêóþ ñûðüåâóþ áàçó.  õèìè÷åñêîì ïðîèçâîäñòâå ñòàëà ïðåîáëàäàòü ïåðåðàáîòêà îãðîìíûõ ìàññ âåùåñòâà ðàñòèòåëüíîãî è æèâîòíîãî ïðîèñõîæäåíèÿ. Êà÷åñòâåííîå ðàçíîîáðàçèå äàííûõ âåùåñòâ ïîòðÿñàþùå âåëèêî — ñîòíè òûñÿ÷ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, ñîñòàâ êîòîðûõ, òåì íå ìåíåå, êðàéíå îäíîîáðàçåí, òàê êàê îíè ñîñòîÿò èç íåñêîëüêèõ ýëåìåíòîâ-îðãàíîãåíîâ. Ýòî — óãëåðîä, âîäîðîä, êèñëîðîä, ñåðà, àçîò, ôîñôîð. Îáúÿñíåíèå íåîáû÷àéíî øèðîêîìó ðàçíîîáðàçèþ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé ïðè ñòîëü áåäíîì ýëåìåíòíîì ñîñòàâå áûëî íàéäåíî â ÿâëåíèÿõ, ïîëó÷èâøèõ íàçâàíèÿ èçîìåðèè è ïîëèìåðèè. Òàê áûëî ïîëîæåíî íà÷àëî âòîðîìó óðîâíþ ðàçâèòèÿ õèìè÷åñêèõ çíàíèé, êîòîðûé ïîëó÷èë íàçâàíèå ñòðóêòóðíîé õèìèè.

Ñòðóêòóðíàÿ õèìèÿ ñòàëà áîëåå âûñîêèì óðîâíåì ïî îòíîøåíèþ ê ó÷åíèþ î ñîñòàâå âåùåñòâà. Ïðè ýòîì õèìèÿ èç íàóêè ïðåèìóùåñòâåííî àíàëèòè÷åñêîé ïðåâðàòèëàñü â íàóêó ñèíòåòè÷åñêóþ. Ãëàâíûì äîñòèæåíèåì ýòîãî ýòàïà ðàçâèòèÿ õèìèè ñòàëî óñòàíîâëåíèå ñâÿçè ìåæäó ñòðóêòóðîé ìîëåêóë è ðåàêöèîííîé ñïîñîáíîñòüþ âåùåñòâ.

Ñàì òåðìèí «ñòðóêòóðíàÿ õèìèÿ» — ïîíÿòèå óñëîâíîå.  íåì, ïðåæäå âñåãî, ïîäðàçóìåâàåòñÿ òàêîé óðîâåíü õèìè÷åñêèõ çíàíèé, ïðè êîòîðîì, êîìáèíèðóÿ àòîìû ðàçëè÷íûõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, ìîæíî ñîçäàòü ñòðóêòóðíûå ôîðìóëû ëþáîãî õèìè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ. Âîçíèêíîâåíèå ñòðóêòóðíîé õèìèè îçíà÷àëî, ÷òî ïîÿâèëàñü âîçìîæíîñòü äëÿ öåëåíàïðàâëåííîãî êà÷åñòâåííîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ âåùåñòâ, ñîçäàíèÿ ñõåìû ñèíòåçà ëþáûõ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, â òîì ÷èñëå è ðàíåå íåèçâåñòíûõ.

Îñíîâû ñòðóêòóðíîé õèìèè áûëè çàëîæåíû åùå Äæ. Äàëüòîíîì, êîòîðûé ïîêàçàë, ÷òî ëþáîå õèìè÷åñêîå âåùåñòâî ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñîâîêóïíîñòü ìîëåêóë, ñîñòîÿùèõ èç îïðåäåëåííîãî êîëè÷åñòâà àòîìîâ îäíîãî, äâóõ èëè òðåõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Çàòåì È. Áåð-öåëèóñ âûäâèíóë èäåþ, ÷òî ìîëåêóëà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íå ïðîñòîå íàãðîìîæäåíèå àòîìîâ, à îïðåäåëåííóþ óïîðÿäî÷åííóþ ñòðóêòóðó àòîìîâ, ñâÿçàííûõ ìåæäó ñîáîé ýëåêòðîñòàòè÷åñêèìè ñèëàìè. Êàê ïîçæå ïîêàçàë õèìèê Ø. Æåðàð, ýòî óòâåðæäåíèå áûëî âåðíî íå âñåãäà, ïîýòîìó åùå â ñåðåäèíå XIX â. ñòðóêòóðà ìîëåêóë îñòàâàëàñü çàãàäî÷íîé.

 1857 ã. íåìåöêèé õèìèê À. Êåêóëå îïóáëèêîâàë ñâîè íàáëþäåíèÿ î ñâîéñòâàõ íåêîòîðûõ ýëåìåíòîâ, ìîãóùèõ çàìåíÿòü àòîìû âîäîðîäà â ðÿäå ñîåäèíåíèé, è ââåë íîâûé òåðìèí — ñðîäñòâî. Îí ñòàë îáîçíà÷àòü êîëè÷åñòâî àòîìîâ âîäîðîäà, êîòîðûå ìîæåò çàìåñòèòü äàííûé õèìè÷åñêèé ýëåìåíò. ×èñëî åäèíèö ñðîäñòâà, ïðèñó-

194

ùåå äàííîìó õèìè÷åñêîìó ýëåìåíòó, Êåêóëå íàçâàë âàãåíòíîñòûî. Ïðè îáúåäèíåíèè àòîìîâ â ìîëåêóëó ïðîèñõîäèëî çàìûêàíèå ñâîáîäíûõ åäèíèö ñðîäñòâà. Òàêèì îáðàçîì, ïîíÿòèå «ñòðóêòóðà ìîëåêóëû» ñâåëîñü ê ïîñòðîåíèþ íàãëÿäíûõ ôîðìóëüíûõ ñõåì, êîòîðûå ñëóæèëè õèìèêàì ðóêîâîäñòâîì â èõ ïðàêòè÷åñêîé ðàáîòå, ïîêàçûâàëè, êàêèå èñõîäíûå âåùåñòâà íóæíî áðàòü äëÿ ïîëó÷åíèÿ êîíå÷íîãî ïðîäóêòà.

Ñòðóêòóðíàÿ õèìèÿ ïîçâîëÿåò íàãëÿäíî äåìîíñòðèðîâàòü âàëåíòíîñòü õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ êàê ÷èñëî åäèíèö ñðîäñòâà, ïðèñóùèõ àòîìó: =Ñ=; -Î-; Í-. Êîìáèíèðóÿ àòîìû ðàçëè÷íûõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ñ èõ åäèíèöàìè ñðîäñòâà, ìîæíî ñîçäàòü ñòðóêòóðíûå ôîðìóëû ëþáîãî õèìè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ. À ýòî îçíà÷àåò, ÷òî õèìèê â ïðèíöèïå ìîæåò ñîçäàâàòü ïëàí ñèíòåçà ëþáîãî õèìè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ — êàê óæå èçâåñòíîãî, òàê è åùå íåîòêðûòîãî. Òî åñòü õèìèê ìîæåò ïðîãíîçèðîâàòü ïîëó÷åíèå íåèçâåñòíîãî ñîåäèíåíèÿ è ïðîâåðèòü ñâîé ïðîãíîç ñèíòåçîì.

Ê ñîæàëåíèþ, ñõåìû Êåêóëå íå âñåãäà ìîæíî áûëî îñóùåñòâèòü íà ïðàêòèêå. ×àñòî ïðèäóìàííàÿ õèìèêàìè ðåàêöèÿ, êîòîðàÿ äîëæíà áûëà ïðèâåñòè ê ïîëó÷åíèþ âåùåñòâà ñ íóæíîé ñòðóêòóðíîé ôîðìóëîé, íå ïðîèñõîäèëà. Ýòî áûëî âûçâàíî òåì, ÷òî ïîäîáíûå ôîðìàëüíûå ñõåìû íå ó÷èòûâàëè ðåàêöèîííîé ñïîñîáíîñòè âåùåñòâ, âñòóïàâøèõ â õèìè÷åñêóþ ðåàêöèþ.

Ïîýòîìó âàæíåéøèì øàãîì â ðàçâèòèè ñòðóêòóðíîé õèìèè ñòàëî ñîçäàíèå òåîðèè õèìè÷åñêîãî ñòðîåíèÿ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé ðóññêèì õèìèêîì À.Ì. Áóòëåðîâûì. Áóòëåðîâ âñëåä çà Êåêóëå ïðèçíàâàë, ÷òî îáðàçîâàíèå ìîëåêóë èç àòîìîâ ïðîèñõîäèò çà ñ÷åò çàìûêàíèÿ ñâîáîäíûõ åäèíèö ñðîäñòâà, íî ïðè ýòîì îí óêàçûâàë íà òî, ñ êàêîé ýíåðãèåé (áîëüøåé èëè ìåíüøåé) ýòî ñðîäñòâî ñâÿçûâàåò âåùåñòâà ìåæäó ñîáîé. Èíûìè ñëîâàìè, Áóòëåðîâ âïåðâûå â èñòîðèè õèìèè îáðàòèë âíèìàíèå íà ýíåðãåòè÷åñêóþ íåðàâíîöåííîñòü ðàçíûõ õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé. Ýòà òåîðèÿ ïîçâîëèëà ñòðîèòü ñòðóêòóðíûå ôîðìóëû ëþáîãî õèìè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ, òàê êàê ïîêàçûâàëà âçàèìíîå âëèÿíèå àòîìîâ â ñòðóêòóðå ìîëåêóëû, à ÷åðåç ýòî îáúÿñíÿëà õèìè÷åñêóþ àêòèâíîñòü îäíèõ âåùåñòâ è ïàññèâíîñòü äðóãèõ. Êðîìå òîãî, îíà óêàçûâàëà íà íàëè÷èå àêòèâíûõ öåíòðîâ è àêòèâíûõ ãðóïïèðîâîê â ñòðóêòóðå ìîëåêóë.

 XX â. ñòðóêòóðíàÿ õèìèÿ ïîëó÷èëà äàëüíåéøåå ðàçâèòèå.  ÷àñòíîñòè, áûëî óòî÷íåíî ïîíÿòèå ñòðóêòóðû, ïîä êîòîðîé ñòàëè ïîíèìàòü óñòîé÷èâóþ óïîðÿäî÷åííîñòü êà÷åñòâåííî íåèçìåííîé ñèñòåìû. Òàêæå áûëî ââåäåíî ïîíÿòèå àòîìíîé ñòðóêòóðû — óñòîé÷èâîé ñîâîêóïíîñòè ÿäðà è îêðóæàþùèõ åãî ýëåêòðîíîâ, íàõîäÿùèõñÿ â ýëåêòðîìàãíèòíîì âçàèìîäåéñòâèè äðóã ñ äðóãîì, è ìîëåêóëÿðíîé ñòðóêòóðû — ñî÷åòàíèÿ îãðàíè÷åííîãî ÷èñëà àòîìîâ, èìåþùèõ çàêîíîìåðíîå ðàñïîëîæåíèå â ïðîñòðàíñòâå è ñâÿçàííûõ äðóã ñ äðóãîì õèìè÷åñêîé ñâÿçüþ ñ ïîìîùüþ âàëåíòíûõ ýëåêòðîíîâ.

195

Íà îñíîâå äîñòèæåíèé ñòðóêòóðíîé õèìèè ó èññëåäîâàòåëåé ïîÿâèëàñü óâåðåííîñòü â ïîëîæèòåëüíîì èñõîäå ýêñïåðèìåíòîâ â îáëàñòè îðãàíè÷åñêîãî ñèíòåçà. Ñàì òåðìèí «îðãàíè÷åñêèé ñèíòåç» ïîÿâèëñÿ â 1860—1880-å ãã. è ñòàë îáîçíà÷àòü öåëóþ îáëàñòü íàóêè, íàçâàííóþ òàê â ïðîòèâîïîëîæíîñòü îáùåìó óâëå÷åíèþ àíàëèçîì ïðèðîäíûõ âåùåñòâ. Ýòîò ïåðèîä â õèìèè áûë íàçâàí òðèóìôàëüíûì øåñòâèåì îðãàíè÷åñêîãî ñèíòåçà. Õèìèêè ãîðäî çàÿâëÿëè î ñâîèõ íè÷åì íå ñäåðæèâàåìûõ âîçìîæíîñòÿõ, îáåùàÿ ñèíòåçèðîâàòü èç óãëÿ, âîäû è âîçäóõà âñå ñàìûå ñëîæíûå òåëà, âïëîòü äî áåëêîâ, ãîðìîíîâ è ïð. È äåéñòâèòåëüíîñòü, êàçàëîñü, ïîäòâåðæäàëà ýòè çàÿâëåíèÿ: çà âòîðóþ ïîëîâèíó XIX â. ÷èñëî îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé çà ñ÷åò âíîâü ñèíòåçèðîâàííûõ âîçðîñëî ñ ïîëóìèëëèîíà äî äâóõ ìèëëèîíîâ.

 ýòî âðåìÿ ïîÿâèëèñü âñåâîçìîæíûå àçîêðàñèòåëè äëÿ òåêñòèëüíîé ïðîìûøëåííîñòè, ðàçëè÷íûå ïðåïàðàòû äëÿ ôàðìàöèè, èñêóññòâåííûé øåëê è ò.ä. Äî ýòîãî ïîäîáíûå ìàòåðèàëû äîáûâàëèñü â îãðàíè÷åííûõ êîëè÷åñòâàõ è ñ îãðîìíûìè çàòðàòàìè íèçêîïðîèçâîäèòåëüíîãî, ïðåèìóùåñòâåííî ñåëüñêîõîçÿéñòâåííîãî, òðóäà.

Ñîâðåìåííàÿ ñòðóêòóðíàÿ õèìèÿ äîñòèãëà áîëüøèõ ðåçóëüòàòîâ. Ñèíòåç íîâûõ îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü ïîëåçíûå è öåííûå ìàòåðèàëû, îòñóòñòâóþùèå â ïðèðîäå. Òàê, åæåãîäíî â ìèðå ñèíòåçèðóþò òûñÿ÷è êèëîãðàììîâ àñêîðáèíîâîé êèñëîòû (âèòàìèíà Ñ), ìíîæåñòâî íîâûõ ëåêàðñòâ, ñðåäè êîòîðûõ — áåçâðåäíûå àíòèáèîòèêè, ëåêàðñòâà ïðîòèâ ãèïåðòîíèè, ÿçâåííîé áîëåçíè è äð.

Ñàìûì ïîñëåäíèì äîñòèæåíèåì ñòðóêòóðíîé õèìèè ÿâëÿåòñÿ îòêðûòèå ñîâåðøåííî íîâîãî êëàññà ìåòàëëîðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, êîòîðûå çà ñâîþ äâóõñëîéíóþ ñòðóêòóðó ïîëó÷èëè íàçâàíèå «ñýíäâè÷åâûõ» ñîåäèíåíèé. Ìîëåêóëà ýòîãî âåùåñòâà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé äâå ïëàñòèíû èç ñîåäèíåíèé âîäîðîäà è óãëåðîäà, ìåæäó êîòîðûìè íàõîäèòñÿ àòîì êàêîãî-ëèáî ìåòàëëà.

Èññëåäîâàíèÿ â îáëàñòè ñîâðåìåííîé ñòðóêòóðíîé õèìèè èäóò ïî äâóì ïåðñïåêòèâíûì íàïðàâëåíèÿì:

  1. ñèíòåç êðèñòàëëîâ ñ ìàêñèìàëüíûì ïðèáëèæåíèåì ê èäåàëüíîé ðåøåòêå äëÿ ïîëó÷åíèÿ ìàòåðèàëîâ ñ âûñîêèìè òåõíè÷åñêèìè ïîêàçàòåëÿìè: ìàêñèìàëüíîé ïðî÷íîñòüþ, òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòüþ, äîëãîâå÷íîñòüþ â ýêñïëóàòàöèè è äð.;

  2. ñîçäàíèå êðèñòàëëîâ ñ çàðàíåå çàïðîãðàììèðîâàííûìè äåôåêòàìè êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè äëÿ ïðîèçâîäñòâà ìàòåðèàëîâ ñ çàäàííûìè ýëåêòðè÷åñêèìè, ìàãíèòíûìè è äðóãèìè ñâîéñòâàìè.

Ðåøåíèå êàæäîé èç ýòèõ ïðîáëåì èìååò ñâîè ñëîæíîñòè. Òàê, äëÿ ðåøåíèÿ ïåðâîé ïðîáëåìû íåîáõîäèìî ñîáëþäåíèå òàêèõ óñëîâèé âûðàùèâàíèÿ êðèñòàëëîâ, êîòîðûå èñêëþ÷àëè áû âîçäåéñòâèå íà ïðîöåññ âñåõ âíåøíèõ ôàêòîðîâ, â òîì ÷èñëå è ïîëÿ ãðàâèòàöèè (çåìíîãî ïðèòÿæåíèÿ). Ïîýòîìó êðèñòàëëû ñ çàäàííûìè ñâîéñòâà-

196

ìè âûðàùèâàþòñÿ íà îðáèòàëüíûõ ñòàíöèÿõ â êîñìîñå. Ðåøåíèå âòîðîé ïðîáëåìû çàòðóäíåíî òåì, ÷òî, íàðÿäó ñ çàïðîãðàììèðîâàííûìè äåôåêòàìè, ïðàêòè÷åñêè âñåãäà îáðàçóþòñÿ è íåæåëàòåëüíûå íàðóøåíèÿ.

Òåì íå ìåíåå, êëàññè÷åñêàÿ ñòðóêòóðíàÿ õèìèÿ áûëà îãðàíè÷åíà ðàìêàìè ñâåäåíèé òîëüêî î ìîëåêóëàõ âåùåñòâà, íàõîäÿùåãîñÿ â äîðåàêöèîííîì ñîñòîÿíèè. Ýòèõ ñâåäåíèé íåäîñòàòî÷íî äëÿ òîãî, ÷òîáû óïðàâëÿòü ïðîöåññàìè ïðåâðàùåíèÿ âåùåñòâà. Òàê, ñîãëàñíî ñòðóêòóðíûì òåîðèÿì äîëæíû áûòü âïîëíå îñóùåñòâèìû ìíîãèå õèìè÷åñêèå ðåàêöèè, êîòîðûå íà ïðàêòèêå íå ïðîèñõîäÿò. Áîëüøîå êîëè÷åñòâî ðåàêöèé îðãàíè÷åñêîãî ñèíòåçà, îñíîâàííûõ ëèøü íà ïðèíöèïàõ ñòðóêòóðíîé õèìèè, èìåþò ñòîëü íèçêèå âûõîäû ïðîäóêöèè è òàêèå áîëüøèå îòõîäû â âèäå ïîáî÷íûõ ïðîäóêòîâ, ÷òî íå ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû â ïðîìûøëåííîñòè. Ê òîìó æå ïîäîáíûé ñèíòåç òðåáîâàë â êà÷åñòâå èñõîäíîãî ñûðüÿ äåôèöèòíûõ àêòèâíûõ ðåàãåíòîâ è ñåëüñêîõîçÿéñòâåííîé ïðîäóêöèè, â òîì ÷èñëå è ïèùåâîé, ÷òî êðàéíå íåâûãîäíî â ýêîíîìè÷åñêîì îòíîøåíèè.

Ïîýòîìó èçóìëåíèå óñïåõàìè ñòðóêòóðíîé õèìèè áûëî íåäîëãèì. Èíòåíñèâíîå ðàçâèòèå àâòîìîáèëåñòðîåíèÿ, àâèàöèè, ýíåðãåòèêè, ïðèáîðîñòðîåíèÿ â ïåðâîé ïîëîâèíå XX â. âûäâèíóëî íîâûå òðåáîâàíèÿ ê ïðîèçâîäñòâó ìàòåðèàëîâ. Íåîáõîäèìî áûëî ïîëó÷èòü âûñîêîîêòàíîâîå ìîòîðíîå òîïëèâî, ñïåöèàëüíûå ñèíòåòè÷åñêèå êàó÷óêè, ïëàñòìàññû, âûñîêîñòîéêèå èçîëÿòîðû, æàðîïðî÷íûå îðãàíè÷åñêèå è íåîðãàíè÷åñêèå ïîëèìåðû, ïîëóïðîâîäíèêè. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ýòèõ ìàòåðèàëîâ ñïîñîá ðåøåíèÿ îñíîâíîé ïðîáëåìû õèìèè, îñíîâàííûé íà ó÷åíèè î ñîñòàâå è ñòðóêòóðíûõ òåîðèÿõ, áûë ÿâíî íåäîñòàòî÷åí. Îí íå ó÷èòûâàë ðåçêèõ èçìåíåíèé ñâîéñòâ âåùåñòâà â ðåçóëüòàòå âëèÿíèÿ òåìïåðàòóðû, äàâëåíèÿ, ðàñòâîðèòåëåé è ìíîãèõ äðóãèõ ôàêòîðîâ, âîçäåéñòâóþùèõ íà íàïðàâëåíèå è ñêîðîñòü ïðîòåêàíèÿ õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ. Ó÷åò è èñïîëüçîâàíèå ýòèõ ôàêòîðîâ âûâåëî õèìèþ íà íîâûé êà÷åñòâåííûé óðîâåíü åå ðàçâèòèÿ.

8.4. Òðåòèé óðîâåíü õèìè÷åñêîãî çíàíèÿ. Ó÷åíèå î õèìè÷åñêîì ïðîöåññå

Ïîä âëèÿíèåì íîâûõ òðåáîâàíèé ïðîèçâîäñòâà âîçíèêëî ó÷åíèå î õèìè÷åñêèõ ïðîöåññàõ, â êîòîðîì ó÷èòûâàåòñÿ èçìåíåíèå ñâîéñòâ âåùåñòâà ïîä âëèÿíèåì òåìïåðàòóðû, äàâëåíèÿ, ðàñòâîðèòåëåé è äðóãèõ ôàêòîðîâ. Ïîñëå ýòîãî õèìèÿ ñòàíîâèòñÿ íàóêîé óæå íå òîëüêî è íå ñòîëüêî î âåùåñòâàõ êàê çàêîí÷åííûõ ïðåäìåòàõ, íî è íàóêîé î ïðîöåññàõ è ìåõàíèçìàõ èçìåíåíèÿ âåùåñòâà. Áëàãîäàðÿ ýòîìó îíà îáåñïå÷èëà ñîçäàíèå ïðîèçâîäñòâà ñèíòåòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ, çàìåíÿþùèõ äåðåâî è ìåòàëë â ñòðîèòåëüíûõ ðàáîòàõ, ïè-

197

ùåâîå ñûðüå â ïðîèçâîäñòâå îëèôû, ëàêîâ, ìîþùèõ ñðåäñòâ è ñìàçî÷íûõ ìàòåðèàëîâ. Ïðîèçâîäñòâî èñêóññòâåííûõ âîëîêîí, êàó÷ó-êîâ, ýòèëîâîãî ñïèðòà è ìíîãèõ ðàñòâîðèòåëåé ñòàëî áàçèðîâàòüñÿ íà íåôòÿíîì ñûðüå, à ïðîèçâîäñòâî àçîòíûõ óäîáðåíèé — íà îñíîâå àçîòà âîçäóõà. Ïîÿâèëàñü òåõíîëîãèÿ íåôòåõèìè÷åñêèõ ïðîèçâîäñòâ ñ åå ïîòî÷íûìè ñèñòåìàìè, îáåñïå÷èâàþùèìè íåïðåðûâíûå âûñîêîïðîèçâîäèòåëüíûå ïðîöåññû.

Òàê, åùå â 1935 ã. òàêèå ìàòåðèàëû, êàê êîæà, ìåõà, ðåçèíà, âîëîêíà, ìîþùèå ñðåäñòâà, îëèôà, ëàêè, óêñóñíàÿ êèñëîòà, ýòèëîâûé ñïèðò, ïðîèçâîäèëèñü âñåöåëî èç æèâîòíîãî è ðàñòèòåëüíîãî ñûðüÿ, â òîì ÷èñëå èç ïèùåâîãî. Íà ýòî ðàñõîäîâàëèñü äåñÿòêè ìèëëèîíîâ òîíí çåðíà, êàðòîôåëÿ, æèðîâ, ñûðîé êîæè è ò.ä. Íî óæå â 1960-å ãã. 100% òåõíè÷åñêîãî ñïèðòà, 80% ìîþùèõ ñðåäñòâ, 90% îëèôû è ëàêîâ, 40% âîëîêîí, 70% êàó÷óêà è îêîëî 25% êîæåâåííûõ ìàòåðèàëîâ èçãîòîâëÿëèñü íà îñíîâå ãàçîâîãî è íåôòÿíîãî ñûðüÿ. Ïîìèìî ýòîãî, õèìèÿ äàåò åæåãîäíî ñîòíè òûñÿ÷ òîíí ìî÷åâèíû è íåôòÿíîãî áåëêà â êà÷åñòâå êîðìà ñêîòó è îêîëî 200 ìëí. ò óäîáðåíèé.

Ñòîëü âïå÷àòëÿþùèå óñïåõè áûëè äîñòèãíóòû íà îñíîâå ó÷åíèÿ î õèìè÷åñêèõ ïðîöåññàõ — îáëàñòè íàóêè, â êîòîðîé îñóùåñòâëåíà íàèáîëåå ãëóáîêàÿ èíòåãðàöèÿ ôèçèêè, õèìèè è áèîëîãèè.  îñíîâó äàííîãî ó÷åíèÿ ïîëîæåíû õèìè÷åñêàÿ òåðìîäèíàìèêà è êèíåòèêà, ïîýòîìó ýòîò ðàçäåë íàóêè â ðàâíîé ñòåïåíè ïðèíàäëåæèò ôèçèêå è õèìèè. Îäíèì èç îñíîâîïîëîæíèêîâ ýòîãî íàó÷íîãî íàïðàâëåíèÿ ñòàë ðóññêèé õèìèê Í.Í. Ñåìåíîâ — ëàóðåàò Íîáåëåâñêîé ïðåìèè, îñíîâàòåëü õèìè÷åñêîé ôèçèêè. Îí â ñâîåé Íîáåëåâñêîé ëåêöèè 1965 ã. çàÿâèë, ÷òî õèìè÷åñêèé ïðîöåññ — ýòî òî îñíîâíîå ÿâëåíèå, êîòîðîå îòëè÷àåò õèìèþ îò ôèçèêè, äåëàåò åå áîëåå ñëîæíîé íàóêîé. Õèìè÷åñêèé ïðîöåññ ñòàíîâèòñÿ ïåðâîé ñòóïåíüþ ïðè âîñõîæäåíèè îò òàêèõ îòíîñèòåëüíî ïðîñòûõ ôèçè÷åñêèõ îáúåêòîâ, êàê ýëåêòðîí, ïðîòîí, àòîì, ìîëåêóëà, ê ñëîæíûì, ìíîãîóðîâíåâûì æèâûì ñèñòåìàì. Âåäü ëþáàÿ êëåòêà æèâîãî îðãàíèçìà, ïî ñóùåñòâó, ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñâîåîáðàçíûé ñëîæíûé ðåàêòîð. Ïîýòîìó õèìèÿ ñòàíîâèòñÿ ìîñòîì îò îáúåêòîâ ôèçèêè ê îáúåêòàì áèîëîãèè.

Ó÷åíèå î õèìè÷åñêèõ ïðîöåññàõ áàçèðóåòñÿ íà èäåå, ÷òî ñïîñîáíîñòü ê âçàèìîäåéñòâèþ ðàçëè÷íûõ õèìè÷åñêèõ ðåàãåíòîâ îïðåäåëÿåòñÿ êðîìå âñåãî ïðî÷åãî è óñëîâèÿìè ïðîòåêàíèÿ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé. Ýòè óñëîâèÿ ìîãóò îêàçûâàòü âîçäåéñòâèå íà õàðàêòåð è ðåçóëüòàòû õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé.

Ïîäàâëÿþùåå áîëüøèíñòâî õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé íàõîäèòñÿ âî âëàñòè ñòèõèè. Êîíå÷íî, åñòü ðåàêöèè, êîòîðûå íå òðåáóþò îñîáûõ ñðåäñòâ óïðàâëåíèÿ èëè îñîáûõ óñëîâèé. Òàêîâû âñåì èçâåñòíûå ðåàêöèè êèñëîòíî-îñíîâíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ (íåéòðàëèçàöèè). Îäíàêî ïîäàâëÿþùåå áîëüøèíñòâî ðåàêöèé ÿâëÿþòñÿ òðóäíîêîíòðî-ëèðóåìûìè. Åñòü ðåàêöèè, êîòîðûå ïðîñòî íå óäàåòñÿ îñóùåñòâèòü,

198

õîòÿ îíè â ïðèíöèïå îñóùåñòâèìû. Ñóùåñòâóþò ðåàêöèè, êîòîðûå òðóäíî îñòàíîâèòü: ãîðåíèÿ è âçðûâû. È, íàêîíåö, âñòðå÷àþòñÿ ðåàêöèè, êîòîðûå òðóäíî ââåñòè â îäíî æåëàòåëüíîå ðóñëî, òàê êàê îíè ñàìîïðîèçâîëüíî ñîçäàþò äåñÿòêè íåïðåäâèäåííûõ îòâåòâëåíèé ñ îáðàçîâàíèåì ñîòåí ïîáî÷íûõ ïðîäóêòîâ. Ïîýòîìó âàæíåéøåé çàäà÷åé äëÿ õèìèêîâ ñòàíîâèòñÿ óìåíèå óïðàâëÿòü õèìè÷åñêèìè ïðîöåññàìè, äîáèâàÿñü íóæíûõ ðåçóëüòàòîâ.

 ñàìîì îáùåì âèäå ìåòîäû óïðàâëåíèÿ õèìè÷åñêèìè ïðîöåññàìè ìîæíî ïîäðàçäåëèòü íà òåðìîäèíàìè÷åñêèå è êèíåòè÷åñêèå. Òåðìîäèíàìè÷åñêèå ìåòîäû âëèÿþò íà ñìåùåíèå õèìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ ðåàêöèè. Êèíåòè÷åñêèå ìåòîäû âëèÿþò íà ñêîðîñòü ïðîòåêàíèÿ õèìè÷åñêîé ðåàêöèè.

Âûäåëåíèå õèìè÷åñêîé òåðìîäèíàìèêè â ñàìîñòîÿòåëüíîå íàïðàâëåíèå îáû÷íî ñâÿçûâàþò ñ ïîÿâëåíèåì â 1884 ã. êíèãè ãîëëàíäñêîãî õèìèêà ß. Âàíò-Ãîôôà «Î÷åðêè ïî õèìè÷åñêîé äèíàìèêå».  íåé îáîñíîâàíû çàêîíû, óñòàíàâëèâàþùèå çàâèñèìîñòü íàïðàâëåíèÿ õèìè÷åñêîé ðåàêöèè îò èçìåíåíèÿ òåìïåðàòóðû è òåïëîâîãî ýôôåêòà ðåàêöèè. Ýíåðãåòèêà õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ òåñíî ñâÿçàíà ñ çàêîíàìè òåðìîäèíàìèêè. Õèìè÷åñêèå ðåàêöèè, ïðîòåêàþùèå ñ âûäåëåíèåì ýíåðãèè, íàçûâàþòñÿ ýêçîòåðìè÷åñêèìè ðåàêöèÿìè.  íèõ ýíåðãèÿ âûñâîáîæäàåòñÿ îäíîâðåìåííî ñ óìåíüøåíèåì âíóòðåííåé ýíåðãèè ñèñòåìû. Ñóùåñòâóþò òàêæå ýíäîòåðìè÷åñêèå ðåàêöèè, ïðîòåêàþùèå ñ ïîãëîùåíèåì ýíåðãèè.  ýòèõ ðåàêöèÿõ èäåò ïîâûøåíèå âíóòðåííåé ýíåðãèè ñèñòåìû çà ñ÷åò ïðèòîêà òåïëà. Èçìåðÿÿ êîëè÷åñòâî ýíåðãèè, âûäåëÿþùåéñÿ ïðè ðåàêöèè (òåïëîâîé ýôôåêò õèìè÷åñêîé ðåàêöèè), ìîæíî ñóäèòü îá èçìåíåíèè âíóòðåííåé ýíåðãèè ñèñòåìû.

Òîãäà æå ôðàíöóçñêèé õèìèê À. Ëå-Øàòåëüå ñôîðìóëèðîâàë ñâîé çíàìåíèòûé ïðèíöèï ïîäâèæíîãî ðàâíîâåñèÿ, âîîðóæèâ õèìèêîâ ìåòîäàìè ñìåùåíèÿ ðàâíîâåñèÿ â ñòîðîíó îáðàçîâàíèÿ öåëåâûõ ïðîäóêòîâ. Ýòè ìåòîäû óïðàâëåíèÿ è ïîëó÷èëè íàçâàíèå òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ìåòîäîâ.

Êàæäàÿ õèìè÷åñêàÿ ðåàêöèÿ â ïðèíöèïå îáðàòèìà, íî íà ïðàêòèêå ðàâíîâåñèå ñìåùàåòñÿ â òó èëè èíóþ ñòîðîíó. Ýòî çàâèñèò êàê îò ïðèðîäû ðåàãåíòîâ, òàê è îò óñëîâèé ïðîòåêàíèÿ ïðîöåññà. Ñóùåñòâóåò ìíîãî ðåàêöèé, ðàâíîâåñèå â êîòîðûõ ñìåùåíî â ñòîðîíó îáðàçîâàíèÿ êîíå÷íûõ ïðîäóêòîâ: ê íèì îòíîñÿòñÿ ðåàêöèÿ íåéòðàëèçàöèè, ðåàêöèè ñ óäàëåíèåì ãîòîâûõ ïðîäóêòîâ â âèäå ãàçîâ èëè îñàäêîâ.

Îäíàêî ñóùåñòâóåò íåìàëî õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé, ðàâíîâåñèå â êîòîðûõ ñìåùåíî âëåâî, â ñòîðîíó îáðàçîâàíèÿ èñõîäíûõ âåùåñòâ. ×òîáû èõ îñóùåñòâèòü, òðåáóþòñÿ îñîáûå òåðìîäèíàìè÷åñêèå ðû÷àãè — óâåëè÷åíèå òåìïåðàòóðû è äàâëåíèÿ (åñëè ðåàêöèÿ ïðîèñõîäèò

199

â ãàçîâîé ôàçå), à òàêæå êîíöåíòðàöèè ðåàãèðóþùèõ âåùåñòâ (åñëè ðåàêöèÿ ïðîòåêàåò â æèäêîé ôàçå).

Òåðìîäèíàìè÷åñêèå ìåòîäû ïðåèìóùåñòâåííî âëèÿþò íà íàïðàâëåíèå õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, à íå íà èõ ñêîðîñòü. Óïðàâëåíèåì ñêîðîñòüþ õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ çàíèìàåòñÿ õèìè÷åñêàÿ êèíåòèêà, â êîòîðîé èçó÷àåòñÿ çàâèñèìîñòü ïðîòåêàíèÿ õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ îò ðàçëè÷íûõ ñòðóêòóðíî-êèíåòè÷åñêèõ ôàêòîðîâ — ñòðîåíèÿ èñõîäíûõ ðåàãåíòîâ, èõ êîíöåíòðàöèè, íàëè÷èÿ â ðåàêòîðå êàòàëèçàòîðîâ è äðóãèõ äîáàâîê, ñïîñîáîâ ñìåøåíèÿ ðåàãåíòîâ, ìàòåðèàëà è êîíñòðóêöèè ðåàêòîðà è ò.ï.

Çàäà÷à èññëåäîâàíèÿ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé ÿâëÿåòñÿ î÷åíü ñëîæíîé. Âåäü ïðè åå ðåøåíèè íåîáõîäèìî âûÿñíèòü ìåõàíèçì âçàèìîäåéñòâèÿ íå ïðîñòî äâóõ ðåàãåíòîâ, à åùå è «òðåòüèõ òåë», êîòîðûõ ìîæåò áûòü íåñêîëüêî.  ýòîì ñëó÷àå íàèáîëåå öåëåñîîáðàçíî ïîýòàïíîå ðåøåíèå, ïðè êîòîðîì âíà÷àëå âûäåëÿåòñÿ íàèáîëåå ñèëüíîå äåéñòâèå êàêîãî-íèáóäü îäíîãî èç «òðåòüèõ òåë», ÷àùå âñåãî êàòàëèçàòîðà.

Êðîìå òîãî, ñëåäóåò ïîíÿòü, ÷òî ïðàêòè÷åñêè âñå õèìè÷åñêèå ðåàêöèè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé îòíþäü íå ïðîñòîå âçàèìîäåéñòâèå èñõîäíûõ ðåàãåíòîâ, à ñëîæíûå öåïè ïîñëåäîâàòåëüíûõ ñòàäèé, ãäå ðåàãåíòû âçàèìîäåéñòâóþò íå òîëüêî äðóã ñ äðóãîì, íî è ñî ñòåíêàìè ðåàêòîðà, ìîãóùèìè êàê êàòàëèçèðîâàòü (óñêîðÿòü), òàê è èíãè-áèðîâàòü (çàìåäëÿòü) ïðîöåññ.

Òàêæå íà èíòåíñèâíîñòü õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ îêàçûâàþò âëèÿíèå ñëó÷àéíûå ïðèìåñè. Âåùåñòâà ðàçëè÷íîé ñòåïåíè ÷èñòîòû ïðîÿâëÿþò ñåáÿ â îäíèõ ñëó÷àÿõ êàê áîëåå àêòèâíûå ðåàãåíòû, à â äðóãèõ — êàê èíåðòíûå. Ïðèìåñè ìîãóò îêàçûâàòü êàê êàòàëèòè÷åñêîå, òàê è èíãèáèðóþùåå âîçäåéñòâèå. Ïîýòîìó äëÿ óïðàâëåíèÿ õèìè÷åñêèì ïðîöåññîì â ðåàãèðóþùèå âåùåñòâà âíîñÿòñÿ òå èëè èíûå äîáàâêè.

Òàêèì îáðàçîì, âëèÿíèå «òðåòüèõ òåë» íà õîä õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé ìîæåò áûòü ñâåäåíî ê êàòàëèçó, ò.å. ïîëîæèòåëüíîìó âîçäåéñòâèþ íà õèìè÷åñêèé ïðîöåññ, èëè èíãèáèðîâàíèþ, ñäåðæèâàþùåìó ïðîöåññ.

Êàê óæå îòìå÷àëîñü âûøå, ñïîñîáíîñòü õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ê âçàèìîñâÿçè îïðåäåëÿåòñÿ íå òîëüêî èõ ìîëåêóëÿðíîé ñòðóêòóðîé, íî è óñëîâèÿìè, ïðè êîòîðûõ ïðîèñõîäèò ñîåäèíåíèå. Ýòè óñëîâèÿ îêàçûâàþò âîçäåéñòâèå íà ðåçóëüòàò õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé. Íàèáîëüøåå âîçäåéñòâèå èñïûòûâàþò ïðè ýòîì âåùåñòâà ñ ïåðåìåííûì ñîñòàâîì, ó êîòîðûõ ñâÿçè ìåæäó îòäåëüíûìè êîìïîíåíòàìè ñëàáåå. Èìåííî íà ðåàêöèþ òàêèõ âåùåñòâ îêàçûâàþò ñèëüíîå âëèÿíèå ðàçëè÷íûå êàòàëèçàòîðû.

Êàòàëèç — óñêîðåíèå õèìè÷åñêîé ðåàêöèè â ïðèñóòñòâèè îñîáûõ âåùåñòâ — êàòàëèçàòîðîâ, êîòîðûå âçàèìîäåéñòâóþò ñ ðåàãåíòàìè, íî

200

â ðåàêöèè íå ðàñõîäóþòñÿ è íå âõîäÿò â ñîñòàâ êîíå÷íûõ ïðîäóêòîâ. Êàòàëèç áûë îòêðûò â 1812 ã. ðóññêèì õèìèêîì Ê.Ñ. Êèðõãîôîì. Êàòàëèòè÷åñêèå ïðîöåññû ðàçëè÷àþòñÿ ïî ñâîåé ôèçè÷åñêîé è õèìè÷åñêîé ïðèðîäå íà ñëåäóþùèå òèïû:

  • ãåòåðîãåííûé êàòàëèç — õèìè÷åñêàÿ ðåàêöèÿ âçàèìîäåéñòâèÿ æèäêèõ èëè ãàçîîáðàçíûõ ðåàãåíòîâ èäåò íà ïîâåðõíîñòè òâåðäîãî êàòàëèçàòîðà;

  • ãîìîãåííûé êàòàëèç — õèìè÷åñêàÿ ðåàêöèÿ èäåò ëèáî â ãàçîâîé ñìåñè, ëèáî â æèäêîñòè, ãäå ðàñòâîðåíû êàê êàòàëèçàòîð, òàê è ðåàãåíòû;

  • ýëåêòðîêàòàëèç — ðåàêöèÿ èäåò íà ïîâåðõíîñòè ýëåêòðîäà â êîíòàêòå ñ ðàñòâîðîì è ïîä äåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà;

  • ôîòîêàòàëèç — ðåàêöèÿ èäåò íà ïîâåðõíîñòè òâåðäîãî òåëà èëè â æèäêîì ðàñòâîðå è ñòèìóëèðóåòñÿ ýíåðãèåé ïîãëîùåííîãî èçëó÷åíèÿ.

Íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå èìååò ãåòåðîãåííûé êàòàëèç, — ñ åãî ïîìîùüþ îñóùåñòâëÿåòñÿ 80% âñåõ êàòàëèòè÷åñêèõ ðåàêöèé â ñîâðåìåííîé õèìèè.

Ïðèìåíåíèå êàòàëèçàòîðîâ ïîñëóæèëî îñíîâàíèåì êîðåííîé ëîìêè âñåé õèìè÷åñêîé ïðîìûøëåííîñòè. Áëàãîäàðÿ èì ñòàëî âîçìîæíûì èñïîëüçîâàòü â êà÷åñòâå ñûðüÿ äëÿ îðãàíè÷åñêîãî ñèíòåçà ïàðàôèíû è öèêëîïàðàôèíû, äî ñèõ ïîð ñ÷èòàâøèåñÿ «õèìè÷åñêèìè ìåðòâåöàìè». Êàòàëèç íåîáõîäèì ïðè ïðîèçâîäñòâå ìàðãàðèíà, ìíîãèõ ïèùåâûõ ïðîäóêòîâ, à òàêæå ñðåäñòâ çàùèòû ðàñòåíèé. Ïî÷òè âñÿ ïðîìûøëåííîñòü îñíîâíîé õèìèè (ïðîèçâîäñòâî íåîðãàíè÷åñêèõ êèñëîò, îñíîâàíèé è ñîëåé) è «òÿæåëîãî» îðãàíè÷åñêîãî ñèíòåçà, âêëþ÷àÿ ïîëó÷åíèå ãîðþ÷å-ñìàçî÷íûõ ìàòåðèàëîâ, áàçèðóåòñÿ íà êàòàëèçå. Ïîñëåäíåå âðåìÿ òîíêèé îðãàíè÷åñêèé ñèíòåç ñòàíîâèòñÿ âñå áîëåå êàòàëèòè÷åñêèì. 60—80% âñåé õèìèè îñíîâàíî íà êàòàëèòè÷åñêèõ ïðîöåññàõ. Õèìèêè íå áåç îñíîâàíèÿ ãîâîðÿò, ÷òî íåêàòàëèòè÷åñêèõ ïðîöåññîâ âîîáùå íå ñóùåñòâóåò, ïîñêîëüêó âñå îíè ïðîòåêàþò â ðåàêòîðàõ, ìàòåðèàë ñòåíîê êîòîðûõ ñëóæèò ñâîåîáðàçíûì êàòàëèçàòîðîì.

Äîëãîå âðåìÿ ñàì êàòàëèç îñòàâàëñÿ çàãàäêîé ïðèðîäû, âûçûâàÿ ê æèçíè ñàìûå ðàçíîîáðàçíûå òåîðèè, êàê ÷èñòî õèìè÷åñêèå, òàê è ôèçè÷åñêèå. Ýòè òåîðèè, äàæå áóäó÷è îøèáî÷íûìè, îêàçûâàëèñü ïîëåçíûìè õîòÿ áû ïîòîìó, ÷òî íàòàëêèâàëè ó÷åíûõ íà íîâûå ýêñïåðèìåíòû. Âñå äåëî â òîì, ÷òî äëÿ áîëüøèíñòâà ïðîìûøëåííî âàæíûõ õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ êàòàëèçàòîðû ïîäáèðàëèñü ïóòåì áåñ÷èñëåííûõ ïðîá è îøèáîê. Òàê, íàïðèìåð, äëÿ ðåàêöèè ñèíòåçà àììèàêà â 1913—1914 ãã. íåìåöêèå õèìèêè èñïðîáîâàëè â êà÷åñòâå êàòàëèçàòîðîâ áîëåå 20 òûñÿ÷ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, ñëåäóÿ ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìå ýëåìåíòîâ è ðàçíîîîáðàçíî ñî÷åòàÿ èõ.

Ñåãîäíÿ ìîæíî ñäåëàòü íåêîòîðûå âûâîäû î ñóùíîñòè êàòàëèçà.

201

  1. Ðåàãèðóþùèå âåùåñòâà âñòóïàþò â êîíòàêò ñ êàòàëèçàòîðîì, âçàèìîäåéñòâóþò ñ íèì, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ïðîèñõîäèò îñëàáëåíèå õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé. Åñëè ðåàêöèÿ ïðîèñõîäèò â îòñóòñòâèå êàòàëèçàòîðà, òî àêòèâàöèÿ ìîëåêóë ðåàãèðóþùèõ âåùåñòâ äîëæíà ïðîèñõîäèòü çà ñ÷åò ïîäà÷è â ðåàêòîð ýíåðãèè èçâíå.

  2.  îáùåì ñëó÷àå ëþáóþ êàòàëèòè÷åñêóþ ðåàêöèþ ìîæíî ïðåäñòàâèòü ïðîõîäÿùåé ÷åðåç ïðîìåæóòî÷íûé êîìïëåêñ, â êîòîðîì ïðîèñõîäèò ïåðåðàñïðåäåëåíèå îñëàáëåííûõ õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé.

  3.  ïîäàâëÿþùåì áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ â êà÷åñòâå êàòàëèçàòîðîâ âûñòóïàþò ñîåäèíåíèÿ áåðòîëëèäíîãî òèïà ñ ïåðåìåííûì ñîñòàâîì, îòëè÷àþùèåñÿ íàëè÷èåì îñëàáëåííûõ õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé èëè äàæå ñâîáîäíûõ âàëåíòíîñòåé, ÷òî ïðèäàåò èì âûñîêóþ õèìè÷åñêóþ àêòèâíîñòü. Ìîëåêóëû ñîåäèíåíèé áåðòîëëèäíîãî òèïà ñîäåðæàò øèðîêèé íàáîð ýíåðãåòè÷åñêè íåîäíîðîäíûõ ñâÿçåé èëè äàæå ñâîáîäíûå àòîìû íà ïîâåðõíîñòè.

  4. Ñëåäñòâèÿìè âçàèìîäåéñòâèÿ ðåàãåíòîâ ñ êàòàëèçàòîðîì ÿâëÿþòñÿ õîä ðåàêöèè â çàäàííîì íàïðàâëåíèè è óâåëè÷åíèå ñêîðîñòè ðåàêöèè, òàê êàê íà ïîâåðõíîñòè êàòàëèçàòîðà óâåëè÷èâàåòñÿ ÷èñëî âñòðå÷ ðåàãèðóþùèõ ìîëåêóë. Êðîìå òîãî, êàòàëèçàòîð çàõâàòûâàåò íåêîòîðóþ ÷àñòü ýíåðãèè ýêçîòåðìè÷åñêîé ðåàêöèè äëÿ ýíåðãåòè÷åñêîé ïîäïèòêè âñå íîâûõ àêòîâ ðåàêöèè è åå îáùåãî óñêîðåíèÿ.

Íà ñîâðåìåííîì ýòàïå ñâîåãî ðàçâèòèÿ õèìèÿ îòêðûëà ìíîæåñòâî ýôôåêòèâíûõ êàòàëèçàòîðîâ. Ñðåäè íèõ — èîííîîáìåííûå ñìîëû, ìåòàëëîðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, ìåìáðàííûå êàòàëèçàòîðû. Êàòàëèòè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè îáëàäàþò ìíîãèå õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû, íî âàæíåéøóþ ðîëü èãðàþò ìåòàëëû ïëàòèíîâîé ãðóïïû è ðåäêîçåìåëüíûå ìåòàëëû.

Ñ ó÷àñòèåì êàòàëèçàòîðîâ ñêîðîñòü íåêîòîðûõ ðåàêöèé âîçðàñòàåò â 10 ìëðä. ðàç. Åñòü êàòàëèçàòîðû, ïîçâîëÿþùèå íå ïðîñòî êîíòðîëèðîâàòü ñîñòàâ êîíå÷íîãî ïðîäóêòà, íî è ñïîñîáñòâóþùèå îáðàçîâàíèþ ìîëåêóë îïðåäåëåííîé ôîðìû, ÷òî ñèëüíî âëèÿåò íà ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà ïðîäóêòà (òâåðäîñòü, ïëàñòè÷íîñòü).

 ñîâðåìåííûõ óñëîâèÿõ îäíî èç âàæíåéøèõ íàïðàâëåíèé ðàçâèòèÿ ó÷åíèÿ î õèìè÷åñêèõ ïðîöåññàõ — ñîçäàíèå ìåòîäîâ óïðàâëåíèÿ ýòèìè ïðîöåññàìè, ïîýòîìó õèìè÷åñêàÿ íàóêà çàíèìàåòñÿ ðàçðàáîòêîé òàêèõ ïðîáëåì, êàê õèìèÿ ïëàçìû, ðàäèàöèîííàÿ õèìèÿ, õèìèÿ âûñîêèõ äàâëåíèé è òåìïåðàòóð.

Õèìèÿ ïëàçìû èçó÷àåò õèìè÷åñêèå ïðîöåññû â íèçêîòåìïåðàòóðíîé ïëàçìå ïðè òåìïåðàòóðàõ îò 1000 äî 10 000°Ñ. Òàêèå ïðîöåññû õàðàêòåðèçóþòñÿ âîçáóæäåííûì ñîñòîÿíèåì ÷àñòèö, ñòîëêíîâåíèåì ìîëåêóë ñ çàðÿæåííûìè ÷àñòèöàìè è î÷åíü âûñîêèìè ñêîðîñòÿìè ïðîòåêàíèÿ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé.  ïëàçìîõèìè÷åñêèõ ïðîöåññàõ ñêîðîñòü ïåðåðàñïðåäåëåíèÿ õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé î÷åíü âûñîêà: äëèòåëüíîñòü ýëåìåíòàðíûõ àêòîâ õèìè÷åñêèõ ïðåâðàùåíèé ñîñòàâëÿåò

202

îêîëî 10-13 ñ ïðè ïî÷òè ïîëíîì îòñóòñòâèè îáðàòèìîñòè ðåàêöèè. Ñêîðîñòü àíàëîãè÷íûõ õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â îáû÷íûõ ðåàêòîðàõ èç-çà îáðàòèìîñòè ñíèæàåòñÿ â òûñÿ÷è ðàç. Ïîýòîìó ïëàçìîõèìè÷å-ñêèå ïðîöåññû î÷åíü ïðîèçâîäèòåëüíû. Íàïðèìåð, ïðîèçâîäèòåëüíîñòü ìåòàíîâîãî ïëàçìîõèìè÷åñêîãî ðåàêòîðà (åãî ðàçìåðû: äëèíà — 65 ñì, äèàìåòð — 15 ñì) ñîñòàâëÿåò 75 ò àöåòèëåíà â ñóòêè.  ýòîì ðåàêòîðå ïðè òåìïåðàòóðå 3000—3500°Ñ çà îäíó äåñÿòèòûñÿ÷íóþ äîëþ ñåêóíäû îêîëî 80% ìåòàíà ïðåâðàùàåòñÿ â àöåòèëåí.

Ïëàçìåííàÿ õèìèÿ â ïîñëåäíåå âðåìÿ âñå áîëüøå âíåäðÿåòñÿ â ïðîìûøëåííîå ïðîèçâîäñòâî. Óæå ñîçäàíû òåõíîëîãèè ïðîèçâîäñòâà ñûðüÿ äëÿ ïîðîøêîâîé ìåòàëëóðãèè, ðàçðàáîòàíû ìåòîäû ñèíòåçà äëÿ öåëîãî ðÿäà õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé.  1970-å ãã. áûëè ñîçäàíû ïëàçìåííûå ñòàëåïëàâèëüíûå ïå÷è, ïîçâîëÿþùèå ïîëó÷àòü ñàìûå âûñîêîêà÷åñòâåííûå ìåòàëëû. Ðàçðàáîòàíû ìåòîäû èîííî-ïëàçìåííîé îáðàáîòêè ïîâåðõíîñòè èíñòðóìåíòîâ, èçíîñîñòîéêîñòü êîòîðûõ óâåëè÷èâàåòñÿ â íåñêîëüêî ðàç.

Ïëàçìîõèìèÿ ïîçâîëÿåò ñèíòåçèðîâàòü ðàíåå íåèçâåñòíûå ìàòåðèàëû, òàêèå, êàê ìåòàëëîáåòîí, â êîòîðîì â êà÷åñòâå ñâÿçóþùåãî ýëåìåíòà èñïîëüçóþòñÿ ðàçëè÷íûå ìåòàëëû. Ìåòàëëîáåòîí îáðàçóåòñÿ ïðè ñïëàâëåíèè ÷àñòèö ãîðíîé ïîðîäû è ïðî÷íîì ñæàòèè èõ ñ ìåòàëëîì. Ïî ñâîèì êà÷åñòâàì îí ïðåâîñõîäèò îáû÷íûé áåòîí â äåñÿòêè è ñîòíè ðàç.

Îäíèì èç ñàìûõ ìîëîäûõ íàïðàâëåíèé â èññëåäîâàíèè õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ ÿâëÿåòñÿ ðàäèàöèîííàÿ õèìèÿ, êîòîðàÿ çàðîäèëàñü âî âòîðîé ïîëîâèíå XX â. Ïðåäìåòîì åå ðàçðàáîòîê ñòàëè ïðåâðàùåíèÿ ñàìûõ ðàçíîîáðàçíûõ âåùåñòâ ïîä âîçäåéñòâèåì èîíèçèðóþùèõ èçëó÷åíèé. Èñòî÷íèêàìè èîíèçèðóþùåãî èçëó÷åíèÿ ñëóæàò ðåíòãåíîâñêèå óñòàíîâêè, óñêîðèòåëè çàðÿæåííûõ ÷àñòèö, ÿäåðíûå ðåàêòîðû, ðàäèîàêòèâíûå èçîòîïû.  ðåçóëüòàòå ðàäèàöèîííî-õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé âåùåñòâà ïîëó÷àþò ïîâûøåííóþ òåðìîñòîéêîñòü è òâåðäîñòü.

Íàèáîëåå âàæíûìè ïðîöåññàìè ðàäèàöèîííî-õèìè÷åñêîé òåõíîëîãèè ÿâëÿþòñÿ ïîëèìåðèçàöèÿ, âóëêàíèçàöèÿ, ïðîèçâîäñòâî êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ, â òîì ÷èñëå ïîëó÷åíèå ïîëèìåðáåòî-íîâ ïóòåì ïðîïèòêè îáû÷íîãî áåòîíà êàêèì-ëèáî ïîëèìåðîì ñ åãî ïîñëåäóþùèì îáëó÷åíèåì. Òàêèå áåòîíû èìåþò â ÷åòûðå ðàçà áîëåå âûñîêóþ ïðî÷íîñòü, îáëàäàþò âîäîíåïðîíèöàåìîñòüþ è âûñîêîé êîððîçèîííîé ñòîéêîñòüþ.

Ïðèíöèïèàëüíî íîâîé è èñêëþ÷èòåëüíî âàæíîé îáëàñòüþ ó÷åíèÿ î õèìè÷åñêèõ ïðîöåññàõ ÿâëÿåòñÿ ñàìîðàñïðîñòðàíÿþùèéñÿ âûñîêîòåìïåðàòóðíûé ñèíòåç òóãîïëàâêèõ è êåðàìè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ. Îáû÷íî èõ ïðîèçâîäñòâî îñóùåñòâëÿåòñÿ ìåòîäîì ïîðîøêîâîé ìåòàëëóðãèè, ñóòü êîòîðîãî çàêëþ÷àåòñÿ â ïðåññîâàíèè è ñæàòèè ïðè âûñîêîé òåìïåðàòóðå (1200—2000°Ñ) ìåòàëëè÷åñêèõ ïîðîøêîâ. Ñà-

203

ìîðàñïðîñòðàíÿþùèéñÿ ñèíòåç ïðîèñõîäèò ãîðàçäî ïðîùå: îí îñíîâàí íà ãîðåíèè îäíîãî ìåòàëëà â äðóãîì èëè ãîðåíèè ìåòàëëà â àçîòå, óãëåðîäå, êðåìíèè è ò.ï.

Äàâíî èçâåñòíî, ÷òî ïðîöåññ ãîðåíèÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñîåäèíåíèå êèñëîðîäà ñ ãîðþ÷èì âåùåñòâîì, ïîýòîìó ãîðåíèå — ýòî ðåàêöèÿ îêèñëåíèÿ ãîðþ÷åãî âåùåñòâà. Ïðè ýòîì ïðîèñõîäèò ïåðåìåùåíèå ýëåêòðîíîâ îò àòîìîâ îêèñëÿåìîãî âåùåñòâà ê àòîìàì êèñëîðîäà. Ñ ýòîé òî÷êè çðåíèÿ ãîðåíèå âîçìîæíî íå òîëüêî â êèñëîðîäå, íî è â äðóãèõ îêèñëèòåëÿõ. Íà ýòîì âûâîäå è îñíîâàí ñàìîðàñïðîñòðàíÿþùèéñÿ âûñîêîòåìïåðàòóðíûé ñèíòåç — òåïëîâîé ïðîöåññ ãîðåíèÿ â òâåðäûõ òåëàõ. Îí ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé, íàïðèìåð, ãîðåíèå ïîðîøêà òèòàíà â ïîðîøêå áîðà, èëè ïîðîøêà öèðêîíèÿ â ïîðîøêå êðåìíèÿ.  ðåçóëüòàòå òàêîãî ñèíòåçà ïîëó÷àþòñÿ ñîòíè òóãîïëàâêèõ ñîåäèíåíèé ñàìîãî âûñîêîãî êà÷åñòâà.

Î÷åíü âàæíî, ÷òî äàííàÿ òåõíîëîãèÿ íå òðåáóåò ãðîìîçäêèõ ïðîöåññîâ, îòëè÷àåòñÿ âûñîêîé òåõíîëîãè÷íîñòüþ è ëåãêî ïîääàåòñÿ àâòîìàòèçàöèè.

Åùå îäíà îáëàñòü ðàçâèòèÿ ó÷åíèÿ î õèìè÷åñêèõ ïðîöåññàõ — õèìèÿ âûñîêèõ è ñâåðõâûñîêèõ äàâëåíèé. Õèìè÷åñêèå ïðåâðàùåíèÿ âåùåñòâ ïðè äàâëåíèÿõ âûøå 100 àòì îòíîñÿòñÿ ê õèìèè âûñîêèõ äàâëåíèé, à ïðè äàâëåíèÿõ âûøå 1000 àòì — ê õèìèè ñâåðõâûñîêèõ äàâëåíèé. Âûñîêèå äàâëåíèÿ â õèìèè èñïîëüçóþòñÿ ñ íà÷àëà XX â. — àììèà÷íîå ïðîèçâîäñòâî îñóùåñòâëÿëîñü ïðè äàâëåíèè 300 àòì è òåìïåðàòóðå 600°Ñ. Íî â ïîñëåäíåå âðåìÿ èñïîëüçóþòñÿ óñòàíîâêè, â êîòîðûõ äîñòèãàåòñÿ äàâëåíèå 5000 àòì, à èñïûòàíèÿ ïðîâîäÿòñÿ ïðè äàâëåíèè 600 000 àòì, êîòîðîå äîñòèãàåòñÿ çà ñ÷åò óäàðíîé âîëíû ïðè âçðûâå â òå÷åíèå ìèëëèîííîé äîëè ñåêóíäû. Ïðè ÿäåðíûõ âçðûâàõ âîçíèêàþò åùå áîëåå âûñîêèå äàâëåíèÿ.

Ïðè âûñîêîì äàâëåíèè ñáëèæàþòñÿ è äåôîðìèðóþòñÿ ýëåêòðîííûå îáîëî÷êè àòîìîâ, ÷òî âåäåò ê ïîâûøåíèþ ðåàêöèîííîé ñïîñîáíîñòè âåùåñòâ. Ïðè äàâëåíèè 102—103 àòì èñ÷åçàåò ðàçëè÷èå ìåæäó æèäêîé è ãàçîâîé ôàçàìè, à ïðè 103—105 àòì — ìåæäó òâåðäîé è æèäêîé ôàçàìè. Ïðè âûñîêîì äàâëåíèè ñèëüíî ìåíÿþòñÿ ôèçè÷åñêèå è õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà âåùåñòâ. Íàïðèìåð, ïðè äàâëåíèè 20 000 àòì ìåòàëë ñòàíîâèòñÿ ýëàñòè÷íûì, êàê êàó÷óê. Îáû÷íàÿ âîäà ïðè âûñîêèõ òåìïåðàòóðå è äàâëåíèè ñòàíîâèòñÿ õèìè÷åñêè àêòèâíîé. Ñ ïîâûøåíèåì äàâëåíèÿ ìíîãèå âåùåñòâà ïåðåõîäÿò â ìåòàëëè÷åñêîå ñîñòîÿíèå. Òàê, â 1973 ã. ó÷åíûå íàáëþäàëè ìåòàëëè÷åñêèé âîäîðîä ïðè äàâëåíèè 2,8 ìëí. àòì.

Îäíèì èç âàæíåéøèõ äîñòèæåíèé õèìèè ñâåðõâûñîêèõ äàâëåíèé ñòàë ñèíòåç àëìàçîâ. Îí èäåò ïðè äàâëåíèè 50 000 àòì è òåìïåðàòóðå 2000°Ñ. Ïðè ýòîì ãðàôèò êðèñòàëëèçóåòñÿ â àëìàçû. Òàêæå àëìàçû ìîæíî ñèíòåçèðîâàòü è ñ ïðèìåíåíèåì óäàðíûõ âîëí.  ïîñëåäíåå âðåìÿ åæåãîäíî ïðîèçâîäÿòñÿ òîííû ñèíòåòè÷åñêèõ àë-

204

ìàçîâ, êîòîðûå ëèøü íåçíà÷èòåëüíî îòëè÷àþòñÿ îò ïðèðîäíûõ ïî ñâîèì ñâîéñòâàì. Ïîëó÷àþùèåñÿ àëìàçû èñïîëüçóþòñÿ äëÿ ïðîìûøëåííûõ öåëåé — â ðåæóùåì è áóðîâîì îáîðóäîâàíèè. Óäàëîñü ñèíòåçèðîâàòü ÷åðíûå àëìàçû — êàðáîíàäî, êîòîðûå òâåðæå ïðèðîäíûõ àëìàçîâ. Îíè èñïîëüçóþòñÿ äëÿ îáðàáîòêè ñàìèõ àëìàçîâ.

 íàñòîÿùåå âðåìÿ íàëàæåíî ïðîìûøëåííîå ïðîèçâîäñòâî íå òîëüêî èñêóññòâåííûõ àëìàçîâ, íî è äðóãèõ äðàãîöåííûõ êàìíåé — êîðóíäà (êðàñíîãî ðóáèíà), èçóìðóäà è äð. Ïðè âûñîêèõ äàâëåíèÿõ ñèíòåçèðóþò è äðóãèå ìàòåðèàëû, îòëè÷àþùèåñÿ âûñîêîé òåðìîñòîéêîñòüþ. Òàê, èç íèòðèäà áîðà ïðè äàâëåíèè 100 000 àòì è òåìïåðàòóðå 2000°Ñ ñèíòåçèðîâàí áîðàçîí — ìàòåðèàë, ïðèãîäíûé äëÿ ñâåðëåíèÿ è øëèôîâàíèÿ äåòàëåé èç ÷ðåçâû÷àéíî òâåðäûõ ìàòåðèàëîâ ïðè î÷åíü âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ.

8.5. ×åòâåðòûé óðîâåíü õèìè÷åñêîãî çíàíèÿ. Ýâîëþöèîííàÿ õèìèÿ

 60—70-å ãã. XX â. ïîÿâèëñÿ ÷åòâåðòûé ñïîñîá ðåøåíèÿ îñíîâíîé ïðîáëåìû õèìèè, îòêðûâàþùèé ïóòè äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â ïðîèçâîäñòâå ìàòåðèàëîâ ñàìûõ âûñîêîîðãàíèçîâàííûõ õèìè÷åñêèõ ñèñòåì, êàêèå òîëüêî âîçìîæíû â íàñòîÿùåå âðåìÿ.  îñíîâå ýòîãî ñïîñîáà ëåæèò ïðèíöèï èñïîëüçîâàíèÿ â ïðîöåññàõ ïîëó÷åíèÿ öåëåâûõ ïðîäóêòîâ òàêèõ óñëîâèé, êîòîðûå ïðèâîäÿò ê ñàìîñîâåðøåíñòâîâàíèþ êàòàëèçàòîðîâ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé, ò.å. ê ñàìîîðãàíèçàöèè õèìè÷åñêèõ ñèñòåì.  ñóùíîñòè, ðå÷ü èäåò îá èñïîëüçîâàíèè õèìè÷åñêîãî îïûòà æèâîé ïðèðîäû. Õèìè÷åñêèé ðåàêòîð ïðåäñòàåò êàê íåêîå ïîäîáèå æèâîé ñèñòåìû, äëÿ êîòîðîé õàðàêòåðíû ñàìîðàçâèòèå è îïðåäåëåííûå ÷åðòû ïîâåäåíèÿ. Òàê ïîÿâèëàñü ýâîëþöèîííàÿ õèìèÿ êàê âûñøèé óðîâåíü ðàçâèòèÿ õèìè÷åñêîãî çíàíèÿ.

Ïîä ýâîëþöèîííûìè ïðîöåññàìè â õèìèè ïîíèìàþò ïðîöåññû ñàìîïðîèçâîëüíîãî (áåç ó÷àñòèÿ ÷åëîâåêà) ñèíòåçà íîâûõ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, ÿâëÿþùèõñÿ áîëåå ñëîæíûìè è âûñîêîîðãàíèçîâàííûìè ïðîäóêòàìè ïî ñðàâíåíèþ ñ èñõîäíûìè âåùåñòâàìè.

Ïîýòîìó ýâîëþöèîííóþ õèìèþ çàñëóæåííî ñ÷èòàþò ïðåäáèîëî-ãèåé, íàóêîé î ñàìîîðãàíèçàöèè è ñàìîðàçâèòèè õèìè÷åñêèõ ñèñòåì.

Äî ïîñëåäíåé òðåòè XX â. îá ýâîëþöèîííîé õèìèè íè÷åãî íå áûëî èçâåñòíî.  îòëè÷èå îò áèîëîãîâ, êîòîðûå âûíóæäåíû áûëè èñïîëüçîâàòü ýâîëþöèîííóþ òåîðèþ Äàðâèíà äëÿ îáúÿñíåíèÿ ïðîèñõîæäåíèÿ ìíîãî÷èñëåííûõ âèäîâ ðàñòåíèé è æèâîòíûõ, âîïðîñ î ïðîèñõîæäåíèè âåùåñòâà äëÿ õèìèêîâ íå ïðåäñòàâëÿë èíòåðåñà, ïîñêîëüêó ïîëó÷åíèå ëþáîãî íîâîãî õèìè÷åñêîãî èíäèâèäà âñåãäà

205

áûëî äåëîì ðóê è ðàçóìà ÷åëîâåêà. Ìîëåêóëû íîâûõ õèìè÷åñêèõ ñîåäèííèé êîíñòðóèðîâàëèñü ïî çàêîíàì ñòðóêòóðíîé õèìèè èç àòîìîâ è àòîìíûõ ãðóïï, êàê çäàíèå èç êèðïè÷åé. Æèâûå æå îðãàíèçìû èç áëîêîâ ñîáðàòü áûëî íåëüçÿ. Íî èçó÷åíèå è îñâîåíèå îïûòà æèâîé ïðèðîäû áûëî äàâíåé ìå÷òîé ó÷åíûõ.

Ïåðâûå øàãè íà ýòîì ïóòè áûëè ñäåëàíû åùå È. Áåðöåëèóñîì, êîòîðûé óñòàíîâèë, ÷òî â îñíîâå ôóíêöèîíèðîâàíèÿ æèâîãî îðãàíèçìà ëåæèò áèîêàòàëèç. Çàòåì èññëåäîâàíèÿ â ýòîì íàïðàâëåíèè âåëèñü Þ. Ëèáèõîì, Ï. Áåðòëî è, íàêîíåö, Í.Í. Ñåìåíîâûì. Ðàáîòû ýòèõ ó÷åíûõ ñïîñîáñòâîâàëè óêðåïëåíèþ ñâÿçè õèìèè ñ áèîëîãèåé.

Ïîñòåïåííîå ðàçâèòèå íàóêè â XIX â., ïðèâåäøåå ê ðàñêðûòèþ ñòðóêòóðû àòîìà è äåòàëüíîìó ïîçíàíèþ ñòðîåíèÿ è ñîñòàâà êëåòêè, îòêðûëî ïåðåä õèìèêàìè è áèîëîãàìè ïðàêòè÷åñêèå âîçìîæíîñòè ñîâìåñòíîé ðàáîòû íàä õèìè÷åñêèìè ïðîáëåìàìè ó÷åíèÿ î êëåòêå. Íà ïîâåñòêå äíÿ ñòîÿëî èçó÷åíèå õàðàêòåðà õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â æèâûõ òêàíÿõ, îáóñëîâëåííîñòü áèîëîãè÷åñêèõ ôóíêöèé õèìè÷åñêèìè ðåàêöèÿìè.

Êàê áûëî óñòàíîâëåíî ó÷åíûìè â XIX â., îñíîâîé èñêëþ÷èòåëüíîé ýôôåêòèâíîñòè áèîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññîâ ÿâëÿåòñÿ áèîêàòàëèç. Ïîýòîìó õèìèêè ñòàâÿò ñâîåé öåëüþ ñîçäàòü íîâóþ õèìèþ, îñíîâàííóþ íà êàòàëèòè÷åñêîì îïûòå æèâîé ïðèðîäû. Îíè ñòðåìÿòñÿ ê íîâûì ïðèíöèïàì óïðàâëåíèÿ õèìè÷åñêèìè ïðîöåññàìè, â êîòîðûõ áóäåò ïðèìåíÿòüñÿ ñèíòåç ñåáå ïîäîáíûõ ìîëåêóë, ïî ïðèíöèïó ôåðìåíòîâ áóäóò ñîçäàíû êàòàëèçàòîðû ñ òàêèì ðàçíîîáðàçèåì êà÷åñòâ, êîòîðûå äàëåêî ïðåâçîéäóò ñóùåñòâóþùèå â íàøåé ïðîìûøëåííîñòè äî ñèõ ïîð.

Íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî ôåðìåíòû îáëàäàþò îáùèìè ñâîéñòâàìè, ïðèñóùèìè âñåì êàòàëèçàòîðàì, òåì íå ìåíåå, îíè íå òîæäåñòâåííû ïîñëåäíèì, ïîñêîëüêó ôóíêöèîíèðóþò â ðàìêàõ æèâûõ ñèñòåì. Ïîýòîìó âñå ïîïûòêè èñïîëüçîâàòü îïûò æèâîé ïðèðîäû äëÿ óñêîðåíèÿ õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â íåîðãàíè÷åñêîì ìèðå ñòàëêèâàþòñÿ ñ ñåðüåçíûìè îãðàíè÷åíèÿìè. Ïîêà ðå÷ü ìîæåò èäòè òîëüêî î ìîäåëèðîâàíèè íåêîòîðûõ ôóíêöèé ôåðìåíòîâ è èñïîëüçîâàíèè ýòèõ ìîäåëåé äëÿ òåîðåòè÷åñêîãî àíàëèçà äåÿòåëüíîñòè æèâûõ ñèñòåì. Òàêæå âîçìîæíî ÷àñòè÷íîå ïðàêòè÷åñêîå ïðèìåíåíèå âûäåëåííûõ ôåðìåíòîâ äëÿ óñêîðåíèÿ íåêîòîðûõ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé. Äëÿ ýòîãî íóæíî èçó÷èòü âåñü êàòàëèòè÷åñêèé îïûò æèâîé ïðèðîäû, â òîì ÷èñëå è îïûò ôîðìèðîâàíèÿ ñàìîãî ôåðìåíòà, êëåòêè è äàæå îðãàíèçìà. Íà ýòîé îñíîâå è âîçíèêëà ýâîëþöèîííàÿ õèìèÿ êàê íîâàÿ íàóêà, ïðîëàãàþùàÿ ïóòè ïðèíöèïèàëüíî íîâîé õèìè÷åñêîé òåõíîëîãèè, ñïîñîáíîé ñòàòü àíàëîãîì æèâûõ ñèñòåì.

Òàêèì îáðàçîì, âîçíèêíîâåíèþ ýâîëþöèîííîé õèìèè ñïîñîáñòâîâàëè èññëåäîâàíèÿ â îáëàñòè ìîäåëèðîâàíèÿ áèîêàòàëèçàòîðîâ-ôåðìåíòîâ. Äëÿ îñâîåíèÿ îïûòà æèâîé ïðèðîäû è ðåàëèçàöèè ïî-

206

ëó÷åííûõ çíàíèé â ïðîìûøëåííîñòè õèìèêè íàìåòèëè ðÿä ïåðñïåêòèâíûõ ïóòåé.

Âî-ïåðâûõ, õèìèêè âåäóò èññëåäîâàíèÿ â îáëàñòè ìåòàëëîêîì-ïëåêñíîãî êàòàëèçà, êîòîðûé îáîãàùàåòñÿ ïðèåìàìè, èñïîëüçóåìûìè æèâûìè îðãàíèçìàìè â ðåàêöèÿõ ñ ó÷àñòèåì ôåðìåíòîâ.

Âî-âòîðûõ, ó÷åíûå ïûòàþòñÿ ìîäåëèðîâàòü áèîêàòàëèçàòîðû. Óæå óäàëîñü ñîçäàòü ìîäåëè ìíîãèõ ôåðìåíòîâ, êîòîðûå èçâëåêàþòñÿ èç æèâîé êëåòêè è èñïîëüçóþòñÿ â õèìè÷åñêèõ ðåàêöèÿõ. Íî ïðîáëåìà îñëîæíÿåòñÿ òåì, ÷òî ôåðìåíòû, óñòîé÷èâûå âíóòðè æèâîé êëåòêè, âíå êëåòêè áûñòðî ðàçðóøàþòñÿ.

Â-òðåòüèõ, ðàçâèâàåòñÿ õèìèÿ èììîáèëèçîâàííûõ ñèñòåì. Ïðè ýòîì ôåðìåíòû, âûäåëåííûå èç æèâîãî îðãàíèçìà, çàêðåïëÿþòñÿ íà òâåðäîé ïîâåðõíîñòè ïóòåì àäñîðáöèè. Ïèîíåðîì â ýòîé îáëàñòè âûñòóïèë ðóññêèõ õèìèê È.Â. Áåðåçèí. Áëàãîäàðÿ åãî èññëåäîâàíèÿì áèîêàòàëèçàòîðû ñòàëè ñòàáèëüíûìè, óñòîé÷èâûìè â õèìè÷åñêèõ ðåàêöèÿõ, ïîÿâèëàñü âîçìîæíîñòü èõ ìíîãîêðàòíîãî èñïîëüçîâàíèÿ.

Â-÷åòâåðòûõ, ãëîáàëüíîé öåëüþ ñîâðåìåííîé õèìèè ÿâëÿåòñÿ ðåøåíèå ñàìîé øèðîêîé çàäà÷è — îñâîåíèå è èñïîëüçîâàíèå âñåãî îïûòà æèâîé ïðèðîäû. Ýòî ïîçâîëèò õèìèêàì ñîçäàòü ïîëíûå àíàëîãè æèâûõ ñèñòåì, â êîòîðûõ áóäóò ñèíòåçèðîâàòüñÿ ñàìûå ðàçíîîáðàçíûå âåùåñòâà. Òàêèì îáðàçîì, ÷åëîâå÷åñòâî ïîëó÷èò â ñâîå ðàñïîðÿæåíèå ïðèíöèïèàëüíî íîâûå õèìè÷åñêèå òåõíîëîãèè.

Çàðîæäåíèå ýâîëþöèîííîé õèìèè ïðîèçîøëî â 1960-å ãã., êîãäà áûëè îòêðûòû ñëó÷àè ñàìîñîâåðøåíñòâîâàíèÿ êàòàëèçàòîðîâ â õîäå ðåàêöèè, òîãäà êàê îáû÷íî â ïðîöåññå ðàáîòû îíè äåçàêòèâèðîâàëèñü, óõóäøàëèñü è âûáðàñûâàëèñü. Òàê õèìèêè îáðàòèëè âíèìàíèå íà ïðîöåññû ñàìîîðãàíèçàöèè â õèìè÷åñêèõ ñèñòåìàõ, ïîäíÿâ òåì ñàìûì õèìèþ íà êà÷åñòâåííî íîâûé óðîâåíü. Ïðè ýòîì âïåðâûå áûëî îáðàùåíî âíèìàíèå íà ñóùåñòâîâàíèå â ïðèðîäå õèìè÷åñêèõ ñèñòåì ðàçíîé ñòåïåíè ñëîæíîñòè, à òàêæå íà ïðîöåññ ïåðåõîäà îò õèìè÷åñêèõ ñèñòåì ê áèîëîãè÷åñêèì.

Èçó÷åíèå ïðîöåññîâ ñàìîîðãàíèçàöèè â õèìèè ïðèâåëî ê ôîðìèðîâàíèþ äâóõ ïîäõîäîâ ê àíàëèçó ïðåäáèîëîãè÷åñêèõ ñèñòåì: ñóáñòðàòíîãî è ôóíêöèîíàëüíîãî.

Ñóáñòðàòíûé ïîäõîä ê ïðîáëåìå áèîãåíåçà

 ðàìêàõ ñóáñòðàòíîãî ïîäõîäà áûëî îòìå÷åíî, ÷òî ïðè ïåðåõîäå ê ïðîñòåéøèì ôîðìàì æèçíè øåë îñîáûé äèôôåðåíöèðîâàííûé îòáîð ëèøü òàêèõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ è èõ ñîåäèíåíèé, êîòîðûå ÿâëÿþòñÿ îñíîâíûì ñòðîèòåëüíûì ìàòåðèàëîì äëÿ îáðàçîâàíèÿ áèîëîãè÷åñêèõ ñèñòåì. Ýòè ýëåìåíòû â õèìèè ïîëó÷èëè íàçâàíèå îðãàíîãåíîâ.

Ðåçóëüòàòàìè òàêîãî ïîäõîäà ñòàëà èíôîðìàöèÿ îá îòáîðå õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ è ñòðóêòóð, êîòîðûé îêàçàëñÿ ïîäîáíûì áèîëîãè÷åñêîé ýâîëþöèè.  íàñòîÿùåå âðåìÿ íàóêîé îòêðûòî 110 õè-

207

ìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Áîëüøèíñòâî èç íèõ ïîïàäàåò â æèâûå îðãàíèçìû è ó÷àñòâóåò â èõ æèçíåäåÿòåëüíîñòè. Îäíàêî îñíîâó æèçíåäåÿòåëüíîñòè îáåñïå÷èâàþò òîëüêî øåñòü õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ-îðãàíîãåíîâ — óãëåðîä, âîäîðîä, êèñëîðîä, àçîò, ôîñôîð è ñåðà. Èõ ñóììàðíàÿ âåñîâàÿ äîëÿ â ñòðóêòóðå æèâîãî îðãàíèçìà ñîñòàâëÿåò 97,4%. Çà íèìè ñëåäóþò 12 ýëåìåíòîâ, êîòîðûå ïðèíèìàþò ó÷àñòèå â ïîñòðîåíèè ìíîãèõ ôèçèîëîãè÷åñêè âàæíûõ êîìïîíåíòîâ áèîëîãè÷åñêèõ ñèñòåì (íàòðèé, êàëèé, êàëüöèé, ìàãíèé, àëþìèíèé, æåëåçî, êðåìíèé, õëîð, ìåäü, öèíê, êîáàëüò, íèêåëü). Èõ âåñîâàÿ äîëÿ â îðãàíèçìå ñîñòàâëÿåò 1,6%. Êðîìå òîãî, ñóùåñòâóåò åùå 20 ýëåìåíòîâ, ó÷àñòâóþùèõ â ïîñòðîåíèè è ôóíêöèîíèðîâàíèè îòäåëüíûõ óçêîñïåöèôè÷åñêèõ áèîñèñòåì, âåñîâàÿ äîëÿ êîòîðûõ ñîñòàâëÿåò îêîëî 1%. Âñå îñòàëüíûå ýëåìåíòû â ïîñòðîåíèè áèîñèñòåì ïðàêòè÷åñêè íå ó÷àñòâóþò.

Îáùàÿ õèìè÷åñêàÿ êàðòèíà ìèðà òàêæå âåñüìà óáåäèòåëüíî ñâèäåòåëüñòâóåò îá îòáîðå õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé.  íàñòîÿùåå âðåìÿ õèìè÷åñêîé íàóêå èçâåñòíî îêîëî 8 ìëí. õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé. Èç íèõ ïîäàâëÿþùåå áîëüøèíñòâî (96%) ñîñòàâëÿþò îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, êîòîðûå îáðàçîâàíû íà îñíîâå âñå òåõ æå 6—18 ýëåìåíòîâ. À èç îñòàëüíûõ 90 õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ïðèðîäà ñîçäàëà âñåãî ëèøü îêîëî 300 òûñÿ÷ íåîðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé. Èç ìèëëèîíîâ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé â ïîñòðîåíèè æèâîãî ó÷àñòâóþò ëèøü íåñêîëüêî ñîòåí. Èç 100 èçâåñòíûõ àìèíîêèñëîò â ñîñòàâ áåëêîâ âõîäèò òîëüêî 20. Ëèøü ïî ÷åòûðå íóêëåîòèäà ÄÍÊ è ÐÍÊ ëåæàò â îñíîâå âñåõ ñëîæíûõ ïîëèìåðíûõ íóêëåèíîâûõ êèñëîò, îòâåòñòâåííûõ çà íàñëåäñòâåííîñòü è ðåãóëÿöèþ áåëêîâîãî ñèíòåçà â ëþáûõ æèâûõ îðãàíèçìàõ.

Õèìèêàì âàæíî ïîíÿòü, êàêèì îáðàçîì èç ìèíèìóìà õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ è õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé îáðàçîâàëèñü ñëîæíåéøèå áèîñèñòåìû. Áåç ýòîãî ó÷åíûå íå ñìîãóò ïðèñïîñîáèòü ê ñâîèì íóæäàì ïðîñòûå õèìè÷åñêèå ñèñòåìû è ïîëó÷èòü èç íèõ áîëåå ñëîæíûå ñîåäèíåíèÿ.

Ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî îïðåäåëÿþùèìè ôàêòîðàìè â îòáîðå õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ïðè ôîðìèðîâàíèè îðãàíè÷åñêèõ ñèñòåì, à òåì áîëåå áèîñèñòåì, âûñòóïàþò óñëîâèÿ ñîîòâåòñòâèÿ ýòèõ ýëåìåíòîâ îïðåäåëåííûì òðåáîâàíèÿì:

  • ñïîñîáíîñòü îáðàçîâûâàòü ïðî÷íûå è, ñëåäîâàòåëüíî, ýíåðãîåìêèå ñâÿçè;

  • ýòè ñâÿçè äîëæíû áûòü ëàáèëüíûìè (èçìåí÷èâûìè), ñïîñîáíûìè ê îáðàçîâàíèþ íîâûõ ðàçíîîáðàçíûõ ñâÿçåé.

Äàííûì óñëîâèÿì îòâå÷àåò óãëåðîä — îðãàíîãåí íîìåð îäèí. Îí, êàê íèêàêîé äðóãîé ýëåìåíò, ñïîñîáåí âìåùàòü è óäåðæèâàòü âíóòðè ñåáÿ ñàìûå ðåäêèå õèìè÷åñêèå ïðîòèâîïîëîæíîñòè, ðåàëè-çîâûâàòü èõ åäèíñòâî, âûñòóïàòü â êà÷åñòâå íîñèòåëÿ âíóòðåííåãî ïðîòèâîðå÷èÿ.

208

Àçîò, ôîñôîð è ñåðà êàê îðãàíîãåíû, à òàêæå æåëåçî è ìàãíèé, ñîñòàâëÿþùèå àêòèâíûå öåíòðû ôåðìåíòîâ, òàêæå ëàáèëüíû. Êèñëîðîä è âîäîðîä ñâîéñòâîì ëàáèëüíîñòè îáëàäàþò â ìåíüøåé ìåðå, ïîýòîìó ÿâëÿþòñÿ íîñèòåëÿìè îêèñëèòåëüíûõ è âîññòàíîâèòåëüíûõ ïðîöåññîâ.

Ñåãîäíÿ òàêæå ÿñíî, ÷òî â õîäå ýâîëþöèè îòáèðàëèñü òå ñòðóêòóðû, êîòîðûå ñïîñîáñòâîâàëè ðåçêîìó ïîâûøåíèþ àêòèâíîñòè è ñåëåêòèâíîñòè äåéñòâèÿ êàòàëèòè÷åñêèõ ãðóïï. Åñòü óæå è íåêîòîðûå âûâîäû:

  • íà ðàííèõ ýòàïàõ õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè îðãàíè÷åñêîãî ìèðà êàòàëèç îòñóòñòâîâàë. Óñëîâèÿ âûñîêèõ òåìïåðàòóð (âûøå 5000 Ê), ýëåêòðè÷åñêèõ ðàçðÿäîâ è ðàäèàöèè, ñ îäíîé ñòîðîíû, ïðåïÿòñòâîâàëè îáðàçîâàíèþ êîíäåíñèðîâàííîãî ñîñòîÿíèÿ âåùåñòâà, à ñ äðóãîé — ñ ëèõâîé ïåðåêðûâàëè òå ïîðöèè ýíåðãèè, êîòîðûå íåîáõîäèìû äëÿ ïðîòåêàíèÿ áîëüøèíñòâà ðåàêöèé;

  • ïåðâûå ïðîÿâëåíèÿ êàòàëèçà íà÷àëèñü ïðè ñìÿã÷åíèè óñëîâèé è îáðàçîâàíèè ïåðâè÷íûõ òâåðäûõ òåë;

  • ðîëü êàòàëèçàòîðîâ âîçðàñòàëà ïî ìåðå òîãî, êàê ôèçè÷åñêèå óñëîâèÿ ïðèáëèæàëèñü ê çåìíûì. Íî îáùåå çíà÷åíèå êàòàëèçà âïëîòü äî îáðàçîâàíèÿ áîëåå èëè ìåíåå ñëîæíûõ îðãàíè÷åñêèõ ìîëåêóë âñå åùå íå ìîãëî áûòü âûñîêèì;

  • ïîñëå òîãî, êàê áûë íàêîïëåí îïðåäåëåííûé êîëè÷åñòâåííûé ìèíèìóì îðãàíè÷åñêèõ è íåîðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, ïðåæäå âñåãî Ñàõàðîâ è àìèíîêèñëîò, ðîëü êàòàëèçà íà÷àëà ðåçêî âîçðàñòàòü.

Ôóíêöèîíàëüíûé ïîäõîä â ýâîëþöèîííîé õèìèè

 ðàìêàõ ôóíêöèîíàëüíîãî ïîäõîäà òàêæå èçó÷àåòñÿ ðîëü êàòàëèçà è âûÿâëÿþòñÿ çàêîíû, êîòîðûì ïîä÷èíÿþòñÿ ïðîöåññû ñàìîîðãàíèçàöèè õèìè÷åñêèõ ñèñòåì. Áûëî îòìå÷åíî, ÷òî âåäóùóþ ðîëü íà ïðåäáèîëîãè÷åñêîé ñòàäèè ýâîëþöèè èãðàë êàòàëèç. Ðîëü êàòàëèòè÷åñêèõ ïðîöåññîâ óñèëèâàëàñü ïî ìåðå óñëîæíåíèÿ ñîñòàâà è ñòðóêòóðû õèìè÷åñêèõ ñèñòåì. Èìåííî íà ýòîì îñíîâàíèè íåêîòîðûå ó÷åíûå íàïðÿìóþ ñòàëè ñâÿçûâàòü õèìè÷åñêóþ ýâîëþöèþ ñ ñàìîîðãàíèçàöèåé è ñàìîðàçâèòèåì êàòàëèòè÷åñêèõ ñèñòåì. Èíûìè ñëîâàìè, òàêàÿ ýâîëþöèÿ åñëè íå öåëèêîì, òî â çíà÷èòåëüíîé ìåðå ñâÿçàíà ñ ïðîöåññàìè ñàìîîðãàíèçàöèè êàòàëèòè÷åñêèõ ñèñòåì.

Èñõîäÿ èç ýòîãî ïðîôåññîð ÌÃÓ À.Ï. Ðóäåíêî âûäâèíóë òåîðèþ ñàìîðàçâèòèÿ îòêðûòûõ êàòàëèòè÷åñêèõ ñèñòåì. Î÷åíü ñêîðî îíà áûëà ïðåîáðàçîâàíà â îáùóþ òåîðèþ õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè è áèîãåíåçà.  íåé ðåøåíû âîïðîñû î äâèæóùèõ ñèëàõ è ìåõàíèçìàõ ýâîëþöèîííîãî ïðîöåññà, ò.å. î çàêîíàõ õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè, îòáîðå ýëåìåíòîâ è ñòðóêòóð è èõ ïðè÷èííîé îáóñëîâëåííîñòè, î âûñîòå õèìè÷åñêîé îðãàíèçàöèè è èåðàðõèè õèìè÷åñêèõ ñèñòåì êàê ñëåäñòâèè ýâîëþöèè.

Ñóùíîñòü äàííîé òåîðèè ñîñòîèò â òîì, ÷òî õèìè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñàìîðàçâèòèå êàòàëèòè÷åñêèõ ñèñòåì, à ñëå-

209

äîâàòåëüíî, ýâîëþöèîíèðóþùèì âåùåñòâîì ÿâëÿþòñÿ êàòàëèçàòîðû, à íå ìîëåêóëû. Âûøå ìû óïîìèíàëè, ÷òî ïðè êàòàëèçå èäåò ðåàêöèÿ õèìè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ êàòàëèçàòîðà è ðåàãåíòîâ ñ îáðàçîâàíèåì ïðîìåæóòî÷íûõ êîìïëåêñîâ ñî ñâîéñòâàìè ïåðåõîäíîãî ñîñòîÿíèÿ. Èìåííî òàêîé ïðîìåæóòî÷íûé êàòàëèòè÷åñêèé êîìïëåêñ Ðóäåíêî íàçâàë ýëåìåíòàðíîé êàòàëèòè÷åñêîé ñèñòåìîé. Åñëè â õîäå ðåàêöèè èäåò ïîñòîÿííûé ïðèòîê íîâûõ ðåàêòèâîâ èçâíå è îòâîä ãîòîâîé ïðîäóêöèè, à òàêæå âûïîëíÿþòñÿ íåêîòîðûå äîïîëíèòåëüíûå óñëîâèÿ, òî ðåàêöèÿ ìîæåò èäòè íåîãðàíè÷åííî äîëãî, íàõîäÿñü íà îäíîì è òîì æå ñòàöèîíàðíîì óðîâíå. Òàêèå ìíîãîêðàòíî âîçîáíîâëÿåìûå êîìïëåêñû ÿâëÿþòñÿ ýëåìåíòàðíûìè îòêðûòûìè êàòàëèòè÷åñêèìè ñèñòåìàìè.

Ñàìîðàçâèòèå, ñàìîîðãàíèçàöèÿ è ñàìîóñëîæíåíèå êàòàëèòè÷åñêèõ ñèñòåì ïðîèñõîäèò çà ñ÷åò ïîñòîÿííîãî ïðèòîêà òðàíñôîðìèðóåìîé ýíåðãèè. À òàê êàê îñíîâíûì èñòî÷íèêîì ýíåðãèè ÿâëÿåòñÿ áàçèñíàÿ ðåàêöèÿ, òî ìàêñèìàëüíîå ýâîëþöèîííîå ïðåèìóùåñòâî ïîëó÷àþò êàòàëèòè÷åñêèå ñèñòåìû, ðàçâèâàþùèåñÿ íà áàçå ýêçîòåðìè÷åñêèõ ðåàêöèé. Òàêèì îáðàçîì, áàçèñíàÿ ðåàêöèÿ — íå òîëüêî èñòî÷íèê ýíåðãèè, íî è îðóäèå îòáîðà íàèáîëåå ïðîãðåññèâíûõ ýâîëþöèîííûõ èçìåíåíèé êàòàëèçàòîðîâ.

Òåì ñàìûì Ðóäåíêî ñôîðìóëèðîâàë îñíîâíîé çàêîí õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè, ñîãëàñíî êîòîðîìó ñ íàèáîëüøåé ñêîðîñòüþ è âåðîÿòíîñòüþ ðåàëèçóþòñÿ òå ïóòè ýâîëþöèîííûõ èçìåíåíèé êàòàëèçàòîðîâ, êîòîðûå ñâÿçàíû ñ ðîñòîì èõ àáñîëþòíîé êàòàëèòè÷åñêîé àêòèâíîñòè. Ïðè ýòîì ïî ïàðàìåòðó àáñîëþòíîé êàòàëèòè÷åñêîé àêòèâíîñòè ñêëàäûâàþòñÿ ìåõàíèçìû êîíêóðåíöèè è åñòåñòâåííîãî îòáîðà.

Âîçíèêàåò ÿâëåíèå àâòîêàòàëèçà, ïðè êîòîðîì ïðîäóêòû ðåàêöèè âûñòóïàþò êàê êàòàëèçàòîðû, óñêîðÿþùèå äàëüíåéøåå ïðîòåêàíèå ðåàêöèè. Ïðè ýòîì ðåàêöèÿ ñòàíîâèòñÿ ñàìîðàçâèâàþùåéñÿ, è ýëåìåíòàðíàÿ îòêðûòàÿ êàòàëèòè÷åñêàÿ ñèñòåìà ïîäõîäèò ê ïåðâîìó ïðåäåëó â ñâîåì ðàçâèòèè, êîãäà ðîñò ñêîðîñòè áàçèñíîé ðåàêöèè íà÷èíàåò îãðàíè÷èâàòüñÿ ïîñòîÿííîé òåìïåðàòóðîé ñèñòåìû. Òîãäà íåêîòîðûå ýëåìåíòàðíûå êàòàëèòè÷åñêèå öåíòðû ñòàíîâÿòñÿ ñïîñîáíûìè îñóùåñòâëÿòü íå îäèí, à íåñêîëüêî öèêëîâ áàçèñíîé ðåàêöèè.

Íà ñëåäóþùåì ýòàïå ðàçâèòèÿ ýëåìåíòàðíîé êàòàëèòè÷åñêîé ñèñòåìû ñêîðîñòü ðåàêöèè íà÷èíàåò îãðàíè÷èâàòüñÿ êîíöåíòðàöèåé ðåàãèðóþùèõ âåùåñòâ. Ïðè ýòîì ñèñòåìà ïîäõîäèò êî âòîðîìó ïðåäåëó â ñâîåì ðàçâèòèè, êîòîðûé ïðåîäîëåâàåòñÿ ñ ïîìîùüþ ïðîñòðàíñòâåííîãî äóáëèðîâàíèÿ êàòàëèòè÷åñêèõ ñèñòåì, èõ ðàçúåäèíåíèÿ è äàëüíåéøåãî ñàìîñòîÿòåëüíîãî ñóùåñòâîâàíèÿ. À ñàìîâîñïðîèçâåäåíèå (òî÷íîå ïðîñòðàíñòâåííîå äóáëèðîâàíèå) ÿâëÿåòñÿ ïðèçíàêîì íå õèìè÷åñêîé, à áèîëîãè÷åñêîé ýâîëþöèè. Èìåííî òàê ñ ìàòðè÷íûõ ìîëåêóë ÄÍÊ ñ÷èòûâàåòñÿ íàñëåäñòâåííàÿ èíôîðìàöèÿ è íà ýòîé îñíîâå ñòðîèòñÿ íîâàÿ ìîëåêóëà. Òàêèì îáðàçîì, âòîðîé êèíåòè÷åñêèé ïðåäåë ñàìîðàçâèòèÿ ýëåìåíòàðíûõ îòêðûòûõ

210

êàòàëèòè÷åñêèõ ñèñòåì ÿâëÿåòñÿ ïðåäåëîì äîáèîëîãè÷åñêîé õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè. Ïîñëå ýòîãî âîçìîæíîñòè äîáèîëîãè÷åñêîé ýâîëþöèè, ïðîõîäÿùåé ïî çàêîíàì õèìèè, èñ÷åðïûâàþòñÿ, è íà÷èíàåòñÿ ýâîëþöèÿ áèîëîãè÷åñêàÿ.

Ïðàêòè÷åñêèì ñëåäñòâèåì òåîðèè ñàìîðàçâèòèÿ îòêðûòûõ êàòàëèòè÷åñêèõ ñèñòåì ÿâëÿåòñÿ òàê íàçûâàåìàÿ íåñòàöèîíàðíàÿ êèíåòèêà, êîòîðàÿ çàíèìàåòñÿ òåîðèåé óïðàâëåíèÿ íåñòàöèîíàðíûìè ïðîöåññàìè — ðåàêöèÿìè ñ ìåíÿþùèìèñÿ óñëîâèÿìè. Ñåãîäíÿ èññëåäîâàòåëè ïðèõîäÿò ê âûâîäó, ÷òî ñòàöèîíàðíûé ðåæèì, íàäåæíàÿ ñòàáèëèçàöèÿ êîòîðîãî êàçàëàñü çàëîãîì âûñîêîé ýôôåêòèâíîñòè ïðîìûøëåííîãî ïðîöåññà, ÿâëÿåòñÿ ëèøü ÷àñòíûì ñëó÷àåì íåñòàöèîíàðíîãî ðåæèìà. Ïðè ýòîì áûëî îáíàðóæåíî ìíîæåñòâî íåñòàöèîíàðíûõ ðåæèìîâ, ñïîñîáñòâóþùèõ èíòåíñèôèêàöèè ðåàêöèè.

Òàêèì îáðàçîì, ðàññìîòðåííûå êîíöåïöèè õèìèè ïîçâîëÿþò ãîâîðèòü î ñóùåñòâîâàíèè õèìè÷åñêîé êàðòèíû ìèðà, ò.å. òàêîãî âçãëÿäà íà ïðèðîäó ñ òî÷êè çðåíèÿ õèìèè, â êîòîðîì îïðåäåëÿþòñÿ ìåñòî è ðîëü õèìè÷åñêèõ îáúåêòîâ è ïðîöåññîâ â ðåàëüíîì ïðèðîäíîì ìíîãîîáðàçèè. Åå ñîäåðæàíèåì ÿâëÿåòñÿ:

  • îáîáùåííîå çíàíèå ýïîõè î òîì, ÷òî ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé îáúåêòû æèâîé è íåæèâîé ïðèðîäû ñ òî÷êè çðåíèÿ èõ õèìè÷åñêîãî ñîäåðæàíèÿ. Ñþäà âõîäèò ó÷åíèå î ìíîãîîáðàçèè ÷àñòèö âåùåñòâà è åãî õèìè÷åñêîé îðãàíèçàöèè;

  • ïðåäñòàâëåíèå î åäèíîì ïðîèñõîæäåíèè âñåõ îñíîâíûõ òèïîâ ïðèðîäíûõ îáúåêòîâ, èõ åñòåñòâåííîé ýâîëþöèè;

  • çàâèñèìîñòü õèìè÷åñêèõ ñâîéñòâ ïðèðîäíûõ îáúåêòîâ îò èõ ñòðóêòóðû;

  • îáùèå çàêîíîìåðíîñòè ïðèðîäíûõ ïðîöåññîâ êàê ïðîöåññîâ õèìè÷åñêîãî äâèæåíèÿ — âçàèìîäåéñòâèÿ ðåàãèðóþùèõ âåùåñòâ äðóã ñ äðóãîì è îêðóæàþùåé ñðåäîé;

  • çíàíèå î ñïåöèôè÷åñêèõ îáúåêòàõ, ñèíòåçèðóåìûõ â ïðàêòè÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè õèìèêîâ.

Ëèòåðàòóðà äëÿ ñàìîñòîÿòåëüíîãî èçó÷åíèÿ

  1. Âàñèëüåâà Ò.Ñ., Îðëîâ Â.Â. Õèìè÷åñêàÿ ôîðìà ìàòåðèè. Ì., 1983.

  2. Äàíöåâ À.À. Ôèëîñîôèÿ è õèìèÿ. Ðîñòîâ-íà-Äîíó, 1991.

  3. Êóçüìåíêî Í.Å., Åðåìèí Â.Â., Ïîïêîâ Â.À Íà÷àëà õèìèè Ì., 1997.

  4. Ïèìåíòïåë Äæ., Êóíðîä Äæ. Âîçìîæíîñòè õèìèè ñåãîäíÿ è çàâòðà. Ì., 1992.

  5. Ïîëëåð 3. Õèìèÿ íà ïóòè â òðåòüå òûñÿ÷åëåòèå. Ì., 1982.

  6. Ñîëîâüåâ Þ.È., Êóðàøîâ Â.È. Õèìèÿ íà ïåðåêðåñòêå íàóê. Ì, 1989.

  7. Ôèãóðîâñêèé Í.À. Èñòîðèÿ õèìèè. Ì., 1979.

  8. Õèìèÿ è ìèðîâîççðåíèå. Ì., 1986.

  9. Õîì÷åíêî Ò.Ï. Õèìèÿ äëÿ ïîñòóïàþùèõ â âóçû. Ì., 1996.

  10. Ýìñëè Äæ. Ýëåìåíòû. Ì., 1993.

.

Êîììåíòàðèè (3)
Îáðàòíî â ðàçäåë Íàóêà












 





Íàâåðõ

sitemap:
Âñå ïðàâà íà êíèãè ïðèíàäëåæàò èõ àâòîðàì. Åñëè Âû àâòîð òîé èëè èíîé êíèãè è íå æåëàåòå, ÷òîáû êíèãà áûëà îïóáëèêîâàíà íà ýòîì ñàéòå, ñîîáùèòå íàì.