СодержаниеСОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Синтез химических веществ 4
1.1. Управление химическими процессами 4
1.2. Синтез органических и неорганических соединений 7
2. Общие тенденции развития современной химии 10
3. Плазмохимия 12
4. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез 14
5. Химические реакции при высоких давлениях 17
6 . Процессы получения твердых веществ с участием 18
газофазных реакций 18
6.1. Синтез алмазов 19
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 23
Литература 24
В данной работе рассматриваются основные тенденции развития современной химии, ее приоритетные направления в конце двадцатого и начале двадцать первого веков. Работа состоит из нескольких подразделов, где анализируются более подробно некоторые аспекты развития химии в двадцать первом веке; в частности в данной части присутствуют такие подразделы, как плазмохимия, синтезы твердых веществ. Приводятся также области применения данных новых направлений.
ВВЕДЕНИЕ
Химия - наука социальная. Её высшая цель – удовлетворять нужды каждого человека и всего общества. Многие надежды человечества обращены к химии. Молекулярная биология, генная инженерия и биотехнология, наука о материалах являются фундаментально химическими науками. Прогресс медицины и охраны здоровья - это проблемы химии болезней, лекарств, пищи; нейрофизиология и работа мозга - это, прежде всего нейрохимия, химия нейромедиаторов, химия памяти. Человечество ждёт от химии новых материалов с магическими свойствами, новых источников и аккумуляторов энергии, новых чистых и безопасных технологий, и т.д.
Актуальность темы состоит в том, что синтез новых химических соединений и разработка новых методов синтеза - это важная проблема химии, представляющая большой интерес и для физики, биологии, геологии, медицины, а также различных технических наук. К настоящему времени количество химических соединений, сведения о которых можно найти в научной литературе, превысило 10 млн. Синтезы новых соединений и поиски новых методов синтеза продолжаются.
Цель данной работы – показать необходимость синтеза веществ для современных технологий.
1. СИНТЕЗ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Управление химическими процессами
Современ¬ное учение о химических процессах включает фунда¬ментальные знания многих отраслей естествознания и прежде всего физики, химии, биологии и др. Стремле¬ние ученых — создать лаборатории живого организма, где можно было бы воспроизводить химические про¬цессы в биологических системах, свидетельствует о не¬обходимости органической взаимосвязи разных есте¬ственно-научных отраслей.
Наш соотечественник, лауреат Нобелевской пре¬мии по химии 1956 г., выдающийся химик Н.Н. Семе¬нов (1896—1986), создавший общую теорию цепных реакций и основавший химическую физику, считал себя физиком. Он полагал, что химический процесс нельзя рассматривать без восхождения от таких про¬стых объектов познания, как электрон, нуклон, атом и молекула, к живой биологической системе, ибо любая клетка любого организма представляет собой, по су¬ществу, сложный химический реактор. В этой связи любой химический процесс — это переходной мост между физическим и биохимическим объектами.
Одно из важнейших направлений учения о свой¬ствах вещества — создание методов управления хими¬ческими процессами. Успехи в развитии современной химии во многом определяются эффективностью уп¬равления химическими превращениями, повышению которой способствует внедрение новых эксперимен¬тальных методов с применением современных техни¬ческих средств контроля и анализа сложных молекуляр¬ных структур. Химическое превращение начинается со смешивания реагентов и заканчивается образованием конечных продуктов. В большинстве случаев оно вклю¬чает ряд промежуточных стадий, и для полного пони¬мания механизма реакции нужны сведения о свой¬ствах промежуточных веществ, образующихся на каж¬дой стадии, протекающей, как правило, очень быстро. Если 20 — 30 лет назад технические средства экспери¬мента позволяли проследить за промежуточными мо¬лекулами со временем жизни около одной миллионной доли секунды, то современные лазерные источники из¬лучения существенно расширили временной диапазон исследований от 10-6 до 10-15 с.
При взаимодействии двух химических соединений образование продуктов реакции определяется статис¬тической вероятностью, зависящей от исходного энер¬гетического состояния, возбуждения и взаимной ори¬ентации молекул при столкновениях, в которых при¬нимают участие молекулы реагирующих соединений. Современная вакуумная техника открывает новые воз¬можности для взаимодействия реагирующих соедине¬ний при столкновении молекул. В глубоком вакууме, где длина свободного пробега молекул велика, столк¬новение молекул может происходить в сравнительно небольшом объеме, составляющем зону перекрытия двух молекулярных пучков реагирующих соединений, в которой возрастает вероятность участия каждой мо¬лекулы не более чем в одном столкновении, приводя¬щем к реакции. Это означает, что появилась реальная возможность для изучения тонких процессов и управ¬ления химическими превращениями.
Определение характеристик атомных и молекуляр¬ных частиц (их структуры и состава) в аналитической химии называют качественным анализом, а измерение их относительного содержания — количественным анализом. Новые методы качественного и количествен¬ного анализа основываются на последних достижени¬ях различных отраслей естествознания и, в первую очередь, физики. Методы аналитической химии широ¬ко применяются в разных отраслях химии, в медици¬не, сельском хозяйстве, геологии, экологии и т. п.
Для количественного анализа исследуемые слож¬ные смеси и соединения делятся на компоненты. Для этого применяется универсальный метод — хромато¬графия. Его сущность заключается в том, что различные вещества в жидкой или газообразной фазе обладают разной прочностью связи с поверхностью, с которой они находятся в контакте. С помощью хроматографии мож¬но разделить и зафиксировать чрезвычайно малое ко¬личество вещества в смеси — около 10~ 12г. Кроме того, хроматография позволяет разделить многокомпонент¬ные газообразные смеси, содержащие вещества раз¬ного изотопного состава.
Для анализа и идентификации структуры сложных молекул, объединяющих большое количество атомов с различными взаимными связями, широко применяют¬ся основанные на физических принципах эксперимен¬тальные методы ядерного магнитного резонанса, оп¬тической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентге-ноструктурного анализа, нейтронографии и т. п.
В управлении химическими процессами важную роль играют предварительные расчеты, позволяющие определить свойства синтезируемых молекул. Еще в первой половине XX в. с развитием квантовой теории появилась возможность рассчитывать взаимодействие электронов и атомных ядер при химических реакциях. Однако на практике такие расчеты долго оставались недостижимыми: уж слишком сложны уравнения кван¬товой механики для комплексных объектов — молекул и даже атомов с множеством движущихся электронов. Решение подобной задачи стало возможным при учете электронной плотности, а не движения отдельных элек¬тронов в молекуле или атоме. Такой подход позволяет рассчитывать свойство и структуру даже весьма слож¬ных молекул, например белковых. За решение данной задачи квантовой химии австрийский физик Вальтер Кон и английский математик и физик Джон Попл (оба ученых работают в США) удостоены в 1998 г. Нобелев¬ской премии по химии.ВведениеПлазмохимические процессы протекают в слабоионизированной, или низкотемпературной плазме, при температуре от 1000 до 100000С. Ионизированные и неионизированные частицы плазмы, находящиеся в возбужденном состоянии, в результате легко вступают в химическую реакцию. При этом скорость перераспределения химических связей между реагирующими частицами очень высока: длительность элементарных актов хими¬ческих превращений — не более 10-13с при незначи¬тельной обратимости реакции. Поэтому плазмохими-ческие процессы высокопроизводительны. Например, производительность метанового плазмохимического реактора — плазмотрона сравнительно небольших размеров (длиной 65 см и диаметром 15 см) — состав¬ляет 75 т ацетилена в сутки. По производительности он не уступает огромному заводу. В нем при температуре 3000 - 3500 °С за 0,0001с около 80% метана превращает¬ся в ацетилен. Коэффициент полезного потребления энергии — 90 —95 %, а энергозатраты — менее 3 кВт • ч на 1 кг ацетилена. В то же время в традиционном паро¬вом реакторе пиролиза метана энергозатраты вдвое больше.
В последнее время разработан эффективный спо¬соб связывания атмосферного азота посредством плаз¬мохимического синтеза оксида азота, который гораздо экономичнее традиционного аммиачного способа. Со¬здана плазмохимическая технология производства мел¬кодисперсных порошков — основного сырья для по¬рошковой металлургии. Разработаны плазмохимические методы синтеза карбидов, нитридов, карбонитридов таких металлов, как титан, цирконий, ванадий, ниобий и молибден, при сравнительно небольших энергозат¬ратах — 1—2 кВт • ч на 1 кг готовой продукции.
В 70-х гг. XX в. созданы плазмохимические стале¬плавильные печи, производящие высококачественный металл. Ионно-плазменная обработка рабочей поверх¬ности инструментов позволяет повысить их износостой¬кость в несколько раз. В результате подобной обработки можно сформировать, например, пористый рельеф на ровной поверхности. Ионно-плазменное напыление в вакууме широко применяется для формирования эле¬ментов современных интегральных схем.
Методом плазменного напыления можно нанести пористое покрытие со сложной микроструктурой, спо¬собствующее срастанию эндопротеза с костной тка¬нью. С помощью пористых покрытий можно увеличить эффективность катализатора, повысить коэффициент теплоотдачи и т. д.
Плазмохимия позволяет синтезировать металлобетон, в котором в качестве связующих материалов исполь¬зуют сталь, чугун и алюминий. Металлобетон образует¬ся при сплавлении частиц горной породы с металлом и по прочности превосходит обычный бетон: на сжатие — в 10 раз и на растяжение — в 100 раз. В нашей стране разработан плазмохимический способ превращения угля в жидкое топливо без применения высоких давлений и выброса золы и серы. Кроме основного химического продукта — синтез-газа, извлекаемого из органических соединений каменного или бурого угля, этот способ позволяет получить из неорганических включений угля ценные соединения: технический кремний, карбосилилиций, ферросилиций, адсорбенты для очистки воды и т. п., — которые при других способах переработки угля выбрасываются в виде зольных отходов.
4. САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩИЙСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СИНТЕЗ
Для производства многих тугоплавких и кера¬мических материалов применяется технология порош¬ковой металлургии, включающая операции прессова¬ния при высоком давлении и спекания полученной заготовки при относительно высокой температуре 1200 — 2000 °С. Однако эта технология довольно энер¬гоемкая: создание высоких температур и давления требует больших энергозатрат. Гораздо проще и эко¬номичнее предложенная сравнительно недавно техно¬логия самораспространяющегося высокотемператур¬ного синтеза
В настоящее время в ИСМАН методом СВС синтези¬рованы практически все известные высокотемператур¬ные сверхпроводники на основе иттрия, других редкозе¬мельных металлов, висмута и таллия. Наиболее подробно изучены механизм и закономерности СВС на примере получения иттрий-бариевой керамики состава Y123 по реакции:
ЗСu + 2ВаО2+1/2Y2O3+ (1,5-x)/2 О2=YВа2Сu3O7-x+ Q
Эта реакция стала удобной моделью для исследования закономерностей и механизма СВС ВТСП. Простейшую информацию можно получить, анализируя термограмму СВС-процесса, отражающую температур¬ный профиль волны синтеза.
Полученная информация о механизме взаимодействия компонентов свидетельствует о том, что образование ВТСП в СВС является сложным процессом. Основное тепловыделение, обеспечивающее распространение вол¬ны синтеза и образование фазы (структуры) конечного целевого продукта, происходит неодновременно в про¬странственно разделенных зонах.
Эта важная черта СВС Y123 расширяет возможности метода для регулирования свойств конечного продукта при различных воздействиях на более длительную стадию вторичных процессов. В то же время наличие этой стадии приводит к эффектам саморегулирования состава и структуры конечного продукта и слабой зависимости их от параметров горения.
Уже сейчас СВС-технология. порошков Y123 получила практическое использование. Порошки Y123 хорошо зарекомендовали себя для полу¬чения: изделий (мишени для плазменного напыления) методом спекания; сложных композитов типа поли¬мер—ВТСП; изделий (мишени и экраны) методом взрывного компактирования и т. д. СВС-порошки и изделия из них соответствуют уровню лучших отечест¬венных и зарубежных образцов. Очевидно, что методом СВС могут быть получены не только ВТСП на основе иттрия и других редкоземельных металлов, но и другие — при соответ¬ствующем подборе состава шихты и условий синтеза.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез не требует трудоемких процессов и громоздких печей и отличается высокой технологичностью. Она легко поддается автоматизации. Промышленной уста¬новкой, производящей многотоннажную продукцию, может управлять всего лишь один оператор.
Для процессов СВС химическая природа реагентов непосредственного значения не имеет - важны лишь величина теплового эффекта реакции и законы тепловыделения и теплопередачи, агрегатное состояние реагентов и продуктов, кинетика фазовых и структурных превращений и другие макроскопические характеристики процесса.
Поэтому химия СВС-процессов разнообразна. Наибольшее распространение получили
- реакции синтеза из элементов
Ti + C = TiC
Ni + Al = NiAl
3Si + 2N2 = Si3N4
Zr + H2 = ZrH2
- окислительно-восстановительные реакции
B2O3 +3Mg + N2 = 2BN + 3MgO
B2O3 + TiO2 +5Mg = TiB2 + 5MgO
MoO3 + B2O3 +4Al = MoB2 + 2Al2O3
3TiO2 + C + 4Al = TiC + 2Al2O3
2TiCl4 + 8Na + N2 = 2TiN + 8NaCl
- реакции окисления металлов в сложных оксидных средах
3Cu + 2BaO2 + 1/2Y2O3 + 0.5(1.5 - x)O2 = YBa2Cu3O7-x
Nb + Li2O2 + 1/2Ni2O5 = 2LiNbO3
8Fe + SrO + 2Fe2O3 + 6O2 = SrFe12O19
Известны также СВС-реакции
- синтеза из соединений
PbO + WO3 = PbWO4
- взаимодействия разлагающихся соединений с элементами
2TiH2 + N2 = 2TiN + 2H2
4Al + NaN3 + NH4Cl = 4AlN + NaCl + 2H2
- термического разложения сложных соединений
2BH3N2H4 = 2BN + N2 + 7H2ЛитератураКарпенков С.Х. Концепции современного естествознания. - М.: Академический проект, 2002. – 368с.
2. Пиментел Дж., Кунрод Дж. Возможности химии сегодня и завтра. М.: Мир, 1992, 288 с.
3. Свиридов В.В. Химия сегодня и завтра. Минск: Изд-во университетское, 1987. 128 с.
4. Свиридов В.В., Попкович Г.А., Василевская Е.И. Неорганический синтез. Минск: Изд-во университетское, 1996. 166 с.
5. Зефиров Н.С. О тенденциях развития современной органической химии – Соросовский Образовательный Журнал, 1996
6. А.Г. Мержанов. «Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Современные проблемы». Физическая химия. М. «Химия» 1983 г.
|
|
