Концепции современного естествознания 2 4 (стр. 10 из 15)

A+B®C

V=kCA·CB

C в молях на литр, k – коэффициент.

g - температурный коэффициент реакции, g=2…4

Правило Вант-Гоффа: При повышении температуры на 10° скорость реакции увеличивается в 2-4 раза.

Vt+Дt=60

Vt=40.

Скорость реакции зависит от энергии активации молекул.

Энергия активации – это так энергия, которая необходима молекуле, чтобы вступить в реакцию.

Eакт=40 кДж/моль (реакция нейтрализации)

Еакт=40-2000 кДж/моль (Например, N2+O2).

Огромное большинство химических реакций обратимы. Обратимость реакций мешает производству. Ле Шателье (188) вывел правило смещения равновесий: Если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия подействовать извне, то равновесие сместится в том направлении, которые ослабляют это воздействие. Изменяется температура, концентрация, давление.

1. Смещение равновесия из-за изменения концентрации любого вещества, участвующего в реакции.

2. Смещение равновесия вследствие изменения температуры реакции.

3. Смещение равновесия вследствие изменения давления.

Катализ – изменение скорость реакции под действием веществ, называющихся катализаторами, которые участвуют в химической реакции но остаются химически неизменными.

Катализ может быть положительным, то есть, скорость реакции увеличивается, а может быть отрицательным, скорость замедляется. В этом случае вещество называется не катализатором, а ингибитором.

Если продукты реакции, катализатор и реагенты находятся в одной фазе (газ, жидкость, твердое), то реакции называются гомогенными, если нет, то гетерогенными. Катализатор снижает энергию активации и увеличивает число активных молекул. Если катализатор ввести в обратимую реакцию, то он повышает скорость прямой и обратной реакции одинаково. Катализатор не смещает равновесие.

Электрокатализ – реакции идут на поверхности электродов.

Фотокатализ – когда используется энергия поглощенного излучения (фотосинтез, многие реакции получения полимеров).

Ферментативный катализ – под действием ферментов (биокатализаторов). Другое название ферментов – энзимы, а наука о них – энзимология. Отличие ферментов от промышленных катализаторов: ферменты – белковые молекулы, включающие небольшое количество комплексов металлов, от которых зависит активность фермента. Фермент работает при физиологической температуре и давлении. Он долго работает без регенерации. Они расходуются в течение жизни. Ферментативное ускорение реакции – в десятки и сотни миллионов раз!!! Одна молекула фермента за одну минуту способна превратить 36 000 000 молекул исходных элементов. Природные ферменты способны к самоорганизации. Недостаток ферментов: живут только внутри клетки, вне ее разрушаются спустя несколько минут; при высокой температуре происходит денатурация, у каждого из них своя среда.

В энзимологии возникло три направления:

1. Очистка природных ферментов.

2. Разработка искусственных ферментов.

3. Моделирование работы живой клетки.

Полимеры

На современном этапе синтетическая химия – это химия полимеров. Они бывают природные, синтетические и искусственные. Природные: белки, нуклеиновые кислоты, клетчатка, кожа, каучук, шёлк – продукты жизнедеятельности организмов; многие минералы. В 1974 году Вакрамасиндхе обнаружил полимер формальдегида в облаках межзвездной пыли. H-COH. Полимерное состояние вещества – одна из форм существования материи во вселенной. Искусственные полимеры – из природных материалов – ацетатное волокно, искусственный шёлк, искусственный каучук. Синтетические – из неорганических или простых органических веществ. Аналога в природе не имеют. Используют реакции полимеризации и поликонденсации для получения всех типов полимеров. Полимеризация – много мономеров соединяются в цепочку. Очень чувствительны к примесям, выделить вещество на определенной промежуточной стадии реакции невозможно. Поликонденсация – постепенное присоединение мономеров. Значит, реакцию можно остановить на каком-либо этапе, получив промежуточные вещества. Реакции поликонденсации не слишком чувствительны к примесям. Все природные полимеры получаются реакцией поликонденсации. Реакция поликонденсации сыграла большую роль в эволюции живых организмов (белки, нуклеиновые кислоты). Реакция полимеризации в природе не существует. К настоящему времени получено около пятисот тысяч различных полимеров. Самые важные из них, «три кита» - полиэтилен, полистирол и поливинилхлорид.

- реакция полимеризации этилена.

- структурная формула полистирола.

- структурная формула поливинилхлорида.

Полистирол – основа получения всех искусственных каучуков. Более пятисот модификаций этого полимера . Более 10 видов каучуков.

Термопласты делают на основе этих же трех веществ (выдерживают высокую температуру). Эластомеры (искусственная кожа) делают из полистирола. В год производится более 40 миллионов тонн этих трех полимеров.

Синтетические ткани (более 50% тканей – синтезированных). Первая ткань - ацетатный шёлк. Очень прочный, но прилипает к телу, закупоривая поры (используется при изготовлении парашютов). Современные – интеллигентные волокна – акрил или полиэстер. Их не надо гладить. 10000 м волокна Ш=0,006 мм весят менее 1 грамма. Кевлар также получен из акрила. Он прочнее стали на разрыв. Используется в бронежилетах и салонах автомобилей. Недостаток всех синтетических волокон – ксенобиотизм: они не расщепляются бактериями. Разрушаются только под воздействием озона и ультрафиолетового излучения. Наиболее активное направление – в поиске ферментов. В частности, разрушающих синтетические полимеры. Возможная замена металлов полимерами. Протезирование, в эти случаях нужны полимеры, которые не разлагаются. Композиционные материалы – это сплавление разных материалов, например, металлокерамика (BNSiO2) – по твердости не уступает алмазу, CuSi – карборунд, BN – нитрид бора. Si-Al-O-N – твердые, термостойкие, легко окрашиваемые, часто используются в качестве металлов.

Жидкие кристаллы – это жидкости, которые обладают, как и кристаллы, оптическими свойствами. Это органические полимеры. Известны уже 100 лет. Используются в жидкокристаллических индикаторах, калькуляторах, мониторах. По энергосбережению не имеют себе равных. Под действием очень слабого электрического поля нарушается ориентация этих молекул, в результате чего сразу изменяются оптические свойства полимерных молекул.

Оптические кристаллы – это тончайшие кварцевые нити для передачи информации на большие расстояния. Получена высокопрочная нить из SiO2

Чистый SiO2®охлаждение на кварцевые трубочки®вытягивание в нити. Ш=0,1 толщины волоса.

Это называется волоконной оптикой.

Радиационная химия – исследование влияния жёстких лучей (гамма-лучей, ультрафиолетовых, рентгеновских) на протекание химических реакций. Полиэтилен теперь получают под воздействием гамма-лучей. Эти излучения ускоряют реакции. В 1961-м году Поляни создал первый химический лазер. Использовал тепло цепных реакций.

Плазмохимия – проведение химических реакций в струе плазмы. Реагенты смешиваются с плазмой, а потом уже происходит реакция.

CH4®C2H2

l=65 см, Ш=15 см – размеры плазмотрона для этой реакции.

T=3000°C (плазма), за 10-4 с 80% CH4 превращается в C2H2. За сутки в таком плазмотроне можно получить 75 тонн ацетилена. Плазмохимия используется для получения качественных порошков для порошковой металлургии.

Получение ферментов (энзимов). В современной энзимологии существует три направления получения ферментов:

1. Выделение и очистка природных ферментов.

2. Разработка и синтез искусственных ферментов (искусственных гормонов, витаминов и т.п.).

3. Моделирование работы живой клетки.

Исследование автоколебательных реакций – это химические процессы, являющиеся самоорганизующимися. Белоусов и Жаботинский в 1953 году.