Синтез веществ основа современных технологий

Содержание

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. Синтез химических веществ
  • 1. 1. Управление химическими процессами
  • 1. 2. Синтез органических и неорганических соединений
• 2. Общие тенденции развития современной химии
• 3. Плазмохимия
• 4. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез
• 5. Химические реакции при высоких давлениях
• 6. Процессы получения твердых веществ с участием
• газофазных реакций
  • 6. 1. Синтез алмазов
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• Литература

В данной работе рассматриваются основные тенденции развития современной химии, ее приоритетные направления в конце двадцатого и начале двадцать первого веков. Работа состоит из нескольких подразделов, где анализируются более подробно некоторые аспекты развития химии в двадцать первом веке; в частности в данной части присутствуют такие подразделы, как плазмохимия, синтезы твердых веществ. Приводятся также области применения данных новых направлений.

Химия — наука социальная. Её высшая цель удовлетворять нужды каждого человека и всего общества. Многие надежды человечества обращены к химии. Молекулярная биология, генная инженерия и биотехнология, наука о материалах являются фундаментально химическими науками. Прогресс медицины и охраны здоровья — это проблемы химии болезней, лекарств, пищи; нейрофизиология и работа мозга — это, прежде всего нейрохимия, химия нейромедиаторов, химия памяти. Человечество ждёт от химии новых материалов с магическими свойствами, новых источников и аккумуляторов энергии, новых чистых и безопасных технологий, и т. д.

Актуальность темы состоит в том, что синтез новых химических соединений и разработка новых методов синтеза — это важная проблема химии, представляющая большой интерес и для физики, биологии, геологии, медицины, а также различных технических наук. К настоящему времени количество химических соединений, сведения о которых можно найти в научной литературе, превысило 10 млн. Синтезы новых соединений и поиски новых методов синтеза продолжаются.

Цель данной работы показать необходимость синтеза веществ для современных технологий.

1. СИНТЕЗ ХИМИЧЕСКИ ВЕЩЕСТВ Управление химическими процессами

Современное учение о химических процессах включает фундаментальные знания многих отраслей естествознания и прежде всего физики, химии, биологии и др. Стремление ученых создать лаборатории живого организма, где можно было бы воспроизводить химические процессы в биологических системах, свидетельствует о необходимости органической взаимосвязи разных естественно-научных отраслей.

Наш соотечественник, лауреат Нобелевской премии по химии 1956 г., выдающийся химик Н. Н. Семенов (18 961 986), создавший общую теорию цепных реакций и основавший химическую физику, считал себя физиком. Он полагал, что химический процесс нельзя рассматривать без восхождения от таких простых объектов познания, как электрон, нуклон, атом и молекула, к живой биологической системе, ибо любая клетка любого организма представляет собой, по существу, сложный химический реактор. В этой связи любой химический процесс это переходной мост между физическим и биохимическим объектами.

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

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

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

Для количественного анализа исследуемые сложные смеси и соединения делятся на компоненты. Для этого применяется универсальный метод хроматография. Его сущность заключается в том, что различные вещества в жидкой или газообразной фазе обладают разной прочностью связи с поверхностью, с которой они находятся в контакте. С помощью хроматографии можно разделить и зафиксировать чрезвычайно малое количество вещества в смеси около 10~ 12 г. Кроме того, хроматография позволяет разделить многокомпонентные газообразные смеси, содержащие вещества разного изотопного состава.

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

В управлении химическими процессами важную роль играют предварительые расчеты, позволяющие определить свойства синтезируемых молекул. Еще в первой половине XX в. с развитием квантовой теории появилась возможность рассчитывать взаимодействие электронов и атомных ядер при химических реакциях. Однако на практике такие расчеты долго оставались недостижимыми: уж слишком сложны уравнения квантовой механики для комплексных объектов молекул и даже атомов с множеством движущихся электронов. Решение подобной задачи стало возможным при учете электронной плотности, а не движения отдельных электронов в молекуле или атоме. Такой подход позволяет рассчитывать свойство и структуру даже весьма сложных молекул, например белковых. За решение данной задачи квантовой химии австрийский физик Вальтер Кон и английский математик и физик Джон Попл (оба ученых работают в США) удостоены в 1998 г. Нобелевской премии по химии.