Доклад: Разновидности химических процессов

Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение как материального состава растительных и живот­ных тканей, так и химических процессов, происходящих в орга­низме Такие по содержанию исследования проводят и химики-органики, и биохимики, и даже медики. При этом, решая одни и те же задачи, они ставят разные цели. Химиков-органиков ин­тересуют перспективы создания более сложных веществ путем конструирования их молекул для реализации возможностей син­теза аналогов органических соединений, образующихся в живых организмах. Биологи преследуют цель изучения субстратной и функциональной основ жизнедеятельности организмов. Медики стремятся выяснить границы между нормой и патологией в ор­ганизмах Объединяет все эти исследования идея о ведущей ро­ли ферментов или, в более широком смысле, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности. Эта идея, впервые предложенная великим французским естествоиспытателем Луи Мастером (1822-1895) остается основополагающей и по сей день при изучении химии живой природы в рамках динамической биохи­мии, основной предмет которой - химические процессы, про­исходящие в живом организме. В то же время изучением моле­кулярного состава и структуры ткани живого и неживого орга­низма занимается статическая биохимия. Динамическая биохимия родилась на рубеже XVIII и XIX сто­летий, когда начали различать процессы дыхания и брожения, ассимиляции и диссимиляции как некие превращения веществ. История исследования брожения включает не только определен­ные этапы познания действительности, но и трудности проникно­вения в тайны живого: веру в жизненную силу, надежды Берцелиуса на особые функции катализа в жизнедеятельности организ­мов, упрощенные представления "чистых химиков" — Либиха и Бертло о брожении как действии обычных химических сил, гени­альные предвидения Пастера о различиях между бесклеточным брожением и ферментом живой деятельности дрожжевых клеток и, наконец, открытие белковой основы ферментов и их глубокой дифференциации, а вслед за этим участия на различных стадиях брожения различных ферментов.

Исследование брожения составляет основной предмет фер­ментологии — стержневой отрасли знаний о процессах жизне­деятельности. На протяжении весьма длительной истории ис­следования процесс биокатализа рассматривался с двух разных точек зрения. Одной из них, условно названной химической, придерживались Ю. Либих и М. Бертло, а другой — биологиче­ской — Л. Пастер.

В химической концепции весь катализ сводился к обычному химическому катализу. Несмотря на упрощенный подход в рам­ках концепции были установлены важные положения: аналогия между биокатализом и катализом, между ферментами и катали­заторами; наличие в ферментах двух неравноценных компонен­тов — активных центров и носителей; заключение о важной ро­ли ионов переходных металлов и активных центров многих ферментов; вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики; сведение в отдельных случаях биокатали­за к катализу неорганическими агентами.В начале развития биологическая концепция не располагала столь обширными экспериментальными подтверждениями. Ее основной опорой были труды Л. Пастера и, в частности, его пря­мые наблюдения за деятельностью молочнокислых бактерий, ко­торые позволили выявить брожение и способность микроорга­низмов получать необходимую им энергию для жизнедеятельно­сти путем брожения. Из своих наблюдений Пастер сделал вывод об особом уровне материальной организации ферментов. Однако все его доводы, если и были не опровергнуты, то по крайней мере отодвинуты на задний план после открытия внеклеточного бро­жения, а позиция Пастера была объявлена виталистической.Однако с течением времени концепция Пастера победила. О перспективности данной концепции свидетельствуют современ­ные эволюционный катализ и молекулярная биология

ЦЕПНЫЕ РЕАКЦИИ — это самоподдерживающиеся химические реакции, в результате которых первоначальна появляющиеся продукты принимают участие в образовании новых продуктов.

Цепные реакции протекают с большой скоростью и иногда со взрывом. В цепных реакциях различают три стадии: зарождения, цепи, развития цепи и обрыва цепи.

На стадии зарождения цепи происходит oбpaзoвaние промежуточных продуктов, которыми могут быть атомы, ионы или нейтральные молекулы. На стадии развития цепи последовательно протекают реакции превращения и образования свободных радикалов. На стадии обрыва цепи происходит расходование промежуточных продуктов или их разрушение и прекращение реакции. Обрыв реакции может произойти самопроизвольно или под действием ингибито­ров. К цепным реакциям относятся, например, окисление органических веществ кислородом, окисление водорода, фосфора, серы, реакции между водородом и хлором, между водородом и бромом и т.д.Большой вклад в разработку теории цепных реакций внес лауреат Нобелевской премии, академик Н.Н.Семенов.

ГОРЕНИЕ — это химическая реакция, при которой про­исходит окисление веществ с выделением теплоты и света. Горение и, следовательно, окисление возможны и без участия кислорода. Например, водород сгорает (окисляет­ся) в газообразном хлоре и в парах брома, при этом соответственно образуются хлоро- и бромоводород. Для горения нужны горючее и окислитель. На практи­ке в качестве окислителя могут быть галогены, рзон, пере-кисные соединения, нитросоединения и другие богатые кислородом соединения, а горючими — практически все органические вещества, многие металлы, водород.

Химия экстремальных состояний.

При взаимодействии реагентов с катализатором происходит ослабление исходных химических связей. Оно возможно при энергетической активизации реагента, которая достигается при тепловом либо радиоактивном воздействии, характеризующемся большой величиной энергии. Вопросами энергетической активи­зации реагента занимается химия экстремальных состояний, ко­торая включает плазмохимию, радиационную химию, химию высо­ких энергий, высоких давлений и температур.

Плазмохимия изучает процессы в низкотемпературной плазме. Плазма — это ионизированный газ. Различают слабоионизи­рованную, или низкотемпературную, и высокотемпературную плазму. В плазмохимии рассматриваются процессы при темпера­турах от 1000 до 10000°С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями молекул с за­ряженными частицами и, что особенно важно, очень высокими скоростями реакций.

В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет около 10^(-13) с при почти полном отсутствии обратимости реакции. Такая скорость в обычных заводских реакторах из-за обратимости снижается в тысячи и миллионы раз. Плазмохимические процессы поэтому очень высокопроизводительны.

В нашей стране разработаны плазмохимические способы превращения угля в жидкое топливо без применения высоких давлений и выброса золы и серы

Радиационная химия — сравнительно молодая отрасль, ей немного более 40 лет. В настоящее время радиационная химия изучает превращение самых разнообразя веществ под действием ионизирующих излучений. Источника ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы.

В результате радиационно-химических реакций из кислорода образуется озон, из газообразных парафинов — водород и сложная смесь низкомолекулярных олефинов. Облучение полиэтилена, поливинилхлорида и многих других полимеров приводит повышению их термостойкости и твердости.

Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, в том числе композиций древесной основе, закрепление лаков и других материалов поверхности дерева и металла, получение полимербетонов пут пропитки обычного бетона тем или иным мономером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в четыре раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высо­кой коррозийной стойкостью.

Принципиально новой и исключительно важной областью химии экстремальных состояний является самораспространяю­щийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Обычно крупномасштабное производство таких ма­териалов осуществляется методом порошковой металлургии, суть которого заключается в прессовании и сжатии при высокой температуре металлических порошков. При этом температура должна составлять 1200-2000°С, а процесс спекания длится не­сколько часов. Гораздо проще реализуется самораспространяю­щийся синтез, основанный на реакции горения одного металла в другом или металла в азоте, углероде, кремнии и т.п.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез — тепловой процесс горения в твердых телах. Он представляет со­бой, например, горение порошка титана в порошке бора или порошка циркония в порошке кремния. В результате такого синтеза получены сотни тугоплавких со­единений превосходного качества: карбиды металлов, бориды, алюминиды, селениды.Данный метод не требует громоздких печей и процессов, больших энергетических затрат и отличается высокой техноло­гичностью. На установке, производящей многотоннажную про­дукцию, достаточно работы всего лишь одного человека. По оценке американских специалистов, технология самораспрост­раняющегося высокотемпературного синтеза — высочайшее дос­тижение русских ученых из Института химической физики Рос­сийской академии наук.

При подготовке этой работы были использованы материалы с сайта http://www.studentu.ru