Методические указания к лабораторному практикуму и

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Уральский государственный экономический университет
КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
химическая составляющая
Учебное пособие
(основные теоретические положения курса, методические указания к
лабораторному практикуму и семинарским занятиям)
Екатеринбург
2005
Составители:
к.п.н. Калугина И.Ю.,
к.т.н. Шибанов Е.В.,
к.х.н. Денисова А.Б.
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ................................................................................................................................................................ 6
1. Роль химии в развитии естественно-научных знаний ............................................................................. 7
1.1. Система химии, логика ее развития и построения............................................................................ 7
1.2. Практическое значение представлений ............................................................................................... 9
о концептуальных системах химии............................................................................................................. 9
1.3. Теоретическое значение представлений о Системе химии ........................................................... 10
1.4. Выводы ...................................................................................................................................................... 11
2. Проблемы и решения на уровне учения о составе ....................................................................................... 11
2.1. Проблема вовлечения новых химических элементов............................................................................................ 11
в производство материалов.................................................................................................................................. 11
2.2. Проблема частичной замены металлов ............................................................................................. 12
новыми видами керамики ............................................................................................................................. 12
2.3. Элементоорганические соединения, их использование .................................................................... 13
в создании современных материалов ......................................................................................................... 13
2.4. Выводы ...................................................................................................................................................... 14
3. Проблемы и решения на уровне структурной химии.............................................................................. 15
3.1. Эволюция понятия «структура» в химии ......................................................................................... 15
3.2. «Триумфальное шествие органического синтеза»............................................................................ 16
3.3. Пределы структурной органической химии ...................................................................................... 17
3.4. Новые проблемы структурной химии................................................................................................. 17
3.5. Выводы ...................................................................................................................................................... 18
4. Проблемы и решения на уровне учения..................................................................................................................... 19
о химических процессах............................................................................................................................................. 19
4.1. Проблема катализа ................................................................................................................................ 19
4.2. Проблемы энергетики будущего........................................................................................................... 21
4.3. Химия экстремальных состояний....................................................................................................... 23
4.4. Выводы...................................................................................................................................................... 24
5. Эволюционная химия - высшая ступень развития.................................................................................. 25
химических знаний. Ближайшие перспективы химии ............................................................................... 25
5.1. «Лаборатория живого организма» - идеал химиков ............................................................................ 26
5.2. Ферменты в биохимии и биоорганической химии ............................................................................ 27
5.3. Пути освоения каталитического опыта живой природы .................................................................. 29
5.4. Предпосылки возникновения эволюционной химии .......................................................................... 30
5.5.
Понятия «организация» и «самоорганизация» ......................................................................... 31
и их познавательные функции в химии ..................................................................................................... 31
5.6. Общая теория химической эволюции и биогенеза А.П. Руденко .................................................... 34
5.7. Нестационарная кинетика и развитие представлений.................................................................. 35
об эволюции химических систем ................................................................................................................ 35
5.8. Выводы...................................................................................................................................................... 37
6. Лабораторный практикум........................................................................................................................... 37
«ПРАВИЛА ВЫЖИВАНИЯ В ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ» ...................................................... 38
Правила выживания в химической лаборатории, представляют собой накопленный опыт работы с
веществами. ..................................................................................................................................................... 38
6.1. Лабораторная работа №1 ..................................................................................................................... 39
УЧЕНИЕ О СОСТАВЕ – ПЕРВЫЙ УРОВЕНЬ В ПОЗНАНИИ............................................................. 39
СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ .................................................................................................................................. 39
Опыт № 1. ПОЧЕМУ МЫЛО МОЕТ?.................................................................................................... 39
Опыт № 2
ДОКТОР, КОТОРЫЙ ВСЕГДА ПОД РУКОЙ.............................................................. 40
Опыт № 3
ПОСРЕДНИЧЕСКАЯ РОЛЬ СОЛЕЙ............................................................................ 41
ПРИ ПРОТРАВНОМ КРАШЕНИИ........................................................................................................ 41
Опыт № 4
КАК РАЗЛИЧИТЬ ШЕРСТЬ И ХЛОПОК? .................................................................. 42
Домашний эксперимент САМОЧУВСТВИЕ КОЖИ ВО ВРЕМЯ ДОЖДЯ...................................... 43
Опыт № 6 ЧЕМ ПРИВЛЕКАТЕЛЬНЫ «БУРГУНДСКАЯ» И «БОРДОССКАЯ» ЖИДКОСТИ? . 44
Опыт № 7 РОЛЬ «КРОВЯНЫХ СОЛЕЙ» В ПРОИЗВОДСТВЕ ............................................................... 45
КРАСИТЕЛЕЙ ............................................................................................................................................... 45
Опыт № 8 ЧТО ЗА ПИТАНИЕ БЕЗ ЖЕЛЕЗА? .................................................................................... 46
Опыт № 9 СТРАННАЯ ЖИДКОСТЬ...................................................................................................... 47
Опыт № 10 ПИЩЕВЫЕ ДОБАВКИ – ................................................................................................... 48
НЕОБХОДИМОСТЬ ИЛИ ИЗЛИШЕСТВО?......................................................................................... 48
Опыт № 11 ГИПОСУЛЬФИТ НАТРИЯ –.............................................................................................. 49
3
ВНЕШТАТНЫЙ СОТРУДНИК ХИМЧИСТКИ ................................................................................... 49
Опыт № 12 СИМПАТИИ И АНТИПАТИИ........................................................................................... 50
6.2. Лабораторная работа № 2 .................................................................................................................... 50
СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ - ВТОРОЙ УРОВЕНЬ ПОЗНАНИЯ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ ................. 50
Опыт № 1 ТАЙНА ПРОИЗВОДСТВА «ХИМИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ»............................................................. 51
(демонстрационный эксперимент) ........................................................................................................... 51
Опыт № 2 КАК ОБНАРУЖИТЬ ФРУКТОЗУ В МЕДЕ, ...................................................................... 52
ЯГОДАХ И ФРУКТАХ? ............................................................................................................................ 52
Домашний эксперимент ПОЛУЧЕНИЕ ИСКУССТВЕННОГО МЕДА.................................................... 54
Опыт № 3 СОСТАВ ОДИН, А «ХАРАКТЕР» РАЗНЫЙ ...................................................................... 54
Опыт № 4 ДО СИНЕЙ ОКРАСКИ, ЕСЛИ НЕ НАГРЕВАТЬ.............................................................. 56
Домашний эксперимент ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАПАХА ВЕЩЕСТВ ..................................................... 57
Опыт № 5 ДЕНАТУРАЦИЯ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ –................................................................................. 58
ПОЛЬЗА ИЛИ ВРЕД?...................................................................................................................................... 58
6.3. Лабораторная работа № 3 .................................................................................................................... 60
УЧЕНИЕ О ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ – ТРЕТИЙ УРОВЕНЬ ПОЗНАНИЯ СВОЙСТВ
ВЕЩЕСТВ ...................................................................................................................................................... 60
Опыт № 1 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СКОРОСТЬ .................................................................. 60
ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ..................................................................................................................... 60
Опыт № 2 ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВ....................................................................... 61
НА ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ....................................................................................................... 61
Опыт № 3 ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНОСТИ СРЕДЫ ИЛИ ...................................................................... 64
МАРГАНЦОВКА В РОЛИ ХАМЕЛЕОНА.............................................................................................. 64
Опыт № 4 ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТИОЦИАНАТ АНИОНОВ NCS- С КАТИОНАМИ
ЖЕЛЕЗА (III) Fe3+ ...................................................................................................................................... 64
Опыт № 5 ИЗУЧЕНИЕ СКОРОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ............................................................. 66
Время.................................................................................................................................................................... 67
Опыт № 6 ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА ФАЗ НА СКОРОСТЬ
РЕАКЦИИ В ГЕТЕРОГЕННОЙ СИСТЕМЕ ......................................................................................... 67
Опыт № 7 ВЛИЯНИЕ КАТАЛИЗАТОРОВ НА СКОРОСТЬ ............................................................... 67
РЕАКЦИИ РАЗЛОЖЕНИЯ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА ..................................................................... 67
Опыт № 8 ВЛИЯНИЕ ИНГИБИТОРОВ НА СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ .............................................. 68
6.4. Лабораторная работа № 4 .................................................................................................................... 69
Опыт № 1 КИСЛОТНЫЙ ГИДРОЛИЗ КРАХМАЛА ........................................................................... 69
САМООРГАНИЗАЦИЯ – ЧЕТВЕРТЫЙ УРОВЕРЬ ................................................................................ 70
ПОЗНАНИИЯ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ........................................................................................................ 70
Опыт № 2 ХИМИЧЕСКИЕ ЧАСЫ......................................................................................................... 71
(реакция Белоусова – Жаботинского)....................................................................................................... 71
Опыт № 3 ТВЕРДОФАЗНАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ РЕАКЦИЯ........................................................... 72
7. Семинарские занятия ................................................................................................................................... 73
7.1. Тенденции развития современных материалов и технологий и важнейшие области их
использования................................................................................................................................................. 73
7.1.1. Перфторуглероды, их свойства и важнейшие ........................................................................... 73
области применения ................................................................................................................................. 73
7.1.2. «Сэндвичевые» металлоорганические соединения:.................................................................... 78
ферроцен, никелоцен, ванадоцен. ............................................................................................................ 78
7.1.3. Фуллерен – одна из форм существования углерода в природе............................................... 81
7.1.4. Углеродные нанотрубки ................................................................................................................. 84
7.1.5. Супрамолекулярная химия. ............................................................................................................ 87
Молекулы, способные к самосборке и самоорганизации...................................................................... 87
7.1.6. Редкоземельные элементы и важнейшие области.................................................................... 90
их использования........................................................................................................................................ 90
7.2. Концепции развития современных технологий ................................................................................ 93
7.2.1. Сверхкритические среды: новые реакции и технологии........................................................... 93
7.2.2. Современные биотехнологии......................................................................................................... 96
7.2.3. Микро- и нанотехнологии ........................................................................................................... 100
7.2.4. Мембранные технологии.............................................................................................................. 103
7.2.5. Плазмохимические технологии................................................................................................... 104
7.2.6. Естественно-научные проблемы энергетики........................................................................... 106
Энергетика будущего .............................................................................................................................. 106
7.3. Управление процессами жизнедеятельности ................................................................................. 111
с точки зрения химии ................................................................................................................................. 111
4
7.3.1.Ферменты. Биокатализ. Особенности биомимметики. ................................................................. 111
7.3.2. Антиоксиданты и ............................................................................................................................ 114
система антиоксидантной защиты клеток организма. ........................................................................... 114
7.3.3. Химия ощущений: химия запаха, вкуса, цвета............................................................................. 116
7.3.4. Современное представление о происхождении жизни................................................................ 119
Химический аспект. .................................................................................................................................. 119
8. Реферативная работа..................................................................................................................................... 121
8.1. Темы рефератов .................................................................................................................................... 121
8.2. Требования к оформлению реферата ................................................................................................... 123
9. Итоговый контроль знаний....................................................................................................................... 125
9.1. Обучающий тест № 1.......................................................................................................................... 125
(выбрать правильный ответ и дополнить)............................................................................................ 125
9.2. Обучающий тест № 2.......................................................................................................................... 127
(выбрать правильный ответ и дополнить)............................................................................................ 127
9.3. Вопросы к экзамену .............................................................................................................................. 129
10. Рекомендуемая литература .................................................................................................................... 130
10.1. Основная литература........................................................................................................................ 130
10.2. Дополнительная литература .......................................................................................................... 131
5
Введение
Данное учебное пособие предназначено для студентов I курса всех
экономических специальностей дневной формы обучения и помогает освоить основные теоретические положения курса, выполнить лабораторный
практикум, подготовиться к семинарским занятиям по курсу «Концепции
современного естествознания» (химическая составляющая).
В теоретической части пособия
изложены представления о концептуальных системах химии и рассмотрены способы решения основной
проблемы химии – получения веществ с необходимыми свойствами.
В методических указаниях к лабораторному практикуму лабораторные работы объединены по темам, в соответствии с представлениями о
концептуальных уровнях познания веществ. Проводимые во время лабораторных работ опыты иллюстрируют зависимость свойств веществ от состава, структуры молекул, термодинамических и кинетических условий в
процессе химической реакции, а также раскрывают роль химических знаний в повседневной жизни.
В материалах, предложенных для подготовки к семинарским занятиям, представлены последние достижения химии в области современных
материалов, технологий, проблем управления процессами жизнедеятельности.
Цели изучения курса концепции современного естествознания: формирование научного мировоззрения студентов; развитие культуры мышления; повышение общего кругозора.
Задачи дисциплины:
9
научить студентов начинать изучение предмета не с заучивания готовых выводов неизвестного происхождения, а с возникновения научной проблемы и попыток найти ее решения;
9
показать, что естествознание является основой всякого знания и естественнонаучного, и технического, и гуманитарного;
9
доказать, что естествознание имеет особое значение для молодого поколения, ибо ведущей тенденцией развития современной цивилизации в ближайшем будущем становятся интеграционные процессы;
9
познакомить студентов с теми скрытыми связями, которые
создают органическое единство всех физических, химических и биологических явлений;
9
помочь освоить химию, раскрывая логику химической науки,
т.е. объективные закономерности ее развития и построения.
В отличие от других учебных предметов высшей школы, курс концепции современного естествознания состоит не столько из готовых зна-
6
ний, подлежащих запоминанию и заучиванию, сколько из обсуждения общих проблем изучения Природы.
В данном курсе естествознание представлено как единая целостная
наука о Природе в ее непрерывном развитии. Стержневой линией развития
естествознания стало обоснование целостности Природы, общности живой
и неживой природы, единства законов их развития. Специфические стороны этой науки - физика, химия, биология - показаны как уровни единой
иерархической системы знаний.
К наиболее важным концепциям, которые выработало естествознание
на протяжении всей истории своего развития, относятся концепции системного подхода; эволюции; самоорганизации.
Системный подход ориентирует исследователя на целостный охват
изучаемых процессов и явлений в их взаимосвязи и взаимодействии с другими явлениями и тем самым предостерегает его от односторонности, неполноты ограниченности результатов.
Эволюционный взгляд на явления, события и процессы помогает понять их роль в общем процессе развития.
Самоорганизация раскрывает некоторые внутренние механизмы эволюции.
Перечисленные основные концепции естествознания составляют ядро современной научной картины мира.
Анализируя роль химии в развитии естественнонаучных знаний, рассматриваются: пути развития химических знаний; методы синтеза различных веществ; методы превращения солнечной энергии в энергию химических топлив как будущее энергетики; пути освоения химического опыта
«лаборатории живого организма».
1. Роль химии в развитии естественно-научных знаний
1.1. Система химии, логика ее развития и построения
Что такое химия? Химия является высокоупорядоченной - постоянно
развивающейся системой знаний о веществах, имеющей определенное социальное назначение и свое место в ряду других наук.
Система представляет собой совокупность элементов или частей , выступающих как единое целое, в которой существует их взаимное влияние
и взаимное качественное преобразование. Под системой химии подразумевается объединение всех химических знаний в концептуальные системы,
которые находятся между собой в отношениях иерархии, т.к. каждая концептуальная система - это определенный уровень знаний.
7
Рассмотрим системообразующие основы химии. Системообразующим
началом в химии может являться только какое-то ее наиболее общее основание, не изменяющееся при любых изменениях ее теории и методов.
Зачем была нужна химия человечеству? Чтобы получить из природных веществ необходимые человеку металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и лекарства, взрывчатые вещества и горючесмазочные материалы, каучуки и пластмассы, химические волокна и материалы с заданными электрофизическими свойствами (полупроводники,
изоляторы, сверхпроводники).
Поэтому все химические знания, приобретаемые за многие столетия,
объединяет одна главная задача химии - задача получения веществ с необходимыми свойствами. Для ее реализации надо уметь из одних веществ
производить другие и знать от чего зависят свойства, т.е. осуществлять качественное превращение веществ.
Таким образом, системообразующим началом химии выступает двуединая
проблема: получение веществ с заданными свойствами (на достижение чего
направлена производственная деятельность человека); выявление способов
управления свойствами веществ (на реализацию чего направлена научноисследовательская деятельность).
Эта проблема возникла в древности и не теряет своего значения в наши дни. Таким образом, вся история химии, все ее развитие является закономерным процессом смены способов решения ее основной проблемы.
Свойства веществ зависят от четырех факторов: от его элементного и
молекулярного состава; от структуры его молекул; от термодинамических
и кинетических условий, в которых вещества находятся в процессе химических реакций; от высоты химической организации вещества. Поэтому
основная проблема химии имеет только четыре общих способа решения.
Решение основной производственной задачи химии - получение веществ с заданными свойствами осуществляется: на I уровне с учетом одного фактора - изменение состава; на II уровне с учетом двух факторов - изменение состава и структуры; на III уровне с учетом многих факторов
(состава, структуры, кинетических, термодинамических, гидродинамических факторов); на IV уровне - с учетом самоорганизации реакторной системы.
Строго последовательное закономерное появление четырех способов
решения основной проблемы химии послужило причиной строгой упорядоченности построения системы химии, которую следует считать логикой
этой науки.
8
1.2. Практическое значение представлений
о концептуальных системах химии
Представления о концептуальных системах химии позволяют оценить, какими возможностями располагает эта наука для производства новых материалов, каковы ее ближайшие перспективы, на какие теории и методы можно рассчитывать при решении задач синтеза новых веществ. В
качестве примера рассмотрим получение синтетического каучука (СК).
Получение СК стало актуальным в начале XX века в связи с высокой
стоимостью ввозимого в страну натурального каучука и недостаточным
количеством для нужд резино-технической промышленности. Без резины
невозможно развитие авто- и авиатранспорта, изготовление плащей и непромокаемой обуви. Первые успехи в ее решении были получены в нашей стране.
Синтез каучука в промышленном масштабе был грандиозным успехом, однако, полученный каучук (дивинил) был дорог: он требовал огромных затрат труда и материальных ресурсов. Его получали из этилового
спирта с низким выходом (28%), две трети используемого спирта уходило
в отходы. Спирт в свою очередь получали из зерна или картофеля - дорогого пищевого сырья. На тот момент времени это был единственный способ. Требовалось найти более дешевый способ, используя химические знания.
В 1950-х годах химия в целом стала подниматься на уровень учения о
химических процессах. Изучение кинетических и термодинамических факторов, определяющих скорость и направление химических реакций, позволило найти условия (температуру, давление и т.д.), при которых из множества направлений термического разложения нефтяного сырья, можно было
выбрать то, которое позволит получить дивинил с высоким выходом.
Следующим этапом модернизации синтеза каучука стало использование продуктов переработки нефти: каучук стали получать из дивинила, образующегося при пиролизе нефти. Отпала необходимость в пищевом сырье, снизились затраты. Резко изменилась технология в сторону упрощения производства, сократилась численность работников (с 200-250 тыс. до
3-5 тыс.). В настоящее время на этом уровне и осуществляется производство СК.
В последние годы наметилось дальнейшее усовершенствование технологии получения СК. Появились первые сведения о решении задачи получения дивинила и других мономеров СК на четвертом эволюционном
пути развития химии. В этом случае реакцию пиролиза нефтяного сырья
осуществляют в условиях плазмы - особого рода газа, состоящего из свободных электронов и ионов, при температуре 4000-50000С. Реакция протекает мгновенно - за десятитысячные доли секунды, строго необратимо с
высоким выходом образования дивинила.
9
СnH2n+2 → H2C=CH—CH=CH2
Высокая скорость и необратимость данной плазмохимической реакции позволяют достигнуть высокой производительности реактора, которая
сопоставима с производительностью целого завода. Один небольшой реактор - плазмотрон, диаметром 20 см и длиной 60 см, обслуживаемый одним
человеком, способен заменить пиролизный завод с 3-5 тысячами рабочих.
1.3. Теоретическое значение представлений о Системе химии
Важность представлений о Системе химии лучше всего охарактеризовал Д.И. Менделеев. «Как там ни рассуждайте и не критикуйте историю, писал он, - а людскому уму мало одних частностей: необходимы систематические обобщения, т.е. классификация, разделение общего; потом нужны законы, гипотезы и теории. Если еще нет этих обобщений, знание еще
не наука, не сила, а рабство перед изучаемым. Науки нет в частностях: она
в общем, в целом, в слиянии частностей в систему.»
Систематический труд Д.И. Менделеева привел к открытию Периодического закона и созданию Периодической системы химических элементов. Это принципиально новый «план здания химии», который в 1860-70-х
годах, состоял только из первого этапа - учения о составе веществ. Этот
новый этап позволил коренным образом перестроить всю систему химического образования и создать лучший в мире учебный курс «Основ химии».
На сегодняшний день экспериментальные химические данные выросли в тысячи раз. Теперь есть сведения о 8 миллионах индивидуальных химических соединений постоянного состава и миллиардах соединений переменного состава.
Система современной химии с ее четырьмя концептуальными уровнями стала единственной надежной опорой классификации химических
знаний. И вместе с тем она служит главной опорой для определения тенденций и ближайших перспектив развития химического производства.
Ваша точка зрения?
В чем заключается основная проблема химии? Почему она является
двуединой и каковы варианты ее решения?
Чем обусловлена последовательность появления разных способов решения основной проблемы химии?
Что означает «Система химии, логика ее развития и построения»?
Дайте толкование понятий «уровень химических знаний», «концептуальная система химии».
Каковы практическое и теоретическое значения представлений о концептуальных системах химии?
10
1.4. Выводы
1. Главная задача химии - задача получения веществ с необходимыми
свойствами.
2. Системообразующим началом химии выступает двуединая проблема: получение веществ с заданными свойствами и выявление способов
управления свойствами веществ.
3. Свойства веществ зависят от четырех факторов: от элементного и
молекулярного состава; от структуры его молекул; от термодинамических
и кинетических условий, в которых вещества находятся в процессе химических реакций; от высоты химической организации вещества.
4. Представления о концептуальных системах химии позволяют оценить, какими возможностями располагает эта наука в смысле производства
новых материалов, на какие теории и методы можно рассчитывать при решении задач синтеза новых веществ.
5. Система современной химии с ее четырьмя концептуальными системами служит главной опорой для определения ближайших перспектив
развития химического производства.
2. Проблемы и решения на уровне учения о составе
Способ решения основной проблемы химии - проблемы происхождения свойств веществ - стал выражаться посредством схемы:
СОСТАВ → СВОЙСТВА
Этот способ положил начало учению о составе веществ, которое явилось первым уровнем научных химических знаний.
Три главные проблемы решались на уровне учения о составе: проблема химического элемента; проблема химического соединения; проблема
вовлечения все большего числа химических элементов в производство новых материалов.
Особое внимание будет обращено на решение третьей проблемы, т.к.
ее исследование открывает новый мир - вторую природу, нам не ведомую.
2.1. Проблема вовлечения новых химических элементов
в производство материалов
Рассмотрим возможности, которые предлагаются самой природой, ее
материальными ресурсами.
Первая из них – приведение в соответствие практики использования
химических элементов в производстве с их ресурсами в природе.
Если сравнить распространенность элементов в природе с наиболее
часто применяемыми человеком материалами, нетрудно заметить между
ними обратно пропорциональную зависимость: человек часто использует
11
те элементы, запасы сырья которых ограничены, и меньше использует те
элементы и их соединения, сырьевые ресурсы которых почти безграничны.
Восемь химических элементов составляют 98,6% массы физически
доступного слоя Земли. Картина их распределения следующая: О – 47%;
Si – 27,5%; Al – 8,8%; Fe – 4,6%; Ca – 3,6%; Na – 2,6%; K – 2,5%;
Mg – 2,1%.
Заметим, что железа почти в два раза меньше, чем алюминия. Однако
95% всех металлических изделий производится из железосодержащего сырья. На основании данных о распространенности восьми названных элементов, можно подумать о перспективах увеличения использования алюминия и магния в создании металлических материалов ближайшего будущего.
Кремний в виде соединений чрезвычайно широко распространен в
земной коре, однако пока недостаточно используется. Силикаты составляют 97% всей массы земной коры. Соединения кремния могут стать в ближайшем будущем основным сырьем для производства практически всех
строительных материалов и полуфабрикатов для изготовления керамики,
способной конкурировать с металлами.
2.2. Проблема частичной замены металлов
новыми видами керамики
Вторая проблема состоит в последовательной замене металлов различными видами керамики. Металлы и керамика – это два вида материалов,
которые на 90% составляют материальную основу условий жизни человечества.
В мире ежегодно производится около 600 миллионов тонн металла –
свыше 150 кг на каждого жителя планеты. Керамики вместе с кирпичом
производится столько же. Однако изготовление металла обходится в сотни
и тысячи раз дороже, чем изготовление керамики.
Керамика в некоторых случаях оказывается более подходящим конструкционным материалом по сравнению с металлом. К преимуществам
керамики следует отнести ее жаропрочность и более низкую плотность (в
среднем на 40% по сравнению с металлом).
Вовлечение в производство керамики новых элементов (титан, бор,
германий, хром, молибден, вольфрам) дает возможность получить огнеупорную, хемостойкую, высокотвердую керамику, прозрачную, а также
керамику с набором заданных электрофизических свойств.
В нашей стране впервые в мире в 1980-х получен сверхтвердый материал – гексанит-р как один из кристаллических разновидностей нитрида
бора. На основе бора и азота получено химическое соединение простейшего состава N3B3 c температурой плавления свыше 32000С и твердостью,
близкой к твердости алмаза. Синтетический гексанит-р обладает рекордно
B
12
высокой вязкостью разрушения, т.е. он не так хрупок, как все другие керамические материалы.
До сих пор всей конструкционной керамике был присущ общий недостаток – хрупкость, теперь сделан шаг к его преодолению. Большим
преимуществом технической керамики нового состава является то, что детали машин из нее производятся прессованием порошков с получением готовых изделий заданных форм и размеров. Это исключает токарную обработку заготовок, сверление, фрезерование.
Сегодня можно назвать еще одно уникальное свойство керамики:
сверхпроводимость некоторых ее образцов при температуре выше температуры кипения азота. Открытие этого свойства керамики произошло благодаря вовлечению в ее производство таких новых для нее химических
элементов, как барий, лантан и медь. Взятые в едином комплексе они вызвали сенсацию в мире науки и техники.
Реализация высокотемпературной сверхпроводимости открывает невиданные возможности для создания сверхмощных двигателей и электрогенераторов, транспорта на магнитной подушке, для разработки сверхмощных электромагнитных ускорителей для вывода полезных грузов в космос.
2.3. Элементоорганические соединения, их использование
в создании современных материалов
Третья проблема заключается в расширении производства элементоорганических соединений на базе органического синтеза.
В первой половине двадцатого века химия знала лишь несколько типов элементоорганических соединений: магнийорганические соединения
общей формулы
R-Mg-I; цинкорганические соединения R 2Zn и органические производные металлов R-Na; R-Li.
Начиная с середины XX века в синтез элементоорганических соединений стали вовлекаться все новые химические элементы – алюминий, титан, хром, марганец, ванадий, железо, свинец, олово, кремний, фосфор, сера, мышьяк, фтор.
Например, химия кремнийорганических соединений позволила создать многотоннажное производство разнообразных полимеров, обладающих огнезащитными, водоотталкивающими, электроизоляционными и
другими ценными свойствами.
Подлинным «революционером» в химической промышленности стала
химия фторорганических соединений. Химия фторорганических соединений противопоставляет углеводородам фторуглероды: тетрафторметан –
13
CF4; гексафторэтан – CF3-CF3; тетрафторэтилен - CF2=CF2 и их производные, в составе которых имеется суперпрочная связь C-F.
Фторуглероды и полимеры на их основе (тефлон) обладают исключительной устойчивостью к действию агрессивных сред (сильные кислоты и
щелочи), низкой адгезией (малой способностью к прилипанию), повышенной способностью растворять кислород и абсолютной безвредностью для
человеческого организма. В связи с этим, тефлон применяется в качестве
материала для нужд восстановительной хирургии (протезы, сердечные
клапаны), для изготовления долговечных подшипников скольжения, не
требующих смазки и антипригарных покрытий. Перфторуглероды в виде
эмульсий входят в состав кровезаменителей, косметических средств, твердых смазок и т.д.
Cинтез фторорганических соединений - это шаг к новым веществам,
обладающим специфическими потребительскими свойствами, что поднимает всю химическую науку на новую ступень.
В результате, учение о составе веществ существует и сегодня, только
оно теперь уже представляет собой часть химии, входящую в иерархическую Систему современной химии.
Ваша точка зрения?
1. Как природа распределила свои материальные ресурсы?
2. Как соотносятся между собой химические элементы железо и алюминий по запасам их сырья в физически доступном слое Земли и по использованию их в производстве конструкционных материалов?
3. Каковы возможные перспективы использования разных химических
элементов – металлов в качестве конструкционных материалов?
4. Каковы общие недостатки и преимущества керамики по сравнению
с металлами?
5. Каковы их основные области применения элементоорганических
соединений?
2.4. Выводы
1. На уровне учения о составе решались три основные проблемы:
проблема химического элемента; проблема химического соединения; проблема вовлечения все большего числа химических элементов в производство новых материалов.
2. Химический элемент – это совокупность всех атомов, которые обладают одинаковым зарядом ядра.
3. Химическое соединение – это качественно определенное вещество,
состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы кото-
14
рых за счет химической связи объединены в частицы – молекулы, комплексы, монокристаллы или другие агрегаты.
4. Чаще всего человек использует те элементы, запасы сырья которых
ограничены. В перспективе следует расширить возможности использования алюминия, магния и, может быть, кальция в создании материалов
ближайшего будущего.
5. Необходима последовательная замена металлов различными видами керамики.
6. К уникальным свойствам некоторых современных образцов керамики относятся высокая вязкость разрушения, сверхпроводимость при
низких температурах (t = -1960С).
7. На базе органического синтеза происходит расширение производства элементоорганических соединений: кремнийорганических и фторорганических.
8. Химия кремнийорганических соединений позволила создать производство разнообразных полимеров, обладающих огнезащитными, водоотталкивающими, электроизоляционными и др. ценными свойствами.
9. Фторуглероды обладают исключительной химической инертностью, особой поверхностной активностью, повышенной способностью растворять кислород и перекиси.
3. Проблемы и решения на уровне структурной химии
В данном разделе речь идет об особом уровне развития химических
знаний, на котором главенствующую роль играет структура молекулы реагента.
Свойства веществ, и их качественное разнообразие, обусловлены не
только их составом, но и структурой их молекул.
Химия превращается из аналитической науки, занимающейся изучением состава готовых веществ, в науку преимущественно синтетическую,
способную создавать новые вещества и новые материалы.
3.1. Эволюция понятия «структура» в химии
Содержание понятия «структура» ни по Берцелиусу, ни по Жерару не
давало конкретных указаний для практических работ в области синтеза новых веществ. Такие конкретные указания появились на следующей ступени эволюции понятия «структура» в химии. Кекуле сформулировал основные положения теории валентности и обосновал наличие у углерода четырех единиц сродства (валентности), у азота- 3-х, у кислорода – 2-х и у водорода одной единицы. Объединение атомов в молекулу, согласно Кекуле,
происходит путем замыкания свободных единиц сродства (валентности):
H
+
H
15
H H
Комбинируя атомы разных химических элементов с их единицами
сродства, можно создавать структурные формулы любого химического соединения. Это означает, что химик может запланировать синтез любого
химического соединения, как уже известного, так еще никому не известного. Формульный схематизм Кекуле – прямой путь к практическим действиям по получению веществ с заданными свойствами. Однако, это далеко
не полная гарантия успеха: намеченная химическая реакция может просто
не пойти. Формульный схематизм Кекуле не указывает на реакционную
активность реагентов. Знания о химической активности реагента имеют
первостепенное значение для практики получения целевых продуктов. Эти
знания дает теория химического строения А.М. Бутлерова. Теория Бутлерова потому и названа теорией химического строения, что она указывала
на причины активности одних веществ и пассивности других. Именно поэтому она стала для химиков действительным руководством в практике
синтеза органических веществ.
Идеи об энергетической неэквивалентности химических связей, обусловленной взаимным влиянием атомов в структуре молекулы, являются
главным содержанием понятия «структура» в теории Бутлерова.
Теория химического строения Бутлерова нашла физические обоснования в квантовой механике.
Сегодня под структурой молекулы мы понимаем и пространственную, и энергетическую упорядоченность квантово-механической системы,
состоящей из атомных ядер, электронов и обладающих единой молекулярной орбиталью.
Таким образом, эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей или
элементов, с другой – установления характера физико-химического взаимодействия между ними. С точки зрения системного подхода, под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные
свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы.
3.2. «Триумфальное шествие органического синтеза»
Возникновение структурной теории позволило химикам впервые обрести мощный инструмент для целенаправленного качественного преобразования веществ. Именно в 1860-1880-е годы появился термин «органический синтез», означавший целую область науки. В 1860-е годы на основе
простейших углеводородов из каменноугольной смолы и аммиака были
синтезированы анилиновые красители – фуксин, «анилиновый черный»,
16
ализарин. В дальнейшем были получены индиго, флавоны, ксантоны,
взрывчатые вещества – тринитротолуол (тротил), тринитрофенол (пикриновая кислота), лекарственные препараты – уротропин, аспирин, фенацетин, антифебрин, салол, антипирин. Химики с гордостью заявляют о своих
«ничем не сдерживаемых» возможностях.
За вторую половину XIX века число органических соединений возросло с полумиллиона, примерно, до двух миллионов. Успехами синтетической химии можно восторгаться, но их не следует абсолютизировать.
3.3. Пределы структурной органической химии
Пределы эти обусловлены собственно тем не высоким уровнем химических знаний, на котором находится вся концептуальная система структурной химии.
Она ограничена рамками сведений только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии. Этих сведений недостаточно для
того, чтобы управлять процессами превращения веществ.
Структурная химия оказалась не в состоянии указать пути осуществления процессов производства этилена, ацетилена, бензола, и диеновых
углеводородов из парафиновых углеводородов нефти, хотя все эти процессы составляют основу нефтехимического производства, и их оказалось
легко осуществить посредством химической кинетики и термодинамики.
Многие реакции препаративного органического синтеза, основанные
лишь на принципах структурной химии, имеют низкие выходы конечного
продукта и отходы в виде побочных продуктов, что затрудняет их использование в промышленной технологии.
Классический органический синтез трудно управляем в технологическом отношении, как правило, он является многостадийным. Это было показано на примере синтеза каучука.
3.4. Новые проблемы структурной химии
Новый класс металлорганических соединений, имеющий двухслойную структуру, называется «сэндвичевые соединения». Наиболее изученным из них является ферроцен, у которого катион железа Fe2+ координируется между двумя пятичленными ароматическими кольцами. Вслед за ним
были получены другие сэндвичевые соединения с центральными атомами
кобальта Со, никеля Ni, титана Ti, ванадия V, и других переходных металлов. Данные соединения сыграли свою роль в коренном пересмотре представлений о валентности и химической связи, и нашли практическое применение в синтезе полимеров и лекарственных средств.
Еще более поразительной и необычной является структура молекул,
существующих в непрерывном перестроении. Такова, в частности, моле17
кула бульвалена С10Н10. Его можно представить в виде шара, по поверхности которого с огромной скоростью перемещаются 10 атомов углерода и
10 атомов водорода, имитируя таким способом симметрию молекулы или
компенсируя отсутствие симметрии, что необходимо для устойчивого состояния данной структуры. Эта молекула представляет собой своеобразную постоянно протекающую химическую реакцию.
Проблемы структурной неорганической химии - это по существу
проблемы химии твердого тела. В широком плане их только две: поиск
путей синтеза кристаллов с максимальным приближением к идеальной
решетке, чтобы получать материалы с высокой механической прочностью,
термической стойкостью и долговечностью в эксплуатации; создание методов получения кристаллов, содержащих заранее запроектированные
дефекты решетки, чтобы получить материалы с заданными электрофизическими и оптическими свойствами.
Современные структурные теории твердого тела сегодня дают соответствующие рекомендации для решения обеих названных проблем. Суть
этих рекомендаций во многом сводится к воздействию на процессы выращивания кристаллов различных добавок, подобных тем, которые издавна
применяются для легирования сталей.
Ваша точка зрения?
1.
Что означает известный среди химиков афоризм - «триумфальный марш органического синтеза»?
2.
Каковы возможности и пределы структурной химии?
3.
Каковы особенности структуры ферроцена и бульвалена?
4.
Каковы важнейшие проблемы структурных теорий твердого тела?
3.5. Выводы
1.
Свойства веществ и их качественное разнообразие, обуславливаются не только их составом, но еще и структурой их молекул.
2.
Главным содержанием понятия «структура» в теории Бутлерова является идея об энергетической неэквивалентности химических связей,
обусловленной взаимным влиянием атомов в структуре молекулы.
3.
Структура - это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула.
4.
На основе простейших углеводородов из каменноугольной смолы и аммиака были синтезированы: анилиновые красители, взрывчатые
вещества, лекарственные препараты.
5.
Проблемы структурной неорганической химии сводятся:
18
9 к поиску путей синтеза кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке, чтобы получить материалы с высокой механической прочностью и долговечностью в эксплуатации;
9 к созданию методов получения кристаллов, содержащих заранее
запроектированные дефекты решетки, для получения материалов с
заданными свойствами.
4. Проблемы и решения на уровне учения
о химических процессах
Учение о химических процессах - это область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. На этом уровне развития химических знаний химия становится наукой
не только о веществах, как законченных предметах, а наукой о процессах и
механизмах превращений веществ.
Благодаря этому химия обеспечила: много тоннажное производство
синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных
работах; пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и
смазочных материалов; производство искусственных волокон, каучуков,
этилового спирта и многих растворителей на базе нефтяного сырья; производство азотных удобрений на основе азота воздуха; появление технологии нефтехимических производств с ее поточными системами, обеспечивающими непрерывные высокопроизводительные процессы.
Среди большого количества проблем, решаемых на уровне учения о
химических процессах, мы рассмотрим те проблемы, которые связаны с
созданием методов управления процессами. Подавляющее большинство
химических реакций – это чрезвычайно «строптивые кони», они находятся
во власти стихии. Они неподатливы: в одних случаях их просто не удается
осуществить, в других случаях их трудно остановить, например, реакции
горения и взрыва, в третьих случаях их невероятно трудно ввести в одно
желательное русло, т.к. они самопроизвольно создают десятки непредвиденных ответвлений с образованием нескольких побочных продуктов.
В основе учения о химических процессах находится химическая термодинамика (термодинамические методы которой позволили управлять
химическими процессами только в аспекте их направления в прямую или
обратную стороны) и кинетика (выполняющая функцию управления скоростью химических процессов).
4.1. Проблема катализа
Катализ как могучее посредничество «третьих тел» в осуществлении
химических процессов был открыт в 1812 году К. С. Кирхгофом (176419
1833гг), впервые получившим с помощью катализатора - серной кислоты
H2SO4 - из крахмала сахар.
С тех пор и до настоящего времени катализ в химии делает чудеса.
В 1964 году в связи с открытием новых катализаторов (KMgCl, TiCl4)
была реализована возможность синтеза аммиака не при высоких температуре (4000 C) и давлении (808 мПа), что затрудняло технологическое исполнение процесса, а при обычных условиях: атмосферном давлении и
комнатной температуре.
Но эта реакция может стать триумфом и третьего тысячелетия, т.к. открываются конкретные пути перенести ее из стен лабораторий в природу,
на поля, где произрастают злаковые культуры - пшеница и рожь. Горох,
фасоль и другие бобовые растения в своих клубеньках содержат «микрореактор» - азотобактер, извлекающий азот прямо из воздуха и перерабатывающий его в амины, являющиеся азотным питанием растений.
Теперь выяснено, что азотобактер действует по принципу связывания свободного азота посредством металлоорганических катализаторов
типа RМе-Х, где R - органический радикал, Ме - металл, Х – остаток минеральной кислоты. Открытая в 1964 году реакция синтеза аммиака на металлорганических катализаторах создает предпосылки успешного моделирования азотобактера - включение искусственного азотофиксирующего
аппарата посредством генной инженерии в соответствующие ткани злаковых растений. Растения смогут сами извлекать азот из воздуха, и сегодня
это серьезно изучаемая научная проблема.
Победой катализа является появление целой отрасли химии, базирующейся на основе такого простейшего сырья, как оксид углерода СО и
водород Н2. На одних катализаторах со 100%-ным выходом из СО и Н2 образуются парафины нормального строения, на других - только парафины
разветвленного строения, на третьих - чистый метанол, на четвертых - уксусная кислота, на пятых - этилен и т.д. Роль катализаторов как своеобразных архитекторов проявилась в построении молекул полимеров.
В 1950-1960-х годах открыты металлоорганические катализаторы стереоспецифической полимеризации дивинила и изопрена. Это позволило по
существу воспроизвести натуральный каучук.
Благодаря катализаторам стало возможным ввести в качестве сырья
много тоннажного органического синтеза углеводороды нефти - парафины
и циклопарафины, которые считались «химическими мертвецами». Благодаря катализу они превратились в практически неисчерпаемое сырье для
получения СК и пластмасс, олифы и лаков, моющих веществ и раствори-
20
телей, лекарственных и парфюмерных веществ, возможных горюче смазочных материалов.
Катализ находится в основании производства маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений.
Практически вся промышленность «основной химии» (производство
неорганических кислот, оснований и солей) и «тяжелого органического
синтеза», включая получение горюче-смазочных материалов, базируется
на гетерогенном катализе, который осуществляется с помощью металлов,
их сплавов и оксидов. Широкое применение за последние 40-30 лет приобрели цеолитовые (алюмосиликатные) катализаторы, обладающие широко
развитой поверхностью и широкими пределами применения.
Теоретические представления о сущности катализа служат сегодня
основным пунктом дальнейшего развития всей каталитической химии, и,
прежде всего таких наиболее перспективных областей ее, как металлокомплексный катализ, межфазный катализ, мицеллярный (посредством коллоидных систем), мембранный катализ (с участием веществ, действующих
как молекулярное сито) и катализ посредством ферментоподобных веществ.
4.2. Проблемы энергетики будущего
Современная энергетика в основном базируется на горючих ископаемых, каковыми являются каменный и бурый угли, сланцы, торф, нефть и
газ. В настоящее время в мире добывается около 7 млрд. тонн условного
топлива в год. Подсчитано, что этих запасов будет достаточно по одним
данным на 80, а по другим - на 120-140 лет. Поэтому встает вопрос о новых источниках энергии.
Перспективой является превращение атомных электростанций ближайшего будущего в химико-энергетические комбинаты, ядерные реакторы которых одновременно с их основным назначением могли бы служить
генераторами различных видов нейтронного излучения для радиохимического синтеза элементов, для облучения твердых тел с целью их упрочнения и, что особенно важно, для термического разложения воды на водород
и кислород. Современные атомные электростанции нельзя считать верхом
достижений атомной энергетики и энергетики вообще. Их основной недостаток - экологическая опасность, к тому же, основным ядерным топливом
является изотоп U-235, доля которого в природном уране составляет 0,7%.
Поэтому развитие атомной энергетики на основе современного поколения
АЭС определяется ресурсами урана, которые по энергетическим запасам
сравнимы с запасами нефти.
Совершенно новые возможности открываются перед человечеством
с осуществлением управляемой термоядерной реакции.
21
Неуправляемая термоядерная реакция - это водородная бомба, взрыв
которой происходит в результате ядерного взаимодействия. Реакция протекает при температуре значительно выше 100.000.0000С. Поэтому удержать столь высоко разогретую массу, состоящую из ядер, протонов и нейтронов (плазма) невозможно. Это обстоятельство оказалось главным препятствием на пути осуществления управляемой термоядерной реакции.
Существуют и другие препятствия, главным из которых является возможный перегрев поверхности Земли в результате выделения тепла термоядерными реакторами.
Речь идет о разумных экологических ограничениях производства термоядерной энергии в пределах не более чем 5% от солнечной энергии, поглощаемой Землей. Однако даже и в этих пределах производство термоядерной энергии поднимает разогрев земной поверхности на 3,70С.
Считают, что разогрев выше этой предельной температуры может
привести к существенному изменению климата всей нашей планеты, даже
всемирному потопу, за счет таяния льдов Антарктики и Гренландии.
Нужны меры по поиску экологически безупречных и практически неисчерпаемых источников энергии. Одной из таких мер является использование солнечной энергии. Около половины солнечной энергии рассеивается и поглощается атмосферой и около 10% задерживается в капельножидких и пылевых облаках. Остающаяся доля дошедшей до поверхности Земли солнечной энергии оказывается в десятки раз превышающей предельно
допустимое производство термоядерной энергии.
Возникает задача химического преобразования солнечной энергии,
т.е. задача аккумулирования солнечной энергии, ориентируясь на тот опыт,
которым пользуется природа, а именно фотосинтез.
Есть смысл поставить задачу искусственного крупномасштабного получения на основе преобразования солнечной энергии такого химического
топлива, каким является водород из воды:
2 H2 O
2 H 2 + O2
Принципиально эта реакция осуществима. Практически для ее реализации требуется подача больших количеств энергии, т.к. энергия связи
Н – О в молекуле воды значительна (467 кДж/моль), поэтому термическое
разложение воды начинается лишь при температуре выше 12000С и завершается при 2500-26000С.
Аналогичное количество электроэнергии требуется также и для электролитического разложения воды. Как же, однако, справляется с вовлечением в фотосинтез воды зеленый лист? Оказывается, что его фотокатали-
22
заторы действуют по принципу электролитического разложения воды. Разрабатываемые ныне искусственные молекулярные фото каталитические
системы все более приближаются к природным фотосинтезирующим объектам не только по принципу их действия, но и по самой организации систем. Широкомасштабное преобразование солнечной энергии в энергию
химических топлив поставлено на очередь дня. При этом надо иметь в виду, что водород является самым высококалорийным и экологически чистым топливом. Он удобен и для стационарной, и для транспортной энергетики. Бесспорно, - это универсальное топливо энергетики будущего.
4.3. Химия экстремальных состояний
В отличие от каталитической химии, особенностью которой является
химическая активизация молекул реагента, т.е. расслабление исходных
химических связей при взаимодействии с их катализатором, химия экстремальных состояний характеризуется энергетической активацией реагента,
т.е. подачей энергии извне для полного разрыва исходных связей.
К химии экстремальных состояний относятся плазмохимия и радиационная химия (химия высоких энергий).
В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей между реагирующими молекулами достигает оптимума, заданного природой: длительность элементарных актов химических превращений приближается в нем к 10-13 сек. при почти полном отсутствии
обратимости реакции, тогда как во всех современных заводских реакторах
такая скорость из-за обратимости снижается в тысячи и миллионы раз. Поэтому плазмохимические процессы исключительно высокопроизводительны.
Метановый плазмотрон с производительностью 75 тонн ацетилена в
сутки имеет длину всего 65 см и диаметр 15 см., по сути, заменяет целый
завод. При этом метан в нем при температуре 3000-3500 градусов за одну
десятитысячную доли секунды превращается на 80% в ацетилен.
В настоящее время разработаны способы связывания атмосферного
азота посредством плазмохимического синтеза оксидов азота, что может
быть экономнее аммиачного метода по энергетическим затратам.
Создается плазмохимическая технология производства мелкодисперсных порошков - основного сырья для порошковой металлургии.
Плазмохимия позволяет получить такие материалы, которые до сих
пор вообще не были известны человеку, например, металлобетон, где в качестве связующего используются сталь, чугун, алюминий. Плазменная
технология позволяет путем оплавления частиц горной породы создать
23
прочное сцепление этой породы с металлом, благодаря чему получаемый
металлобетон прочнее обычного на сжатие в 10 и на растяжение в 100 раз.
В России разработаны плазмохимические процессы превращения угля
в жидкое топливо, устраняющие применение высоких давлений и выбросы
серы и золы.
Радиационная химия. Начало ее было положено облучением полиэтилена с целью придания ему большой прочности. Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация,
вулканизация, производство композиционных материалов, в том числе
композиций на древесной основе, закрепление лаков и других кроющих
материалов на поверхности дерева и металла, получение полимербетонов
путем пропитки обычного бетона тем или иным мономером с последующим облучением.
Принципиально новой и важной областью химии экстремальных состояний является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) тугоплавких и керамических материалов.
Он основан на реакции горения одного металла в другом или металла
в азоте, углероде, кремнии. Метод СВС - это результат развития тепловой
теории процессов горения и взрыва в твердых телах. Он предусматривает
своего рода горение, например, порошка титана в порошке бора с образованием боридов ТiВ и ТiВ2 или порошка циркония в порошке кремния с
образование силицидов циркония ZrSi, ZrSi2. Методом СВС получены сотни тугоплавких соединений превосходного качества.
Характерной особенностью метода СВС является простота технологических установок, исключительно большая выгода в затратах энергии.
По оценке американских специалистов, СВС - технология является высочайшим достижением русских ученых из Института химической физики
Российской Академии наук.
Ваша точка зрения?
1. Охарактеризуйте роль катализа в различных отраслях химии.
2. Раскройте роль успехов физики, химии, биологии в решении проблем энергетики настоящего и будущего.
3. Что такое химия экстремальных состояний?
4.4. Выводы
1.
На третьем уровне развития химических знаний - учение о химических процессах - химия становится наукой о процессах и механизмах
изменения веществ.
2.
Катализ - могучее посредничество «третьих тел» в осуществлении химических процессов, способное творить чудеса в химии.
24
3.
Азотобактер (в клубеньках бобовых растений) действует по
принципу каталитического связывания свободного азота посредством металлоорганических катализаторов.
4.
Катализаторы позволили ввести дешевые углеводороды нефти
в качестве сырья для органического синтеза и получать из них синтетические каучуки, пластмассы, олифу, лаки, моющие средства и т.д.
5.
Цеолитовые катализаторы обладают широко развитой поверхностью и избирательностью действия.
6.
К перспективным областям каталитической химии относятся:
металлокомплексный, межфазный, мембранный катализ и катализ веществами, подобными ферментам.
7.
Водород является самым высококалорийным и экологически
чистым топливом.
8.
В плазмохимических процессах скорость перераспределения
химических связей между реагирующими молекулами достигает оптимума, заданного природой.
9.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов основан на реакции горения одного
металла в другом металле, металла в азоте, углероде или кремнии, что
представляет собой принципиально новую область химии экстремальных состояний.
5. Эволюционная химия - высшая ступень развития
химических знаний. Ближайшие перспективы химии
До недавнего времени об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, химиков не интересовал вопрос о «происхождении видов» вещества, потому что получение любого нового химического соединения всегда было делом рук и разума человека: новая молекула конструировалась им по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание из кирпичей. Живые организмы из блоков собрать нельзя.
Теперь возникла необходимость решать эволюционные проблемы
применительно к своим объектам и у химиков. При этом под эволюционными проблемами следует понимать проблемы самопроизвольного (без
участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся к
тому же более сложными и более высокоорганизованными продуктами по
сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию считают наукой о самоорганизации и о саморазвитии химических систем.
Истоки возникновения эволюционной химии уходят в далекое прошлое и связаны с давнишней мечтой химиков – «освоить опыт лаборатории живого организма» и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь.
25
5.1. «Лаборатория живого организма» - идеал химиков
Основатель органической химии - шведский ученый Йенс Якоб Берцелиус был первым ученым, осознавшим исключительно высокую упорядоченность и эффективность химических процессов в живых организмах.
Именно он впервые установил, что основой основ лаборатории живого организма является катализ, а точнее биокатализ.
Идеалом совершенства каталитических превращений считали лабораторию живого организма немецкий ученый Ю. Либих, французский естествоиспытатель М. Бертло и многие другие химики Х1Х столетия. Но и в
ХХ в. химизм живой природы оставался идеалом исследователей.
Академик А.Е.Арбузов писал: «Чем же химия будущего должна отличаться от химии настоящего? Подражание живой природе есть химия будущего! И в тот день, когда в лаборатории будет синтезирован первый
фермент, т. е. биокатализатор, мы можем сказать, что наука получила в
свои руки ключ, который она так долго и упорно ищет, - это ключ к химии
живой природы».
Много внимания вопросам ориентации на каталитический опыт живой природы уделял лауреат Нобелевской премии Н. Н. Семенов. Он говорил о химических процессах, протекающих в тканях растений и животных,
как о своеобразном «химическом производстве» живой природы. Природа
при зарождении и эволюции новых организмов создала «молекулярные машины» исключительной точности, быстроты действия и необычайного
совершенства. Например, вскрытый недавно химиками и биологами синтез больших белковых молекул со строгим чередованием аминокислот. В
клетках имеются «субмикроскопические сборные заводики» – рибосомы,
включающие в себя рибонуклеиновые кислоты как сборочные «машины».
Каждый сорт коротких молекул транспортных рибонуклеиновых кислот
захватывает один определенный вид аминокислот, несет их в рибосому и
ставит каждую аминокислоту на свое место, согласно информации, содержащейся в молекулах рибонуклеиновых кислот. Тут же к аминокислотам
подходят катализаторы – ферменты и осуществляют «сшивку» аминокислот в одну молекулу белка со строгим чередованием. Это настоящий квалифицированный завод, строящий молекулы по плану, выработанному
природой в процессе эволюции.
Химики сегодня пришли к выводу, что, используя те же принципы, на
которых построена химия организмов, в будущем (не повторяя в точности
природу) можно создать принципиально новую химию, новое управление
химическими процессами, где начнут применять принципы синтеза себе
подобных молекул. По принципу ферментов будут созданы катализато26
ры высокой степени специфичности, превосходящие существующие. Построят преобразователи, использующие с большим КПД солнечную энергию, превращая ее в химическую и электрическую, и обратно. Быть может,
совмещение биохимической энергетики с полимерными материалами даст
возможность создать макромолекулы, превращающие химическую энергию в механическую, подобно нашим машинам.
Это кажется фантазией. Но ведь есть в науке великие проблемы. Рассматриваемая нами проблема носит такой же характер.
5.2. Ферменты в биохимии и биоорганической химии
Исследования, направленные на выяснение как материального состава
растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме, осуществлялись и «чистыми» химиками – органиками,
и биохимиками, и медиками. У каждой из этих групп специалистов были
свои цели.
Химиков-органиков увлекали перспективы синтеза все более сложных
веществ путем конструирования их молекул с целью показать возможности искусственного получения аналогов органических соединений, образующихся в живых организмах. Биологи преследовали цели изучения субстратной и функциональной основ живого. Медики стремились выяснить
границы между нормой и патологией в организмах. Объединяющим началом всех этих исследований является идея о ведущей роли ферментов и
биорегуляторов в процессе жизнедеятельности.
Изучение химизма живой природы происходило в недрах динамической биохимии, предметом которой стали химические процессы, происходящие в живом организме.
Исторические корни динамической биохимии являются довольно глубокими. История изучения брожения – типичный пример исследования
живой природы. В нем как в зеркале отразились все трудности и все перипетии проникновения в тайны живого. Надежды Берцелиуса на особые
функции катализа в жизнедеятельности организмов, гениальные предвидения Пастера о различии между бесклеточным брожением и ферментативной деятельностью дрожжевых клеток, и, наконец, открытие белковой основы ферментов и их глубокой дифференциации.
Исследование явления брожения явилось программой развития энзимологии (ферментологии), как стержневой области знаний о процессах
жизнедеятельности. Эти исследования выявили две противоположные точки зрения на биокатализ вообще. Их условно можно назвать химической и
биологической.
27
Химическая концепция брожения, базирующаяся на успехах препаративного органического синтеза, в тенденции сводила весь биокатализ к
обычному химическому катализу.
Несмотря на значительные упрощения в познании действительности,
ее заслуги в развитии энзимологии велики. Именно она помогла установить многие положения, прочно вошедшие в современную энзимологию, а
именно:
9
аналогию между биокатализом и катализом, между ферментами и катализаторами;
9
положение о наличии в ферментах двух неравноценных компонентов – своего рода активных центров и носителей;
заключение о важной роли ионов переходных металлов в активных
центрах многих ферментов;
9
вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики;
9
сведение в отдельных случаях биокатализа к катализу неорганическими реагентами (гидролиз крахмала до глюкозы в присутствии серной кислоты).
Биологическая концепция на первых этапах развития энзимологии не
имела таких веских экспериментальных доказательств, какие находились
под химической концепцией. Самой фундаментальной опорой биологической концепции были труды Пастера, в частности, его прямые наблюдения
за деятельностью молочно-кислых бактерий, открытие им маслянокислого
брожения и существования анаэробиоза, т. е. способности микроорганизмов получать необходимую им энергию для жизнедеятельности путем
брожения.
Открытая Пастером строгая стереоспецифичность живой природы, позволила ему сделать вывод об особом уровне материальной организации ферментов. О достоверности и перспективности идей Пастера свидетельствуют сегодня и химия, и биология. И именно неклассические
формы – эволюционный катализ и молекулярная биология.
С одной стороны, получен вывод о том, что состав и структура биополимерных молекул представляют единый стандартизованный набор для
всех живых существ, вполне доступный для исследования физическими и
химическими методами, что указывает на единство физико–химических
законов, управляющих как абиогенными процессами, так и процессами
жизнедеятельности.
С другой стороны, была показана исключительная специфичность
живого, которая проявляется не только в высоких уровнях организации
28
клетки, но и в поведении фрагментов живых систем на молекулярном
уровне, где находят отражение закономерности других уровней.
Специфичность молекулярного уровня живого проявляется в следующем: в существенном различии принципов действия катализаторов и ферментов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров,
(их структура определяется генетическим кодом) и, наконец, в совсем необычном факте: некоторые реакции окисления-восстановления в клетке
«могут происходить без непосредственного контакта между реагирующими молекулами». Это говорит о том, что в живых системах осуществляются такие типы химических превращений, которые не были обнаружены в
неживом мире.
Утверждения Пастера оказались достоверными и ведут надежными
путями к действительному освоению каталитического опыта живой природы.
5.3. Пути освоения каталитического опыта живой природы
Перспективными путями освоения опыта живой природы представляются те, которые ведут к определенным практическим результатам - к
созданию промышленных аналогов химических процессов, происходящих
в живой природе.
Первый из этих путей – это развитие исследований в области металлокомплексного катализа с постоянной ориентацией на соответствующие объекты живой природы. Ныне реализовано более 40 многотоннажных промышленных процессов с участием металлокомплексных катализаторов. Сегодня металлокомплексный катализ постепенно обогащается такими приемами, которыми пользуются живые организмы в ферментативных реакциях, а также приемами гетерогенного катализа.
Второй путь, ведущий к решению конкретных задач освоения каталитического опыта живой природы, заключается в определенных успехах
моделирования биокатализаторов. В.Лангенбеку, Л.А.Николаеву и другим
исследователям путем искусственного отбора удалось построить модели
многих ферментов, характеризующиеся высокой активностью и селективностью, иногда почти такой же, как и у оригиналов. Но ни одна до сих пор
полученная модель не в состоянии заменить природные аналоги. Этот вывод не так уж пессимистичен. Речь идет о замене биокатализаторов в биосистеме искусственной моделью. Такая задача очень трудная, она сравнима с задачей создания искусственных органов.
Фермент можно выделить из живой системы, можно точно определить его структуру. Фермент можно ввести в реакцию и заставить осуществлять каталитические функции. Но при этом оказывается, что он работает всего лишь несколько минут. Во время работы он разрушается. Цельная
29
клетка со всем ее ферментным аппаратом – более важный объект, чем
одна, грубо удаленная деталь. Биокатализ нельзя отделить от проблемы
биогенеза, происхождения жизни, и какими бы трудными не казались эти
вопросы, у исследователя ничего другого не остается.
Третий путь к освоению «приемов», которыми пользуется живая
природа в своих «лабораториях» in vivo, состоит в значительных достижениях химии иммобилизованных систем.
«Техническая биохимия» не могла пойти далее нескольких ограниченных областей промышленности, где применяются преимущественно
гидролитические ферменты, выделяемые микроорганизмами. Эти области
– производство вин, пива, чая, хлеба и некоторых пищевых продуктов, обработка кожи. Все попытки использовать богатейший набор ферментов,
которым располагает природа, для осуществления лабораторных и промышленных процессов наталкивались на неразрешимые проблемы:
трудную доступность чистых ферментов и их высокую стоимость;
9
их нестабильность при хранении и транспортировке;
9
быстро наступающую потерю их активности в работе, даже если удалось их выделить и ввести в реакцию.
В настоящее время эти проблемы удалось частично решить. Открыты
пути стабилизации ферментов, и именно это обстоятельство стало основанием химии иммобилизованных систем, или «биоорганического катализа».
Сущность иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого
организма ферментов на твердой поверхности или в геле, что обеспечивает
его стабильность и непрерывное действие в условиях in vitro. Решены вопросы использования иммобилизованных ферментов в тонком органическом синтезе, в трансформации стероидов, в модификации малостабильных состояний, в разделении рацематов на оптически активные формы.
Изучаются перспективы ферментативного обезвреживания сточных вод.
Следующий, четвертый, путь в развитии исследований, ориентированных на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, характеризуется постановкой самой широкой задачи – изучением
и освоением всего каталитического опыта живой природы, в том числе и
опыта формирования самого фермента, клетки и даже организма. Это такая
ступень, на которой возникают основы эволюционной химии, как пролога
к принципиально новой химической технологии, способной стать аналогом живых систем.
5.4. Предпосылки возникновения эволюционной химии
Первым практическим поводом к осознанию необходимости изучения
химической эволюции явились исследования в области моделирования
30
биокатализаторов. Представляя собой, искусственный отбор каталитических структур, изыскания в этой области не могут не ориентироваться на
естественный отбор, который осуществляла природа на путях эволюции от
неорганической материи к живым системам.
Вторым и главным поводом к развитию исследований в области эволюционной химии являются реально ощутимые успехи «нестационарной
кинетики», или динамики химических систем.
В 1960-х годах были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно катализаторы в процессе их
работы дезактивировались, ухудшались и выбрасывались.
5.5.
Понятия «организация» и «самоорганизация»
и их познавательные функции в химии
Понятия «организация» и «самоорганизация» имеют очень широкое
распространение во многих отраслях знаний и обычно характеризуются
как общенаучные понятия. Они обозначают упорядоченность существования качественно изменяющихся, или процессуальных систем. В отличие от
понятия «организация», «самоорганизация» отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности.
Существует два разных подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем. Это называемые «субстратный» и «функциональный» подходы.
К первому из них относят те теории происхождения жизни, отправным пунктом которых является строго определенный состав элементов –
органогенов и не менее определенная структура входящих в живой организм химических соединений. Рациональными результатами субстратного
подхода к проблеме биогенеза, является накопленная информация об отборе химических элементов и структур.
Отбор химических элементов – этого подвижного строительного материала эволюционирующих систем – выступает как красноречивый факт.
Ныне известны более ста химических элементов. Однако основу живых
систем составляют только 6 элементов, получивших наименование органогенов; это – углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%.
За ними следуют 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: – натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь,
цинк, кобальт, марганец. Их весовая доля в организмах примерно 1,6%.
Картина химического мира отчетливо свидетельствует об отборе элементов. Теперь известно около десяти миллионов химических соединений.
31
Из них подавляющее большинство (около 96%) – это органические соединения, основной строительный материал которых – все те же 6-18 элементов. И как это ни парадоксально, из всех остальных 95-99 химических элементов природа (по крайней мере, на Земле) создала лишь около 300 тыс.
неорганических соединений.
По распространенности на Земле углерод занимает 16 место. Углерод
в литосфере земли распространен в 276 раз меньше, чем кремний и в 88 раз
меньше, чем алюминий. Из органогенов наиболее распространены лишь
кислород и водород. Распространенность же углерода, азота, фосфора и
серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и невелика – около 0,24%. Следовательно, геохимические условия не играют скольконибудь существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем. Определяющими факторами здесь выступают и требования соответствия между строительным
материалом и теми сооружениями, о которых говорилось как о структурах
высокоорганизованных.
С химической точки зрения эти требования сводятся к отбору элементов, способных к образованию:
9
достаточно прочных и, следовательно, энергоемких химических связей;
9
связей лабильных, т.е. легко подвергающихся гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению.
Вот почему углерод выбран элементом номер один. Он, как никакой
другой элемент, способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие
химические противоположности, реализовывать их единство, выступать в
качестве носителя внутреннего противоречия. Атомы углерода в одном и
том же соединении способны выполнять роль и акцептора, и донора
электронов. Они образуют почти все типы связей, какие знает химия:
менее чем одноэлектронные и одноэлектронные (при хемосорбции углеводородов на графите); двухэлектронные (в этане); трехэлектронные (в бензоле); четырехэлектронные (в этилене); шестиэлектронные (в ацетилене).
Кислород и водород следует рассматривать в качестве носителей
крайних и односторонних свойств – окислительных и восстановительных.
Дж. Бернал рассматривал вопрос об отборе элементов и отметил, что лабильные атомы серы, фосфора и железа, имеют основное значение в биохимии, в то время как стабильные атомы, такие как кремний, алюминий
или натрий, составляющие большую часть земной коры, играют второстепенную роль или отсутствуют вовсе.
32
О том, как происходил отбор структур, каков его механизм, сказать
довольно трудно. Но этот процесс оставил нам своего рода музей. Подобно
тому, как из всех химических элементов только 6 органогенов да 10-15
других элементов отобраны природой, чтобы составить основу биосистем,
так же в результате эволюции шел тщательный отбор химических соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого участвует лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав
белков входит только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат
в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных
за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.
Как химики, так и биологи называют поразительным тот факт, что из
такого узкого круга отобранных природой органических веществ составлен трудно обозримый мир животных и растений. Каким образом проводилась та «химическая подготовка», в результате которой из минимума
химических элементов и минимума химических соединений образовался
сложнейший высокоорганизованный комплекс – биосистема?
Занавес, отделявший нас от этих тайн, стал понемногу подниматься. В
ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому
повышению активности и селективности действия каталитических групп.
Примером чего может служить система пиррольных циклов в гемине,
обеспечивающая повышение активности атома железа в окислительновосстановительных реакциях в миллиарды раз.
Первой и наиболее простой из этих структур можно назвать различные фазовые границы. Они служили основой физической и химической
адсорбции, которая служила фактором появления каталитического эффекта. Вторым структурным фрагментом называют группировки, обеспечивающие процессы переноса электронов и протонов. Третий структурный
фрагмент, необходимый для эволюционных систем – это группировки, ответственные за энергетическое обеспечение. Сюда входят окси- (ОН) и оксогруппы (-С=О), фосфорсодержащие и другие фрагменты с макроэргическими связями. Следующим фрагментом эволюционирующих систем является уже развитая полимерная структура типа РНК и ДНК, выполняющая
ряд функций, свойственных перечисленным выше структурам, и главное –
роль каталитической матрицы, на которой осуществляется воспроизведение себе подобных структур.
Обращает на себя внимание ряд выводов, полученных самыми разными путями и в самых разных областях науки (геологии, геохимии, космохимии, биохимии, термодинамике, химической кинетике):
33
9
на ранних стадиях химической эволюции мира катализ вовсе
отсутствует. Роль катализа возрастала по мере того, как физические условия (главным образом, температура) приближались к земным условиям;
9
роль катализа в развитии химических систем после достижения
стартового состояния, т.е. известного количественного минимума органических и неорганических соединений, начала возрастать с фантастической
быстротой;
9
отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических
путей и обладали широким каталитическим спектром.
Отличительной чертой второго – функционального – подхода к проблеме предбиологической эволюции является сосредоточение внимания на
исследовании процессов самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, которым подчиняются такие процессы.
5.6. Общая теория химической эволюции и биогенеза А.П. Руденко
Теория саморазвития каталитических систем, выдвинутая А.П. Руденко
в 1964 году, решает в комплексе вопросы о законах химической эволюции, об
отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем.
Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно,
эволюционирующим веществом являются катализаторы.
В ходе реакции происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Те же центры, изменение которых связано с уменьшением активности, постоянно
выключаются из кинетического процесса, «не выживают». При многократных последовательных необратимых изменениях катализатора переход его
на все более высокие уровни сопровождается эволюцией механизма базисной реакции как за счет изменений состава и структуры катализаторов,
функционировавших в начале реакции, так и за счет дробления химического процесса на элементарные стадии и появление новых катализаторов
этих стадий. Эти новые катализаторы появляются за счет их саморазвития.
А.П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции,
согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются
те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит
максимальное увеличение его абсолютной активности.
Саморазвитие, самоорганизация и само усложнение каталитических
систем происходит за счет постоянного потока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция,
34
то максимальные эволюционные преимущества получают каталитические
системы, развивающиеся на базе реакций с самым большим сродством (экзотермические реакции).
Базисная реакция является, таким образом, не только источником
энергии, необходимой для полезной работы в системе, которая направлена
против равновесия, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.
Теория саморазвития открытых каталитических систем имеет ряд
важных следствий:
9
общая классификация этапов химической эволюции, а на ее
основе - классификация катализаторов по уровню их организации;
9
принципиально новый метод изучения катализа как динамического явления, связанного с изменением катализаторов в ходе реакции;
9
конкретная характеристика пределов химической эволюции и
перехода от хемогенеза к биогенезу в результате преодоления так называемого кинетического предела саморазвития каталитических систем.
5.7. Нестационарная кинетика и развитие представлений
об эволюции химических систем
Г.К. Боресков убедительно доказал, что под влиянием реакционной
среды свежие катализаторы изменяют свой состав и структуру, достигая
стационарного состава и соответствующей ему удельной каталитической
активности. Считается и ныне, что подавляющее большинство промышленных каталитических процессов осуществляется в стационарных условиях.
Начиная с 1970-х годов, химики все больше стали обращать внимание
на то, что те же самые причины воздействия реакционной среды на катализаторы, которые обусловили появление кинетики стационарных процессов,
оказываются ответственными и за наличие нестационарных режимов работы каталитических систем. Было установлено, что в одних случаях стационарное состояние катализаторов не реализуется из-за блокировки их поверхности плотным слоем какого-либо адсорбата, скорость образования
которого выше скорости движения стационарности. В других случаях в
ходе реакций было зафиксировано несколько нестационарных режимов со
скачкообразными переходами между ними. Открыто и изучено множество
автоколебательных процессов, свидетельствующих об особом типе нестационарности.
Исследователи приходят к выводам, что стационарный режим, стабилизация которого казалась залогом высокой эффективности промышленного процесса, является лишь частным случаем нестационарного режима.
С 1970-х годов обнаружено много случаев нестационарных режимов, способствующих интенсификации реакций. Появились работы, описывающие
35
искусственно создаваемые нестационарные режимы, при которых оказывается возможным не только легче реализовать оптимальные условия реакций, но и достигнуть улучшения качества продуктов (например, более
эффективного распределения молекулярных весов в полимерах).
Одним из ведущих звеньев в развитии нестационарной кинетики является теория саморазвития открытых каталитических систем. Первой
прикладной областью, где теория развития открытых каталитических систем может быть широко и эффективно использована, являются уже исследованные в лабораторных условиях процессы, в основу которых положено
энергетическое сопряжение реакций, в том числе таких, на которые наложены строгие термодинамические ограничения. В этом случае одна реакция помогает другой; в системе развиваются процессы, направленные против равновесия, сама же система приобретает динамическую устойчивость,
или «устойчивое не равновесие». Этот принцип использован для осуществления ряда реакций, которые пока не были реализованы другими путями.
В результате развития учения о химических процессах химия теперь
имеете реальные предпосылки для решения таких общих задач, как:
9
моделирование и интенсификация фотосинтеза;
9
фотолиз воды с получением водорода как самого эффективного
топлива;
9
промышленный синтез широкого спектра органических продуктов и в первую очередь метанола, этанола, формальдегида и муравьиной кислоты, на основе углекислого газа;
9
промышленный синтез многочисленных фтор материалов.
Это обстоятельство является залогом успешного претворения в жизнь
задач по созданию малоотходных, безотходных и энергосберегающих
промышленных процессов, рачительного использования каждого килограмма сырья и каждого киловатта энергии для производства необходимых материалов.
Ваша точка зрения?
1. Почему лаборатория живого организма была всегда идеалом химиков?
2. Что называется ферментами и какова их роль в «лаборатории живого организма»?
3. Что можно сказать о естественном отборе химических элементов и
их соединений в ходе химической эволюции?
4. Что означает саморазвитие каталитических систем?
5. Что означает нестационарная химическая кинетика?
36
5.8. Выводы
1. Основой процессов в живом организме является биокатализ под действием ферментов.
2. По принципу ферментов создаются катализаторы высокой степени
специфичности, превосходящие существующие в данный момент промышленности.
3. Состав и структура биополимерных молекул представляют единый
стандартизованный набор для всех живых организмов.
4. Показана исключительная специфичность живого, которая проявляется в поведении фрагментов живых систем на молекулярном уровне.
5. Специфичность молекулярного уровня живого проявляется в существенном различии принципов действия катализаторов и ферментов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров (структура последних определяется генетическим кодом).
6. Пути освоения каталитического опыта живой природы включают в
себя:
9
исследования в области металлокомплексного катализа;
9
моделирование биокатализаторов;
9
стабилизация ферментов – создание иммобилизованных ферментов;.
9
исследования, ориентированные на применение биокатализа в
промышленной химической технологии.
7. Основу живых систем составляют шесть элементов-органогенов:
углерод С, водород Н, кислород О, азот N, фосфор Р и сера S (содержание
в организме 97,4%).
8. Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен.
9. Отбор активных соединений происходил в природе из продуктов,
которые получались относительно большим числом химических путей, и
обладали широким каталитическим спектром.
10. Химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, эволюционирующим веществом являются катализаторы.
11. В ходе эволюции происходит отбор наиболее активных каталитических центров.
12. Базисная реакция является не только источником энергии, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.
6. Лабораторный практикум
Лабораторный практикум по курсу концепции современного естествознания (химическая составляющая) состоит из четырех лабораторных ра-
37
бот, объединенных по темам в соответствии с представлениями о концептуальных уровнях в познании свойств веществ.
Цели лабораторного практикума:
экспериментально показать зависимость свойств веществ от состава,
структуры молекул, термодинамических и кинетических условий химической реакции.
Отчет оформляется в виде таблицы на открытом развороте тетради.
Графы 1, 2, 3, 5 заполняются дома до занятия, 4 и 6 в процессе лабораторной работы. В графе 6 после выводов собственно по работе следует записать ответы на вопросы, приведенные после лабораторной работы в графе
«Выводы».
На первой странице
На второй странице
Название лабораторной работы
Цель лабораторной работы
1
2
3
4
5
6
№опыта
Название
опыта
Формулы реагентов
Наблюдения
Уравнения
реакций
Выводы
«ПРАВИЛА ВЫЖИВАНИЯ В ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ»
Правила выживания в химической лаборатории, представляют собой
накопленный опыт работы с веществами.
9
Если у вас в руках жидкое - не разлейте, порошкообразное не
рассыпьте, газообразное - не выпустите наружу.
9
Если Вы пользуетесь чем-либо - содержите в чистоте и порядке.
9
Если включили – выключите; если открыли – закройте; если
разобрали - соберите.
9
Если Вы одолжили что-нибудь - верните.
9
Если Вы привели что-либо в беспорядок - восстановите статус
кво.
9
Если Вы хотите воспользоваться чем-либо, принадлежащим
другому, попросите разрешения.
9
Если Вы не знаете, как это действует, не трогайте.
9
Если Вы не знаете, как это делается - сразу спросите.
9
Если Вы горите на работе, постарайтесь, чтобы у вас ничего не
загорелось.
9
Если у Вас что-то взорвалось, проверьте, остались ли вы живы.
9
Если Вы не усвоили этих правил - не входите в лабораторию.
38
6.1. Лабораторная работа №1
УЧЕНИЕ О СОСТАВЕ – ПЕРВЫЙ УРОВЕНЬ В ПОЗНАНИИ
СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ
Цель работы: изучить взаимосвязи между составом и свойствами
веществ, важнейшими областями их применения.
Ожидаемый результат: изучив свойства предложенных веществ, установить связи в соответствии со схемой:
СОСТАВ → СВОЙСТВА → ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВЕЩЕСТВА
Опыты № 1 - 4 отражают практическую роль гидролиза – химической
реакции обменного взаимодействия с водой различных по составу соединений.
Опыт № 1. ПОЧЕМУ МЫЛО МОЕТ?
Предварительные сведения. Хозяйственное мыло - соль щелочного
металла и слабой стеариновой кислоты. При растворении в воде эта соль
подвергается гидролизу. Одно из образующихся веществ обладает щелочными свойствами (мылкостью) и растворяет жиры, а другое образует пену.
Пена адсорбирует частицы грязи, отрывая их от поверхности, благодаря
уменьшению силы поверхностного натяжения, затем смывается водой.
Порядок выполнения:
Налейте в одну из пробирок 3-4 мл раствора поваренной соли NaCl, в
другую столько же раствора мыла.
1. Добавьте в каждую из пробирок 1-2 капли раствора фенолфталеина. В какой из пробирок произошло изменение окраски раствора?
2. Добавьте в пробирку с раствором мыла 3-4 мл раствора гидрокарбоната кальция Са(НСО3)2 или хлорида кальция СаCl2.
Наблюдения:
Какие видимые изменения произошли в пробирках после добавления
раствора фенолфталеина и гидрокарбоната кальция?
Уравнения реакций:
CH3 (CH2 )16 COONa
+
H2 O
CH3 (CH2 )16 COOH +
стеарат натрия
(твердое мыло)
стеариновая
кислота
2 CH3 (CH2 )16 COONa + Ca(HCO3 )2
стеарат натрия
(твердое мыло)
NaOH
(CH3 (CH2 )16 COO)2 Ca
гидрокарбонат
кальция
стеарат
кальция
+ 2 NaHCO3
гидрокарбонат
натрия
(питьевая сода)
Выводы:
1. Какие вещества образуются при растворении мыла в воде?
2. Может ли мыло не мылиться?
3. Как, используя мыльный раствор, отличить родниковую воду от снеговой?
39
4. Что является моющим началом шампуня, пены для бритья и жидкого мыла?
Ваша точка зрения
1. Предложите схему опыта, который доказывает, что мыло отмывает
и не только жирную грязь, но и пыль, сажу.
2. Как экспериментально доказать, что добавление к воде моющих
средств приводит к нарушению поверхностной пленки воды.
Опыт № 2 ДОКТОР, КОТОРЫЙ ВСЕГДА ПОД РУКОЙ
Предварительные сведения. Раствор питьевой соды используется для
понижения кислотности желудочного сока, для полоскания горла при ангине.
Применение питьевой соды NaHCO3 в медицине основано на свойстве
раствора соды подвергаться гидролизу с образованием слабощелочной реакции среды (pН = 8-10).
Для характеристики кислотности среды вводят водородный показатель. Водородный показатель (pН) - это отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации (моль/л) ионов Н+, pН = -lg [Н+]. В зависимости от концентрации ионов Н+ в растворе может быть кислая, нейтральная или щелочная среда. Для нейтрального раствора pН = 7. Если значение
водородного показателя меньше 7, раствор является кислым. При значении
pН больше 7, раствор называется щелочным.
Дождевая вода обычно имеет слабокислую реакцию среды (pН = 6) за
счет растворения в ней углекислого газа; дождь считается кислым, если его
pН < 5. Желудочный сок имеет сильнокислую среду - pН = 1,7; pН крови
составляет 7,4; слюны - 6,9; а слез - 7,0 – (близок к нейтральному).
В случае остановки сердца циркуляция крови прекращается, что препятствует выбросу СО2 из организма. Таким образом, значение pН крови
снижается. Если значение pН крови составляет 7,2 - это значит, что в организме имеются серьезные нарушения, а при pH = 7,1 уже произошли необратимые изменения, грозящие смертью.
Для определения кислотности среды часто применяют кислотноосновные индикаторы – особые вещества, имеющие в разных средах разную окраску.
Порядок выполнения:
Нанесите на универсальную индикаторную бумагу по 1 капле растворов кальцинированной соды (Nа2СО3) и питьевой соды (NаНСО3).
Используя универсальную индикаторную бумагу, определите значение
рН предложенных растворов кальцинированной соды (Nа2СО3) и питьевой
соды (NаНСО3) (приложив к шкале).
Налейте в одну пробирку 0.5 мл 0,1 М раствора кальцинированной соды (Nа2СО3), а в другую пробирку столько же питьевой соды (NаНСО3).
40
1. Добавьте в обе пробирки по 1 капле раствора фенолфталеина.
Наблюдения:
1.
Какую окраску имеет универсальный индикатор в исследуемых растворах?
2.
Как изменилась глубина окраски фенолфталеина в каждой пробирке? С наличием каких частиц в растворе это связано? Где концентрация
выше?
Уравнения реакций:
1 пробирка
Na2 CO3
NaHCO3
H2 O
+
карбонат натрия
(кальцинированная сода)
+
NaOH
гидррокарбонат натрия
(питьевая сода)
2 пробирка
NaHCO 3
+
гидрокарбонат натрия
(питьевая сода)
CO 2
H 2O
+
H 2O
+ NaOH
Выводы:
1. Почему в медицине широко используют раствор питьевой соды, а
не раствор кальцинированной соды?
2. Назовите области применения питьевой соды.
3. Назовите области применения кальцинированной соды.
Опыт № 3 ПОСРЕДНИЧЕСКАЯ РОЛЬ СОЛЕЙ
ПРИ ПРОТРАВНОМ КРАШЕНИИ
Предварительные сведения. Ткани пропитывают растворами тех солей, которые при обработке паром и высушивании подвергаются гидролизу. Образующиеся гидроксиды железа (III), алюминия, хрома (III) осаждаются на поверхности волокна и прочно связываются с ним. В процессе
крашения молекулы красителя связываются с катионами данных металлов,
а также с самим волокном.
Порядок выполнения:
1. Налейте в одну пробирку 1 мл раствора хлорида железа FeCl3, а в
другую раствор хлорида меди CuCl2.
2. Добавьте в обе пробирки такой же объем раствора карбоната натрия
Nа2СО3.
Наблюдения:
1. Какие видимые изменения произошли в пробирках?
2. Укажите цвет выпавших осадков.
41
Уравнения реакций:
1 пробирка
2 FeCl3 + 3 Na2 CO3 + 3 H2 O
2 Fe(OH)3
+ 6 NaCl +
3 CO2
2 пробирка
2 CuCl2 + 2 Na2 CO3 + H2 O
+ 4 NaCl + CO2
(CuOH)2 CO3
Выводы:
1. Какую роль выполняет карбонат натрия в данном процессе?
2. Могут ли для протравного крашения быть использованы растворы
следующих солей: ацетата железа (III), ацетата алюминия, ацетата хрома
(III)? Обоснуйте свой ответ.
Опыт № 4 КАК РАЗЛИЧИТЬ ШЕРСТЬ И ХЛОПОК?
Предварительные сведения. Шерстяная нить состоит из природного
полимера – белка (полипептида), а хлопчатобумажная – из другого природного полимера – целлюлозы или клетчатки (полисахарида).
В щелочных средах белки, в том числе и составляющие шерстяную
нить, гидролизуются. Целлюлоза гидролизуется в кислых средах или под
действием ферментов.
Порядок выполнения:
1.
Налейте в две пробирки 5-6 мл раствора гидроксида натрия
NaOH.
2.
Поместите в одну пробирку небольшую шерстяную нить, в
другую хлопчатобумажную.
3.
Осторожно нагрейте растворы в пробирках на водяной бане в течение 1015 минут.
Наблюдения:
Какие произошли видимые изменения? В какой именно пробирке?
Уравнения реакций:
1 пробирка
R
R
H
N
C
H
O
+ H2 O
NaOH
C
H
O
n
общая формула белка
х << n;
H
N
R
+
x
H
N
C
H
O
y
более короткие цепи гидролизованного белка
у << n;
R- остаток аминокислоты
42
2 пробирка
CH2OH
O O
NaOH
H
CH2OH
OH H
H
O O
H
H
OH
H
CH2OH
OH H H
O O
H
H
H
OH
OH H
O
целлюлоза или клетчатка
H
OH
H
Выводы:
1. На каком химическом явлении основан способ, позволяющий отличить шерстяную нить от хлопчатобумажной нити?
2. Какие связи разрываются в молекуле белка?
3. В каких средах идет гидролиз белка и целлюлозы?
4. Каким порошком следует стирать шерстяные и хлопчатобумажные изделия?
Домашний эксперимент САМОЧУВСТВИЕ КОЖИ ВО ВРЕМЯ
ДОЖДЯ
Предварительные сведения: Контакт влаги с поверхностью кожи
приводит к адсорбции полярных молекул воды молекулами белка. Молекулы белка подвергаются гидролизу. Гидролиз изменяет состав и свойства
кожи. Кожа начинает растягиваться, становится менее прочной и неустойчивой к механическим воздействиям.
Вывод:
Ваши рекомендации по эксплуатации обуви из натуральной кожи в
дождливую погоду.
Огромное количество реакций, протекающих между растворами различных по составу сложных веществ (чаще солей), относятся к реакциям
ионного обмена. Их роль в нашей жизни показана в опытах 6-9.
Опыт № 5 СКОРАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ПОМОЩЬ
Предварительные сведения. Муравьиные и пчелиные укусы вызывают резкую боль, так как в ранку попадает муравьиная кислота. Она же
находится в волосках жгучей крапивы. Муравьиную кислоту можно нейтрализовать, используя нашатырный спирт. Нашатырный спирт NH4OH это слабое основание, которое нейтрализует муравьиную кислоту с образованием соли муравьиной кислоты (формиата аммония).
Муравьиная кислота и формиат аммония имеют разный состав,
следовательно, обладают разными свойствами.
43
Порядок выполнения:
1. Налейте в пробирку 2-3 капли раствора муравьиной кислоты, 1 мл
воды и добавьте 1 каплю раствора индикатора - метилового оранжевого.
2. Добавьте по каплям раствор гидроксида аммония NH4OH до изменения окраски индикатора.
Наблюдения:
Как изменилась окраска индикатора при добавлении раствора гидроксида аммония NH4OH? Почему?
Уравнение реакции:
HCOOH
муравьиная
кислота
+
NH4OH
HCOONH4
нашатырный
спирт
+
H 2O
формиат
аммония (соль)
Выводы:
1. Каким слабым основанием можно заменить гидроксид аммония
NH4OH?
2. Целесообразно ли применять негашеную известь (оксид кальция
СаО) для тех же целей? Что происходит при контакте негашеной извести с
водой?
Опыт № 6 ЧЕМ ПРИВЛЕКАТЕЛЬНЫ «БУРГУНДСКАЯ» И
«БОРДОССКАЯ» ЖИДКОСТИ?
Предварительные сведения. Оба вышеуказанных препарата применяются садоводами и огородниками для борьбы с возбудителями грибковых болезней плодовых, овощных и декоративных культур.
Известно, что соли тяжелых металлов V-VI периодов (кроме молибдена) оказывают неблагоприятное воздействие на организм человека.
Влияние элементов IV периода, например меди, находится в зависимости
от их количества.
Порядок выполнения:
1. Налейте в две пробирки 2-3 мл водного раствора сульфата меди (II) – CuSO4.
2. Добавьте в одну из пробирок порошок гидроксида кальция Ca(OH)2
(гашеной извести), а в другую карбоната натрия Na2CO3.
3. Затем поместите в каждую пробирку очищенный гвоздь.
Наблюдения:
Какие видимые изменения произошли в пробирках?
44
Уравнения реакций:
1 пробирка
CuSO4
+
Ca(OH)2
Cu(OH)2
+ CaSO4
"Бордосская жидкость"
2 пробирка
2 CuSO4 + 2 Na2CO3
(CuOH)2CO
+ Na2SO4
+ CO2
"Бургундскаяжидкость"
Выводы:
1. Как экспериментально проверить, что сульфат меди (II) полностью
вступил в реакцию?
2. Как определить в реакционной смеси присутствие гашеной извести?
Опыт № 7 РОЛЬ «КРОВЯНЫХ СОЛЕЙ» В ПРОИЗВОДСТВЕ
КРАСИТЕЛЕЙ
Предварительные сведения. «Желтая кровяная соль» и «красная кровяная соль» получили свое название от источника их получения.
«Красную кровяную соль» Турнбуль использовал для получения синей краски - «турнбулевой сини» в 1790 году. Технология окраски тканей
по методу Турнбуля заключалась в предварительном протравливании ткани раствором сульфата железа (II), а затем в обработке ее раствором
K3[Fe(СN)6].
С давних пор в России применяли берлинскую лазурь для окраски тканей, бумаги, а также в иконописи и росписи фресок. Впервые берлинскую
лазурь получил в 1704 году немецкий мастер Дисбах, который занимался
изготовлением красок для художников.
Порядок выполнения:
Налейте в две пробирки 1-2 мл раствора «желтой кровяной соли».
2. Добавьте в первую пробирку 1 мл раствора хлорида железа (III)
FeCl3, а во вторую раствор сульфата меди (II) CuSO4.
3. Налейте в третью пробирку раствор «красной кровяной соли» и добавьте раствор сульфата железа (II) FeSO4 .
Наблюдения:
Как изменился цвет раствора в каждой пробирке? Укажите цвет образовавшихся осадков.
45
Уравнения реакций:
1 пробирка
3 K4 [Fe(CN)6 ] + 4 FeCl3
"желтая кровяная
соль"
Fe4 [Fe(CN)6 ]3 + 12 KCl
"берлинская лазурь"
2 пробирка
K4 [Fe(CN)6 ]
+ 2 CuSO4
Cu2 [Fe(CN)6 ]
+ 2 K2 SO4
3 пробирка
Fe3 [Fe(CN)6 ]2
2 K3 [Fe(CN)6 ] + 3 FeSO4
"красная кровяная
соль"
+ 3 K2 SO4
"турнбулева синь"
Вывод:
Реакция какого типа лежит в основе технологии окраски тканей по
методу Турнбуля?
В каких степенях окисления находится железо в составе «красной и
желтой кровяных солей»? Укажите эти степени окисления.
Опыт № 8 ЧТО ЗА ПИТАНИЕ БЕЗ ЖЕЛЕЗА?
Предварительные сведения. Химический элемент железо является
одним из важных микроэлементов организма человека и животных. Железо входит в состав транспортного белка гемоглобина и различных ферментов печени и селезенки.
Железо находится в пище в виде ионов Fe+2 и Fe+3, которые присутствуют в печени, мясе, зеленых листьях овощей, цельном зерне. В состав гема крови, который участвует в транспорте кислорода, входит железо в виде катиона Fe2+. В связи с этим в медикаментозных целях в организм вводят соединения железа (II), обычно в виде сульфата железа(II) FеSО4, который является средством против железодефицитной анемии, усталости и апатии.
Определение содержания железа в продуктах питания основано на
очень чувствительной реакции взаимодействия ионов Fe+3 с тиоционат анионами SCN-. Заметное красное окрашивание появляется уже при содержании ионов Fe+3 в 10-6 %.
Экспериментальные условия подбираются так, чтобы все ионы железа, присутствующие в образце, превратились в ионы Fe+3.
Порядок выполнения:
1. Налейте в одну пробирку 1 мл раствора хлорида железа (III) FeCl3, а
в другую раствор сульфата железа (II) FеSО4.
2. Добавьте в обе пробирки раствор тиоцианата калия KNCS.
46
Наблюдения:
1.
В какой из пробирок изменился цвет раствора?
2.
Окраску какой биологической жидкости напоминает цвет раствора?
Уравнение реакции:
FeSO4
+ KNCS
упрощенный вариант записи уравнения реакции
FeCl3 +
Fe(NCS)3
3 KNCS
+
3 KCl
темно-красный
цвет
Выводы:
На какой реакции основано количественное определение катионов железа (III)?
От каких факторов зависит интенсивность окраски раствора?
В какой степени окисления (+2 или +3) катион железа входит в состав
биологических жидкостей и медицинских препаратов?
Образование кристаллогидратов – продуктов взаимодействия солей
металлов с водой (аквасолей), показано в опыте № 10.
Опыт № 9 СТРАННАЯ ЖИДКОСТЬ
Предварительные сведения. Хлорид кобальта может образовывать
различные по составу аквасоли, отличающиеся друг от друга по цвету. При
нагревании водного раствора соли происходит изменение окраски ее раствора вследствие изменения строения комплексного соединения.
Например, [Со(Н2О)6]Сl2 является солью розового цвета, которая при
нагревании превращается в безводную соль синего цвета Со[СоСl4].
Водный раствор хлорида кобальта (II) CoCl2 используется для приготовления индикаторной бумаги, которая служит для определения атмосферной влажности. Для обнаружения следовых количеств примесей влаги
из воздуха используют силикагель, который представляет собой пористый
диоксид кремния SiO2, пропитанный хлоридом кобальта CoCl2 и тщательно высушенный.
Порядок выполнения:
1. Поместите на кусочек фильтровальной бумаги 3-4 капли раствора
хлорида кобальта (II) CoCl2 .
2. Аккуратно поместите полоску пропитанной фильтровальной бумаги над нагретой плиткой (не касаясь нагревательного элемента), до высыхания пятна раствора. Зафиксируйте изменение окраски.
Намочите пятно несколькими каплями воды и повторите эксперимент.
47
Наблюдения:
Какой цвет имеет влажное пятно раствора хлорида кобальта CoCl2?
Какой цвет приобретает пятно после тщательного высушивания?
Уравнения реакций:
CoCl2 + 6 H2 O
2 [Co(H2 O)6 ]Cl2
2 [Co(H2 O)6 ]Cl2
to
кристаллогидрат
хлорида кобальта
розового цвета
Co[CoCl4 ]
+ 12 H2 O
безводный
хлорид кобальта
синего цвета
Выводы:
1.
Почему при нагревании влажной соли хлорида кобальта, происходит изменение окраски?
2.
Зачем в оптические приборы помещают мешочки с синими
гранулами?
3.
Предложите способ обнаружения воды в абсолютном спирте.
4.
Объясните с химической точки зрения, может ли раствор хлорида кобальта использоваться для тайнописи.
Опыты 10-12 посвящены окислительно-восстановительным реакциям
Опыт № 10 ПИЩЕВЫЕ ДОБАВКИ –
НЕОБХОДИМОСТЬ ИЛИ ИЗЛИШЕСТВО?
Предварительные сведения. Пищевые добавки - вещества, добавляемые в продукты питания с целью повышения питательной ценности, увеличения срока хранения, улучшения внешнего вида, упрощения способа
приготовления. Некоторые фрукты быстро изменяют свой цвет на воздухе.
Сульфиты – соли сернистой кислоты (H2SO3), в состав которых входит сульфит-анион - SO32-. Сульфиты замедляют окислительновосстановительные реакции, так как проявляют восстановительные свойства (S+4) и взаимодействуют с окислителями, например, кислородом воздуха. Они сохраняют красивый внешний вид продуктов, обладают дезинфицирующими свойствами, замедляют старение сыров. Сульфиты применяются в качестве добавок к тесту, сушеным фруктам и овощам, а используются в виноделии.
Однако последние исследования медиков показали, что эти же вещества могут вызвать и негативные процессы в организме людей, особенно
страдающих астмой.
Порядок выполнения:
1. Налейте в пробирку 1-2 мл 0.2 М раствора сульфита натрия Na2SO3.
2. Поместите в этот раствор кусочек свежего яблока.
48
3. Сравните его с кусочком необработанного яблока.
Если яблока не окажется под рукой, работу можно выполнить в следующем варианте:
1. Налейте в две пробирки по 1 мл раствора сульфата железа (II).
2. Добавьте в обе пробирки 1-2 мл раствора щелочи NaOH.
3. Добавьте в первую пробирку несколько кристаллов сухой соли
сульфита натрия Na2SO3.
Наблюдения:
1. Как изменяется цвет раствора в первой и второй пробирках в течение времени. Почему?
2. Как повлияло добавление раствора сульфита натрия Na2SO3 на скорость взаимодействия гидроксида железа (II) с кислородом воздуха?
Уравнения реакций:
FeSO4 +
Fe+2(OH)2 +
2 NaOH
4 Fe(OH)2 + O2 + 2H2O
Na2SO3
+
Na2SO4
4 Fe+3(OH)3
2 Na2SO4
O2
Выводы:
1. На каком свойстве сульфита натрия основано его использование в
качестве замедлителя окислительно-восстановительных реакций?
2. Реакция какого типа протекает при взаимодействии раствора гидроксида железа (II) с кислородом воздуха?
Опыт № 11 ГИПОСУЛЬФИТ НАТРИЯ –
ВНЕШТАТНЫЙ СОТРУДНИК ХИМЧИСТКИ
Предварительные сведения. Для удаления пятен йодной настойки
используется раствор тиосульфата натрия Nа2S2О3. Обесцвечивание пятна
йода является следствием окислительно-восстановительного процесса. Эта
реакция применяется в аналитической химии, являясь основой одного из
важных методов анализа – йодометрии.
Порядок выполнения:
1. Нанесите на кусочек белой ткани каплю йодной настойки.
Намочите ткань водой из-под крана.
Нанесите на пятно каплю тиосульфата натрия Nа2S2О3.
Наблюдения:
Что происходит с пятном на ткани в растворе тиосульфата натрия?
Уравнение реакции:
2 Na2S2O3
+
I2
Na2S4O6
2 NaI
тетратионат иодид натрия
натрия
тиосульфат
натрия
49
+
Вывод:
1.
Реакция какого типа лежит в основе обесцвечивания пятна йода?
2.
Как изменяется степень окисления йода? Проставьте степени
окисления иода в I2 и NaI.
Опыт № 12 СИМПАТИИ И АНТИПАТИИ
Предварительные сведения. Бензойная кислота широко применяется
как консервант, так как предотвращает рост микроорганизмов. Салициловая кислота используется в производстве аспирина. Аспирин - сложный
эфир, образующийся при взаимодействии уксусной и салициловой кислот.
HO
C
O
HO
C
O
HO
C
OH
O
O
C
O
CH3
бензойная кислота
салициловая кислота
ацетилсалициловая кислота
(аспирин)
Порядок выполнения:
1. Поместите в две пробирки несколько кристалликов бензойной и салициловой кислот, добавьте в каждую пробирку несколько капель воды до
растворения.
2. Добавьте в каждую пробирку по 2 капли раствора перманганата калия KMnO4.
Наблюдения:
Какая кислота, бензойная или салициловая, обесцвечивает раствор
перманганата калия KMnO4?
Вывод:
Чем можно объяснить разную скорость обесцвечивания бензойной и
салициловой кислот?
6.2. Лабораторная работа № 2
СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ - ВТОРОЙ УРОВЕНЬ ПОЗНАНИЯ
СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ
Второй концептуальный уровень познания свойств веществ связан с
исследованием их структуры. На этом этапе доказывается, что свойства
веществ и их качественное разнообразие зависят от структуры их молекул.
Цель работы: доказать, что в процессе познания и использования
свойств веществ необходимо учитывать их структуру.
50
Ожидаемый результат: изучив в опытах свойства предложенных
веществ (изомеров), вы установите взаимосвязи в соответствии со схемой:
Свойства вещества,
→
реакционная
→
способность
Структура
вещества
→
→
Область
применения
Опыт № 1 ТАЙНА ПРОИЗВОДСТВА «ХИМИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ»
(демонстрационный эксперимент)
Предварительные сведения. В природе существуют насекомые, обладающие настоящим «химическим оружием», которое служит для них
средством защиты от нападения врага. Выбрасываемая насекомыми газовая струя, нагретая до высокой температуры, образуется по мере необходимости в результате реакции между имеющимися в организме веществами: 10% раствором гидрохинона и 20% раствором перекиси водорода.
Порядок выполнения:
1. Налейте в одну пробирку 2-3 мл водного раствора гидрохинона,
содержащего карбонат калия (K2CO3) и формальдегид, в другую - водный
раствор резорцина, содержащий карбонат калия и формальдегид. Гидрохинон и резорцин имеют одинаковую брутто-формулу С6H6O2, но разное
взаимное расположение гидроксильных групп в молекулах указанных веществ.
2. Добавьте в обе пробирки по 2-3 мл концентрированного раствора
перекиси водорода Н2О2.
Наблюдения:
1. Какие признаки свидетельствуют о протекании химической реакции?
2. Сравните скорость реакций в обеих пробирках.
OH
HO
OH
HO
гидрохинон
резорцин
(1,4-дигидроксибензол)
(1,3-дигидроксибензол)
Уравнения реакций:
В пробирках протекают три последовательные реакции. Сначала под
действием сильного окислителя перекиси водорода гидрохинон окисляется
до хинона, а формальдегид до муравьиной кислоты. Затем протекает обменное взаимодействие образовавшейся муравьиной кислоты с карбонатом
калия, которое завершается образованием нестойкой угольной кислоты.
51
Продуктами разложения угольной кислоты являются углекислый газ и вода, которые вместе с остальными разогретыми продуктами реакции разбрызгиваются в атмосферу.
1 реакция (ОВР)
HO
OH
+ H2O2
быстро
O
O
+
H2O
хинон
гидрохинон
2 реакция (ОВР)
O
O
+
C H
H 2O 2
C OH
H
+
H 2O
H
формальдегид
муравьинаякислота
3 реакция (реакция обмена)
K2 CO3
+
HCOOH
HCOOK
муравьиная кислота
+
CO2
+ H2 O
формиат калия
Аналогичные реакции протекают во второй пробирке, но со значительно меньшей скоростью.
Выводы:
1. Чем являются гидрохинон и резорцин по отношению друг к другу?
2. Какое из рассмотренных Вами соединений было выбрано в процессе эволюции для защиты животных? Почему?
3. Реакции какого типа происходят в процессе данного эксперимента?
Опыт № 2 КАК ОБНАРУЖИТЬ ФРУКТОЗУ В МЕДЕ,
ЯГОДАХ И ФРУКТАХ?
Предварительные сведения. Наиболее важными природными углеводами, относящимися к классу моносахаридов, являются глюкоза и
фруктоза, брутто-формула которых одинакова - С6Н12О6, а строение разное, и потому свойства различные.
В структуре глюкозы имеется альдегидная группа (Н-С=О), а в
структуре фруктозы - кетонная группа (С=О).
52
O
H
HO
H
H
H
1
C
2
3
4
5
H
1 CH OH
2
альдегидная
группа
OH
2C
HO
H
H
OH
H
OH
H
OH
6
CH2OH
D-глюкоза
3
4
5
6
O
кетонная
группа
H
OH
OH
OH
CH2OH
D-фруктоза
Глюкоза занимает второе место в питании человека после сахарозы
(свекловичный или тростниковый сахар). В медицине инъекции глюкозы
применяют при явлениях сердечной слабости, шока, потере крови. Она
входит в состав заменителей крови и противошоковых препаратов. В свободном виде глюкоза содержится в плодах фруктов, особенно в винограде,
поэтому ее часто называют виноградным сахаром.
Фруктоза - пищевой сахар, который хорошо усваивается организмом.
Она слаще сахарозы в 1.7 раза. В меде содержится 50% фруктозы, что является причиной повышенной сладости меда перед обычным сахаром (сахарозой). Фруктозу могут употреблять больные диабетом, так как пути
превращения фруктозы в человеческом организме не связаны с наличием
гормона инсулина. Причиной недостаточно широкого использования
фруктозы является ее высокая гигроскопичность и высокая цена.
Порядок выполнения:
Налейте в одну пробирку 1 мл 0.5% раствора глюкозы, в другую 1 мл
0.5% раствора фруктозы.
Добавьте в каждую пробирку 1 мл реактива Селиванова.
Закрепите обе пробирки в пробиркодержателе и нагревайте на водяной бане до изменения окраски в одной из пробирок.
Наблюдения:
Какие видимые изменения произошли в одной из пробирок?
Выводы:
1. Какие простые углеводы можно обнаружить с помощью реактива Селиванова?
2. Почему молекулы глюкозы и фруктозы, имея одинаковый состав,
проявляют разные химические свойства?
3. Может ли реакция Селиванова быть использована для качественного определения фруктозы?
53
Домашний эксперимент ПОЛУЧЕНИЕ ИСКУССТВЕННОГО МЕДА
Предварительные сведения. Процесс гидролиза сахарозы протекает
как во время созревания фруктов и овощей, так и в процессе их хранения.
При этом образуется смесь глюкозы(50%) и фруктозы (50%), которая значительно слаще сахарозы и легче усваивается организмом человека.
сахар + лимонная кислота → искусственный мед
Порядок выполнения:
1. Налейте в термостойкую посуду 100 мл раствора сахара в виде негустого сиропа.
2. Добавьте 1 г лимонной кислоты.
3. Выдержите полученный сироп на водяной бане при 900С в течение
40-45 минут. Охладите.
4. Полученный густой и вязкий сироп является искусственным медом,
который представляет собой смесь фруктозы и глюкозы. Для придания
аромата можно добавить 0.5 чайной ложки натурального меда.
Уравнение реакции:
CH2OH
O H
H
H
CH2OH
O H
HO
H
лимонная
H
кислота
H
OH
C
OH H
CH2OH O
H
O
OH
toC
O
H
OH
H HO
D-глюкоза
CH2OH
H
(циклическая форма)
OH H
OH
H
+
полуацетальный
CH2OH OH гидроксил
O
H HOC
CH2OH
H
OH H
D-фруктоза
(циклическая форма)
сахароза
CH2OH
OH
H
O
H
C H
OH H
HO
альдегидная
H
OH
группа
D-глюкоза
(разомкнутая форма)
CH2OH
H
OH
O
H HO
C
OH
H
кетонная
группа
CH2OH
D-фруктоза
(разомкнутая форма)
Вывод:
1.
Какая химическая реакция лежит в основе получения искусственного меда?
2.
Чем можно заменить лимонную кислоту?
Опыт № 3 СОСТАВ ОДИН, А «ХАРАКТЕР» РАЗНЫЙ
Предварительные сведения. В зависимости от количества остатков
простейших сахаров (моносахаридов), входящих в состав молекулы, все
углеводы подразделяют на моно-, ди-, три- и полисахариды.
54
Дисахариды классифицируют на восстанавливающие и невосстанавливающие по способности восстанавливать (или не восстанавливать) катионы металлов (чаще Cu2+ и Ag+). Восстанавливающей способностью обладают только те соединения, в структуре которых имеется свободная альдегидная группа или полуацетальный гидроксил («скрытая альдегидная
группа»).
Наиболее значимыми представителями класса дисахаридов для человека являются сахароза, лактоза и мальтоза. Все перечисленные дисахариды поступают в организм человека с пищей. В процессе гидролиза под
действием ферментов они распадаются до моносахаридов, из которых они
состоят.
Сахароза (тростниковый или свекловичный сахар) имеет бруттоформулу С12Н22О11. Она построена из остатков циклических молекул Dглюкозы и D-фруктозы и является невосстанавливающим дисахаридом,
так как в ее структуре отсутствует полуацетальный гидроксил («скрытая
альдегидная группа»).
CH2OH
O H
H
CH2OH
OH O
H
H
CH2OH
OH H C H
O O
HO
H
H
OH
OH H
H
H
OH
H
HO
OH
H
H
OH
CH2OH O
O
H HO
CH2OH
H
OH H
сахароза
лактоза
Лактоза (молочный сахар) имеет такую же брутто-формулу, что и сахароза - С12Н22О11. Она построена из остатков циклических молекул Dгалактозы и D-глюкозы и является восстанавливающим дисахаридом, так
как одно кольцо содержит полуацетальный гидроксил и может размыкаться с образованием свободной адьдегидной группы.
Лактоза в свободном виде содержится в молоке млекопитающих (1,8 7,6%). Лактоза широко применяется в диетическом и детском питании.
Сладость лактозы составляет лишь 15-16% от сладости сахарозы.
Мальтоза (солодовый сахар) - восстанавливающий дисахарид, построенный из двух остатков D-глюкозы.
CH2OH
CH2OH
O H
OH O
H
H
H
H
C H
OH H
OH H
HO
O
H
H
OH
OH
мальтоза
55
Мальтоза менее сладкая, чем сахароза (на 35-40%). Она содержится в
проросшем зерне, особенно в солоде и солодовых экстрактах.
Порядок выполнения:
1. Налейте в три пробирки по 1 мл реактива Фелинга.
2. Добавьте в первую пробирку 0.5 мл раствора глюкозы, во вторую
0.5 мл раствора мальтозы, в третью 0.5 мл раствора сахарозы.
3. Встряхните и выдержите растворы на кипящей водяной бане в течение 3 минут до изменения окраски.
Наблюдения:
В пробирке, с какими углеводами произошли видимые изменения?
Выводы:
1. Какие из исследованных в опыте углеводов относятся к
восстанавливающим, а какие к невосстанавливающим дисахаридам?
2. Катион какого металла входит в состав реактива Фелинга? ОпредеОбъясните.
лите тип реакции
3. Как изменяется степень окисления меди?
Опыт № 4 ДО СИНЕЙ ОКРАСКИ, ЕСЛИ НЕ НАГРЕВАТЬ
Предварительные сведения. Коллоидный раствор крахмала после
добавления в него раствора йода синеет. Йодную пробу используют для качественного обнаружения крахмала. Крахмал - самый распространенный
запасной углевод растений. Крахмал относится к классу полисахаридов и
состоит из двух основных фракций – амилозы (линейная) и амилопектина
(разветвленная).
Амилоза представляет собой длинную линейную цепь остатков циклических молекул глюкозы, соединенных через атомы кислорода. Полимерные цепи амилозы в пространстве образуют спирали. Молекулы йода
внедряются во внутренний канал этой спирали и образуют комплексы синего цвета (соединения включения). При нагревании комплексные соединения разрушаются, и следствием этого является обесцвечивание раствора.
При охлаждении идет обратный процесс.
O
CH2OH
O H
H
H
OH H
H
OH
H
O
CH2OH
O H
H
OH H
H
OH
H
O
CH2OH
O H
H
OH H
n H
O
OH
Линейная фракция крахмала - амилоза
Амилопектин состоит из тех же самых остатков циклических молекул
глюкозы, но имеет разветвленное строение. Внешне амилопектин напоминает глобулу (шар).
56
CH2OH
O H
H
OH H
O
O
H HO
CH2
CH2OH
O H
O H
H
H
H
H
OH H
OH H
O
O
H
OH
H
OH
H
H
O
CH2OH
O H
H
OH H
H
OH
O
Разветвленная фракция крахмала - амилопектин
Соотношение амилозы и амилопектина в крахмале зависит от вида
растения. В среднем, в крахмале содержится 25% амилозы и 75% амилопектина.
Важнейшим свойством крахмала является гидролиз.
Порядок выполнения:
Добавьте 1 каплю йодной настойки к 10 мл воды (раствор слабожелтый). Это индикатор для обнаружения крахмала.
Налейте в две другие пробирки по 1 мл раствора крахмала и добавьте
в каждую пробирку по две капли приготовленного Вами раствора йода.
Нагрейте одну из пробирок на водяной бане. Вторую оставьте в штативе (пробирка сравнения).
Охладите нагретую пробирку холодной водой из-под крана.
Наблюдения:
Как меняется цвет раствора крахмала в пробирке при добавлении раствора йода?
1. Как изменился цвет раствора при нагревании и последующем охлаждении?
Выводы:
1. Объясните, почему раствор картофельного крахмала дает синее окрашивание при взаимодействии с йодом.
2. Объясните, почему при нагревании эта окраска исчезает.
3. Почему коллоидный раствор рисового крахмала не дает синего окрашивания при взаимодействии с йодом?
4. Почему из клетчатки (целлюлозы) получают волокно, а из крахмала нет?
Домашний эксперимент ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАПАХА ВЕЩЕСТВ
Предварительные сведения. Неразличимые по своим обычным физико-химическим свойствам оптические изомеры одного о того же вещества
резко отличаются по своему физиологическому действию. Например, природная L-глутаминовая кислота обладает вкусом мяса, а D-глутаминовая
кислота безвкусна. Правовращающий D-морфин используется как сильный анельгетик, а L-морфин не используется в медицинской практике.
57
У оптических изомеров отмечены также и отличия в запахе. Так, запах мятной жвачки обусловлен присутствием L - карвона, который обладает ароматом мяты. В то же время, запах семян тмина определяется наличием D - карвона, являющегося его зеркальным изомером.
Цель опыта: доказать, что оптические изомеры имеют разное физиологическое действие, в частности, на рецепторы, отвечающие за функцию
обоняния человека.
CH3
CH3
O
H 3C
O
*
*
H
H
CH2
CH3
CH2
D-карвон
(запах тмина)
L-карвон
(запах мя
ты)
Порядок выполнения:
1. Поместите четверть пластинки жевательной резинки в один сосуд и
примерно 10 семян тмина в другой, а в третий сосуд кусочек жвачки или
семян тмина.
Закройте все три сосуда пробками.
Попросите ваших знакомых определить по запаху содержимое каждой
пробирки и сказать, какие сосуды пахнут одинаково, а какой имеет другой запах.
Выводы:
1. Что такое асимметрический атом углерода? Укажите его на структурах D- и L-карвона.
2. Как с химической точки зрения объяснить разное «сродство» D- и
L-изомеров к рецептору, отвечающему за обоняние?
3. Объясните с данной позиции принцип действия ферментов.
Опыт № 5 ДЕНАТУРАЦИЯ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ –
ПОЛЬЗА ИЛИ ВРЕД?
Предварительные сведения. Белки – это природные полимеры, построенные из остатков α – аминокислот.
R
H
N
C
H
O
n
общая формула белка
58
Важным свойством белков является их способность к осаждению. Обратимое осаждение называют высаливанием, а необратимое осаждение –
денатурацией.
Денатурация – процесс необратимого разрушения пространственной
структуры белка, при котором нарушается четвертичная, третичная, а в ряде случаев и вторичная структуры белка.
Денатурацию вызывают: нагрев, УФ-облучение, ионизирующая радиация, ультразвук, действие сильных кислот и щелочей, солей тяжелых металлов.
Белки под влиянием перечисленных факторов теряют свои природные
свойства и активность. Внешне это выражается в свертывании и выпадении их в осадок. С химической точки зрения разрываются водородные
связи, разрушаются дисульфидные и солевые мостики, но сама полипептидная цепь не разрушается, первичная структура сохраняется.
Денатурация белков обычно сопровождается понижением их растворимости, увеличением вязкости и потерей биологической активности. Все
пищевые продукты, обработанные с применением высоких температур,
содержат денатурированный белок (тепловая денатурация). Денатурированный белок легче переваривается и дольше хранится.
Важное значение имеет денатурация под действием кислот, примером
которой служит скисание молока.
Денатурация может проходить также под влиянием солей тяжелых
металлов, однако она, как правило, играет отрицательную роль: способствует дезактивации ферментов, и особенно белков, содержащих серу.
Часть 1 ОСАЖДЕНИЕ БЕЛКОВ ХЛОРИДОМ НАТРИЯ
Порядок выполнения:
1. Внесите в пробирку 7 капель раствора белка.
2. Добавьте в нее небольшими порциями при постоянном встряхивании несколько кристаллов хлорида натрия NaCl.
3. Добавьте воду до полного растворения осадка.
Наблюдения:
Объяснить происходящие изменения в пробирках.
Вывод:
1. В чем заключается воздействие на белок солей легких металлов
(хлорида натрия, сульфата магния)?
2. Как называется данный вид осаждения?
Часть 2 ОСАЖДЕНИЕ БЕЛКОВ СОЛЯМИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
Порядок выполнения опыта:
1. Налейте в пробирку 7 капель раствора белка.
59
2. Добавьте в нее 2-3 капли насыщенного раствора ацетата свинца
(CH3COO)2Pb.
3. Добавьте в пробирку 3 мл воды.
Наблюдения:
1. Наблюдается ли помутнение раствора?
2. Что происходит с осадком при добавлении воды?
Выводы:
1. Как называется данный вид осаждения?
2. Какая структура белков изменятся под действием солей тяжелых
металлов?
3. Какие внешние факторы вызывают данный вид осаждения?
4. С какой целью при отравлении солями тяжелых металлов рекомендуют употреблять в пищу молоко и сырые яйца?
6.3. Лабораторная работа № 3
УЧЕНИЕ О ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ – ТРЕТИЙ УРОВЕНЬ
ПОЗНАНИЯ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ
Цель работы: показать, что взаимодействия различных веществ определяются условиями протекания химических реакций и применением
катализаторов.
Ожидаемый результат: изучив влияние термодинамических и кинетических факторов на скорость химических реакций, вы установите взаимосвязи в соответствии со схемой:
организация химических процессов → реакционная способность веществ →
→ массовое производство веществ
Опыт № 1 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СКОРОСТЬ
ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ
Предварительные сведения. Значения скорости химических реакций
сильно отличаются друг от друга. Одни химические реакции протекают
практически мгновенно, другие идут месяцы и годы.
Температура способствует увеличению скорости химических реакций. Существует приближенное эмпирическое правило, согласно которому
при повышении температуры на 100С скорость химической реакции возрастает примерно в 3-4 раза. Это правило настолько приближенно, что исключений больше, чем химических реакций, подчиняющихся этому правилу. Его приближенность определяется тем, что оно не учитывает механизм химической реакции, в частности, энергию активации и ее зависимость от температуры.
Энергия активации – это то минимальное количество энергии, которым должны обладать частицы, чтобы осуществить химическую реакцию.
60
С ростом температуры все большее число частиц приобретает энергию,
необходимую для преодоления энергетического барьера. Доля активных
частиц растет. Увеличение доли активных частиц приводит к росту числа
активных столкновений и увеличению скорости химических реакций.
Порядок выполнения:
1. Налейте в пробирку по 1 мл растворов гидроксида натрия NaOH и
хлорида аммония NH4OH.
2. Нагрейте пробирку.
3. Внесите влажную бумагу (согнуть пополам) универсального индикатора на край пробирки.
Наблюдения:
Какой реакции среды соответствует полученный цвет универсального
индикатора?
Уравнение реакции:
NH4Cl +
NaOH
NH3
+
H2O
+
NaCl
Вывод:
Как влияет температура на скорость химической реакции?
Опыт № 2 ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВ
НА ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Предварительные сведения. В изолированной системе состояние
равновесия может сохраняться бесконечно долго. Химическим равновесием
можно управлять, смещая его изменением температуры системы, изменением концентрации ее составных частей, изменением давления (в случае
реакций в газовой фазе). Влияние изменения различных факторов на положение равновесия определяется принципом Ле-Шателье. Переход из одного равновесного состояния в другое состояние называется смещением
равновесия. В равновесной системе повышение концентрации одного из
веществ может вызывать сдвиг системы в сторону образования продуктов
реакции (сторону прямой реакции) и, наоборот (в сторону обратной реакции).
Порядок выполнения:
Часть 1
1. Поместите в пробирку 1 мл раствора хромата калия K2CrO4
2. Добавьте по каплям разбавленный раствор серной кислоты H2SO4,
слегка встряхивая пробирку до изменения цвета.
3. Затем добавьте по каплям разбавленный раствор гидроксида натрия
NaOH, слегка встряхивая до изменения окраски.
4. Запишите результаты в графу «Наблюдения» таблицы 1.1.
61
Наблюдения:
Раствор хромат калия содержит желтые хромат ионы (СгО42-). В кислом растворе образуются оранжевые дихромат ионы (Сг2О7 2-).
Уравнение реакции:
2 CrO4 2-
2 Cr2 O7 2-
2H+
+
хромат-ион
желтый
Cr2 O7 2-
H2 O
+
дихромат-ион
оранжевый
+
2OH-
2 CrO4 2-
дихромат-ион
оранжевый
+
H2 O
хромат-ион
желтый
Таблица 1.1
Изменения
Наблюдения
Что произошло с положением равновесия
Концентрация Н+ увеличилась в растворе K2CrO4
(при добавлении раствора H2 SO4)
Концентрация Н+ уменьшилась в растворе
(при добавлении раствора NaOH)
Концентрация Н+ уменьшилась в растворе K2Cr2O7
(при добавлении раствора NaOH)
Концентрация Н+ увеличилась в растворе
(при добавлении раствора H2 SO4)
Часть 2
1. Поместите в пробирку 1 мл раствора дихромата калия K2Cr2O7.
2. Добавьте по каплям раствор гидроксида натрия NaOH, слегка
встряхивая пробирку до изменения цвета.
3. Добавьте по каплям разбавленный раствор серной кислоты H2SO4,
слегка встряхивая до изменения окраски.
4. Запишите результаты в графу «Наблюдения» таблицы 1.2.
62
Наблюдения:
Раствор дихромата калия содержит оранжевые дихромат ионы
(Сг2О72-). В щелочном растворе образуются желтые хромат ионы (СгО42-).
Таблица 1.2.
Изменения
Что произошло с поло-
Наблюдения
жением равновесия
-
Концентрация ОН увеличилась в растворе K2Cr2O7
(при добавлении раствора NaOH)
Концентрация
OНуменьшилась в растворе
(при добавлении раствора H2 SO4)
Концентрация Н+ уменьшилась в растворе K2Cr2O7
(при добавлении раствора NaOH)
Концентрация Н+ увеличилась в растворе
(при добавлении раствора H2 SO4)
Уравнение реакции:
Cr2 O7 2-
+
2OH-
2 CrO4 2-
дихромат-ион
оранжевый
2 CrO4 2-
+
H2 O
+
H2 O
хромат-ион
желтый
+
2 Cr2 O7 2-
2H+
хромат-ион
желтый
дихромат-ион
оранжевый
Выводы:
1. Объясните причину изменения окраски раствора при добавлении
кислоты, а затем щелочи?
2. Как можно изменить положение равновесия обратимой реакции?
63
Опыт № 3 ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНОСТИ СРЕДЫ ИЛИ
МАРГАНЦОВКА В РОЛИ ХАМЕЛЕОНА
Предварительные сведения. Перманганат калия (KMnO4), в быту называемый марганцовкой, один из самых сильных окислителей. В зависимости от среды раствора (кислая, нейтральная или щелочная) марганец
восстанавливается до разных степеней окисления (Mn+2, Mn+4, Mn+6).
Порядок выполнения:
1. Налейте в три пробирки по 1 мл раствора перманганата калия
KMnO4.
2. Добавьте в первую пробирку - разбавленный раствор серной кислоты H2SO4, во вторую - воду, в третью - концентрированный раствор гидроксида натрия NaOH.
3. Добавьте в каждую пробирку несколько кристаллов сухой соли
сульфита натрия Nа2SО3.
Наблюдения:
Как изменилась окраска раствора в каждой пробирке?
1. Отметьте цвет растворов в кислой, нейтральной и щелочной средах.
Уравнения реакций:
1 пробирка
2 KMnO 4 + 5 Na2SO 3 + 3 H 2SO 4
K 2SO 4 + 5 Na2SO 4 + 3 H 2O
2 MnSO 4 +
2 пробирка
2 KMnO4
+
2 MnO2
3 Na2 SO3 + H2 O
+ 3 Na2 SO4 +
2 KOH
3 пробирка
2 KMnO4
+
Na2 SO3 + 2 KOH
2 K2 MnO4
+ Na2 SO4
+
H2 O
манганат
калия
перманганат
калия
Выводы:
1. Какой тип реакции имеет место в проведенном Вами эксперименте?
2. Как влияет рН среды на состав продуктов восстановления перманганат-иона МnО4-?
3. Почему в разных средах происходит изменение окраски перманганат-иона МnО4-?
Опыт № 4 ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТИОЦИАНАТ
АНИОНОВ NCS- С КАТИОНАМИ ЖЕЛЕЗА (III) Fe3+
Предварительные сведения. Катионы железа (III) Fe3+ и тиоцианат
анионы NCS- взаимодействуют в растворе с образованием комплексного
64
соединения кроваво-красного цвета. Данная реакция является обратимым
химическим процессом.
Порядок выполнения:
1. Смешайте в пробирке 1 мл раствора хлорида железа (III) с концентрацией 0.5 моль/л и 1 мл раствора тиоцианата калия KNCS с концентрацией 0.5 моль/л.
2. Добавьте 5 мл дистиллированной воды.
3. Разделите этот раствор на 4 равные части.
4. Добавьте 1 мл раствора хлорида железа (III) в одну из пробирок и 1
мл раствора тиоцианата калия в другую.
5. Добавьте немного твердого хлорида аммония (NH4Cl) в третью
пробирку и перемешайте (это приведет к уменьшению концентрации ионов железа (III) в растворе, так как хлорид-ионы Cl- взаимодействуют с ионами железа (III) Fe3+).
Наблюдения:
Выполнив п. 4, сравните цвета получившихся растворов с цветами
растворов в двух оставшихся пробирках.
Выполнив пункт 5, сравните цвет полученного раствора с цветом исходного раствора хлорида железа (III). Запишите результаты в графу «Наблюдения» таблицы 2.
Таблица 2
Изменения
Наблюдения
Что произошло с положением равновесия
Концентрация ионов железа (III) увеличилась
(при добавлении в систему
раствора FeCl3)
Концентрация тиоцианат
ионов увеличилась
(при добавлении в систему
раствора KNCS)
Концентрация ионов железа (III) уменьшилась (при добавлении в систему раствора
NH4Cl).
Уравнение реакции:
Fe3+
бледножелтый
+
3 NCSбесцветный
65
Fe(NCS)3
кровавокрасный
Вывод:
Как изменение концентрации одного из веществ в равновесной системе влияет на положения равновесия?
Опыт № 5 ИЗУЧЕНИЕ СКОРОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ТИОСУЛЬФАТА НАТРИЯ И СЕРНОЙ КИСЛОТЫ
Предварительные сведения. Химические реакции идут только в том
случае, когда происходит столкновение частиц, обладающих определенной
энергией (энергией активации). Чем больше частиц, чем выше их концентрация, тем выше вероятность столкновений между ними, а, следовательно, выше скорость химической реакции.
Порядок выполнения:
1. Используя мерный цилиндр, в четыре пробирки налейте по 1 мл
серной кислоты H2SO4. Поставьте их во второй ряд штатива, считая от Вас.
2. В первый ряд, перед пробирками с серной кислотой, поставьте 4
пустые пробирки. В них налейте раствор тиосульфата натрия (Na2S2O3):
в первую - 1 мл раствора тиосульфата натрия (Na2S2O3);
во вторую - 2 мл раствора тиосульфата натрия (Na2S2O3);
в третью - 3 мл раствора тиосульфата натрия (Na2S2O3);
в четвертую - 4 мл раствора тиосульфата натрия (Na2S2O3).
3. Затем в эти же пробирки добавьте дистиллированную воду:
в первую - 3 мл воды;
во вторую - 2 мл воды;
в третью - 1 мл воды;
в четвертую – 0 мл воды.
Проверьте, во всех четырех пробирках должно быть одинаковое
количество раствора – 4 мл !!!
4. Приготовьте часы с секундной стрелкой.
5. Добавьте в первую пробирку 1 мл H2SO4 (из второго ряда).
6. Заметьте промежуток времени до появления мути (выделяется коллоидная сера).
7. Повторите аналогичную операцию со следующими тремя парами
пробирок. Аналогично измерьте промежуток времени до начала помутнения раствора.
Наблюдения:
Данные эксперимента внесите в таблицу 3, рассчитайте относительную скорость реакции (заполните последнюю колонку) и постройте график, отложив на оси абсцисс концентрацию (0.2; 0.4; 0.6 и 0.8), а на оси
ординат – рассчитанную Вами относительную скорость реакции.
66
Таблица 3
№
опыта
Объем
раствора
Na2S2O3 (мл)
Объем воды
(мл)
Объем
раствора
H2SO4
(мл)
Общий
объем
раствора
(мл)
Время
(t)
в сек.
Относ.
скорость
реакции
υ=1/t
(с-1)
1
2
3
4
Уравнение реакции:
Na 2 S2 O3 + H2 SO4
S + Na 2 SO4 + H2 O + SO2
Выводы:
Как зависит скорость реакции от концентрации реагентов?
Опыт № 6 ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА
ФАЗ НА СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ В ГЕТЕРОГЕННОЙ СИСТЕМЕ
Порядок выполнения:
1. Налейте в две пробирки по 2 мл раствора соляной кислоты.
2. Возьмите два одинаковых, кусочка мела и один из них измельчите
в порошок.
3. В одну из пробирок поместите полученный порошок, а в другую
положите кусочек мела.
Наблюдения:
Отметьте, в какой пробирке реакция идет быстрее, и объясните почему?
Уравнения реакции:
CaCO 3
+
CaCl2 + CO 2 +
2 HCl
H 2O
Вывод:
Как влияет величина поверхности раздела фаз на скорость химической реакции?
Опыт № 7 ВЛИЯНИЕ КАТАЛИЗАТОРОВ НА СКОРОСТЬ
РЕАКЦИИ РАЗЛОЖЕНИЯ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА
Предварительные сведения. Катализатор по отношению к одним химическим реакциям оказывает «уважение» и даже «любовь - проявляет избирательную активность, а к другим реакциям этот же катализатор не разделяет свои «симпатии». Иначе говоря, каждый катализатор специфичен.
Причина увеличения скорости реакции - снижение энергии активации
реагирующих частиц, уменьшение энергетического барьера. Катализатор
67
образует с одним из реагирующих веществ комплекс, энергия активации
которого на порядок ниже, он и вступает во взаимодействие с субстратом,
далее этот комплекс разрушается и катализатор выделяется в чистом виде.
Порядок выполнения:
1. Налейте в пять пробирок 1-2 мл 3% раствора пероксида водорода.
2. Затем добавьте:
в первую -1 мл раствора гидроксида аммония NH4OH
во вторую - 1 мл раствора сульфата меди (II) CuSO4;
в третью смесь растворов 1 мл гидроксида аммония NH4OH и 1 мл
сульфата меди (II) CuSO4;
в четвертую - на кончике шпателя несколько кристаллов оксида
марганца (IV) MnO2
(Опыт выполняем осторожно и аккуратно!!! Пробирка должна
находится в штативе! Над пробиркой не наклоняться!)
Наблюдения:
Сравните скорости реакции разложения пероксида водорода Н2О2 во
всех пробирках. Какой газ выделяется, с какой скоростью?
Уравнение реакции:
катализатор
O2
2 H 2O 2
2 H 2O
+
Вывод:
1. Как влияет катализатор на скорость реакции разложения пероксида
водорода?
2. Какое соединение является катализатором в третьей пробирке?
3. Составьте ряд активности катализаторов разложения пероксида водорода, отметив максимально и минимально эффективные катализаторы.
Опыт № 8 ВЛИЯНИЕ ИНГИБИТОРОВ НА СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ
Порядок выполнения:
1. Налейте в две пробирки 2 мл соляной кислоты.
2. Добавьте в одну из пробирок 0.25 таблетки уротропина и растворите его в минимальном количестве воды.
3. Осторожно опустите в каждую из пробирок очищенный железный
гвоздь.
Наблюдения:
В какой из пробирок гвоздь энергично реагирует с соляной кислотой?
Уравнения реакции:
Fe +
2 HCl
FeCl2
+
H2
Вывод:
1. Как влияют ингибиторы на скорость химической реакции?
68
2. Каков принцип действия ингибиторов коррозии металлов?
6.4. Лабораторная работа № 4
ЭВОЛЮЦИОННАЯ ХИМИЯ – ВЫСШАЯ СТУПЕНЬ РАЗВИТИЯ
ХИМИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ
Опыт № 1 КИСЛОТНЫЙ ГИДРОЛИЗ КРАХМАЛА
Предварительные сведения. Изучение химизма живой природы происходило в недрах динамической биохимии, предметом которой стали химические процессы, происходящие в живой организме.
Химическая концепция брожения [расщепление сложных углеводов
(полисахаридов) до более простых (моносахаридов) под действием ферментов] сводила биокатализ по принципу действия к обычному катализу.
Крахмал в организме гидролизуется до глюкозы под действием фермента амилазы. В промышленности крахмал гидролизуют в присутствии
серной кислоты. Эту реакцию также можно осуществить и в лаборатории.
Порядок выполнения:
1. Добавьте несколько капель йодной настойки к 8 мл воды (раствор
слабо-желтый). Это индикатор для обнаружения крахмала.
2. Налейте в другую пробирку 2 мл раствора крахмального клейстера
и 4 мл воды.
3. Разлейте полученный раствор крахмала на 2 пробирки.
4. Одну оставьте в штативе.
5. В другую пробирку добавьте 2 мл концентрированной серной кислоты, закрепите ее в пробиркодержателе и нагревайте на кипящей водяной бане в течение 5-10 минут.
6. Охладите по окончании выдержки.
7. Добавьте в обе пробирки по 1 капле ранее приготовленного светложелтого раствора йода. Сравните цвет в обеих пробирках.
Наблюдения:
1. Как изменяется прозрачность раствора в процессе нагревания?
2. Какой цвет имеет каждая пробирка после добавления раствора йода?
69
Уравнения реакции:
H
CH2OH
O H
H
OH H
H2 SO4
O
H
OH
амилоза крахмала
CH2OH
O H
H
OH H
OH
O
H
OH
H
n
H
to C
H
CH2OH
O H
H
OH H
H
OH
декстрины
CH2OH
O H
H
OH H
OH
H
OH
мальтоза
O
x
CH2OH
OH O
H
OH H
OH
H
OH
H
H
глюкоза
х <<< n
Вывод:
1. Что такое крахмал, из каких фракций он состоит?
2. Что является конечным продуктом гидролиза крахмала? Какие виды гидролиза крахмала существуют?
3. Как доказать, что гидролиз крахмала завершен?
4. В чем суть химической концепции брожения? Иллюстрирует ли ее
проведенный Вами эксперимент? Поясните свой ответ.
5. Какая качественная реакция на крахмал существует?
6. Какие особенности строения макромолекул, составляющих линейную фракцию крахмала, определяют возможность протекания данной реакции?
САМООРГАНИЗАЦИЯ – ЧЕТВЕРТЫЙ УРОВЕРЬ
ПОЗНАНИИЯ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ – ПРИМЕР САМОРГАНИЗАЦИИ
ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Предварительные сведения. Катализ играл решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим, в настоящее время
этот факт подтверждается многими данными и аргументами. Наиболее
убедительные результаты связаны с опытами по самоорганизации химических систем.
С первой колебательной реакцией столкнулся в конце XVII века Роберт Бойль при окислении паров фосфора. В 1828 году Фехнер описал
электрохимическую колебательную реакцию, а в 1896 году открыты кольца Лизеганга. Позже были обнаружены эффектные периодические реакции: «железный нерв» Хиткота и Оствальда (периодическое растворение
железной проволоки в азотной кислоте) и «ртутное сердце» Бредига (колебательное разложение перекиси водорода на поверхности ртути). В 1951
году Б.Б. Белоусов обнаружил, что при окислении лимонной кислоты бро70
матом калия (КBrO3), катализируемом катионами церия, раствор регулярно
меняет окраску от бесцветной до желтой и обратно.
Что касается природы – как живой, так и неживой, – то в ней обнаружено множество колебательных химических процессов. Колебания происходят при передаче нервного импульса (клеточные мембраны изменяют
проницаемость по отношению к ионам калия и натрия), колебательными
реакциями сопровождается гликолиз (расщепление сахаров), важнейший
для живого организма путь добывания энергии в условиях недостатка или
отсутствия кислорода. Колебательные стадии обнаружены в процессе деления оплодотворенных яйцеклеток. Колебания, происходящие на молекулярном уровне, способны породить колебания на уровне организмов и целых популяций.
Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственно-временных структур в течение времени при изменении
концентрации реагирующих веществ, определяющую роль в образовании
которых играют каталитические процессы.
Остановить такую реакцию легко, а запустить – только при соблюдении множества условий. Поэтому так долго исследователям не удавалось
их обнаружить. В колебательный режим может войти только та система,
которая далека от состояния равновесия. Не всякое устойчивое состояние
равновесно. Вот почему возможны колебательные реакции и жизнь на
Земле. Лауреат Нобелевской премии М. Эйген показал, что при прочих
равных условиях в неравновесной системе будут выживать те белки, которые синтезируются быстрее, чем распадаются. Естественный отбор и эволюция белковых цепей станут устойчивы, если система организуется в
«гиперцикл», в котором весьма вероятны автокаталитические колебательные процессы. Живой организм не существует вне обмена с внешним
миром (веществом, энергией, информацией). Нельзя его, следовательно,
считать замкнутой системой. В этом его слабость, уязвимость, но и непобедимое преимущество перед незыблемым, не способным к самоорганизации кристаллом. Другой лауреат Нобелевской премии И. Пригожин построил математический аппарат, позволяющий рассчитывать и предсказывать свойства таких устойчивых неравновесных систем, и разработал четкие признаки их способности к эволюции. А в качестве удобного образца
он использовал колебательную реакцию Белоусова-Жаботинского (см. ниже).
Опыт № 2 ХИМИЧЕСКИЕ ЧАСЫ
(реакция Белоусова – Жаботинского)
Порядок выполнения:
1. Приготовьте раствор № 1:
71
возьмите 360 мл 30% раствора перекиси водорода;
доведите дистиллированной водой до объема 1 литр.
2. Приготовьте раствор № 2:
растворите 43 грамма иодата калия (KIO3) в 600-700 мл подогретой
дистиллированной воде;
охладите полученный раствор и добавьте по каплям 4,4 мл концентрированной серной кислоты;
доведите раствор дистиллированной водой до объема 1 литр.
3. Приготовьте раствор № 3:
взболтайте в 10 мл воды навеску крахмала массой 0,3 грамма при помешивании и влейте полученную взвесь в 100 мл кипящей воды;
растворите отдельно в 700 мл воды 3 грамма сульфата марганца и 15,6
грамм малоновой кислоты;
добавьте крахмальный раствор и доведите дистиллированной водой
до объема 1 литр.
4. Смешайте растворы № 2 и № 3 , а затем быстро при перемешивании
прилейте раствор № 1.
Наблюдения:
1. Какие видимые изменения окраски происходят в растворе?
2. Какие цвета вы зафиксировали?
3. Укажите период колебаний окраски раствора с темно-синей на
светло-желтую (в секундах).
Вывод: Колебательная химическая реакция - это каталитический
окислительно-восстановительный процесс, в котором роль окислителя выполняет йодноватая кислота, роль восстановителя – малоновая кислота, а
катализатором выступают ионы марганца Mn2+. Это многостадийный
сложный каталитический процесс, в результате которого образуются специфические пространственно-временные структуры.
Появляется основание утверждать, что эволюция в значительной степени связана с процессами самоорганизации каталитических систем.
Опыт № 3 ТВЕРДОФАЗНАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ РЕАКЦИЯ
Порядок выполнения:
1.
Приготовьте однородную смесь из 7,2 грамм порошка магния
(или 2,7 грамм хорошо измельченного металлического алюминия), 4,8
грамм сухого нитрата бария и 1,9 грамм порошкообразного уротропина.
2.
Встряхните порошки несколько раз в пробирке.
3.
Высыпьте смесь горкой на кафельную плитку и подожгите.
72
Наблюдения:
Через какой промежуток времени наблюдаются периодические очень
яркие вспышки?
Вывод:
1. Укажите, к какому типу химических процессов относится предложенная твердофазная колебательная реакция?
2. Объясните причину изменения окраски раствора при добавлении
кислоты, а затем щелочи?
3. Как можно изменить положение равновесия обратимой реакции?
7. Семинарские занятия
7.1. Тенденции развития современных материалов и технологий и
важнейшие области их использования
7.1.1. Перфторуглероды, их свойства и важнейшие
области применения
План
9
Перфторуглероды: состав молекул, строение, важнейшие представители.
9
Физические свойства и реакционная способность перфторуглеродов.
9
Применение перфторуглеродов в медицинской, косметической
промышленности и технике (физическое свойство - область применения).
Тефлон – перфторированный полимер, потребительские свой9
ства.
9
Фреоны и перфторуглероды: состав молекул, строение, области применения (в сравнении).
9
Фреоны и озоновый слой Земли. Современные заменители
фреонов.
Основные понятия и термины: перфторуглероды, фреоны,
гидрофобность, диэлектрик, поверхностное натяжение, эмульсия,
Содержание темы
пропеллент.
Введение атомов разнообразных элементов в органические молекулы
является мощным средством создания новых веществ, а на их основе материалов, обладающих принципиально новыми свойствами.
Строение и свойства перфторуглеродов. Перфторуглероды (ПФУ)
– продукты исчерпывающего фторирования углеводородов, в составе которых имеется только углерод С и фтор F. В составе некоторых ПФУ дополнительно могут присутствовать кислород O, азот N, бром Br (но не
73
хлор!) и другие элементы. Получены ПФУ линейного, разветвленного и
циклического строения.
Наиболее известные из них: перфтордекалин С10F18 (компонент искусственного кровезаменителя) и перфтортриэтиламин N(С2F5)2 (теплоноситель систем охлаждения микроэлектроники).
F
F
F F
F
FF
F
F
F
F F F F F
F F F F
F
F
C
C
C
N
C
F
F
F
F
C
F C F
F
F
F
F F F
перфтортриэтиламин
перфтордекалин
Рис. 1. Строение некоторых перфторуглеродов
На настоящий момент исследовано относительно небольшое количество ПФУ, что связано с высокой стоимостью их получения.
В молекулах ПФУ присутствует исключительно прочная связь C-F,
благодаря которой они приобретают свойства практически полной химической инертности и устойчивости. С другой стороны, ПФУ обладают слабыми межмолекулярными связями, следствием чего является аномально
высокая способность растворять газы, особенно кислород О2 и углекислый газ СО2. Так, растворимость кислорода О2 в перфтордекалине в 20 раз
выше, чем в воде.
Особенностями физико-химических свойств ПФУ являются высокая
плотность (ρ~2), идеальная смачиваемость ими твердых поверхностей,
малое поверхностное натяжение, диэлектрические характеристики. Температуры кипения ПФУ колеблются в широком интервале температур: от 1300С до +400оС.
Области применения ПФУ и полимерных материалов на их основе
Совокупность перечисленных физико-химических свойств определило области применения ПФУ. Из всего многообразия веществ этого класса
целенаправленно исследовались соединения, которые могли быть потенциальными компонентами кровезаменителей, диэлектриками, абсорбентами газов, модельными жидкостями для гидродинамического эксперимента
и т.д.
Применение ПФУ в медицине. Одним из важнейших направлений в
современной медицине является разработка кровезамещающих растворов
с газотранспортной функцией. Химическая инертность и высокая растворимость кислорода О2 и углекислого газа СО2 в ПФУ определило их использование в качестве газотранспортной среды в составе современных
кровезаменителей, а также в аппаратах искусственной вентиляции легких
74
и т.п. В 1983 г. Был создан первый перфторуглеродный кровезаменитель
фторосан, позднее переименованный в перфторан. Препарат обладал эффективной газотранспортной и мембраностабилизирующей функциями,
кроме того, ему присущи сорбционные и диуретические свойства, он
улучшает динамику кровотока и периферическую микроциркуляцию крови.
Другим аспектом применения ПФУ в медицине является их использование при создании противовирусных вакцин. Рост некоторых микроорганизмов требует повышенного содержания кислорода и/или углекислого газа, для достижения которого требуются особые растворители. Так, культивирование палочек лепры (возбудитель проказы) весьма осложненов
обычных условиях. В настоящее время проводятся работы по выращиванию этих клеток на ПФУ подложках, обогащенных кислородом. Эти эксперименты могут в конечном итоге привести ученых к созданию вакцины
против проказы.
Еще одно направление использования ПФУ - профилактика и лечение
декомпрессионной болезни. При резком снижении давления (резкое всплытие с глубины) в организме образуются пузырьки азота N2 (кровь «вскипает»), что может привести к закупорке кровеносных сосудов и гибели организма. Если заменить воздух ПФУ жидкостью, в которой отсутствует азот,
то можно избежать декомпрессионной болезни. Аналогичная жидкостная
вентиляция легких - один из путей предупреждения травматизации легких
при больших ускорениях в космических полетах.
Применение ПФУ в косметологии. ПФУ нашли свое применение и в
косметологии. Насыщение тканей кислородом и замедление процессов
старения – проблема косметологов всего мира. В ряду ПФУ были найдены
вещества, способные связывать кислород (по аналогии с гемоглобином) и
транспортировать его в глубокие слои кожи. Производитель целого комплекса косметических препаратов компания Faberlic включает в состав
своей продукции уникальную эмульсию "Аквафтем", которая представляет
собой эмульгированные перфторуглероды.
Применение ПФУ в технике. Химическая инертность, негорючесть и
низкая диэлектрическая проницаемость ПФУ в позволяет рассматривать
их в качестве перспективных электроизоляционных материалов в агрегатах, работающих под высоким напряжением с повышенным выделением
тепла. Например, электропроводность перфторпентана С5F12 в 1000 раз
ниже, чем у обычного трансформаторного масла, и он совершенно негорюч. В ряде случаев ПФУ используют в составе средств пожаротушения.
Новая область возможного применения ПФУ – их использование в
качестве избирательных адсорбентов газов. ПФУ характеризуются высо-
75
кими коэффициентами поглощения газов, которые сильно зависят от природы поглощаемого газа. Например, при 00С и 30 атм давлении 1 объем
перфторбутиламина С4F9-NH2 поглощает 73 объема углекислого газа СО2,
15 объемов аргона Ar, 7,5 объемов кислорода О2.
Найдены и некоторые специфические свойства ПФУ: мономолекулярные пленки ПФУ на поверхности различных материалов придают им гидрофобные и защитные свойства (оптические стекла не запотевают, металлические поверхности не разрушаются).
Основным сдерживающим фактором массового применения ПФУ в
обозначенных областях является их высокая стоимость, связанная со
сложными и дорогостоящими методами их синтеза.
Применение перфторированного полимера тефлона. Отдельного рассмотрения заслуживает перфторированный полимер тефлон (фторопласт),
уникальные свойства которого определили широкие области применения.
Тефлон получают радикальной полимеризацией тетрафторэтилена (рис. 2).
F
n
F
полимеризация
я
F
C C
C C
F
F
F
F
F n
политетрафторэтилен
(тефлон)
тетрфторэтилен
Рис. 2. Получение тефлона
Высокая химическая и термическая устойчивость к действию агрессивных сред и высоких температур (-2600 до +4000С) определили его использование при изготовлении химической аппаратуры, жаропрочных и
антипригарных покрытий (низкая способность к прилипанию) и пластиковых лыж.
Тефлон используют в восстановительной хирургии в качестве материала для протезов суставов, кровеносных сосудов и сердечных клапанов,
т.к. он абсолютно безвреден и не отторгается тканями организма.
Тефлон по праву считают одним из самых «скользких» полимеров. Из
него изготавливают долговечные подшипники скольжения, работающие
без смазки.
Диэлектрические характеристики тефлона наряду с высокой термической устойчивостью нашли применение для изготовления изоляционных лент и обмоток кабелей высокого напряжения.
ПФУ в качестве заменителей фреонов. Близкими аналогами ПФУ по
химическому строению являются фреоны или хлорфторуглероды (ХФУ). В
составе ХФУ присутствуют углерод, хлор и фтор (рис. 3). Замена одного
76
или нескольких атомов фтора на хлор существенно изменяет устойчивость
молекулы, в частности, к ультрафиолетовому облучению.
Cl
F C F
дифтордихлоэтан
фреон-12
Cl
Рис. 3. Строение фреона-12
Так, в верхних слоях атмосферы, куда легко попадают ХФУ вследствие своей летучести, быстро разрушается связь С-Cl, в результате образуются активные радикалы хлора, которые разрушают молекулы озона О3 до
кислорода О2. Это способствует увеличению «озоновых дыр» и открывает
путь губительному ультрафиолетовому излучению на поверхность Земли.
Длительное время ХФУ применяли в качестве дешевых хладагентов
промышленных холодильных установок и пропеллентов в аэрозолях. В настоящее время использование ХФУ запрещено в связи с опасностью разрушения озонового слоя Земли.
Современными заменителями ХФУ являются аммиак, низкокипящие
предельные углеводороды: циклопентан, пропан-бутановая смесь, а в перспективе и перфторуглероды.
Литература:
1. Исикава Н., Кобаяси Ё. Фтор: химия и применение. М.: «Мир».
1982. 256 с.
2. Роун Ш. Озоновый кризис. М.: «Мир». 1993. 319 с.
3. Уранов Е.Н. Загадка озоновой дыры. // Человек и стихия. 1990. с.
198-200.
4. Артамонова В.А. Эпоха перфторуглеродов. // Химия и жизнь. 1998.
№ 7. С.14-19.
Дополнительную информацию по данной теме можно найти в
следующих периодических изданиях: «Биофизика» 1996 (№ 1); «Бюллетень экспериментальной биологии» 1998 (№ 5); «Знание» 1992 (№ 2);
«Наука и жизнь» 1982 (№ 1), 1997 (№ 4); «Наука в Сибири» 2000 (№ 15);
«Проблемы гематологии» 1999 (№ 5); «Соросовский образовательный
журнал, химия» 1999 (№ 5); «Химия и жизнь» 1998 (№ 7, 8), 2000 (№ 7),
2001 (№ 3), 2003 (№ 7); «Холодильный бизнес» 2003 (№ 6).
77
7.1.2. «Сэндвичевые» металлоорганические соединения:
ферроцен, никелоцен, ванадоцен.
План
9
Металлоорганические соединения: определение, два типа связей углерод- металл.
9
«Сэндвичевые» комплексные соединения - металлоцены.
9
Ферроцен: история открытия, строение, физические и химические свойства). Центральный атом и лиганд.
9
Многопалубные сэндвичевые комплексы.
9
Использование «сэндвичевых» структур в технике.
Основные понятия и термины: металлоцен, ферроцен, координационная связь, сэндвичевая структура, переходный металл, лиганд, катализатор, токсичность, полупроводник.
Одной из областей современной химии является элементоорганическая химия, которую считают своеобразным мостом между органической и
неорганической химией. Основу элементоорганических соединений составляют металлоорганические структуры.
Содержание темы
Металлоорганические соединения - соединения, содержащие в своей
структуре связь углерод – металл. Эта связь их может быть либо ковалентной двухэлектронной σ-связью или координационной (построенной за
счет вакантной орбитали переходного металла и π-электронов ароматических колец органических соединений.
История открытия ферроцена. Первый металлоцен – ферроценбыл синтезирован в 1951 г. П. Посоном и Т. Кили. Целью эксперимента
был синтез нового углеводорода – дициклопентадиена (рис. 4). Авторы
рассчитывали соединить два пятичленных цикла через углеродуглеродную связь и исследовать свойства полученного вещества.
Mg Br
дициклопентадиен
Рис. 4. Схема предполагаемого синтеза дициклопентадиена
Однако вместо желаемого соединения был выделен устойчивый желто-оранжевый кристаллический продукт, содержащий железо. Выяснилось, что атом железа "запечатан" между двумя симметричными пятичленными кольцами таким образом, что все химические связи Fe-C (их 10 в
этой молекуле) одинаковы. Кольца могут свободно вращаться друг относительно друга вокруг воображаемой оси, проходящей через центры колец
78
и катион железа. Соединение было названо ферроценом, а тип структуры –
сэндвичевым (рис.5).
Сэндвичевая структура ферроцена была подтверждена Р. Вудвортом в
1952 году и независимо от него Э. Фишером на основании магнитных,
спектральных и рентгеноструктурных данных.
Рис. 5. Структура ферроцена
Ферроцен – самое стабильное соединение из всех «сэндвичевых»
структур. Катион железа Fe2+ называют центральным, а ароматические
кольца – лигандами.
Особенность строения ферроцена состоит в том, что в образовании
связи с катионом железа принимают участие все р-электроны циклопентадиенильных колец. Это самостоятельный тип химической связи, получивший название π-комплексной связи.
Свойства «сэндвичевых» комплексов. Металлоцены имеют общую
формулу (p-С5Н5)2М, где М- переходный металл, у которого имеется незаполненный d-уровень.
Катион металла в степени окисления +2, располагается между двумя
лежащими в параллельных плоскостях пятичленными кольцами на равном
расстоянии от всех атомов углерода.
Комплексы аналогичного строения образуют переходные металлы
кобальт Co, никель Ni, марганец Mn и хром Cr. Лантаноиды также способны давать координационные соединения сходного строения, но по
внешнему виду напоминающие трехлучевую звезду.
В настоящее время открыты трех- и четырехпалубные комплексы никелоцена (3 кольца циклопентадиена и 2 катиона Ni2+) и кобальтоцена.
Металлоцены, как правило, интенсивно окрашены, хорошо растворимы в органических растворителях и выдерживают сильный нагрев. Металлоцены, у которых катион металла имеет устойчивую оболочку благородного газа (ферроцен, рутеноцен и осмоцен), устойчивы к окислению кислородом воздуха.
Сам ферроцен диамагнитен, устойчив к действию высоких температур
(до 4000С) и сильных кислот (H2SO4 конц.). По характеру реакционной
79
способности ферроцен напоминает ароматический углеводород бензол,
поэтому его назвали небензоидной ароматической системой.
Никелоцен менее устойчив к окислению, остальные металлоцены
очень быстро окисляются кислородом воздуха до металлоцениевых катионов [(C5H5)2M]+ или [(C5H5)2M]2+, которые стабильны в кислых водных
растворах.
Практическое использование ферроцена. В настоящее время ферроцен производится в больших количествах, его себестоимость – 0,1 доллара
за 1 грамм, а цена химически чистого препарата в розничной торговле –
приблизительно 1 доллар за 1 грамм. Это очень низкие цены, что означает
доступность исходного сырья и относительную легкость синтеза.
Широкий аспект прикладных свойств ферроцена обусловлен особенностями его физических и химических свойств: термической стабильностью, высоким давлением пара, низкой токсичностью, хорошей растворимостью в органических растворителях, а также богатством химических
превращений.
Регулирование процессов сгорания топлива. Одним из требований к
современному автомобильному топливу является полнота его сгорания.
Этому способствуют различные катализаторы (топливные присадки). Эту
роль могут выполнять соединения ферроцена.
При нагревании происходит разложение сэндвичевой структуры с образованием активных каталитических частиц, которые способствуют более
эффективному окислению топлива.
Полимеры на основе ферроцена. Фрагмент ферроцена входит в состав
двух термостабильных полимеров: винилферроцена и ферроценилацетилена.
Полимеры на основе ферроцена, обладают интересными электро- и
магнитофизическими характеристиками. Последнее свойство обусловлено
переходом ферроцена в заряженный ферроцений-катион (окисленное состояние). Полимеры со смешанным состоянием степени окисления железа
обладают полупроводниковыми свойствами (вследствие появления неспаренного электрона).
Использование электрохимических свойств ферроцена основано на
легкости и обратимости протекания процессов одноэлектронного
окисления-восстановления. Система ферроцен - катион ферроцения - наиболее высокообратимая среди известных окислительно-восстановительных
систем. Ее используют в качестве обратимых электродов в химических
аналитических целях, а также в качестве эффективного переносчика электрона в биохимических исследованиях.
80
Ферроценсодержащие соединения в гистологических исследованиях.
Ферроцен и ферроцений-катион обладают низкой токсичностью и одновременно являются эффективной цветовой и редокс-активной меткой,
легко присоединяемой ко многим биологически важным молекулам.
Лекарства на основе ферроцена. Ферроцерон (ferroceronum)
C5H5Fe[C5H5COC6H4-о-COONa] для лечения заболеваний, вызванных дефицитом железа в организме (анемия).
Светочувствительные материалы, красители и пигменты, а также
антистатики, стабилизаторы мономеров и жидких кристаллов.
Литература:
1. Энциклопедия для детей. Т.17. Химия, М.: «Аванта+», 2001. 637 с.
2. Иванов Ф.К. // Химия и жизнь XXI век. 2004, № 8. С.70–75.
3. Ковальчук А.Г. // Наука и жизнь. 2004. № 5, С. 25–30.
Дополнительную информацию по данной теме можно найти в
следующих периодических изданиях: «Вестник РАН: серия химическая»
2001 (№ 1); 2004 (№ 2); «Наука и жизнь» 2004 (№ 5); «Российский химический журнал» 2000 (№ 6); «Соросовский образовательный журнал, химия»
1996 (№ 1); 1997 (№ 2); «Химия и жизнь XXI век» 2004 (№ 8); «Химическая промышленность» 2004 (№ 10); «Энергия: экономика, техника, экология» 2003 (№ 6), 2004 (№ 6).
7.1.3. Фуллерен – одна из форм существования углерода в природе
План
9
Аллотропные модификации углерода. Зависимость физических
свойств от типа кристаллической решетки.
9
Фуллерены, фуллериды и эндоэдральные комплексы фуллеренов.
9
Применение фуллеренов и фуллеридов в технике.
9
Применение эндоэдральных соединений фуллеренов в медицине.
Основные понятия и термины: аллотропия, аллотропные модификации углерода, сверхпроводимость, соединения включения, фуллерен, фуллериды.
Содержание темы
Фуллерены – последняя из открытых аллотропных модификаций углерода (кроме известных: графита, алмаза, карбина), наиболее стабильными являются шарообразные молекулы С60 или дынеобразные С70. В структуре фуллеренов может присутствовать только четное количество атомов
углерода.
История открытия фуллеренов. Фуллерены были обнаружены в 80х гг. XX века. Название «фуллерены» дано по имени американского архитектора и инженера Ричарда Бакминстера Фуллера, разработавшего конст-
81
рукцию куполообразной крыши, составленной из пяти- и шестиугольников, наподобие футбольного мяча. В связи с этим фуллерены также называют бакминстерфуллеренами или бакиболами.
Способы получения, нахождение в природе. Первоначально фуллерены получали при пропускании тока чистого гелия между двумя графитовыми электродами при возбуждении электрической дуги. Фулллерены
также были найдены в некоторых природных минералах, например, в карельском шунгите. Подобные кластеры присутствуют и в других природных материалах – фульгиритах – остеклованном кварцевом песке.
Образование фуллеренов предполагается в жестких земных условиях.
Возможно, С60 присутствует в коптящем пламени (например, пламени свечи) и в продуктах сжигания ацетилена.
Строение и свойства фуллеренов. Поверхность молекул фуллеренов
состоит из пяти- и шестиугольников, образованных атомами углерода (в
молекуле С60 их 20, а в С70 – 30). Известны фуллерены (рис. 6), молекулы
которых имеют более сложную форму (полых трубок - тубулены) и состоят из нескольких сотен атомов углерода.
Рис. 6. Фрагменты структуры алмаза, графита, фуллерена и углеродной нанотрубки
Молекулы фуллерена полые внутри, поэтому его плотность значительно меньше, чем у графита (2,3 г/см3) и алмаза (3,5 г/см3). Для С60 она
составляет 1,65 г/см3. Фуллерен устойчив к действию высоких температур
и высокого давления: не плавится при 3600С и не разрушается при 20 ГПа.
Длины углерод-углеродных связей составляют 0,143 нм и 0,139 нм.
Диаметр молекулы С60 близок к 1 нм. На основе фуллерена синтезированы
новые классы веществ: фуллеролы (гидроксипроизводные, в их структуре
которых присутствуют ОН-группы); фуллераны (продукты присоединения
водорода), фуллериды (продукты взаимодействия с металлами или легированные металлами); эндоэдральные комплексы фуллеренов (во внутренней
полости имеется металл, неметалл или молекула).
82
Фуллерены в конденсированном (кристаллическом) состоянии называются фуллериты (рис. 7).
Рис. 7. Структура кристалла фуллерита
Области применения фуллеренов. За открытие и исследование
свойств фуллеренов в 1996 году трем ученым (Роберту Керлу, Ричарду
Смолли (США) и Гарольду Крото (Великобритания)) была присуждена
Нобелевская премия по химии.
Свойства нового класса объектов открыли неожиданные возможности
их практического применения:
9 развитие методов синтеза алмазов и сверхтвердых материалов;
9 поиск и направленный синтез производных фуллерена, обладающих
ферромагнитными и сверхпроводящими свойствами;
9 синтез новых полимерных материалов, катализаторов и сенсоров для
определения состава жидких и газовых сред;
9 создание капсул для безопасного захоронения радиоактивных отходов;
9 получение противовирусных препаратов.
Интересным свойством фуллеренов при низких температурах и давлении является способность поглощать водород.
В связи с этим корпорация «Мицубиси» планирует использовать фуллерены в качестве основы для производства аккумуляторных батарей
большей мощности, чем традиционные (приблизительно в 5 раз).
Диаметр внутренней полости молекул фуллеренов позволяет разместить в ней молекулу «гостя». Оказалось, что более трети элементов Периодической системы могут образовывать с фуллереном такие соединения
«включения». Соединения такого типа со щелочными металлами С60М3
обладают свойствами сверхпроводников.
Сами кристаллические фуллерены и их пленки обладают свойствами
полупроводников, а фуллериды – проводников и сверхпроводников (при t –
19-55K). Фуллериды металлов платиновой группы дополнительно обладают ферромагнитными свойствами.
83
С эндоэдральными комплексами фуллеренов связывают создание современных противораковых препаратов, которые в капсуле фуллерена могут быть избирательно доставлены к поврежденному органу или ткани.
Растворы фуллеренов в органических растворителях способны резко
снижать прозрачность при изменении интенсивности оптического излучения. Это свойство может быть использовано для создания защитных оптических затворов или фотопереключателей.
Особое внимание к фуллеренам объясняется тем, что углерод является
основным элементом живой материи. Многообразие его форм заставляет в
ряде случаев иначе взглянуть на некоторые процессы, происходящие с
участием углерода в живой и неживой природе.
Литература
1. Карцова А.А. Покорение вещества. Органическая химия. СПб:
«Химиздат». 1999. с. 125–130.
2. Хачоян А.В. Фуллерен – по японски «фурэрэн» // Химия и жизнь
XXI век. 2001. № 12. С.18–19.
3. Золотухин И.В., Густов А.В. Анализ методов получения фуллеренов // Перспективные материалы. 2002. № 2. С. 5–11.
4. Новгородова М.И. Фуллерен на дне колодца // Химия и жизнь XXI
век. 2004. № 4. С.14–15.
Дополнительную информацию по данной теме можно найти в
следующих периодических изданиях: «В мире науки» 1991 (№ 12); «Наука в России» 2000 (№ 6); «Наука - производству» 2001 (№ 2); «Природа»
2003 (№ 5); «Соросовский образовательный журнал» 1996 (№ 2), 1997 (№
1), 1998 (№ 3); «Успехи физических наук» 1993 (№ 2), 1995 (№ 9), 2000 (№
2); «Успехи химии» 1993 (вып. 5); «Химия и жизнь» 1998 (№ 1), 2000 (№
10), 2001 (№ 6, 9, 12), 2003 (№ 2, 7, 9, 10), 2004 (№ 4); «Энергия: экономика, техника, экология» 2002 (№ 3).
7.1.4. Углеродные нанотрубки
План
9
История открытия углеродных нанотрубок.
9
Одно- и многослойные нанотрубки, строение.
9
Специфические свойства нанотрубок.
9
Потенциальные области применения, ограничения.
Основные понятия и термины темы: нанотрубка, полевая эмиссия,
капиллярный эффект, полупроводник, сверхпроводник.
Содержание темы
История открытия. В 1991 г. японскими учеными, осуществлявшими синтез фуллерена, на стенках реакционного сосуда были обнаружены
84
наночастицы углерода – полые цилиндрические образования диаметром 310 нм, получившие название нанотрубок (рис. 8). Каждая трубка закрывалась «крышкой», которая является фрагментом структуры фуллерена.
Строение и свойства углеродных нанотрубок. Нанотрубки - это
протяженные каркасные структуры, состоящие из свернутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах.
Рис. 8. Углеродная нанотрубка
Внешне они похожи на замкнутые, пустые внутри оболочки (рис.8).
Существуют одно- и многослойные нанотрубки. Простейшие – однослойные, представляют собой цилиндр из искривленной графитовой сетки.
Более сложные по строению многослойные нанотрубки. Они бывают двух
видов: по типу матрешки (до 20 однослойных нанотрубок друг внутри
друга) или рулона.
Выяснилось, что нанотрубки обладают интересными и неожиданными
электрическими, магнитными и оптическими свойствами.
Проводимость нанотрубок. Аналогично графиту, нанотрубки способны проводить электрический ток. Однако проводимость трубки не зависит от ее длины и толщины, как у обычных проводников, а зависит
только от изменений в геометрии проводящей поверхности. Взаимная ориентация гексагональной сетки графита и продольной оси нанотрубки определяет важную структурную характеристику нанотрубки, получившей название хиральность. В зависимости от значения хиральности нанотрубки
обладают либо металлическим типом проводимости, либо полупроводниковыми свойствами. Наблюдаемое при обычной температуре значение
плотности тока в проводящей нанотрубке на два порядка превосходит достигнутую сейчас плотность тока в сверхпроводниках.
Полевая эмиссия нанотрубок. Многослойные нанотрубки способны
испускать электроны при комнатной температуре и напряжении 500В, что
сравнимо со стандартным вольфрамовым катодом электроннолучевой
трубки.
Прочность нанотрубок. Под действием критических механических
напряжений нанотрубки не ломаются, а перестраиваются. Несмотря на
кажущуюся хрупкость и даже ажурность они прочны как на растяжение,
так и на изгиб.
85
Капиллярный эффект нанотрубок. В нанотрубках могут наблюдаться капиллярные эффекты. Особый интерес представляет заполнение нанотрубок металлами (жидкий свинец, висмут), что перспективно для создания сверхминиатюрных деталей для наноэлектроники.
Области применения нанотрубок. Свойства нанотрубок открыли
широкие возможности для их практического применения в качестве:
9 прочных микроскопических стержней и нитей;
9 нановесов, позволяющих измерять груз до 10 -15 грамм;
9 деталей наномикроскопа (нанотрубка представляет собой идеальную
иглу в несколько атомов, которая может быть использована в виде
зонда в туннельном сканирующем или атомно-силовом микроскопе);
9 полевых транзисторов (гетероструктуры типа металл/проводник для
наноэлектроники);
9 микроконтейнеров для транспортировки токсических веществ, компонентов топлива; ядовитых, и даже расплавленных газов;
9 микроконтейнеры для доставки лекарственных препаратов, способные выпускать содержимое в строго определенных количествах и
местах;
9 матрицы для создания тонких плоских дисплеев.
В 1910 году русский изобретатель Ф.А. Циандер (1877-1933) выдвинул идею связать Землю и Луну прочным кабелем, способным поднимать
грузы в космос. На роль такого материала лучше всего подходят бездефектные однослойные нанотрубки. Нанонить диаметром 1 мм, могла бы
выдержать груз в 20 т.
Уже изготовлен ряд опытных образцов таких прочных материалов,
представляющих собой композиты с матрицами из пластмассы (металла) и
наполнителями из нанотрубок. Области применения таких легковесных
композитов очень широки: от деталей космических устройств до автомобильных кузовов, шин, бронежилетов, теннисных ракеток и т.п.
Литература
1. Кузнецов В.И., Идлис Т.М., Тутина А.Н. Естествознание. М.:
«Агар». 1996. с. 231–240.
2. Зимон А.Д. Занимательная физическая химия. М.: «Владмо». 1998.
с.102-113.
3. Транковский С. Алмаз, графит и углеродные трубы // Наука и
жизнь. 1999. №11. с. 23–28.
4. Елецкий А.В. Экзотические объекты атомной физики // Соросовский образовательный журнал. 1999. №4. с.86–95.
86
Дополнительную информацию по данной теме можно найти в
следующих периодических изданиях: «Наука и жизнь» 1999 (№ 11), 2002
(№ 5, 10); «Природа» 1997 (№ 1), 1999 (№ 2), 2003 (№ 7, 10); «Соросовский образовательный журнал» 1999 (№ 4); «Химия и жизнь» 1999 (№ 7),
2004 (№ 6); «Эксперт» 2001 (№ 11).
7.1.5. Супрамолекулярная химия.
Молекулы, способные к самосборке и самоорганизации
План
9
Понятие супрамолекулярная химия.
9
Самосборка и самоорганизация в живой природе. Виды нековалентных взаимодействий.
9
Клатраты – соединения включения. Метан-гидрат.
9
Ротаксаны и катенаны – разновидности нековалентно построенных соединений.
9
Краун-эфиры и криптанды – «ловушки» катионов металлов.
9
Применение краун-соединений и криптандов в роли комплесообразователей.
9
Сферанды и кавитанды – молекулы-контейнеры для гостевых
ионов. Преимущества перед краун-эфирами и криптандами.
Основные понятия и термины: супрамолекулярная химия, нольэлектронная связь, клатраты, катенаны, ротаксаны, криптанды, кавитанды.
Содержание темы
Супрамолекулярная химия – область химии, изучающая функции ассоциаций двух и более частиц, удерживаемых межмолекулярными взаимодействиями.
Последние достижения супрамолекулярной химии связаны с процессами молекулярного распознавания и образования новых структур за счет
процессов самоорганизации.
Самоорганизация – это спонтанное образование некоторой макроструктуры из отдельных компонентов за счет нековалентных взаимодействий в определенных условиях.
К нековалентным взаимодействиям относят водородные, электростатические, ноль-электронные связи, а также эффекты среды. Энергия
таких взаимодействий ниже энергии ковалентных связей, но в больших
количествах они приводят к образованию прочных, но способных гибко
изменять свою структуру ассоциатов.
Сочетание прочности и способности к быстрым обратимым изменениям – свойство всех биологических молекулярных структур: нуклеиновых кислот, белков, ферментов.
87
Образование молекулярного соединения, части которого связаны между собой чисто механически, было известно давно. Такой способ соединения молекул называют топологической или ноль-электронной связью.
Разрушение таких веществ возможно только при разрыве ковалентной связи в одном из фрагментов. Впервые такие структуры были получены в
1964 году.
Молекулы, способные к нековалентным взаимодействиям.
Клатраты – соединения включения, которые образуются за счет внедрения «посторонних» молекул («молекула-гость») в пустоты кристаллической решетки (или полимерной цепи) базового вещества («молекулахозяин»).
Слово "клатрат" в переводе с латинского clathratus означает замкнутый, окруженный со всех сторон.
Благоприятное пространственное соответствие (комплементарность) гостевой и хозяйской подсистем приводит к тому, что клатратное
соединение становится термодинамически более устойчивым, чем смесь из
компонентов гостя и хозяина при тех же условиях.
Клатраты классифицируют по форме полости: в форме клетки (криптато-клатраты), в форме канала (тубулато-клатраты), слоистые соединения включения (интеркалато-клатраты).
Вода, например, может образовывать несколько клатратных структур
в зависимости от условий и размеров «молекулы-гостя». Примером природного клатрата на основе кристаллической решетки воды является природный метангидрат, находящийся на дне Мирового океана, который
рассматривается как альтернативный источник углеродной энергетики будущего (подробнее см. раздел 6 семинара 2).
Ротаксаны – молекулы, построенные из двух частей: циклической и
линейной так, что объемные группы на концах линейной молекулы препятствуют разобщению системы (колесо-ось).
Катенаны – молекулы, в которых циклические макромолекулы продеты одна в другую подобно звеньям цепи.
катенан
ротаксан
Рис. 9. Ротаксан и катенан
Молекулы соединений, построенных без химической связи, встречаются в природе: ротаксановые и катенановые формы ДНК.
88
Образование молекулярных комплексов – доминирующий процесс в
биологических системах. Важнейшие биохимические процессы включают
в себя избирательное комплексообразование. Молекула «хозяина» может
разместить в своей внутренней полости единственную молекулу «гостя».
Обе молекулы должны соответствовать друг другу как по электронной, так
и пространственной структурам (принцип ключ-замок).
Краун-эфиры – моноциклические эфиры (рис.10), у которых атомы кислорода внутренней полости способны координировать катион металла
определенного радиуса в зависимости от размера цикла. Они представляют
собой гибкие структуры, способные принимать в пространстве различные
формы, чаще форму короны (crown -корона).
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
12-краун-4
15-краун-5
18-краун-6
Рис. 10. Некоторые краун-эфиры
Криптанды – бициклические азотсодержащие эфиры (аналоги краунэфиров), атомы азота которых также способны координировать катионы
металлов внутри образуемой ими полости.
Кавитанды – макроциклы, состоящие из нескольких бензольных колец, поверхности которых образуют полости в виде чаши, горшка, вазы.
Области применения краун-соединений и их аналогов
Краун-соединения – это прежде всего избирательные комплексообразователи определенных ионов (чаще) или молекул.
С их помощью эффективно разделяют ионы щелочных и щелочноземельных металлов. Краун-эфиры – первые синтетические аналоги природных веществ (ионофоров), осуществляющих перенос ионов щелочных металлов через клеточные мембраны.
Благодаря хорошей растворимости краун-эфиров в неводных растворах они способны переводить соли этих металлов из водной фазы в органический растворитель. Например, перманганат калия KMnO4 (марганцовка) в присутствии 18-краун-6 (рис.10) легко растворяется в бензоле и
дает так называемый «пурпурный бензол», окислительная способность которого еще выше. «Пурпурный бензол» широко используют в органическом синтезе для эффективного окисления алкенов, спиртов и альдегидов.
89
Избирательное комплексообразование катионов тяжелых металлов
лежит в основе создания на базе краун-эфиров и криптандов эффективных
лекарственных средств, способствующих выведению из организма тяжелых металлов и радиоактивных изотопов (Sr-85, Ra-224, Pb, Cd).
Некоторые стадии обезвреживания и очистки сточных вод включают
в себя использование краун-эфиров.
Литература:
1. Хариока М. Краун-соединения: свойства и применение. М.:
«Мир». 1986. 227 с.
2. Давыдова С.Л. Удивительные макроциклы. Л.: «Наука». 1989.
3. Цивадзе А.Ю., Жилов В.И., Демин С.В. // Координационная химия.
1996. Т. 22. № 4. С. 243–246.
4. Пожарский А.Ф. // Соросовский Образовательный журнал. 1997.
№ 9. С. 32–40.
Дополнительную информацию по данной теме можно найти в
следующих периодических изданиях: «Вестник Московского университета. Серия 2. Химия» 1999 (т.40, № 5); «Журнал физической химии» (т.64,
№ 5; т.65, № 6); «Координационная химия» 1996 (т.22, № 4); «Российский
химический журнал» 1995 (№ 39); «Соросовский образовательный журнал» 1997 (№ 2, 9); «Успехи химии» 2001 (№ 1); «Химия и жизнь XXI век»
2003 (№ 3).
7.1.6. Редкоземельные элементы и важнейшие области
их использования.
План
9
Отличие редких и редкоземельных элементов. Нахождение в
природе.
9
История открытия редких земель.
9
Свойства сплавов редкоземельных элементов.
9
Применение оксидов и сульфидов редкоземельных металлов.
9
Специфические свойства некоторых редкоземельных элементов.
Основные понятия и термины: редкий элемент, редкоземельный
элемент, лантаноиды, ферромагнитный, пирофорный, люминофорный, легирующая добавка.
Содержание темы
Редкоземельные элементы – это группа из 17 элементов: скандий Sc,
иттрий Y, лантан La и 14 лантанидов Ln (f-элементы). Лантаноиды относят к редким элементам: в земной коре их около 0,01%, но это немало.
90
Редкими элементами в настоящее время называют:
9
элементы, которых в земной коре достаточно, но получить их в
чистом виде очень сложно;
9
элементы, которых в рудах очень мало, но извлекать их выгодно и необходимо для развития промышленности;
9
элементы, выполняющие роль всеобщего эквивалента (Ag, Au, Pt)
Всего редких элементов около 35.В литературе нередко используют
термин редкоземельные элементы. Название «редкие земли» первоначально закрепилось за оксидами иттрия и цезия, а затем распространилось на
близкие по свойствам элементы. Близкие значения ионных радиусов и
сходные химические свойства затрудняют процесс их выделения в чистом виде.
История открытия редких земель. В 1794 году Ю. Гадолин выделил из редкого минерала гадолинита (современное название) иттриевую
землю, позднее в 1803 году Я. Берцелиус – цериевую землю. Эти земли
были неоднородны, для их идентификации и разделения потребовались
годы. Оказалось, что цериевая земля содержит лантановую и дидимовую
(оксиды неодима и празеодима) составляющие. Из иттриевой земли выделили три элемента: иттрий, эрбий и тербий. Последним из встречающихся
в природе лантанидов был открыт лютеций в 1907 году.
Выделение редкоземельных элементов – это исключительно трудоемкая работа. Так, для выделения солей туллия перекристаллизацию проводили 15000 раз. В настоящее время используют современные методы разделения: экстракцию, хроматографию, но на отдельных стадиях попрежнему применяют кристаллизацию.
Свойства и области применения редкоземельных элементов. Лантан и лантаниды – тугоплавкие металлы серебристо-белого цвета с температурой плавления 800-16000С. В свободном виде лантан и лантаниды
хранят под слоем керосина, т.к. они чрезвычайно химически активны.
Магнитные свойства. Некоторые элементы, например гадолиний,
проявляют сильные ферромагнитные свойства, но при нагревании теряют
их. Наиболее сильно это свойство выражено не у отдельных лантанидов, а
у их сплавов с ферромагнитными металлами.
На основе редкоземельных элементов получены сверхмощные постоянные магниты: магнит, умещающийся на ладони, способен удержать легковой автомобиль с пассажирами. Аналогичные сплавы с ниобием применяют в качестве материала для линий высокоскоростных поездов на воздушной подушке.
Прочностные характеристики. В металлургии редкоземельные металлы применяют в качестве раскислителей, а также легирующих добавок.
91
Легирующие добавки редкоземельных металлов (0,03-0,07% ниобия и 0,010,1% ванадия) к чугунам и сталям позволяют снизить вес конструкций
мостов, зданий, нефтепроводов на 40%, не снижая срок их службы.
Пирофорные свойства. Церий и его сплавы обладают пирофорными
свойствами – самовоспламеняются на воздухе. Ферроцерий (сплав церия и
железа) до сих пор используют при изготовлении зажигалок, трассирующих пуль и снарядов.
Цветовые характеристики. Водные растворы солей многих лантаноидов окрашены. Соли празеодима и туллия зеленого цвета, эрбия – нежно-розовые, неодима – розово-фиолетовые, а самария и церия – желтые.
Окраска лантанидов более сложная, чем d-элементов (меди, железа, никеля), полихромная, создается впечатление, что она получена путем смешения на палитре нескольких цветов.
Оксиды лантаноидов также окрашены и используются при создании
цветного стекла. Так, добавка оксида неодима придает стеклу фиолетовый
оттенок, эрбия – розовый, празеодима – зеленый, церия (IV) – желтый цвета.
Люминофорные свойства. Сульфиды лантаноидов (Ln2S3) служат для
получения цветного изображения на экранах цветных телевизоров и дисплеях компьютеров. В галогенные лампы вводят люминофоры на основе
иодидов лантаноидов, которые дают люминесцентное свечение разных
цветов.
Поглощение водорода. Сплавы некоторых редкоземельных элементов
с переходными металлами (LaNi5) способны поглотить в 1,5-2 раза больше
водорода, чем его содержится в таком же объеме жидкого водорода (водород располагается в пустотах кристаллической решетки металла). При нагревании такой сплав легко отдает водород. На основе LaNi5 уже разработаны аккумуляторы водорода, которые могут использоваться в будущем
при развитии водородной энергетики.
Дополнительные сферы применения редкоземельных элементов. Германий - в полупроводниковых приборах; цезий – в присадках к топливу для
ракетных двигателей, в оптических приборах ночного видения, фотоэлементах; лантан, церий, празеодим, неодим, европий - в оптических незапотевающих стеклах, тугоплавкой керамике; европий – в составе стержней,
регулирующих испускание нейтронов в ядерных реакторах; рений – в составе рений-платиновых катализаторов крекинга нефти, сплавов для нитей
накаливания.
Высокая стоимость и трудность выделения в чистом виде сдерживает
их широкое применение редкоземельных элементов.
92
Литература:
1. Любимов И.М. Редкие элементы и их география. М.: «Просвещение». 1977.
2. Химия и периодическая таблица / Под. ред Сайто К. М.: «Мир», 1982.
3. Спицин В.И., Мартыненко Л.И. Неорганическая химия. М.: Издво МГУ. 1991 (1994).
4. Турова Н.Я. Неорганическая химия в таблицах. М.: «Высший химический колледж РАН». 1997.
5. Малышкина В. Занимательная химия. Спб: «Тригон». 1998.
6. Энциклопедия для детей. Т.17. Химия. М.: «Аванта+». 2001. 637 с.
7.2. Концепции развития современных технологий
7.2.1. Сверхкритические среды: новые реакции и технологии
План
9
Вещество в сверхкритическом (СК) состоянии.
9
История открытия явления.
9
Природные СК-среды.
9
Свойства СК-жидкостей и их параметры.
9
Области применения СК-сред.
Основные понятия и термины темы: вязкость, плотность вещества, коэффициент диффузии, критическая точка, сверхкритическое состояние вещества.
Содержание темы
Сверхкритическое состояние – четвертая форма агрегатного состояния вещества, в которую переходит вещество при достижении определенной температуры и давления в относительно малом объеме (исчезает граница раздела фаз). Иными словами, это газ, сжатый до плотности, близкой
к плотности жидкости. Такое состояние вещества иначе называют «сверхкритический флюид», (fluid - способный течь). Критическая точка – это
минимальное значение давления и температуры, необходимое для перевода газа или жидкости в сверхкритическое состояние.
История открытия. В начале XIX века Каньяр де ля Тур обнаружил
исчезновение фазовых границ при превышении определенной температуры. В1879 и 1880 г. Хенней и Хогарт описали мощную растворяющую
способность сверхкритических газов. Ван дер Ваальс впервые разрабатывает термодинамическую концепцию сверхкритического состояния систем
с одним и двумя компонентами.
В 30-е годы XX века в США и в 50-е в СССР предложены методы
разделения натуральных и синтетических масел, экстракции горного воска
93
и получения ланолина из шерсти. В 70-х годах сверхкритические флюиды
использовали для очистки радиоактивных веществ.
Нахождение сверхкритических жидкостей в природе. Природная
сверхкритическая среда – геотермальная вода на глубине более 50 км. В
ней происходит процесс образования минералов в недрах Земли.
Свойства сверхкритических жидкостей: низкая вязкость; высокая
проникающая (диффузная) способность.
Коэффициент диффузии сверхкритического газа в 10 раз выше, чем у
жидкости. Он способен быстро проникать в экстрагируемый материал, поглощать и транспортировать растворяемые вещества.
Сверхкритические газы обладают высокой экстрагирующей способностью и при соответствующих условиях достаточной селективностью.
Все процессы проводятся при щадящем температурном режиме (300900С), что предотвращает разложение органических веществ.
Важнейшие сверхкритические растворители и их параметры.
Этан (Ткр=32,20С; Ркр=48,2 атм; ρ=0,20 г/см), этилен (Ткр=9,90С; Ркр=50,5
атм; ρ=0,20 г/см), пропилен (Ткр=91,90С; Ркр=45,4 атм; ρ=0,22 г/см), ксенон
(Ткр=170С; Ркр=57 атм), вода (Ткр=3740С; Ркр=220 атм) и углекислый газ
(Ткр=310С; Ркр=72,9 атм; ρ=0,47 г/см).
Области применения сверхкритических сред:
9
извлечение (экстракция) необходимого вещества (особенно
твердого) из материала, продукта или отходов производства;
9
деликатное извлечение эфирных масел, витаминов, фитонцидов и алкалоидов из растительного сырья;
9
извлечение радиоактивных элементов из отработанных руд;
9
получение мелкопористых материалов;
9
внедрение новых веществ в материалы (красители, лекарства,
полимеры);
9
утилизация бытовой пластиковой тары
Важнейшие области использования сверхкритического СО2. Углекислый газ - компонент атмосферного воздуха. Он не горюч; стерилен;
безопасен для окружающей среды; может быть получен в больших количествах. В сверхкритическом состоянии углекислый газ становится мощным
растворителем, растворяя многие полимеры, даже перфторированные. По
окончании синтеза достаточно сбросить давление, и растворитель улетает
в атмосферу. Плюсы технологии – резкое снижение количества используемых растворителей. Сверхкритическим СО2 можно очистить готовый продукт от побочных.
94
Твердый полимер можно пропитать сверхкритическим СО2, (до 30
массовых процентов), который при декомпрессии быстро улетает, оставляя
открытые поры. Так можно создавать мелкопористые материалы (1013
степени пор на 1см3). Применение этой технологии повышает жесткость
деталей из поливинилхлорида в 6 раз, а стоимость производства снижается
на 40%. Подобным образом в поверхностный слой полимера удается вводить светостабилизаторы и красители.
По аналогичной технологии можно получить полимер, пропитанный
раствором медицинского препарата. Полимер набухает во флюиде, и в поверхностный слой легко проникают крупные молекулы лекарства, которые
остаются после сбрасывания давления и способны медленно диффундировать через поверхность полимера. Зная, коэффициент диффузии, можно
рассчитать дозу и сделать препарат с заданным временем действия.
Флюид используют для извлечения из растворов ионов тяжелых металлов. В реактор с водным раствором соли удаляемого металла, подают
сверхкритический флюид и лиганд. Они образуют комплекс, который переходит в СК-СО2. Потом флюид вытесняют за пределы реактора, где давление падает. Углекислый газ улетает, и получается металлоорганический
комплекс в чистом виде. Так можно извлекать из Чернобыльской земли
трансурановые элементы.
Разложение органических веществ в сверхкритической воде. В СКводе интенсивно протекает окисление кислородом многих органических
веществ до воды и углекислого газа. Процесс одностадийный, реализуется
в замкнутой схеме при температуре 6000С и полном смешении реагентов.
Такая технология очень полезна для уничтожения сверхтоксичных веществ: компонентов химического оружия, ракетных топлив и сточных вод
от органических примесей.
Современные технологии с использованием СК-сред: декофеинизация
кофе (без размола зерен); деасфальтизация смазочных масел (отделение
тяжелых фракций); каталитическое гидрирование СО2 в СК-СО2 до муравьиной кислоты; крупномасштабное производство бутанола-2 в СКбутане.
Преимущества технологий с использованием СК-сред: значительно
меньший объем реакционных сосудов; высокая скорость и экологичность
процесса;
Литература
1. Хатдинов Р.Б. Познавательная химия. М.: «Инфра». 1999. 123 с.
2. Адамов Н.А. Химия жидкостей. Спб.: «Вильямс». 2000. 206 с.
95
3. Комаров С.М. Кювета со сверхкритическим флюидом // Химия и
жизнь ХХ1 век. 2000. № 6. с.8–12.
4. Завьялов П.С. Новые технологии // Наука и жизнь. 2000. № 1. с. 26–30.
Дополнительную информацию по данной теме можно найти в
следующих периодических изданиях: «Наука и жизнь» 2000 (№ 10); «Российский химический журнал» 1999 (т. 43, № 2), «Соросовский образовательный журнал» 1999 (№ 10); «Химия и жизнь XXI век» 1999 (№ 3), а
также на информационном сервере Сибирского отделения РАН; официальном сайте Научно-исследовательского центра экологических ресурсов
«ГОРО».
7.2.2. Современные биотехнологии
План
9
Определение биотехнологий.
9
Биотехнологии без участия генно-модифицированных микроорганизмов.
9
Производство антибиотиков.
9
Производство кормовых добавок.
9
Извлечение металлов и нефти из обедненных руд.
9
Переработка отходов.
9
Генно-инженерные технологии.
9
Получение лекарств нового поколения.
9
Производство аминокислот и ферментов.
9
Создание трансгенных растений и животных, риск масштабного применения.
Основные понятия и термины: биотехнология, антибиотики, гормоны, аминокислоты, ферменты, ген, генная инженерия, рекомбинантные
ДНК.
Содержание темы
Биотехнологии – технологии, использующие результаты деятельности микроорганизмов в промышленном производстве практически используемых человеком соединений и продуктов питания (ферментов, витаминов, белков, аминокислот, антибиотиков и т.п.), а также генно-инженерные
технологии.
В биотехнологиях используются бактерии, микроорганизмы и клетки
различных тканей. Штаммы «полезных» микроорганизмов выращивают на
микробиологических заводах в специальных аппаратах ферментерах. В
них имеется стерильная питательная среда, в которую вносится культура
микроорганизма (например, дрожжей). Содержимое интенсивно переме-
96
шивается и обогащается кислородом при оптимальной для каждого вида
температуре. В результате продуцируется необходимое полезное вещество.
Направления биотехнологий (не связанные с использованием генно-модифицированных микроорганизмов).
Производство антибиотиков. Антибиотики – это специфические
продукты жизнедеятельности микроорганизмов, обладающие высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов и злокачественным опухолям, избирательно задерживающие
или подавляющие их рост. Источники антибиотиков – микроорганизмы
грибковой природы. Из грибов актиномицетов получают до 1500 антибиотиков, более 50 из которых применяют в медицине (стрептомицин, тетрациклины и пенициллины) и ветеринарии (тилозин).
Получение кормовых белковых добавок. Для повышения продуктивности животноводства нужен полноценный корм. Микробиологическая
промышленность выпускает кормовой белок на базе различных микроорганизмов: бактерий, грибов, дрожжей, водорослей. Они быстро размножаются, наращивая биомассу, характеризующуюся высоким содержанием
белка (40-80%). Белок одноклеточных богат незаменимой аминокислотой
лизином, добавка которой приближает аминокислотный состав белка к оптимальному.
Производство кормового белка на основе одноклеточных – процесс,
не требующий посевных площадей, особых климатических и погодных условий и позволяющий сэкономить зерно.
Выделение металлов и нефти из обедненных пород. Некоторые виды
бактерий обладают способностью переводить металлы в растворимые соединения (выщелачивание металлов из руд). Одни выщелачивает железо,
медь, цинк и уран, другие растворяют золото и серебро. Технологии подобных процессов отличаются простотой: породу обрабатывают водой и
собирают раствор, содержащий продукты жизнедеятельности микроорганизмов – растворимые соединения извлекаемых металлов.
Для извлечения нефти из иссякающих месторождений используют
полисахарид ксантан. Остаточные порции нефти, адсорбированные в пластах различных пород, вымываются раствором ксантана в воде. Бактериидеэмульгаторы способны разделять водную и нефтяную фазы, что может
быть использовано как для концентрирования нефти, так и для очистки
сточных вод от нефтяных примесей, создающих угрозу для окружающей
среды.
Переработка промышленных и бытовых отходов. Разработаны технологии получения микроорганизмов-биодеградантов для очистки почвы
97
от нефти, нефтепродуктов, диоксинов, для разложения полимерных пленок
(полиэтилена, полипропилена, полихлорвинила) и пестицидов. Продолжительность расщепления составляет от 7 до 30 дней. Современные разработки также позволяют получать легко разрушаемые полимеры (поли-βоксибутират, полиамилоза).
Генно-инженерные технологии. Генная инженерия как наука состоялась в 70-х годах ХХ века, когда ученым удалось соединить в пробирке (in vitro) фрагменты ДНК, принадлежащие двум различным организмам,
и получить новую молекулу ДНК. Искусственно полученные молекулы
ДНК назвали рекомбинантными ДНК. Для ее получения «вырезаются»
нужные фрагменты из исходных ДНК и «склеиваются» между собой. Для
проведения этих сложных операций используются особые ферменты: рестриктазы (ферменты-ножницы) и лигазы (фермент-клей).
Главная задача генной инженерии – придать клетке (создаваемому
организму) новые генетические свойства. Первым и на сегодняшний день
главным объектом генной инженерии являются бактерии Escherichia Coli.
Возможности генных технологий: находить и «вырезать» ген, отвечающий за определенные свойства; вживлять вырезанный ген в ДНК другой клетки; обеспечивать передачу новых наследственных признаков потомству; выводить сорта растений и виды животных с новыми полезными
свойствами. Важнейшим результатом генных технологий является создание лекарств нового поколения на основе белков человека. С применением
генно-модифицированных штаммов микроорганизмов удалось получать
ранее недоступные или доступные в небольших количествах ценные природные соединения: гормоны, ферменты, аминокислоты – потенциальные
лекарственные средства. Наиболее знаменитыми веществами в этом ряду
являются гормон роста соматотропин, гормон инсулин, противовирусный
препарат интерферон и стимулятор кроветворения – эритропоэтин. Всего
разрешено к применению в клинической практике около 20 препаратов, в
стадии испытаний находится порядка 200.
Гормоны – вырабатываемые железами внутренней секреции биологически активные вещества, регулирующие процессы обмена и воспроизведения человеческого или животного организма (адреналин повышает кровяное давление, инсулин регулирует обмен глюкозы и т.д.).
Ранее их получали из органов и тканей животных и человека, причем
требовалось много материала для получения небольшого количества гормона. Так, человеческий гормон роста соматотропин выделяли из гипофиза человека (не более 4 мг с одной особи). С применением генно-
98
инженерного штамма Е. coli в настоящее время получают до 100 мг гормона роста.
Инсулин, гормон поджелудочной железы, ранее получаемый из поджелудочной железы быка или свиньи и отличный от человеческого, в настоящее время производится на основе модифицированного штамма Е.
coli. Он идентичен человеческому инсулину, и его стоимость значительно
снизилась. Аналогичными методами в настоящее время разрабатывается
промышленный синтез гормонов-регуляторов нервной системы: энкефалинов и эндорфинов.
Производство незаменимых аминокислот (триптофан, фенилаланин, лизин, треонин и т.д.). Аминокислоты, являющиеся основной составляющей белков, применяют самостоятельно в качестве пищевых добавок к
продуктам питания и животноводческим кормам. Ряд аминокислот производят с применением микробов-сверхпродуцентов, полученных с применением методов генной инженерии. Так, генно-инженерный штамм E. Coli
синтезирует до 30 г/л L-треонина за 40 часов.
Производство ферментов. Современная пищевая и медицинская
промышленность не может обойтись без ферментов (подробнее см. раздел
«Ферменты. Биокатализ. Биомиметика»). Человек издавна использовал
ферментативные процессы, не подозревая об этом: брожение ягод, скисание и створаживание молока, поднятие теста и т.п. Производство кисломолочной продукции, пива, шампанского, вина – результат деятельности
«полезных» микроорганизмов. Первое промышленное производство микробных ферментов было организовано в 1890 году, однако резкий скачок в
развитии отрасль получила лишь с появлением генной инженерии и новых
методов выделения ферментов.
Выведение трансгенных растений и животных. С помощью генной
инженерии удалось вывести не только «суперполезные» микроорганизмы,
но и растения, обладающие повышенной урожайностью и устойчивые к
действию неблагоприятных погодных условий и вредителей. В настоящее
время выведены и рекомендованы к употреблению в пищу трансгенные
соя, кукуруза, картофель, помидоры.
Аналогичные технологии используют в животноводстве при выведении улучшенных пород трансгенных домашних животных. Например, выведена порода трансгенных овец, в молоке которых присутствует дорогостоящий фермент химозин, применяемый в сыроварении.
Генно-инженерный подход позволяет ускорить решение продовольственной проблемы, но не гарантирует полностью здорового питания. Исследования, проведенные на животных, позволяют усомниться в абсолют-
99
ной безвредности таких продуктов, требуются длительные исследования
на нескольких поколениях людей. Поэтому рекомендовано наносить на
трансгенные продукты специальную маркировку.
Таким образом, биотехнологии позволяют решить следующие народнохозяйственные проблемы: обеспечение населения продовольствием и
медикаментами; обеспечение минеральными ресурсами и энергией; охрану
окружающей среды (биологическая очистка сточных вод).
Литература:
1. Егоров Н.С. Биотехнология: проблемы и перспективы. М.: «Высшая школа». 1987. 246 с.
2. Вакула В.Л. Биотехнология – что это такое? М.: «Молодая гвардия». 1989. 301 с.
3. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. М.: «Мир». 2001.
4. Силаева Т.П. Трансгенные пищевые продукты: риск и перспективы //
Пищевая промышленность. 1999. № 10. С. 13–14.
Дополнительную информацию по данной теме можно найти в
следующих периодических изданиях: «Мясная индустрия» 2003 (№ 2);
«Наука и жизнь» 2001 (№ 7); 2002 (№ 12); 2003 (№ 12); «Пищевая промышленность» 1999 (№ 10); 2000 (№ 12); «Современная торговля» 2002
(№ 6); «Соросовский образовательный журнал» 1996 (№ 1, 5); 1997 (№ 2,
8); «Стандарты и качество» 2002 (№ 1); «Хлебопродукты» 2003 (№ 12);
«Экономист» 2000 (№ 1); «Эксперт» 2004 (№ 19).
7.2.3. Микро- и нанотехнологии
План
9
Термин «нанотехнология».
9
История перехода от мили- к микро- и наноразмерам. Законы,
описывающие поведение микро- и наночастиц.
9
Направления развития нанотехнологий.
9
Достижения в области нанотехнологий.
9
Созданные наноприборы.
9
Созданные наноматериалы.
Основные понятия и термины: микро-, нано-, нанотехнология,
квантовые точки, транзисторы, нейроны.
Содержание темы
Термин нанотехнология был предложен в 1974 году японским исследователем Танигучи для описания технологических процессов, оперирующих частицами размером от 0,1 до 100 нм. Миниатюризация механизмов
всегда была привлекательна для умельцев всех времен и народов. Переход
100
к миллиметровым технологиям (10-3 м) произошел в середине ХХ века.
Была создана вакуумная лампа, основные размерные характеристики которой не превышали нескольких миллиметров. Следующим достижением
была замена вакуумной лампы на электронно-лучевую трубку с распределенной памятью. На таких трубках работало первое поколение ЭВМ.
Последующее сокращение размеров в 1000 раз произошло во второй
половине ХХ века: размещение твердотельных транзисторов в интегральной схеме площадью 1 см2. Кристаллы кремния стали основой интегральных схем, миниатюризация которых привела к быстрому росту эффективности ЭВМ.
Несмотря на практически полное отличие микропродуктов и способов
их изготовления от изделий метровой и миллиметровой величины, они работают на базе одних и тех же классических законов (например, закон
Ома). Эти законы, однако, перестают работать при размерах объектов менее 0,5 мкм. Это область действия квантовых законов. Именно здесь и
осуществляются нанотехнологии.
Таким образом переход от микро- к нано- - это переход от сплошных
веществ классических технологий к атомно-молекулярным структурам
квантовой нанотехнологии. Уже сейчас человечество вступает в производственную область, где исчезает грань между живой и неживой природой.
Практическая нанотехнология родилась в 1981 году с изобретения
сканирующего туннельного микроскопа. С его помощью можно перемещать отдельные атомы и молекулярные фрагменты в заранее определенные места. Это позволило осуществить программируемое атомное письмо
– первый нанотехнологический процесс собирания атомов в наноразмерные «кучки» и выстраивании их в соответствии с заданным рисунком.
Новые понятия: квантовые точки, квантовые диполи, квантовые
проволоки – относятся к квантовым интегральным схемам наноразмерных
компьютеров будущего. Одиночные квантовые точки, образованные
группой атомов и локализованные в заданном месте основной матрицы,
собирают в виде проволоки, их которой далее формируют полевые транзисторы и простейшие интегральные схемы – нейроны, работающие элементы квантовых компьютеров.
Нанотехнологию иначе называют молекулярным производством. Системы с требуемыми параметрами необходимо предварительно конструировать, моделировать. Поэтому сегодня компьютерное моделирование становится основным технологическим средством.
101
Ожидаемо, что нанотехнологии обеспечат невиданные возможности
практически в любой области человеческой деятельности. Перечислим основные направления современных нанотехнологий.
Направления нанотехнологий:
9
материаловедение («бездефектные» высокопрочные материалы);
9
приборостроение (туннельные, атомно-силовые микроскопы,
сверхчувствительные датчики);
9
вычислительная техника, информатика (модули памяти:
триллионы битов информации в объеме вещества размером с булавочную
головку);
9
оптика (нанолазеры и системы нанолазеров);
9
гетерогенный катализ (селективные нанокатализаторы);
9
медицина (адресная доставка лекарств к поврежденным тканям, выявление раковых клеток);
9
управляемые ядерные реакции (наноускорители частиц)
9
космические разработки
Созданные наноприборы:
9
сканирующий туннельный микроскоп (1981г.);
9
сверхчувствительные весы для взвешивания вирусов (1997г.);
9
одностенные нанотрубки для отбора сверхточных химических
проб;
9
наноручка;
9
молекулярный двигатель из иона металла и двух молекул порфирина (прообраз молекулы хлорофилла) (2001г.)
Созданные наноматериалы:
9
наноструктурные твердые и аморфно-кристаллические магнитные сплавы;
9
никелевая наноструктурная фольга;
9
молекулярные сита с точно заданным размером пор;
9
различные углеродные нанотрубки и замкнутые оболочки;
пленки толщиной несколько молекулярных слоев;
9
9
нанокатализаторы и наносорбенты
Литература:
1. Нанотехнологии в ближайшем десятилетии / Под ред. Роко М.К.,
Уильямса Р.С., Аливисатоса П., М.: «Мир». 2002.
2. Раков Э.Г. Вещества и люди: заметки и очерки о химии. М.: ИКЦ
«Академкнига». 2003. 318 с.
3. Оуэнс Ф., Пул Ч. Нанотехнологии. М.: «Техносфера». 2004. 328 с.
102
4. Быков В.А. Нанотехнологический потенциал России. // Наука в
России. 2003. № 6. С 8–12.
Дополнительную информацию по данной теме можно найти в
следующих периодических изданиях: «Материалы электронной техники»
1999 (№ 3); «Поиск» 2004 (№ 11); «Природа» 1999 (№ 2), 2000 (№ 1, 11),
2002 (№ 9); «Химия и жизнь» 2000 (№ 7), 2003 (№ 12).
7.2.4. Мембранные технологии
План
9
Термин мембрана. Назначение мембран.
9
Три основных вида мембран. Достоинства и недостатки мембран каждого типа.
9
Виды разделения смесей.
9
Применение мембран.
Основные понятия и термины: мембрана, ионообменная мембрана,
обратный осмос, электродиализ.
Содержание темы
Мембрана – тонкая пористая полупроницаемая перегородка. Материал – керамика, полимер, металл, комбинированные материалы.
Керамические мембраны. Преимущества: устойчивость к механическим нагрузкам, высоким температурам и агрессивным средам; высокая
производительность. Недостатки: высокая стоимость; форма мембраны
определяется технологией изготовления керамики (спекание), что в ряде
случаев не удобно для конкретной технологии.
Полимерные мембраны (ионообменные). Преимущества: низкая
стоимость; возможность модифицирования поверхности (повышается селективность разделения); любая форма. Недостатки: меньшая стойкость к
механическим нагрузкам, действию температуры и агрессивным средам (в
зависимости от природы полимера).
Металлические мембраны. Преимущества: высокая стойкость к механическим воздействиям; высокая прочность; относительная химическая
стойкость; любая геометрическая форма. Недостатки: высокая стоимость;
сложность изготовления тонкопористых мембран.
Мембранное разделение - это избирательный перенос частиц через
перегородку, определяемый размером пор.
Газовая эффузия - течение газа через пористую перегородку.
Микрофильтрация - отделение растворителя от коллоидных частиц
размерами 10-5-10-7 м.
Обратный осмос - разделение истинных растворов.
103
Электродиализ – разделение ионов и молекул растворителя под действием электрического тока (получение ультрачистой воды для нужд микроэлектроники).
Применение мембранных технологий:
9
очистка питьевой воды и промышленных сточных вод;
9
обессоливание (опреснение) воды;
9
выделение ценных компонентов из природного газа и газовых
конденсатов;
9
выделение ценных компонентов из вторичного пищевого сырья;
9
концентрирование радиоактивных отходов;
9
мембранные дозаторы лекарственных средств;
9
плазмоферез и оксигенация крови
Перспективы развития мембранных технологий связывают с массовой очисткой воды и массовым использованим биогаза.
Литература:
1. Тимашев С.Ф. Физикохимия мембранных процессов. М.: «Химия». 1988. 237 с.
2. Заболоцкий В.И., Никоненко В.В. Перенос ионов в мембранах. М.:
«Наука». 1996. 388 с.
3. Шапошник В.А. Мембранная электрохимия // Соросовский Образовательный журнал. 1999. № 2. С. 71–77.
4. Первов А.Г., Макаров Р.И., Андрианов А.П., Ефремов Р.М. Мембраны – новые перспективы освоения рынка питьевой воды // ВСТ. 2002.
№ 10. С. 26–29.
Дополнительную информацию по данной теме можно найти в
следующих периодических изданиях: «Зеленый мир» 2004 (№ 7, 8); «Соросовский образовательный журнал» 1999 (№ 9); «Успехи химии» 1991 (т.
60, вып. 10); «Химия и жизнь» 2002 (№ 1).
7.2.5. Плазмохимические технологии
План
9
Термины плазма, плазмохимическая реакция.
9
Важнейшие показатели плазмы.
9
Плазмохимические технологии: преимущества и недостатки.
9
Стадии плазмохимического процесса.
9
Реализованные плазмохимические процессы.
Основные понятия и термины: плазма, плазмохимический процесс,
электрический разряд, плазмотрон.
104
Содержание темы
Химия электрических разрядов имеет более 200-летнюю историю.
Так, первыми из разрядов, в которых наблюдали химические превращения,
были искровые разряды в воздухе (получение озона, оксидов азота NO и
NO2, разложение и получение аммиака NH3).
Газовые разряды способствуют образованию специфической среды
для протекания химических реакций, отличной от традиционной. В ней
преобладают активные частицы: заряженные и возбужденные атомы, молекулы, ионы и радикалы.
Плазма – это ионизированный газ, в котором плотности отрицательного и положительного зарядов одинаковы. Низкотемпературная плазма
(технологическая) имеет температуру до 105К, а высокотемпературная –
106–108К.
Интерес к химии газовых разрядов возрос в 60-х годах XX века в связи с поиском новых эффективных технологий получения промышленно
значимых химических соединений. В плазме удается осуществить процессы, которые в обычных условиях не протекают или идут с низким выходом
целевого продукта.
Для получения плазмы необходимы внешние источники энергии.
Наиболее часто используют газоразрядную плазму в молекулярных газах.
Генератором плазмы служит электродуговой плазмотрон. Энергия от
внешнего источника передается в газ через электронную компоненту
плазмы. Далее происходит возбуждение атомов и молекул, их ионизация и
диссоциация. В полученной химически активной среде быстро протекают
различные химические реакции между ее компонентами. В зависимости от
параметров плазмы (тип разряда, давление, степень ионизации и т.д.) состав продуктов превращения может быть различен. Прикладная плазмохимия и занимается поиском условий реализации реакций, протекающих с
наибольшими выходами целевого продукта.
Диапазон экспериментально получаемых параметров плазмы в плазмотронах широк: степень ионизации изменяется от 10-8 до 1; энергия - от 0.01 до 10эВ;
концентрации заряженных частиц – от 108 до 1018 см-3
Важной характеристикой является степень ионизации – отношение
концентраций заряженных и нейтральных частиц (α=ne/N). При α=1 плазма
полностью ионизирована. Технологическая плазма чаще является слабоионизированной (α<10-2).
В промышленных масштабах чаще реализуют равновесные плазмохимические процессы, скорости которых составляют от 10-8 до 10-2с. Это
105
позволяет создавать миниатюрную аппаратуру. Так, плазменный реактор
производительностью 25000т в год имеет длину 65 см и диаметр 15 см.
В качестве сырья можно использовать малоценное (воздух), трудно
перерабатываемое (вследствие непостоянного состава), а также отходы
различных производств.
Преимущества плазмохимических технологий перед традиционными заключаются в: миниатюризация промышленной аппаратуры и оборудования; сокращение числа стадий процесса; высокая скорость процесса; высокая производительность; легкая управляемость процесса.
Технологическая схема равновесного плазмохимического процесса
включает в себя следующие стадии: перевод теплоносителя (или одного из
реагентов) в состояние плазмы; смешивание его с остальными реагентами
(начало химической реакции); закалка - резкое снижение температуры
(окончание реакции на требуемой стадии). Время начала закалки существенно влияет на выход.
В настоящее время реализованы следующие плазмохимические
процессы: получение ацетилена СН≡СН и водорода Н2 из метана СН4
(~50000С, 10-4 с); получение этилена СН2=СН2 и водорода Н2 из углеводородов нефти; производство синтез-газа (СО и Н2) для получения дивинила
СН2=СН-СН=СН2; получение азотной кислоты НNO3 фиксацией атмосферного азота N2; получение белого пигмента оксида титана TiO2 окислением хлорида титана TiCl4; получение устойчивых пленок и покрытий
(вольфрамовое покрытие); получение фильтрующих элементов с мелкопористым покрытием; плазменно-дуговая резка металлов и их сплавов.
Литература:
1. Ясуда Х. Полимеризация в плазме. М.: «Мир». 1988. 124 с.
2. Туманов Ю.Н.. Низкотемпературная плазма и высокочастотные
электромагнитные поля в процессах получения материалов для ядерной
энергетики. М.: «Энергоатомиздат». 1989. 279 с.
3. Жуков М.Ф., Калиненко Р.А., Левицкий А.А., Полак Л.С. Плазмохимическая переработка угля. М.: «Наука». 1990. 200 с.
4. Плазмохимические реакции и процессы / Под ред. Л.С. Полака М.:
«Наука». 1997. 205 с.
5. Энциклопедия для детей. Т.17 Химия, М.: «Аванта+», 2001. 637 с.
7.2.6. Естественно-научные проблемы энергетики.
Энергетика будущего
План
9
Базовая энергетика настоящего времени. Возобновляемые и
невозобновляемые источники электроэнергии.
106
9
Альтернативные углеродсодержащие источники энергии.
9
Синтез-газ, состав, использование.
9
Метан-гидрат – новое углеродное сырье.
9
Альтернативная безуглеродная энергетика.
9
Ядерная энергетика, перспективы развития.
9
Гальванические элементы.
9
Горение водорода.
9
Горение кремния в азоте.
Основные понятия и термины: синтез-газ, метан-гидрат, гальванический элемент, ядерная энергетика, изотоп, водородная энергетика.
Содержание темы
Потребление энергии – важнейший показатель, определяющий уровень экономического развития и благосостояние населения любой страны.
Современная энергетика базируется на углеводородном сырье: нефти
и природном газе. К началу 80-х годов в мире потребность в энергии удовлетворялась на 70% за счёт нефти и природного газа, на 25% - за счёт каменного и бурого угля и лишь на 5% - за счет других источников энергии.
В настоящее время в связи с сокращением запасов традиционных видов
топлива возникает необходимость поиска новых и безопасных источников
энергии.
Синтез-газ как альтернатива нефти и природного газа. Среди всех
видов горючего наиболее дефицитным является жидкое, поэтому перспективным является поиск рентабельных технологий переработки угля в жидкое топливо.
Так, в предвоенной Германии, богатой углем, но лишенной нефти,
был разработан знаменитый синтез углеводородов из монооксида углерода
CO и водорода H2, называемый с тех пор синтезом Фишера-Тропша.
Синтез Фишера-Тропша может рассматриваться как реакция восстановительной полимеризации оксида углерода СО, что можно представить
уравнениями:
n CO + 2n H2 → (CH2)n + nH2O
2n CO + n H2 → (CH2)n + nCO2
Продуктами реакции являются углеводороды (в частности бензиновой
фракции) и кислородсодержащие соединения (спирты и альдегиды).
Получение метилового спирта СН3ОН из синтез-газа впервые было
осуществлено в Германии в 1923 году: под давлением 100-300 атм на оксидных цинк-хромовых катализаторах в интервале температур 320-4000С.
В настоящее время процесс усовершенствован, найдены более активные
катализаторы, позволившие снизить давление и температуру и повысить
107
производительность.
CO + 2H2 → СH3OH
Возможность использования спиртов в качестве моторного топлива
привлекательна в экологическом аспекте (уменьшаются вредные выбросы).
По некоторым физико-химическим свойствам (теплота сгорания, октановое число и др.) метиловый спирт приближается и даже превосходит
лучшие углеводородные топлива. Однако высокая гидрофильность метанола, токсичность, агрессивность по отношению к некоторым металлам и
небольшая теплоемкость сдерживают его применение. Более экономичным
путем представляется переработка метанола в бензин. "Метанольный" бензин имеет октановое число 92-95 и обладает более высоким качеством по
сравнению с бензином, получаемым по методу Фишера-Тропша. В настоящее время серьезно рассматривается проблема использования метанола в качестве добавок к топливу и в качестве сырья для получения антидетонационной добавки к бензину (метил-трет-бутиловый эфир МТБЭ).
Метан-гидрат – альтернативное сырье углеродной энергетики. В
Мировом океане обнаружены огромные залежи метан-гидрата (~1010т).
Метан размещается в пустотах кристаллической решетки водяного льда,
1м3 метан-гидрата содержит 164 м3 чистого метана (рис. 11).
Метан-гидрат образуется под давлением и при низких температурах
на глубине (от 500 до 2000 метров) в порах донных осадков в результате
деятельности гнилостых бактерий, перерабатывающих донные отложения.
Рис.11. Кристаллическая структура метан-гидрата.
Количество метан-гидрата превышает по запасам все известные природные источники энергии. Исследователи предполагают, что под слоем
метанового льда (его толщина достигает нескольких сотен метров) находится чистый метан. Сложность состоит в разработке технологий его безопасной добычи. Экологическую катастрофу способны спровоцировать любые природные катаклизмы: обширное землетрясение, вулканические
взрывы. Даже бурение метанового льда достаточно опасно. Сейчас идет
поиск промышленной технологии, которая позволила бы чрезвычайно ак-
108
куратно добывать газ, не допуская его утечек в атмосферу (метан и углекислый газ ответственны за парниковый эффект).
Ядерная энергетика. Одним из эффективно используемых в настоящее время источников энергии является ядерная. Огромное количество
энергии выделяется в ходе цепных реакций деления тяжёлых элементов
урана U и плутония Pu (энергии от деления 1г урана-235 достаточно для
освещения города с 60 000 жителей в течение часа). На год работы АЭС
мощностью 1 млн. кВт необходимо 30-50 т уранового топлива (для сравнения - теплоэлектростанции такой же мощности требуется 1,6 млн.т. мазута или 2,5 млн.т. угля).
Однако, существующая технология атомной энергетики, основанная
на “тепловых” ядерных реакторах с водяным или графитовым замедлителем нейтронов низкоэффективная, т.к. в добываемом природном уране
имеется лишь 0,75% используемого изотопа U-235.
Перспективен переход к прогрессивной технологии замкнутого направленного цикла, основанной на использовании деления быстрых ядер.
В “быстром” реакторе большую часть деления ядерного топлива вызывают
быстрые нейтроны с энергией более 0,1 МэВ. При этом происходит деление не только редкого изотопа U-235, но и U-238 – основной составляющей природного урана (~ 99,3%). Важно, что в “быстром” реакторе образующиеся нейтроны способствуют интенсивному превращению U-238 в
делящийся изотоп плутония Pu-239.
Энергия гальванических элементов. Вырабатывать электроэнергию
можно и с помощью автономных химических источников тока, преобразующих энергию химических реакций в электрическую. "Предком" современных гальванических элементов можно считать "электрический столб",
созданный А.Вольтом в 1800 г. Это изобретение похоже на слоёный пирог
из нескольких пар металлических пластин: одна пластина из цинка, вторая
- из меди, уложенные друг на друга, а между ними помещена войлочная
прокладка, пропитанная разбавленной серной кислотой. В наши дни автономные источники энергии необходимы в авиации, подводном флоте, ракетной технике и электронике.
Одним из перспективных направлений в этой области рассматривают
использование энергии воздушно-алюминиевых гальванических элементов.
Катодом является угольно-графитовая пластина с поступающим на него
кислородом воздуха, а анодом – сплав алюминия. Достоинств у таких источников несколько: простота конструкции, безопасность эксплуатации,
экологичность, а недостаток один – высокая цена алюминия. Воздушно-
109
алюминиевые источники питания маломощной бытовой техники в настоящее время выпускаются серийно.
Водородная энергетика. Наиболее перспективным топливом будущего считается водород. При его сгорании в чистом кислороде достигается
о
температура до 2800 С. При такой температуре легко плавится кварц и
большинство металлов. Теплота сгорания водорода в кислороде равна
142650 кДж/кг. Водород – экологически чистое топливо, т.к. при его сгорании образуется только вода. Основной недостаток реакции горения водорода – пожаро- и взрывоопасность. Электролиз – прямой, но дорогой
метод получения чистого водорода. В настоящее время водородные топливные элементы малой мощности разрабатывают для портативной техники, средней – для освещения и обогрева.
Кремниевая энергетика. Кроме горения водорода интересна реакция
горения кремния в атмосфере азота, в результате которой образуется нитрид кремния – источника дешевого аммиака, из которого, в свою очередь,
можно получать водород дешевле, чем электролизом воды.
Литература:
1. Легасов В.А. Проблемы развития химии: прорыв в будущее. М.:
«Знание». 1987.
2. Энергетические ресурсы мира / Под ред. П.С. Непорожнего, В.И.
Попкова, М.: «Энергоатомиздат». 1995. 232 с.
3. Лаврус В.С. Источники энергии. Факты, проблемы, решения. М.:
«Наука и техника». 1997. 32 с.
4. Караханов Э.А. Синтез-газ как альтернатива нефти. Процесс Фишера-Тропша и оксосинтез. // Соросовский Образовательный журнал.
1997. №3. С. 69–71.
5. Ларин В.Н. Водородная энергетика: пора бурить скважины // Химия и жизнь XXI век. 2000. № 10. С.46–51.
Дополнительную информацию по данной теме можно найти в
следующих периодических изданиях: «Наука и жизнь» 1998 (№ 2, 3); 1999
(№ 4); 2000 (№ 9); 2001 (№ 2); 2003 (№ 8); 2004 (№ 2); «Соросовский образовательный журнал, химия» 1999 (№ 1, 9); 2000 (№ 4). «Химия и жизнь
XXI век» 2002 (№ 6); 2003 (№ 2, 4); 2004 (№ 1); «Химическая промышленность» 2000 (№ 3); 2003 (№ 10); «Энергия» 1998 (№ 6).
110
7.3. Управление процессами жизнедеятельности
с точки зрения химии
7.3.1.Ферменты. Биокатализ. Особенности биомимметики.
План
9
Определение фермента, биологическая роль.
9
Особенности строения простых и сложных ферментов.
9
Принцип действия ферментов, преимущества перед химическими катализаторами.
9
Классификация по типу катализируемой реакции.
9
Применение ферментов в народном хозяйстве.
9
Иммобилизованние ферменты, преимущества.
9
Биомиметика.
Основные понятия и термины: фермент, энергия активации, субстрат, фермент-субтратный комплекс, иммобилизованный фермент, адсорбция, биомимметика.
Содержание темы
Ферменты или энзимы (от лат. fermentum - брожение, закваска), специфические белки, присутствующие во всех живых клетках и играющие
роль биологических катализаторов. С деятельностью ферментов человечество было знакомо с древних пор: разрезанное яблоко темнеет, ранка, обработанная перекисью «вскипает», тесто поднимается в квашне и т.д. Вся
живая природа существует исключительно благодаря ферментативному
катализу. На сегодняшний день известно свыше 2000 ферментов
Особенности строения и принцип действия ферментов. Ферменты
бывают простыми или сложными белками. В их составе наряду с белковым компонентом (апоферментом) имеется небелковая часть - кофермент. Важнейшими коферментами являются витамины В, Е, К, Q. Характерной особенностью двухкомпонентных ферментов является то, что ни
белковая часть, ни добавочная группа в отдельности не обладают заметной
каталитической активностью. Только их комплекс проявляет ферментативные свойства.
Ферменты значительно снижают энергию активации катализируемой
ими реакции в результате образования промежуточных ферментсубстратных комплексов. Присоединение субстратов происходит в активных центрах, которые обладают сходством только с определенными субстратами, чем достигается высокая избирательность действия ферментов.
Принцип действия ферментов определяется соответствием молекулярных конфигураций субстрата (реагирующего вещества) и фермента
111
по принципу «ключ-замок». Различают ферменты, постоянно присутствующие в клетках, и индуцируемые ферменты, биосинтез которых активируется под влиянием соответствующих субстратов. Многие ферменты и
ферментные комплексы прочно связаны с мембранами клетки или её органоидами (митохондриями, лизосомами и т.д.) и участвуют в активном
транспорте веществ через мембраны.
Первый кристаллический фермент (уреаза) выделен американским
биохимиком Д. Самнером в 1926г. Для ряда ферментов выяснена последовательность аминокислот и расположение полипептидных цепей в пространстве.
К преимуществам ферментов перед обычными катализаторами
относятся: узкий интервал рабочей температуры 40-600С (у промышленных катализаторов – 200-5000С); определенное значение pH-среды (пепсин, фермент желудочного сока, работает при pH 2-3); высокая специфичность (ускоряют только определенную реакцию, расщепляют только определенную связь, различают даже оптические изомеры); высочайшая каталитическая активность (ускоряют реакцию в 1014-1015 раз)
Классификация ферментов. В настоящее время ферменты подразделяют на 6 основных классов: оксидоредуктазы - ускоряют реакции окисления-восстановления, трансферазы - реакции переноса функциональных
групп; гидролазы - реакции гидролитического распада (гидролиза); лиазы –
реакции негидролитического отщепления определенных групп; изомеразы
– способствуют пространственной или структурной перестройке молекулы
(изомеризации); лигазы - ускоряют реакции синтеза.
Области применения ферментов. В настоящее время имеется большой ассортимент недорогих ферментов, в том числе высокой чистоты, используемый более чем в 25 отраслях промышленности, особенно легкой и
пищевой.
9
В пищевой промышленности: производство кисломолочных
продуктов, вина, шампанского, пива, хлебобулочных изделий;
9
В производстве товаров бытовой химии: добавки к стиральным порошкам (удаление пятен крови, соусов, шоколада);
9
В фармацевтической промышленности: препараты фестал, мезим-форте, фибринолизин, панкреатические РНК-аза и ДНК-аза, ферменты, иммобилизованные на тампонах и бинтах;
9
В аналитических целях: по изменению активности некоторых
ферментов обнаруживают возбудителей краснухи, малярии, гепатита В, а
также следы алкоголя в крови, содержание сахара в моче и т.д.;
9
В целлюлозо-бумажной промышленности: биоотбеливание бумаги и макулатуры;
112
9
В легкой промышленности: изменение свойств поверхности
тканей (удаление красителей, ворса и т.п.);
9
В сельском хозяйстве: обогащение ферментами кормовых добавок
Иммобилизованные ферменты. Для повышения устойчивости фермента к внешним факторам его закрепляют на носителе - получают иммобилизованные ферменты. Аналогично многие промышленные каталитические процессы ведут на твердых катализаторах.
Одним из способов прикрепления фермента к носителю является адсорбция – обратимое связывание вещества с поверхностью твердого тела
без химического изменения. В 1939 году было запатентовано применение
ферментов-протеаз, адсорбированных на древесных опилках для обработки шкур животных.
В настоящее время ферменты адсорбируют на нерастворимом носителе (геле или полом волокне) или прикрепляют химической связью к полимеру (например, к целлюлозе).
В первом случае фермент как бы «заключают в решетку», через отверстия которой субстрат определенного размера может проникать к ферменту, а продукты переработки выводиться наружу.
Химические способы иммобилизации можно уподобить пришиванию
бисера к ткани. Фермент образует химическую связь с полимером вдали от
активного центра, фермент как бы болтается на нити.
Преимущества иммобилизованных ферментов
9
Повышенная устойчивость к разрушению (денатурации)
9
Не смешиваются с продуктами реакции
9
В ряде случаев увеличивается специфичность действия (для
адсорбированных ферментов)
Биомиметика – это область химии, моделирующая процессы, происходящие в живой природе. Аналогично активным группам ферментов разрабатывают катализаторы, которые представляют собой ион металла, связанный с органической молекулой небелковой природы (комплексообразователем). Начальным шагом может быть встраивание нужной активной
группы в большие, легко изгибающиеся молекулы (краун-эфиры, см. раздел «Супрамолекулярная химия»). В настоящее время смоделированы несколько природных каталитических систем: восстановления азота, анаэробного окисления алканов (метан в метанол), выделения кислорода из
воды. Пути решения таких сложных задач пока находятся на начальных
стадиях.
113
Литература:
1. Ленинджер А. Основы биохимии: в 3-х т. Т.1. М.: «Мир». 1985. 367
с.
2. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. М.: «Медицина». 1990.
3. Витол И.С., Кобелева И.Б., Трауберг С.Е. Ферменты и их применение в пищевой промышленности. М.: 2000.
4. Нечаев А.П., Траубенберг С.Е., Кочеткова А.А., Колпакова В.В. и
др. Пищевая химия. Спб.: ГТОРД.. 2001. 592 с.
5. Проскурина И.К. Биохимия. М.: ВЛАДОС-ПРЕСС. 2001. 240 с.
6. Племенков В.В. Введение в химию природных соединений. Казань.
2001. 376 с.
Дополнительную информацию по данной теме можно найти в
следующих периодических изданиях: «Здоровье» 1998 (№ 2); «Химия в
школе» 1998 (№ 6); «Химия и жизнь XXI век» 2000 (№ 10).
7.3.2. Антиоксиданты и
система антиоксидантной защиты клеток организма.
План
9
Свободные радикалы и активные формы кислорода.
9
Система антиоксидантной защиты клеток организма.
9
Жирорастворимые антиоксиданты.
9
Водорастворимые антиоксиданты .
9
Ферменты, дезактивирующие свободные радикалы.
9
Синтетические антиоксиданты – аналоги природных соединений.
9
Применение антиоксидантов.
Основные понятия и термины: антиоксидант, свободный радикал,
витамины, супероксиддисмутаза.
Содержание темы
Существование живых организмов невозможно без кислорода. Он необходим для осуществления процессов дыхания и обмена веществ. Эти
процессы сопровождаются образованием нескольких активным форм кислорода, наиболее известной из которых являются свободные радикалы.
Свободный радикал – это высоко реакционно-способная частица с неспаренным электроном.
Избыточное количество свободных радикалов в организме приводит
к окислительному повреждению клеточных мембран (стенок), а также изменению структуры белков, в том числе ДНК и РНК. Окислительное по-
114
вреждение тканей способствует развитию многих серьезных заболеваний
(атеросклероза, диабета, катаракты и т.п.), в том числе и злокачественных.
В последнее время считается, что и процессы старения связаны с накоплением клеткой свободных радикалов.
Для защиты клеток от избытка свободных радикалов в организме существует антиоксидантная система, действующим звеном которой являются соединения - антиоксиданты.
Антиоксиданты – восстановители, которые легко реагируют с окисляющими веществами и вследствие этого защищают более важные молекулы окисления.
Антиоксиданты – это вещества, способные тормозить интенсивность процесса свободнорадикального окисления. Их иначе называют «ловушками свободных радикалов».
В зависимости от растворимости антиоксиданты классифицируют на
две группы: водорастворимые и жирорастворимые.
Водорастворимыми природными антиоксидантами являются аскорбиновая кислота (витамин С), никотиновая кислота (витамин РР); лимонная кислота, серосодержащие аминокислоты (цистеин, цистин, метионин), соединения фенольного ряда, флавоноиды и т.д. Они преимущественно защищают содержимое клетки.
Жирорастворимыми природными антиоксидантами являются витамины группы А, каротиноиды, Е (токоферолы), К, Q (убихиноны), стероидные гормоны. Они преимущественно защищают клеточные мембраны
(не растворимые в воде).
Эффективно обезвреживают свободные радикалы ряд ферментов организма: супероксиддисмутаза, каталаза, миелопероксидаза, глутатионпероксидаза. Они находятся в клетках, потребляющих кислород. Каталитический цикл этих ферментов включает в себя восстановление и окисление катиона металла (медь, цинк и магний) на каталитическом центре
фермента.
Супероксиддисмутаза дополнительно содержится в некоторых растениях (облепиха, зеленый чай, конский каштан).
Синтетические антиоксиданты: органические и неорганические соединения селена Se, ионол, фенозаны, оксипиридины (аналоги витамина В6).
Особый интерес в последнее время представляет использование соединений селена, который входит в состав фермента глутатионпероксидазы, являющейся первой линией защиты организма от перекисей и свободных радикалов.
115
Антиоксиданты нашли широкое применение: в медицине (профилактические и лечебные средства); в пищевой промышленности (предотвращение порчи масел, жиров, кондитерских изделий); в технике (антиокислительные добавки к топливам, стабилизаторы полимеров, особенно
резины)
Литература:
1. Барабой В.А. Биологическое действие растительных фенольных соединений. Наукова думка. Киев. 1976. 160 с.
2. Дупленко Ю.К. Старение: очерки развития проблемы. Л.: «Наука».
1985. 236 с.
3. Донцов В.И., Крутько В.Н. Старение: механизмы и пути преодоления. М.: «Биоинформсервис». 1997. 234 с.
4. Нечаев А.П., Траубенберг С.Е., Кочеткова А.А., Колпакова В.В. и
др. Пищевая химия. Спб.: ГТОРД.. 2001. 592 с.
Дополнительную информацию по данной теме можно найти в
следующих периодических изданиях: «Вестник РАМН» 1999 (№ 2);
«Наука и жизнь» 2000 (№ 8); 2002 (№ 12); «Российский медицинский
журнал» 2003 (№ 21); «Успехи биологической химии» 1990 (т. 31); «Экспериментальная и клиническая фармакология» 2003 (№ 9).
7.3.3. Химия ощущений: химия запаха, вкуса, цвета
План
9
Соединения, отвечающие за приятный запах. Области применения.
9
Соединения, отвечающие за неприятный запах. Области применения.
9
Химия вкуса: сладкий (сахара и их заменители), кислый (органические кислоты), соленый (поваренная соль) и горький вкус (алкалоиды, гликозиды).
9
Природные и синтетические красители. Фрагменты структуры,
ответственные за окраску соединения.
Содержание темы
Химия запаха
Ощущение вкуса, цвета и запаха и человека вызывают молекулы определенного строения.
Приятный запах многих растений определяется комбинацией нескольких веществ, как правило, состоящих из атомов углерода, водорода и
кислорода: сложных эфиров, альдегидов и терпенов (терпеноидов). Обонятельный рецептор взаимодействует только с молекулами определенной
116
пространственной формы, которая является ключом для белка-рецептора
определенного типа.
Предполагают, что биологическая роль таких веществ состоит в привлечении насекомых для опыления, защиты растения от паразитов и т.д.
Соединения, обладающие фруктовыми и цветочными запахами, используют в качестве парфюмерных отдушек и пищевых ароматизаторов.
Низкомолекулярные соединения серы и азота (амины, меркаптаны и
дисульфиды), наоборот, отвечают за крайне неприятные запахи выделений
животных, а также участвуют в формировании запаха и вкуса некоторых
продуктов растительного происхождения, например, чеснока и лука.
Химия вкуса
Сладкий вкус многих продуктов обусловлена присутствием в них углеводов (моно- и дисахаридов) – основных природных подсластителей.
Сладкие моносахариды – это глюкоза и фруктоза, а дисахариды – это сахароза, мальтоза и лактоза, причем два последних обладают весьма умеренной сладостью. Самым сладким природным углеводом является фруктоза (в 1.7 раза слаще сахарозы). Намного слаще (в 2000 раз) сахарозы искусственно полученные ее производные, в составе которых присутствуют
атомы хлора.
Сладким вкусом обладают некоторые многоатомные спирты, например, сорбит и ксилит, активно используемые в питании диабетиков.
Сладкий вкус имеют и некоторые неорганические соединения, например, ацетат свинца («свинцовый сахар»), некоторые соли бериллия и серебра, однако они ядовиты.
Сравнительно недавно из африканских растений были выделены белки монелин и тауматин, которые слаще сахара в 2000 и 4000 раз соответственно. Один из подобных сладких белков миракулин дополнительно изменяет последующие вкусовые ощущения (лимон кажется сладким).
Кислый вкус продуктам питания придают карбоновые кислоты общей
формулы R-СООН. Из неорганических кислот в пищевой промышленности применяют только фосфорную кислоту Н3PO4 и ее соли – фосфаты.
Среди карбоновых кислот в составе пищевых продуктов чаще встречаются
гидроксикислоты, в составе которых наряду с карбоксильной группой
СООН имеется одна или несколько гидроксильных групп ОН. Наиболее
значимыми подкислителями являются лимонная, молочная, яблочная и
винная кислоты. Все пищевые кислоты применяются в производстве безалкогольных напитков, некоторые являются хорошими консервантами,
например, уксусная, лимонная и бензойная кислоты.
Соленый вкус продуктам придает поваренная соль – NaCl.
117
Горький, жгучий, пряный и холодящий вкусы – варианты химического моделирования боли. Эти ощущения вызывают некоторые алкалоиды и гликозиды, находящиеся в некоторых сортах растений (перец, имбирь, хмель, растения семейства пасленовых и т.д.)
Большинство алкалоидов (гетероциклических соединений, содержащих атомы азота) оказывают на организм человека специфическое физиологическое действие, а особо опасные – зависимость от них.
Гликозиды – это производные простых сахаров, к которым прикреплен фрагмент неуглеводного строения.
Химия цвета
Вещества, определяющие внешний вид природных объектов и пищевых продуктов, являются природными красителями. Яркая окраска таких
соединений обусловлена наличием в молекуле протяженной системы чередующихся двойных-одинарных связей -C=C-С=С-С=С- и хромофорных
групп (–N=N-, -C=O, -NO2, -N=O), которые способны поглощать свет определенной длины волны.
Натуральные красители выделяют из природных источников. К ним
относятся каротиноиды (желто-оранжевая и красная окраска), антоцианы,
флавоноиды (желтая окраска) и хлорофиллы (зеленая окраска).
Природные красители чувствительны к действию кислорода воздуха,
кислот, оснований и температуры, поэтому их применяют в основном для
окраски некоторых продуктов питания. Для окрашивания тканей и полимерных материалов используют только синтетические красители.
Литература:
1. Эммануэль Н.М., Зайков Г.Е. Химия и пища. М.: «Наука». 1986.
200 с.
2. Овчинников Ю.А. Химия жизни (избранные труды). М.: «Наука».
1990. 106 с.
3. Скурихин И.М., Нечаев А.П. Все о пище с точки зрения химика.
М.: Высшая школа. 1991. 280 с.
4. Нечаев А.П., Траубенберг С.Е., Кочеткова А.А., Колпакова В.В. и
др. Пищевая химия. СПб.: ГТОРД,. 2001. 592 с.
5. Нечаев А.П., Кочеткова А.А., Зайцев А.Н. Пищевые добавки. М:
«Колос». 2001. 256 с.
118
7.3.4. Современное представление о происхождении жизни.
Химический аспект.
Основные понятия и термины: коацерват, биогенез, аминокислота,
клеточная мембрана.
Содержание темы
Существует несколько концепций возникновения жизни, но наиболее
вероятной на сегодняшний день представляется гипотеза, сформулированная акдемиком А.И. Опариным и Дж. Холдейном. Эта гипотеза исходит из
предположения о постепенном возникновении жизни на Земле из неорганических веществ путем длительной молекулярной эволюции.
На начальных этапах развития атмосфера Земли состояла преимущественно из водорода Н2 и инертных газов: гелия Не, неона Ne и аргона Ar.
При охлаждении Земли появились метан СН4, цианистый водород HCN,
аммиак NH3, кислород О2, азот N2. Далее, при снижении температуры ниже 1000С сгущались водяные пары и шли сильные ливни, образуя водоемы, в которые попадали карбиды (соединения металлов с углеродом), образованные в результате бурной вулканической деятельности. Дополнительно в воде растворялись все перечисленные газы и могли взаимодействовать с карбидами, образуя простейшие органические молекулы.
На втором этапе под действием высоких температур, грозовых разрядов, ультрафиолетового облучения простые молекулы претерпевали превращения в более сложные органические структуры: жиры, аминокислоты,
белки и нуклеиновые кислоты.
Эта гипотеза была подтверждена опытным путем американским
биологом С. Миллером. В экспериментах из смеси газов (аммиака, водяного пара, метана и водорода) при 70-800С и давлении несколько атмосфер
под действием электрических разрядов напряжением 6000 В было синтезировано несколько аминокислот и высших жирных кислот, встречающихся в составе белков и жиров соответственно. Изменяя условия эксперимента, удалось получить более сложные молекулы - белки и нуклеиновые кислоты.
С определенного этапа химической эволюции участие в процессах
стал принимать кислород О2: он окислял метан до метилового спирта, муравьиного альдегида и муравьиной кислоты. Эти вещества скапливались в
атмосфере, водоемах, реагировали друг с другом, давая более сложные соединения.
С течением времени концентрация органических веществ в Мировом
океане увеличивалась, они смешивались, взаимодействовали друг с другом
119
и образовывали коацерваты – мельчайшие коллоидные частицы – капли.
Коацерваты могут избирательно поглощать из окружающей среды определенные вещества, увеличиваясь в размере. Вместе с тем в них могут происходить процессы распада и выделения продуктов распада. Их еще нельзя
отнести к живым системам, но предпосылки возникновения из них живого
уже есть. Их можно считать предшественниками клеточных мембран, способных отграничить вещество от среды и придать упаковке молекул прочность.
Наилучшие условия возникновения жизни складывались в спокойных
водоемах с илистым дном, частицы ила выступали в роли катализаторов.
Завершение процесса биогенеза связано с возникновением у более
стойких коацерватов способности к самовоспроизведению, матричному
синтезу белка. В настоящее время такой матрицей являются нуклеиновые
кислоты (ДНК и РНК). Механизм такого перехода (качественного скачка)
пока не ясен.
Литература:
1. Опарин А.И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. М.:
«Наука». 1960.
2. Калвин В. Химическая эволюция. М.: «Наука». 1971. 190 с.
3. Руттен М. Происхождение жизни (естественным путем). Пер. с
англ./ Перевод Ю.М. Фролова, под ред. и с предисл. А.И. Опарина. М.:
«Мир». 1973. 415 с.
4. Фолсом К. Происхождение жизни: маленький теплый водоем.
Пер. с англ. / Перевод Д.Б. Кирпотина, под ред. и с предисл. Г.А. Деборина. М.: «Мир». 1982. 160 с.
5. Дикерсон Р.Е. Химическая эволюция и происхождение жизни. М.:
«Наука». 1991.
6. Фокс Р. Энергия и эволюция жизни на Земле. Пер. с англ. М.:
«Мир». 1992. 216 с.
Дополнительную информацию по данной теме можно найти в
следующих периодических изданиях: «Вестник Московского университета. Сер. 7» 1999 (№ 3); «Вестник РАМН» 2001 (№ 4); «Журнал ВХО им.
Д.И. Менделеева» 1980 (№ 3); 1999 (№ 4); «Наука и жизнь» 1996 (№ 2);
1999 (№ 12); 2004 (№ 9); «Техника молодежи» 2000 (№ 5).
120
8. Реферативная работа
8.1. Темы рефератов
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ВАЖНЕЙШИЕ ОБЛАСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
1.
Новые керамические материалы в настоящем и будущем (производство высокотехнологичной керамики, конструкционная, сверхпроводящая, пластичная керамика).
2.
Основные области применения перфторуглеродов: микроэлектроника, химические технологии, медицина, косметология, лазерная и
космическая техника.
3.
Живые полимеры и их роль в работе с человеческим материалом.
4.
Дендримерные молекулы - новый класс полимеров.
5.
Высокочистые вещества: настоящее и будущее.
6.
Тонкопленочные материалы для накопителей информации.
7.
Органические материалы в современной микроэлектронике:
создание пленок органических молекул в качестве сверхтонких покрытий с
высокими характеристиками; разработка молекулярных систем, способных
обмениваться энергией и зарядом с полупроводниковой подложкой.
8.
Создание клатратных соединений и важнейшие области их использования (клатраты- молекулярные соединения в которых молекулы
одного из компонентов локализуют, ориентируют относительно себя молекулы другого).
9.
Важнейшие свойства и области применения молеклул ротаксанов и катенатов.
10.
Исследование краун-соединений и создание макромолекул,
способных к самосборке и самоорганизации.
11.
Свойства и области применения многопалубных «сэндвичевых» комплексов: (ферроцен, никелоцен, ванадоцен).
12.
Фуллерен и новые классы веществ на его основе: фуллеролы,
фуллераны, фуллериды.
13.
Углеродные нанотрубки.
14.
Химические волокна специального назначения (термостойкие,
ионообменные, электроионообменные, биологически активные и метализированные волокна).
121
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
(естественнонаучные основы современных технологий, энергетики,
экологии)
1.
Химическая энергетика: обновление технологии производства
энергии.
2.
Успехи химии в решении проблем энергетики настоящего и
будущего: твердые электролиты; гальванические элементы на основе алюминия; водород – альтернативное топливо в эрнергетике; природный газ новые перспективы использования; метангидрат – топливо будущего; новая эрегетика без углерода и кислорода.
3.
Генные технологии: реальная польза и потенциальный риск.
4.
Химия в экстремальных условиях: в сверхтекучем гелии; в
сильных электрических полях лазеров; в кристаллических газовых решетках ультрахолодных атомов.
5.
Плазмохимические процессы.
6.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез.
7.
Проблема разрушения озонового слоя и перфторуглероды.
8.
Сверхкритические среды: новые реакции и технологии – основные области использования сверхкритических веществ.
9.
Криохимические технологии перспективных материалов.
10.
Нанотехнологии (нанокомпьютеры, углеродные нанотрубки,
использование нанотрубок в практике).
11.
Сенсорные технологии, химическая аналитика, диагностика и
создание новых органов чувств (сенсорные системы – химические сенсоры, биосенсоры на основе одно и двухцепочечных нуклеиновых кислот).
12.
Мембранные технологии: проблемы чистой воды и мембранная электрохимия.
13.
Ферменты. Биокатализ. Возможности биомиметики.
14.
Фемптосекундная спектроскопия – метод изучения переходных
состояний химических реакций (фемптохимия).
15.
Проблемы энерго- и ресурсосбережения в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии.
16.
Последние достижения в области нефтехимии и нефтепереработке.
17.
Синтез-газ как альтернатива нефти.
18.
Каталитические технологии для энерго-, ресурсосбережения и
защиты окружающей среды.
19.
Многослойные оптические диски накануне революции (создание многослойных флуоресцентных дисков).
20.
Микроэлектронные технологии.
122
21.
Современные биотехнологии.
22.
Химические технологии и экономика.
23.
Захоронение радиоактивных отходов.
24.
Химические монополии их традиции и перспективы.
25.
Может ли химия влиять на политику? Ресурсосберегающая политика, энергосберегающая политика, политика в области охраны окружающей среды, военная политика и новейшие разработки «несмертельного» химического оружия.
ЕСТЕСВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ.
ХИМИЯ ЗДОРОВЬЯ
(естественнонаучные аспекты обеспечения жизнедеятельности)
1.
Равновесие химических процессов.
2.
Современное представление о происхождение жизни.
3.
Эволюция жизни (химический аспект).
4.
Управление процессами жизнедеятельности с химической точки зрения.
5.
Система антиоксидантной защиты клеток организма.
6.
Продление человеческой жизни – реальность или перспектива?
7.
Химия вкуса; химия цвета; химия запаха – новейшие разработки.
8.
Химия живого: химия мозга, памяти, мышления, сознания, чувств.
8.2. Требования к оформлению реферата
В реферате необходимо кратко изложить последние достижения химии и тенденции развития в области современных материалов, технологий,
энергетики будущего, проблем управления процессами жизнедеятельности
с точки зрения химии.
Реферат является одним из видов научно-исследовательской работы
студентов и представляет собой способ самостоятельной работы с литературой.
Данная форма самостоятельной работы является обязательной для
всех студентов, изучающих курс «Концепции современного естествознания».
Реферат защищается студентом на семинарском занятии (доклад на 57 минут) или на собеседовании с преподавателем.
В реферате должны быть рассмотрены современные достижения химии в обсуждаемой области.
Текст реферата печатается на листах формата А4 шрифтом Times New
Roman, размер шрифта 12, междустрочный интервал 1.5, выравнивание –
по ширине, абзац - 1 см («красная строка»). Формат заголовков: размер
шрифта 14, жирный, отступ сверху и снизу – 6 пт, положение на странице
– «не отрывать от следующего». Каждый раздел реферата начинается с новой страницы.
123
Необходимый объем реферата 10-15 машинописных листов. Рекомендуемый объем доклада 2-3 машинописных листа.
В реферат необходимо включить следующие разделы:
Содержание работы (не нумеруется)
Введение (не нумеруется, в нем необходимо кратко отразить актуальность темы, 1-1.5 листа).
1. Основная часть (содержит характеристику сущности явления и его
основных особенностей, важнейших областей применения материалов и
технологий; в тексте должны быть пояснены основные понятия и термины, используемые в данной работе и прикладной аспект обсуждаемых материалов или технологий.
2. Заключение (содержит краткий анализ работы (короткое резюме) и
собственные выводы (1 лист). В нем следует отметить перспективы применения материала или технологии в будущем, отметить факторы, сдерживающие применение обсуждаемого материала или технологии (если
имеются).
В заключении не должно быть новой информации, не обсужденной в
основной части реферата!
3. Список используемой литературы
(Автор(-ы) книги (статьи), название книги (статьи) // название издательства (для статьи – название журнала), год издания книги (для статьи –
год выпуска, номер журнала), количество страниц в книге (для статьи –
номера страниц).
ОБРАЗЕЦ оформления ссылки на статью
Дупленко Ю.К. Старение: очерки развития проблемы // Химия и жизнь
XXI век. 2000. № 10. С. 45–48.
ОБРАЗЕЦ оформления ссылки на книгу
Исикава Н.Р., Кобаяси Е.Н. Фтор: химия и применение. М.: «Мир».
1982. 298 с.
5. Приложения
При необходимости в приложении приводят дополнительную информацию, которую представляют в виде таблицы. В тексте обязательно
должна быть ссылка на приведенные табличные данные. Приложения размещают после списка литературы и нумеруют в соответствии с порядком
упоминания в тексте.
124
ОБРАЗЕЦ оформления приложения
Приложение 1
Сравнительная характеристика полимерных материалов
Таблица 1
Полимер
Удельный вес
Молекулярная масса
9. Итоговый контроль знаний
9.1. Обучающий тест № 1
(выбрать правильный ответ и дополнить)
I. Самым распространенным металлом в земной коре является:
1. олово; 2. алюминий; 3. кремний; 4. железо; 5. натрий; 6. кальций.
Промышленный выпуск этого металла был начат только после открытия………………………(технология производства)………………………….
II. К важнейшему преимуществу керамики перед металлом следует
отнести:
1. пластичность; 2. прозрачность; 3. устойчивость к деформации на
сжатие; 4. свариваемость; 5. легкость механической обработки; 6. химическую инертность.
III. Для получения керамических изделий, как правило, используют
процессы:
1. электролиза; 2. спекания; 3. облучения; 4. флотации; 5. осаждения;
6. эмульгирования.
В состав сверхпрводящей (при низких температурах) керамики входят
соединения
следующих
переходных
металлов………(перечислить)………………………….
IV. К классу перфторуглеродов следует отнести соединение следующей брутто-формулы:
1. С3F7H; 2. С10F8; 3. С4F8Cl2; 4. С2Br6; 5. С3F7Cl; 6. СF2Cl2
В отличие от фреонов, они содержат в своей структуре только
………и……………(указать элементы).
V. Кристаллогидратами называют соединения, в структуре которых
присутствуют молекулы…………, например, хлорид кобальта. В зависимости от условий хранения, он образует разные по составу ……..соли,
которые, в сухом и влажном состоянии окрашены в следующие цвета:
1. красный и розовый; 2. розовый и синий; 3. голубой и красный; 4.
красный и синий; 5. зеленый и пурпурный; 6. черный и коричневый.
125
Наличие влаги в любом образце можно установить по цвету гранул
данного соединения. При отсутствии влаги гранулы безводного хлорида
кобальта имеют…………цвет, а во влажном состоянии - …………цвет.
VI. Шерстяная нить состоит главным образом из полимерных макромолекул, построенных из остатков
1. гидроксикислот; 2. аминокислот; 3. спиртов; 4. глюкозы; 5. фруктозы;
6. жиров,
соединенных между собой …(тип)…… связями. Эти связи легко разрушаются в ……………среде.
VII. Значение pH раствора питьевой соды ………. (указать формулу)
находится в следующем интервале значений:
1. 6-7; 2. 3-5; 3. 1-4; 4. 7-9; 5. 10-12; 6. более 12.
Это обуславливает применение данного соединения в следующих областях:
…………………………………………………………………………………………
VIII. Присутствие крахмала можно установить, используя качественную реакцию с……… Данная реакция обусловлена наличием линейной
фракции, которая называется……………….
IX.
Изомеры
–
это
вещества,
имеющие………………………………………………………………………Так, изомерами
являются:
1. глюкоза и амилоза; 2. мальтоза и сахароза; 3. фруктоза и мальтоза;
4. глюкоза и мальтоза; 5. галактоза и сахароза; 6. фруктоза и сахароза.
Доказать их различие в строении можно качественной реакцией с
реактивом Фелинга. С помощью этой реакции можно определить
………………………группу молекуле ……………(указать молекулу выбранного углевода).
X. Реактив Селиванова позволяет обнаружить кетонную группу в:
1. глюкозе; 2. крахмале; 3. фруктозе; 4. мальтозе; 5. сахарозе; 6. лактозе.
Под
действием
данного
реактива
водный
раствор
………………………(указать моносахарид) окрашивается в ………цвет, в
отличие от раствора ее изомера -…………………(указать изомерный моносахарид
XI. Элемент марганец, входящий в состав перманганата калия …….
является сильным ………………….., и в зависимости от условий может
126
восстанавливаться до разных степеней окисления. Так, в нейтральной
среде он восстанавливается до степени окисления
1. +2; 2. +4; 3. +6; 4. +7; 5. +1; 6. 0.
Вследствие этого процесса цвет реакционной массы
1. зеленый; 2. коричневый; 3. бесцветный; 4. синий; 5. темнорозовый; 6. черный.
9.2. Обучающий тест № 2
(выбрать правильный ответ и дополнить)
I. Изомеры, отличающиеся друг от друга как объект и его зеркальное
отображение, называют…………………………и относят один из них к ….ряду, а другой к …-ряду.
К изомерам такого рода относят карвоны, которые отвечают за
запахи………………… и ………………соответственно.
II. Cуществует …………(количество) аллотропных модификаций углерода:………………………………………………………………………(перечислить),
которые
отличаются
друг
от
друга
строением………………………………….
Последней открыты ………………., которые представляют собой
шарообразные каркасные структуры, поверхность которых состоит из
соприкасающихся ………и …………-угольников с ………числом атомов углерода. Самой устойчивой является каркасная структура с числом атомов, равным
1. 34; 2. 60; 3. 300; 4. 67; 5. 125; 6. 240.
III. Основу живых систем составляет …………(количество) элементов-органогенов:
1. O,K,H,C,P,S; 2. S,P,H,N,C,O; 3. O,C,P,N,H,Mg; 4. N,S,C,O,H,В; 5.
N,S,C,O,H,F; 6. N,S,C,O,H, I
IV. Скорость разложения перекиси водорода до ……..и
……………наибольшая в присутствии:
1. аммиака; 2. сульфата меди; 3. оксида марганца; 4. хлорида кобальта;
5. сульфата железа (III); 6. сульфата кобальта
Указанные соединения являются ………………., основной принцип действия которых заключается в снижении…………………………….……
V. Ферменты – это биологические ………………….., по химической
структуре являющиеся………………………………
Ферменты отличаются высокой ………………….по отношению к субстрату, иными словами, фермент и субстрат подходят друг к другу
как)……………………………..
127
VI. При необратимом осаждении белка (………термин……...) происходит:
1. разрушение гидратной оболочки белка; 2. разрушение первичной и
вторичной структуры белка; 3. разрушение третичной и вторичной структур белка; 4. распад белка на составляющие его аминокислоты.
Факторами, способствующими необратимому осаждению, являются:……………………………………………………………………
VII. Реакции, в которых реагирующие вещества не имеют границы
раздела фаз называются…………………………………, а имеющие такую
границу -………………………. Реакцией второго типа является
взаимодействие………………... (привести пример из лабораторного
VIII. Химические реакции могут быть обратимыми и необратимыпрактикума).
ми, причем большинство процессов носит………………характер.
В
результате
взаимодействия
может
установиться
……………………., при котором совпадают ……………..………………
………………………………….
Управлять
химическим
…………………………можно, изменяя:
1. объем реакционного сосуда; 2. концентрации реагирующих веществ; 3. поверхность раздела фаз; 4. тип катализатора; 5. поверхность катализатора.
IX. Потенциальное альтернативное топливо синтез-газ состоит из
1 O2 и H2; 2. CO и H2; 3. CO и H2O; 4. CO2 и O2; 5. CO2 и H2.
X. Редкоземельными элементами являются:
1. лантан и актиний; 2. лантан и церий; 3. лантан и магний; 4. лантан
и барий; 5. лантан и франций.
Основное применение редкоземельные элементы нашли в производстве:
1. антидетонационных присадок к топливу; 2. сильных постоянных
магнитов; 3. датчиков постоянного давления; 4. бетона повышенной прочности; 5. лакокрасочных материалов.
XI. Сверхкритическим называется состояние вещества, при котором
в веществе, находящемся под определенным давлении при заданной температуре отсутствует ………………………. В сверхкритическом состоянии вещество приобретает ряд неожиданно полезных свойств:
1. сверхпроводимость; 2. высокая теплопроводность; 3. высокая вязкость; 4. избирательная преломляемость света; 5. высокая проникающая
способность.
XII. Сверхкритическое состояние вещества используют для создания
1. эффективных растворителей; 2. добавок к топливу; 3. питательных
сред; 4. сверхпроводящих сред; 5. низкотемпературной плазмы.
128
9.3. Вопросы к экзамену
1. Наиболее важные концепции Естествознания.
2. Химия, как часть Естествознания. Представления о химии как о
системе научных знаний.
3. Основная двуединая проблема химии и способы ее решения. Иерархия концептуальных систем химии.
4. Эволюция понятия химический элемент. Работы Бойля, Лавуазье,
Деберейнера, Менделеева. Периодический закон. Современная трактовка
химического элемента.
5. Развитие представлений о химическом соединении. Концепция дискретной организации вещества. Концепция непрерывной организации вещества. Дальтониды и бертоллиды.
6. Эволюция представлений о химической связи. Гравитационная,
электрическая, электронная теории химической связи. Современная теория
химической связи - метод молекулярных орбиталей.
7. Современное определение химического соединения.
8. Эволюция понятия структуры. Представления Дальтона, Бецеллиуса о структуре вещества. Теория Кекуле. Теория Бутлерова и основные ее
положения. Практические следствия теорий Кекуле и Бутлерова.
9. Возможности и пределы структурной химии.
10. Современные представления о структуре веществ. Особенности
структуры «сэндвичевых» соединений (ферроцен). Миграция химической
связи (бульвален).
11. Химия твердого тела и ее прикладные задачи.
12. Химическая кинетика и химическая термодинамика - основные
разделы учения о химическом процессе.
13. Факторы, влияющие на скорость химического процесса: концентрация, температура, катализаторы.
14. Основной закон химической кинетики.
15. Правило Вант-Гоффа, уравнение Аррениуса. Теория активных соударений. Энергия активации.
16. Фемптохимия как новый раздел химии переходных состояний.
17. Обратимые химические реакции. Химическое равновесие. Принцип Ле Шателье. Влияние концентрации, температуры и давления на смещение равновесия.
18. Катализ и его сущность.
19. Физические и химические теории катализа. Теория расслабленного
сродства. Мультиплетная теория Баландина.
20. Биокатализ. Ферменты.
129
21. Субстратный подход к проблеме самоорганизации предбиологиче-
ских систем. Формы вещественной основы химической эволюции.
22. Картина химической эволюции в субстратном подходе.
23. Функциональный подход к проблеме самоорганизации предбиологических систем.
24. Теория химической эволюции и биогенеза А.П. Руденко.
25. Перспективы использования разных элементов для получения современных материалов.
26. Современные керамические материалы, особенности их состава и
области применения.
27. Электропроводящие полимеры и области их применения.
28. Перфторуглероды, их свойства и области их применения. Перфторан.
29. Редкоземельные элементы, области их применения.
30. Свойства и области применения многопалубных «сэндвичевых
комплексов. Ферроцен, никелоцен, ванадоцен.
31. Супрамолекуларная химия. Соединения, способные к самосборке
(краун-соединения), и области их применения.
32. Химия нековалентных связей. Особенности строения молекулярных комплексов (ротаксаны, катенаны) и области их применения
33. Фуллерен-новая аллотропная модификация углерода. Углеродные
нанотрубки, фуллеролы, фуллераны, фуллериды.
34. Плазмохимические технологии.
35. Технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.
36. Радиационно-химические технологии.
37. Микро и нанотехнологии.
38. Биотехнологии. Генная инженерия.
39. Мембранные технологии.
40. Сверхкритические среды. Технологии, основанные на их использовании.
41. Водородный показатель (рН), его значения в нейтральных, кислых
и щелочных средах.
42. Характеристика химических реакциий: гидролиз, нейтрализация,
комплексообразование, окислительно-восстановительные процессы.
43. Реагенты качественных реакций на кетонную и альдегидную группу в органических соединениях, на ионы железа (III) и катионы водорода
(протоны).
10. Рекомендуемая литература
10.1. Основная литература
1.
Кузнецов В.И., Идлис Т.М., Тутина А.Н. Естествознание. М.:
«Агар». 1996.
130
2.
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск. 2001.
3.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.:
«Академический Проект», 2002.
4.
Стрельник О.Н. Концепции современного естествознания:
краткий курс лекций. М.: «Юрай-издат». 2003.
5.
Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания.
Курс лекций. Ростов: «Феникс». 2003.
10.2. Дополнительная литература
5.
Фримантл М. Химия в действии. В 2-х ч. / Пер. с англ. М.:
«Мир». 1991.
6.
Концепции современного естествознания / Под ред. проф. Лавриенко В.Н., проф. Ратникова В.П. М.: «Культура и спорт». Издательское
объединение «Юнити». 1997.
7.
Гуляев С.А., Жуковский В.М., Комов С.В. Основы естествознания. Екатеринбург. 1997.
8.
Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. М.:
«Культура и спорт». Издательское объединение «Юнити». 1997.
9.
Зимон А.Д. Занимательная физическая химия. М.: Изд-во
«Владмо». 1998.
10.
Кравченко В.В. Тесты по курсу «Концепции современного естествознания». М.: Издательство «Экзамен». 2003.
131