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 (1764-1833гг), 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 растворителей, 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.
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:
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 фотокатализаторы 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).