Содержание

Введение 2

1. Управление химическими процессами 4

2. ОБРАЗОВАНИЕ ЗЕМНЫХ И ВНЕЗЕМНЫХ ВЕЩЕСТВ 7

3. новые ХИМИЧЕСКИе ЭЛЕМЕНТы 10

3.1 Получение новых химических элементов 10

3.2 Радиоактивные изотопы и их применение 12

4. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 15

4.1 Плазмохимические процессы 15

4.2 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез 16

4.3 Химические реакции при высоких давлениях 17

4.4 Синтез алмазов 18

5. СОВРЕМЕННЫЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 21

6. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 26

6.1 Сверхпрочные материалы 26

6.2 Материалы, содержащие редкие металлы 27

6.3 Термостойкие материалы 29

6.3.1 Нитинол 30

6.3.2 Жидкие кристаллы 31

6.3.3 Оптические материалы 32

6.4 Материалы диссоциации металлоорганических соединений 33

6.5 Тонкопленочные материалы для накопителей информации 35

7. ВАЖНЕЙШИЕ ОТКРЫТИЯ В ХИМИИ XXI ВЕКА 37

Заключение 40

Библиография 43

Введение

На рубеже тысячелетий в каждой из главных областей естествознания – биологии, физике, химии - произошли и происходят одинаково важные, капитальные, но притом различные метаморфозы.

Бурно развиваются новые представления (супрамолекулярная химия, нанотехнологии, фемтохимия). Фантастическими следует назвать достижения биохимии. Все шире внедряются представления о химическом веществе как о микрогетерогенной среде, и это играет огромную роль в химии материалов. Огромное значение имеют успехи квантовой химии, однако и классическая механика широко используется при описании и интерпретации химических процессов. И по-прежнему незыблемой основой очень многих разделов химии остаются структурные формулы и стереохимические представления, сложившиеся в конце 19-го века.

Основная метаморфоза, которую претерпела химия в 20-м столетии, заключается в том, что из "экспериментальной науки о веществах и их превращениях" она превратилась в систему представлений, методов, знаний и теоретических концепций, направленных на изучение атомно-молекулярных систем (АМС). При этом основным средством описания, интерпретации, прогноза и использования АМС стала структура. Не будет большим преувеличением назвать всю современную химию структурной.¹ В результате химия встала перед капитальной проблемой: возникла необходимость на новом уровне согласовать классическую физикохимию (термодинамику и кинетику) с быстро прогрессирующими структурными представлениями, со стремительно увеличивающейся в объеме структурной информацией.

Структура - это сложное многоуровневое понятие, существующее в форме ряда различных приближений, и нужно пользоваться им так, чтобы в каждом конкретном случае была ясна сущность и степень достоверности подразумевающейся модели.

Внедрение структурных представлений преобразило многие аспекты деятельности химиков и используемые ими фундаментальные понятия. Радикально видоизменилось, например, содержание таких центральных понятий классической химии, как "химическое вещество" и "химическое соединение". Изменились смысл и форма двух первооснов, на которых зиждется химия, - эксперимента и теории (речь идет о тех экспериментах и теоретических концепциях, которые доминируют в современной химии). В частности это связано с быстрым развитием компьютерного моделирования, что привело к появлению нового типа научной гипотезы.

1. УПРАВЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Современная наука о химических процессах включает фундаментальные знания многих отраслей естествознания и, прежде всего, физики, химии, биологии и др. Стремление ученых - создать лаборатории живого организма для воспроизведения химических процессов в биологических системах свидетельствует о необходимости применения взаимосвязанных знаний разных естественно - научных отраслей.

Лауреат Нобелевской премии по химии 1956г., выдающийся химик Н.Н. Семенов (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 простых объектов, как электрон, нуклон, атом и молекула, к живой биологической системе, ибо любая клетка любого организма представляет собой, по существу, сложный химический реактор. В этой связи химический процесс - это мост между физическим и биохимическим объектами.

Одно из важнейших направлений учения о свойствах вещества - создание методов управления химическими процессами. Успехи в развитии современной химии во многом определяются эффективностью управления химическими превращениями, повышению которой способствует внедрение новых экспериментальных методов с применением современных технических средств контроля и анализа сложных молекулярных структур. Химическое превращение начинается со смешивания реагентов и заканчивается образованием конечных продуктов. В большинстве случаев оно включает ряд промежуточных стадий, и для полного понимания механизма реакции нужны сведения о свойствах промежуточных веществ, образующихся на каждой стадии, протекающей, как правило, очень быстро. Если 20-30 лет назад технические средства эксперимента позволяли проследить за промежуточными молекулами со временем жизни около одной миллионной доли секунды, то современные лазерные источники излучения существенно расширили временной диапазон исследований от 10^-6 до 10^-15 с.

При взаимодействии двух химических соединений образование продуктов реакции определяется статистической вероятностью, зависящей от исходного энергетического состояния, возбуждения и взаимной ориентации молекул при столкновениях. Современная вакуумная техника открывает новые возможности для взаимодействия реагирующих соединений при столкновении молекул. В глубоком вакууме, где длина свободного пробега молекул велика, столкновение молекул может происходить в сравнительно небольшом объеме, составляющем зону перекрытия двух молекулярных пучков реагирующих соединений, в которой возрастает вероятность участия каждой молекулы не более чем в одном столкновении, приводящем к реакции. Это означает, что появилась реальная возможность для изучения тонких процессов и управления химическими превращениями.

Определение характеристик атомных и молекулярных частиц (их структуры и состава) в аналитической химии называют качественным анализом, а измерение их относительного содержания - количественным анализом. Новые методы качественного и количественного анализа основываются на последних достижениях различных отраслей естествознания и в первую очередь физики. Методы аналитической химии широко применяются в разных отраслях химии, в медицине, сельском хозяйстве, геологии, экологии и т.п.

Для количественного анализа исследуемые сложные, смеси и соединения делятся на компоненты. Для этого применяется универсальный метод - хроматография. Этот метод впервые предложил российский ученый М.С. Цвет (1872-1919). 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 можно разделить и зафиксировать чрезвычайно малое количество вещества в смеси - около 10^-12г. Кроме того, хроматография позволяет разделить многокомпонентные газообразные смеси, содержащие вещества разного изотопного состава.

Для анализа и идентификации структуры сложных молекул, объединяющих большое количество атомов с различными взаимными связями, широко применяются основанные на физических принципах экспериментальные методы ядерного магнитного резонанса, оптической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, нейтронографии и т.п.

В управлении химическими процессами важную роль играют предварительные расчеты, позволяющие определить свойства синтезируемых молекул. Еще в первой половине XX века 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 квантовой 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 электронов в молекуле или атоме. Такой подход позволяет рассчитывать свойство и структуру даже весьма сложных 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 1998г. Нобелевской премии по химии.

2. ОБРАЗОВАНИЕ ЗЕМНЫХ И ВНЕЗЕМНЫХ ВЕЩЕСТВ

Геохимические процессы в недрах Земли и на ее поверхности, представляют собой превращения сложных соединений и смесей, состоящих из кристаллических и аморфных фаз. Многие из них протекают при очень высоких давлениях и температурах. Современные технические средства эксперимента позволяют воспроизвести в лаборатории условия, близкие к условиям внутри Земли и даже земного ядра. Природные процессы: кристаллизация, частичное растворение, изменение структуры минералов (метаморфизм), выветривание и т.п. - приводят к образованию рудных отложений или к их разрушению и рассеянию.

Большой интерес представляют метеориты: они дают необходимую информацию об эволюции небесных тел, находящихся на разных стадиях развития. При этом важную роль играет анализ изотопного состава многих металлов и газообразных веществ, найденных в метеоритах.

Химия внесла и вносит существенный вклад в исследование космического пространства. Без ракетного топлива и современных материалов, способных выдержать огромное давление, высокую температуру и интенсивное космическое излучение, без электрохимических источников энергии, без разнообразных химических средств для обеспечения питания космонавтов мы сегодня смотрели бы на Луну из нашего прекрасного далека. Космос с давних пор стал объектом химических исследований. На стыке химии и астрофизики зародилась новая отрасль естествознания - космохимия, изучающая состав космических тел, законы распространенности элементов во Вселенной и т.д.

Первые данные о химическом составе небесных тел получены с помощью спектрального анализа. В химических лабораториях, кроме того, исследовался состав метеоритного вещества. Состав метеоритов оказался единообразным, как если бы они происходили из одного и того же рудника. До сих пор ни в одном метеорите не найден химический элемент, который не встречался бы на Земле. С помощью самых точных методов анализа в метеоритах обнаружены почти все известные на нашей планете химические элементы. Характерная особенность большинства метеоритов заключается в том, что они содержат много чистого железа и очень мало наиболее распространенного на Земле кварца. Вещества, которые указывали бы на существование жизни в космосе, пока не найдены, хотя углерод обнаружен в виде крошечных алмазов, графита и аморфного угля. Относительно недавно появилось сообщение об обнаружении бактериоподобной структуры в метеорите с Марса, что является предметом дальнейшей дискуссии о существовании жизни на этой планете в далеком прошлом.²

Наиболее часто встречающиеся каменные метеориты, как и большинство земных пород, состоят в основном из силиката магния. Железные метеориты содержат до 90% железа. Содержание никеля в них составляет 6-20%. Кроме того, метеориты содержат кобальт, медь, хром, фосфор, серу, платину, палладий, серебро, иридий, золото и другие элементы. Встречаются включения газов: водорода, оксида и диоксида углерода.

Прямая геологическая разведка небесных тел началась 21 июля 1969 г., когда человек впервые ступил на поверхность Луны и взял пробы лунного грунта. Через год с небольшим прилунилась первая автоматическая станция «Луна-16», возвратившаяся на Землю с образцами лунной породы. Немного позднее, в ноябре 1970 г., на Луну доставлена советская автоматическая станция «Луноход-1», которая, начав свое движение по Луне с северо-западного Моря дождей, обследовала за 321 сутки около 50 га лунной поверхности. Обследования проводились и днем, и ночью при температурах от -140 до 130 °С. Результаты анализа показали, что за исключением несколько повышенного содержания тугоплавких соединений титана, циркония, хрома и железа, лунные породы по своему составу очень похожи на земные. Некоторые различия выявились в свойствах. Так, лунное железо ржавеет медленнее, чем земное. В верхнем слое лунного грунта обнаружен удивительный минерал, получивший название реголит. Он имеет сравнительно низкую теплопроводность.

Продолжается исследование планет Солнечной системы. С помощью космического зонда, отправленного к Венере, в результате гамма - спектрального анализа установлено, что грунт Венеры по химическому составу соответствует граниту.

Вещество, находящееся в межзвездном пространстве, состоит из газа и пыли. Наиболее распространенными газами в космическом пространстве являются водород (70 масс. %) и гелий (28 масс. %). В газовых межзвездных облаках обнаружено более 20 химических компонентов. Наряду с простыми химическими соединениями (СО, Н₂, HCN, H20,1ЧНз) в 200 космических газовых скоплениях найдены и более сложные соединения - метанол, изоциановая кислота, формамид, формальдегид, метилацетилен и ацетальдегид. Относительно недавно обнаружены молекулы этилового спирта, муравьиной кислоты и других соединений.

Исследования космохимии носят преимущественно познавательный характер, но нельзя исключать, что в будущем они обретут практическую значимость. Были получены некоторые важные для практики результаты. Для химико-фармацевтической промышленности представляет практический интерес более интенсивное развитие бактериальных культур в невесомости, чем на Земле. Металлурги могут получить в невесомости сплавы с уникальными свойствами. Весьма перспективно выращивание в космосе бездефектных монокристаллов, особенно оксидов металлов.

3. новые ХИМИЧЕСКИе ЭЛЕМЕНТы

3.1 Получение новых химических элементов

Вещественная среда обитания людей содержит многочисленные соединения и их составляющие - химические элементы. Еще до 30-х годов XX века Периодическая система Менделеева состояла из 88 элементов. С учетом свободных клеток с номерами 43 (технеций), 61 (прометий), 85 (астат) и 87 (франций) в ней было всего 92 места. Последним элементом с атомным номером 92 был уран.

Предполагается, что на первой стадии развития Земли существовали и трансурановые элементы с порядковыми номерами до 106. Однако из-за небольшой продолжительности жизни по сравнению с возрастом Земли они полностью распались. Самым долгоживущим элементом из них оказался плутоний-244 с периодом полураспада 82,2 млн. лет, и его существование в настоящее время доказано: он обнаружен в 1971г. в калифорнийском минерале бастнезите.