Физика и химия микромира.

Приведены основные понятия мира элементарных частиц. Рассмотрено одно из основных свойств материи – взаимодействие. Обсуждены успехи химии в области создания новых матери-алов, методов управления химическими процессами. Рассмотрение проблем эволюционной химии подготавливает переход к рассмотрению живых систем.



Дидактический план

Основы физики микромира.

Строение атома. Поле и вещество. Мир элементарных частиц. Характеристика элементарных частиц и их классификация. Основы кварковой теории. Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества.

Физическое взаимодействие.

Общая характеристика физических взаимодействий. Гравитационное взаимодействие. Элек-тромагнитное взаимодействие. Слабое взаимодействие. Сильное взаимодействие. Теории Вели-кого объединения и Суперобъединения.

Понятие о веществе и его свойствах.

Твердые вещества. Жидкости. Газы. Плазма.

Становление и развитие химии.

Открытие основных законов химии. Периодический закон Д.И.Менделеева и его развитие. Взаимосвязь химии и физики. Проблема создания новых материалов. Методы управления химическим процессом. Катализ и его роль в химии. Эволюционная химия и ее основные проблемы.


Основы физики микромира

Новая физика началась с изучения строения атома. Атомизм, забытый в Средние века, был возрожден Р. Декартом и сохранился практически в первоначальном виде до конца XVIII в. Но реальность существования атомов, атомное строение вещества было установлено лишь в XIX в.


Строение атома

Отказ от классического представления об атомах как неделимых частицах произошел
в 1897 г., когда Дж. Томсоном был открыт электрон – отрицательно заряженная частица, входя-щая в состав всех атомов. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, а атом в целом электронейтрален, было сделано предположение, что в нем помимо электрона должна быть положительно заряженная частица. Опыты Э. Резерфорда, в которых он бомбардировал альфа-частицами листки металлической фольги, показали, что альфа-частицы отклоняются при ударе на самые разные углы, в том числе и на 180°. Это означало, что частицы встречают на своем пути массивную, положительно заряженную преграду очень малых размеров.

Так было открыто атомное ядро – положительно заряженная микрочастица, которая намного меньше атома, но в ней почти полностью сосредоточена его масса.

Еще один шаг к углублению знаний о строении материи был сделан при открытии радиоактивности А. Беккерелем в 1896 г., когда он случайно обнаружил, что соли урана засвечи-вают лежащую в столе фотопластинку. В ходе дальнейших исследований было установлено, что некоторые элементы в естественных условиях могут испускать радиоактивные лучи и в результате превращаться в другие химические элементы. Эти открытия опровергали представления об атомах как о твердых и неделимых структурных элементах вещества.

Удачная модель атома была предложена Резерфордом после его опытов с альфа-частицами в 1911 г. Это была так называемая планетарная модель атома, напоминавшая Солнечную систему.
В центре атома находилось положительно заряженное ядро, вокруг которого вращались отрицательно заряженные электроны, похожие на маленькие планеты.

Другое направление исследований было связано с изучением поля и волновых процессов в нем. Ведь к началу XX в. в физике существовало два противоположных представления о материи – корпускулярное и континуальное. Тогда считалось, что они никак не связаны друг с другом.

Одной из сложнейших проблем физики этого времени было построение теории теплового излучения абсолютно черного тела. Дело в том, что в соответствии с расчетами классической электродинамики, оно должно было неограниченно возрастать, а это явно противоречило опыту.
И в 1900 г. М. Планк предположил, что излучение энергии происходит не непрерывно, а опреде-ленными порциями – квантами. Эта гипотеза стала началом новой эры в физике, так как ее начали применять с большой пользой для объяснения других явлений, также не поддававшихся объяснению в рамках классической физики.

Так, в 1905 г. А. Эйнштейн ввел понятие кванта света и использовал его для объяснения фото-эффекта. При этом было доказано, что свет обладает одновременно и корпускулярными, и волно-выми свойствами. Так появилось понятие о корпускулярно-волновом дуализме, позже распро-страненном на весь микромир. Это был революционный шаг – признать, что свет распростра-няется как волна, но излучается и поглощается как частица. После этого стало понятно, как возникает фотоэффект – выбивание электрона из вещества под действием света: фотон выбивал электрон, если он имел достаточную энергию (а значит, достаточно большую частоту), способную преодолеть силы связи электрона с веществом.

В 1913 г. Н. Бор применил идею кванта для решения вопроса о строении атома, уточнив пла-нетарную модель атома Резерфорда. Бор показал, что система атома существует на основе электромагнитных сил, а не гравитационных, как считал Резерфорд. Также модель атома Бора уточняла, что в каждом атоме существует несколько стационарных орбит электронов, двигаясь по которым, они не излучают энергии. Лишь при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает энергию.

Модель атома Бора хорошо описывала атом водорода – самого простого из всех возможных элементов, так как он состоял из одного протона и одного электрона. Когда же он попытался распространить свою модель на многоэлектронные атомы, то столкнулся с большими трудностями. Полученные на практике орбиты электронов в таком атоме сильно расходились с расчетными значениями, в связи с чем пришлось признать, что электрон тоже обладает волновой природой. Поэтому электрон – не шарик, не точка, он обладает особой внутренней структурой, которая до сих пор неизвестна. В действительности электроны как бы «размазаны» по атому, образуя электронное облако.

Следующий шаг в создании новой теории был сделан Луи де Бройлем, выдвинувшим в 1924 г. гипотезу о волновых свойствах материи. Он довел идею кванта до логического конца и утверждал, что волновые свойства присущи не только квантам света и электронам, но и протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Разумеется, применительно к макроскопическим телам это не реальные волны, а абстрактно-математические или, как их назвал М. Борн, «волны вероятности». Также их называют волнами де Бройля. Экспериментальные свидетельства, подтверждающие идею ученого, были получены в 1927 г. с открытием явления дифракции элект-рона. Позже была открыта дифракция нейтронов, атомов и даже молекул.

Так корпускулярно-волновой дуализм стал важнейшим свойством материи на микроуровне. Любой объект демонстрирует как свойства частицы, так и свойства волны. В силу этого любая микрочастица обладает дополняющим друг друга набором характеристик, что приводит к осознанию того факта, что существовавшее длительное время деление материи на поле и вещество на самом деле весьма условно.


Поле и вещество

В литературе часто основные формы материи подразделяют на поле и вещество. Такое деление имеет некоторый смысл, но оно ограниченно. Под веществом подразумевают различные частицы и тела, которым присуща масса покоя, тогда как поля и их кванты массы покоя не имеют, хотя обладают энергией, импульсом и множеством других свойств.

Но поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу. Если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее пространство будет «занято» полями, на долю собственно частиц приходится ничтожная часть общего объема системы (примерно
10-36 – 10-40 объема), т.е. поля входят в структуру вещества. В свою очередь квантами полей выступают частицы, относящиеся к веществу. В этой неразрывной взаимосвязи частиц и полей можно видеть одно из важнейших проявлений единства прерывности и непрерывности в структуре материи.

Частицы обладают относительной прерывностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в пространстве. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами. При излучении и поглощении они проявляются относительно дискретно – в виде квантов: фотонов, мезонов и др. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования. Частицы вещества также нельзя представлять в виде
каких-то микроскопических шариков с абсолютно резкими гранями. Частицы неотделимы от полей, и не существует абсолютно четкой границы, где кончается собственно частица и начинается ее внешнее поле. В пограничной области существует непрерывный взаимопереход полей и частиц.


Мир элементарных частиц

Дальнейшее проникновение в глубины микромира связано с переходом от уровня атома к уровню элементарных частиц. По-прежнему мысль физиков была устремлена на то, чтобы свести все многообразие сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных частиц, которые можно было бы назвать элементарными. В строгом смысле слова такие частицы не должны содержать в себе каких-либо других элементов.

Однако в обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона.

Открытие элементарных частиц началось с конца XIX в. До 20-х годов XX в. были известны всего две частицы – электрон и фотон. Протон был открыт Резерфордом в 1919 г. при бомбарди-ровке атома альфа-частицами. Открытие большинства известных сегодня элементарных частиц происходило в два этапа.

Первый этап приходится на 30 – 50-е годы XX в. В 1932 г. был открыт лишенный электричес-кого заряда нейтрон, а в 1936 г. – позитрон, первая античастица, во всем подобная электрону, но обладающая положительным электрическим зарядом. В 1935 г. X. Юкавой было предсказано существование мезонов, которые позже были обнаружены в космических лучах. Далее были обнаружены нейтрино. Таким образом, к концу 50-х годов были известны 32 элементарные частицы, причем каждая новая частица была связана с открытием принципиально нового круга физических явлений.

Второй этап в открытии элементарных частиц приходится на 60-е годы, когда общее число известных частиц превысило 200. В это время основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. С их помощью удалось открыть такие античастицы, как антипротон и антинейтрон. В 70–80-е годы поток открытых частиц увеличился, среди них появились странные, красивые, очарованные частицы, а также резонансы. Сегодня известно около 350 элементарных частиц.


Свойства элементарных частиц

Несмотря на то, что количество открытых частиц продолжает расти, у всех у них можно отметить несколько общих свойств, одно из которых – корпускулярно-волновой дуализм (подробнее см. п. 1.7)

Второе свойство элементарных частиц было выделено, когда после открытия большого числа античастиц ученые заговорили о возможности существования антивещества и даже антимира. Это пока лишь гипотеза, но наличие почти у всех частиц соответствующих им античастиц на сегодня является установленным фактом. Античастицы отсутствуют лишь у фотона и двух мезонов. Античастицы по своим свойствам аналогичны обычным частицам, отличаясь лишь противопо-ложными знаками электрического заряда и магнитного момента. Возможно, что при переходе от мира к антимиру проявятся еще некоторые отличия – поменяются местами «право» и «лево», а время будет течь от будущего к прошлому.

При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции – превращение частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий (вещество превращается в излучение).

Еще одним важнейшим свойством элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость. При этом мы сталкиваемся с принципиально новым свойством вещества на микроуровне. Одним из основных методов познания мира сегодня является системный подход, рассматривающий весь мир как совокупность иерархически организованных систем. Это означает, что в любой системе мы можем выделить подсистемы и элементы системы, каждый из которых в свою очередь обладает своей внутренней структурой. Для элементарных частиц это утверждение неверно. Продукты превращения и распада элементарных частиц не более просты, чем исходные объекты. Это другие элементарные частицы. Почти каждая элементарная частица может быть составной частью другой элементарной частицы. Понятия «простое» и «сложное», «часть» и «целое» имеют на уровне микромира совсем другое, непривычное для нас значение. При этом скорее всего элементарные частицы все же обладают внутренней структурой, но нам она пока недоступна.


Характеристики элементарных частиц и их классификация

Элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. На основании некоторых из них можно дать классификацию элементарных частиц.

Так, одной из важных характеристик частиц является их масса. Причем во внимание берется масса покоя частиц, так как при движении частиц с большими скоростями их масса сильно возрастает. Это заставляло ученых некоторое время ошибочно считать, что они открыли новые частицы. За единицу отсчета берется масса покоя электрона. Он считается самой легкой из всех частиц. В зависимости от массы покоя все частицы можно разделить на:

? частицы, не имеющие массы покоя. Это фотоны, движущиеся со скоростью света;

? лептоны – легкие частицы. К ним относятся электрон и нейтрино;

? мезоны – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;

? барионы – тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона. К ним относятся протоны, нейтроны, гипероны.

Другой важной характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда – заряду электрона (–1). Заряд может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Должны существовать также частицы с дробным электрическим зарядом – кварки.

Время жизни – еще одна характеристика частиц. При этом различают стабильные и нестабильные частицы. К стабильным частицам относятся фотон, электрон, протон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома. Свободный нейтрон распадается в среднем
за 15 минут. Все остальные частицы – нестабильные, они существуют 10-10 – 10-24 с. Самые короткоживущие частицы называются резонансами. Эти частицы распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Их время жизни – 10-25 – 10-26 с. Существование этих частиц вычислено теоретически, в реальных экспериментах они не фиксируются. Разумеется, наиболее важная роль в мире принадлежит стабильным частицам, из которых и состоят все макротела.

По типу взаимодействия (см. раздел 2), в котором участвуют элементарные частицы, все они подразделяются:

? на лептоны, участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействиях;

? адроны, участвующие также и в сильном взаимодействии;

? частицы – переносчики взаимодействий.

Но самой важной характеристикой частиц является спин - собственный момент количества движения (импульса) частицы.

В классической механике такая величина характеризует вращение тела, например волчка. Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицы теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными шариками. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения в их непрерывной последовательности, спин принимает только положительные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка. Коэффициент пропорциональности называется спиновым квантовым числом. У одних частиц он имеет целочисленные значения (0, 1, 2), а у других – полуцелые значения (1/2, 3/2). Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частица со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота на 360°, а частица со спином 2 – после оборота на 180°. Чтобы легче представить себе частицы с различными спинами, можно провести аналогию и сравнить частицу со спином 0 с точкой, со спином 1 – со стрелой, а со спином 2 – со стрелой, заточенной с обеих сторон. Частицы со спином 1/2 принимают тот же вид при повороте на 720°.

Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Исходя из этого значения, можно систематизировать и классифицировать данные обо всех элементарных частицах, разделив их на частицы вещества и частицы полей.

Частицы с полуцелым спином называются фермионами (в честь известного физика Э. Ферми). Это не что иное, как частицы вещества, которые, хотя и обладают волновыми свойствами, в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы. К ним относятся такие известные частицы, как электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен 1/2. Известна частица, спин которой равен 3/2 – омега-гиперон. Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона,– частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния, т.е. совокупность характеризующих частицу параметров, не одинаковы. Этот закон в квантовой механике называется запретом Паули. Если бы этого запрета не существовало, то еще в первые мгновения существования нашей Вселенной образовавшиеся частицы вещества слиплись бы и превратились в более или менее однородное «желе», не позволив образоваться современной структурной Вселенной.

Частицы с целочисленным спином называются бозонами (в честь индийского физика Ч. Бозе). Бозоны – это кванты полей, которые, хотя и обладают корпускулярными свойствами, в классичес-ком пределе выступают как поля. На них запрет Паули не распространяется. Примером бозонов служат фотоны, спин которых равен 1, и мезоны, спин которых равен 0. Возможно, существуют частицы со спином 2 – гравитоны.

Лептоны. Это легкие элементарные частицы, спин которых равен 1/2. Наиболее известен из этой группы электрон – первая открытая элементарная частица. Другой хорошо известный лептон, но уже без электрического заряда, это нейтрино – практически неуловимая частица, обладающая очень высокой проникающей способностью. Нейтрино являются самыми распространенными частицами во Вселенной. Их существование получило экспериментальное подтверждение через тридцать лет после того, как они были предсказаны. Для этого физикам пришлось ждать создания ядерных реакторов, при работе которых испускается огромное количество нейтрино. Только тогда удалось зафиксировать лобовое столкновение одной частицы с ядром и тем самым доказать, что она действительно существует. Согласно некоторым данным, нейтрино обладает крохотной, но не нулевой массой в одну десятитысячную массы электрона. Если это так, то при преобладании нейтрино во Вселенной (их больше протонов и нейтронов в миллиард раз) в будущем наш мир может ждать коллапс, стягивание Вселенной в маленькую точку.

Среди прочих лептонов следует назвать мюон, открытый в 1936 г. в продуктах взаимодейст-вия космических лучей. Он оказался одной из первых открытых нестабильных частиц. Во всех других отношениях, кроме стабильности, он напоминает электрон – имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу. Мюоны широко распространены в природе, на их долю приходится значительная часть фонового космического излучения, регистри-рующегося на поверхности Земли.

В конце 70-х годов был обнаружен еще один лептон, названный тау-лептоном. Он тяжелее мюона, в остальном же похож на него и на электрон.

В 60-е годы было установлено, что существует несколько видов нейтрино – в паре с каждым заряженным лептоном. Таким образом, есть электронное, мюонное и тау-лептонное нейтрино.

В таком случае, общее число лептонов равно шести. С учетом того, что у каждого лептона есть античастица, общее число этих частиц – 12.

Адроны. Этих частиц известно сотни. Они также являются фермионами. Наиболее известными адронами являются протоны и нейтроны, их еще называют барионами. Остальные частицы этого класса нестабильны и быстро распадаются. Помимо барионов, к адронам также относятся тяжелые частицы – гипероны, мезоны и большое количество резонансов. Исследования 50-х годов показали, что, скорее всего, адроны не являются элементарными частицами, а построены из более мелких составляющих. Тайна адронов была открыта в 60-е годы, когда была создана кварковая модель адронов.

Частицы – переносчики взаимодействия. Лептоны и адроны, являющиеся фермионами, представляют собой вещество нашего мира. Но есть еще один тип частиц, которые не являются веществом, а обеспечивают только соединение, взаимодействие частиц вещества между собой, не позволяя миру распадаться на части. Эти частицы являются бозонами.

Существует четыре типа фундаментальных физических взаимодействий. У каждого из них – свои частицы-переносчики. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон, гравитационного взаимодействия – гравитон, слабого взаимодействия – три тяжелых векторных бозона, сильного взаимодействия – глюоны.


Основы кварковой теории

Кварковая теория – это теория строения адронов, представляющая собой еще один шаг в глубь материи. Она сформулирована в 1963 г. после того, как было высказано предположение, что все адроны построены из более мелких частиц. Авторами кварковой теории стали Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг из Калифорнийского технологического института. Кварки являются фермионами, так как их спин равен 1/2, вместе с лептонами они на сегодняшний день являются подлинно элементарными частицами, внутренняя структура которых неизвестна.

Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц – кварков. Этот термин был выбран совершенно произвольно и демонстрирует своеобразное чувство юмора физиков – авторов этой теории. Слово «кварк» было позаимствовано из романа
Д. Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого снился сон, в котором летали чайки и кричали: «Три кварка для мистера Марка!» В переводе с немецкого это слово означает «чепуха».

Кварки – это электрически заряженные частицы, причем их заряд – дробное число. Он может быть равен либо –1/3, либо +2/3 заряда электрона. Кварки могут соединяться друг с другом двумя способами – парами и тройками. Соединение трех кварков образует барионы, среди которых всем известны протоны и нейтроны. Соединением кварка и антикварка образуются мезоны, соединением трех антикварков – антибарионы. Большинство образующихся частиц являются барионными и мезонными резонансами. При таком соединении дробные заряды суммируются до нуля или единицы.

Первое время считалось, что кварков всего три типа – их назвали «ароматами» (ассоциация с обонянием здесь не годится, это квантовое число) – up, down, strange. Но в 1974 г. были открыты новые адроны, для которых уже просто не было свободных кварков. Поэтому число кварков было расширено до шести – добавились ароматы charm, beauty, truth. Ароматы обозначаются первыми буквами своих названий.

Кварки во многих отношениях схожи с лептонами – и те и другие являются подлинно элементарными частицами. Их размеры менее 10-15 см. Как лептоны можно сгруппировать попарно (лептон и соответствующий ему нейтрино), так же группируются и кварки.

Интересно отметить, что все обычное вещество во Вселенной состоит лишь из двух легчайших лептонов (электрона и электронного нейтрино) и двух легчайших кварков u и d. Если бы все остальные лептоны и кварки внезапно прекратили свое существование, то в окружающем нас мире, по-видимому, очень мало что изменилось. Возможно, более тяжелые лептоны и кварки играют роль дублеров легчайших частиц. Все они нестабильны и быстро распадаются на стабильные частицы.

В описанной схеме обнаруживается принципиальный дефект. Кварки, будучи фермионами, должны подчиняться запрету Паули. Они не могут соединяться вместе, если их состояния одинаковы. А в барионных и антибарионных частицах кварки одного аромата часто оказываются вместе. Например, протон образуется комбинацией кварков uud, а нейтрон – udd. Казалось бы, нарушается запрет Паули. Для устранения этого противоречия ввели предположение, что кварки одного аромата не идентичны, а различаются характером взаимодействия друг с другом. Поэтому для описания кварков ввели еще одно квантовое число. Продолжая шутить, физики назвали его «цветом». Как «аромат» не имеет отношения к запаху, так и «цвет» не имеет ничего общего с общепринятым смыслом этого слова. Не стоит забывать, что размеры кварков намного меньше длины волны видимого света. Введение нового квантового числа оказалось удачным, недавние эксперименты на ускорителях подтвердили, что разделение кварков одного аромата на три цвета – красный, синий, зеленый – отражает действительность.

При объединении кварков и антикварков в адроны должны выполняться два условия:

? суммарный электрический заряд кварков в адроне должен быть целочисленным, скомпенси-рованным до нуля или единицы;

? кварки, соединяющиеся в адрон, должны полностью компенсировать свои цветовые заряды и удовлетворять признаку бесцветности (конфайнмент). Это связано с тем, что только кварки проявляют способность к сильному взаимодействию, связанному с цветовыми силами. Адроны таких способностей не имеют в силу своей бесцветности.

Долгое время ученые пытались обнаружить кварки в эксперименте, доводя точность измерений до очень высоких значений. Пришлось признать, что законы нашего мира запрещают существование частиц с дробным электрическим зарядом поодиночке. Но в 1969 г. в Стэнфорде были проведены опыты, доказавшие существование кварков. В ходе экспериментов протон бомбардировался электроном. При этом электроны как бы налетали на крохотные твердые вкрапления и отскакивали от них под самыми невероятными углами. Очевидно, эти твердые вкрапления и были кварками.


Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества

В истории развития учения о свете сменяли друг друга корпускулярная теория света (Ньютон) и волновая (Р. Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель), представлявшая свет как механическую волну. В 70-х годах после утверждения теории Максвелла под светом стали понимать электромаг-нитную волну.

В начале ХХ в. на основе экспериментов было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Было также обнаружено, что в проявлении этих свойств существуют вполне определенные закономерности: чем меньше длина волны, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света.

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль выдвинул смелую гипотезу: корпускулярно-вол-новой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы, имеющие конечный импульс, обладают волновыми свойствами. Так в физике появилась знаменитая формула де Бройля
? = h/mv, где m – масса частицы, v – ее скорость, h – постоянная Планка.

В настоящее время волновые свойства микрочастиц находят широкое применение, например, в электронном микроскопе. Современные электронные микроскопы позволяют видеть молекулы и даже атомы вещества (увеличение в 105-106 раз).

При проявлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальная возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность (диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств материи).

По современным представлениям квантовый объект – это не частица, не волна, и даже не то и не другое одновременно. Квантовый объект – это нечто третье, не равное простой сумме свойств частицы и волны. Для выражения свойства квантового объекта у нас в языке просто нет соответствующих понятий. Но, поскольку сведения о микрообъекте, о его характеристиках мы получаем в результате взаимодействия его с прибором (макрообъектом), то и описывать этот микрообъект приходится в классических понятиях, т.е. используя понятия волны и частицы.

Итак, корпускулярно-волновой дуализм – представление о сущности микрочастиц, заключающееся в том, что в их поведении проявляются корпускулярные и волновые свойства.


Движение и взаимодействие в физике

Взаимодействие и движение представляют собой важнейшие свойства материи, без которых невозможно ее существование. Долгое время, выстраивая научную картину мира, физики отво-дили ведущую роль движению. Оно считалось важнейшей характеристикой материи.

В широком смысле движение трактовалось как любое изменение, происходящее в природе. Но в физике движение понималось как механическое перемещение, изменение положения тела в пространстве с течением времени относительно выбранной точки отсчета. Есть и иные формы движения – в живой природе, в обществе. В неживой природе также можно выделить такие формы, как химическое и геологическое движение.

Тем не менее, именно физика занимается исследованием процессов, которые происходят в неживой природе и являются фундаментом гораздо более сложных процессов, происходящих на более высоких уровнях организации материи. И механическое движение является основой всех более сложных форм движения, как физических, так и нефизических. Так, механическим является движение по определенной траектории, но существует пространственное перемещение типа сферического распространения фронта электромагнитных или гравитационных волн в полях. Движение элементарных частиц тоже нельзя представить в виде определенной траектории, как у материальной точки. Совершенно другим законам подчиняются изменения (движения), происходящие в живых организмах и обществе.


Понятие взаимодействия

У всех форм движения материи есть нечто общее. Все они сводятся к взаимодействию тел, которое обусловливает соединение различных материальных элементов в системы, их структур-ные связи и контакты с другими материальными системами. Таким образом, все свойства тел производны от взаимодействий. Для всякого объекта существовать – значит взаимодействовать, как-то проявлять себя по отношению к другим телам, находиться с ними в объективных отношениях.

Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением.

Взаимодействие всегда выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия.

По существу, понятия "движение" и "взаимодействие" совпадают, хотя часто употребляются в разных контекстах. Когда мы говорим о движении, то имеем в виду не столько внутренние изменения, основанные на структурных взаимодействиях элементов системы, сколько внешнее пространственное перемещение тел, где взаимодействия как будто не видно. Но если взглянуть глубже, то и при пространственном перемещении тел обязательно есть их взаимодействие с окружающей средой и материальными полями, в результате чего изменяются свойства тел. Не существует такого движения, в содержании которого не было бы взаимодействия элементов материи. В то же время всякое взаимодействие выступает как определенное изменение и движение.


Общая характеристика физических взаимодействий

Последовательное описание взаимодействия, раскрытие его механизма – одна из центральных задач всей физики. На протяжении столетий в науке сформировались два принципиально различных способа описания механизма физического взаимодействия. Это принципы дально-действия и близкодействия.

Исторически первым был сформулирован принцип дальнодействия. Его автором стал
И. Ньютон, который с его помощью пытался объяснить механизм действия гравитационных сил. Согласно принципу дальнодействия, взаимодействие между телами происходило мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных носителей (агентов взаимодействия).

В XIX в. был сформулирован принцип близкодействия, который известен в двух вариантах. Первый вариант был предложен М. Фарадеем, который считал, что взаимодействие между телами переносится полем, от точки к точке, с конечной скоростью. В XX в. принцип близкодействия был уточнен, в его современном варианте утверждается, что каждое фундаментальное физическое взаимодействие переносится соответствующим полем, от точки к точке, со скоростью, не превышающей скорость света в вакууме.

Обычно при физическом взаимодействии между двумя телами происходит частичный обмен импульсом и энергией. Если рассмотреть этот процесс более детально, мы увидим, что в один момент времени первый объект потерял доли импульса и энергии, а второй объект в следующий момент времени их приобрел. В промежутке между первым и вторым моментами времени импульс и энергия должны принадлежать какому-то третьему материальному объекту – посреднику, который должен переместиться от первого объекта ко второму, затратив на это некоторое время.

На небольших расстояниях этим дополнительным временем можно пренебречь. Так, когда мы нажимаем кнопку выключателя, свет для нас загорается практически мгновенно. Но чтобы свет дошел от Солнца до Земли требуется уже около 8 минут, то есть время для переноса взаимодей-ствия становится заметным.

Таким образом, с точки зрения современной науки физическое взаимодействие всегда подчиняется принципу близкодействия, то есть идет с некоторым запаздыванием. Но во многих задачах, описывающих механические процессы с медленно движущимися объектами, этим запаздыванием можно пренебречь и приближенно считать его нулевым. Поэтому многие процессы можно описывать, используя приближенный принцип дальнодействия.

В XX в. физика смогла еще глубже проникнуть в тайны физического взаимодействия, понять его механизм на уровне процессов, происходящих в микромире. Также удалось свести многочисленные виды взаимодействий, известных в физике, к небольшому числу фундамен-тальных физических взаимодействий. Любые формы движения, изучаемые физикой, есть проявление глубинных свойств материи – так называемых фундаментальных физических взаимодействий. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимо-действий.

В основе каждого фундаментального физического взаимодействия лежит изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удается выяснить лишь в ходе дальнейших, все более глубоких исследований природы вещества и вакуума. В качестве носителя способности частиц к взаимодействию, а также количественной мерой самого взаимодействия служит понятие заряда. Каждая частица изначально обладает одним или несколькими зарядами, причем между собой взаимодействуют только однотипные заряды, а заряды разных типов друг друга «не замечают». Наименьшее дискретное значение заряда – квант – называют единичным зарядом. Сила взаимодействия во всех случаях пропорциональна произведению зарядов двух взаимодействующих частиц, более сложно она зависит от расстояния между частицами. По современным представлениям, любое взаимодействие происходит по современному принципу близкодействия. Поэтому взаимодействие любого вида должно иметь своего физического агента, поскольку без посредника оно не протекает. В основе такого требования лежит тот факт, что скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом – скоростью света. Воздействие передается через среду, разделяющую взаимодействующие частицы. Такой средой является вакуум.

В обыденном представлении вакуум ассоциируется с пустотой, но на самом деле это не так. Вакуум – это реальная физическая система, поле с минимальной энергией. Из него можно получить все другие состояния поля. В вакууме постоянно протекают сложные физические превращения, в том числе постоянное рождение и исчезновение пар частиц и античастиц.


Гравитационное взаимодействие

Гравитационное взаимодействие первым из всех известных сегодня фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. Классическая (ньютоновская) теория тяготения была создана еще в XVII в. после открытия закона всемирного тяготения.

Гравитационное взаимодействие обладает специфическими свойствами, отличающими его от других фундаментальных взаимодействий. Во-первых, это самое слабое из всех известных взаимодействий, оно в 1040 раз слабее силы взаимодействия электрических зарядов. Чтобы эта величина стала понятнее, можно провести такую аналогию: если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не электромагнитными силами, то радиус электрона в нем превосходил бы радиус доступной наблюдению части Вселенной.

Тем не менее, эта очень слабая сила определяет строение всей Вселенной: образование всех космических систем, существование планет, звезд и галактик, концентрацию рассеянной в ходе эволюции звезд и галактик материи и включение ее в новые циклы развития. Такая огромная роль гравитационного взаимодействия определяется его второй особенностью – универсальностью. Ничто во Вселенной не может избежать этой силы. Все тела и частицы, не только имеющие массу, а также поля участвуют в гравитационном взаимодействии. Оно тем больше, чем больше массы взаимодействующих тел. Эта закономерность была выявлена еще Ньютоном и сформулирована им в законе всемирного тяготения, который описывает гравитационное взаимодействие. Поэтому в микромире гравитационная сила слаба, она теряется на фоне более могучих сил. Зато в макромире она господствует. Кроме того, гравитация – дальнодействующая сила. Разумеется, ее интенсивность убывает с расстоянием (об этом также говорит закон всемирного тяготения), но продолжает сказываться и на очень больших расстояниях.

С точки зрения современной науки гравитационное взаимодействие должно происходить следующим образом. Гравитационный заряд, как мы уже отметили, равен инертной массе вещества. Он создает вокруг себя гравитационное поле (поле тяготения), которое должно иметь свою бозонную частицу. Данную частицу назвали гравитоном, спин ее равен 2.

Силы тяготения являются результатом постоянного обмена между телами-гравитонами, или гравитационными волнами. Они переносят энергию, обладают пространственно-временными свойствами, импульсом и другими характеристиками, присущими материальным объектам.

Движение тела, обладающего массой, под действием силы вызывает возмущение своего же гравитационного поля, распространяющегося со скоростью света в форме гравитационной волны. Поскольку гравитационная сила очень мала, волна имеет малую амплитуду. Даже такие грандиозные космические события, как взрыв сверхновой или коллапс массивной звезды, создают гравитационные волны, лежащие за пределами чувствительности современных регистрирующих приборов. Именно поэтому гравитоны еще не обнаружены.

Для гравитации не существует противоположной эквивалентной силы отталкивания (антигра-витации). Даже в антимире, если он существует, все античастицы обладают положительными значениями массы и энергии, поэтому гравитация всегда проявляется только как притяжение.

Теория гравитационного взаимодействия находится в процессе своего создания, так как помимо полевых представлений о гравитации существует общая теория относительности, которая рассматривает ее как искривление пространства-времени. Какая из этих теорий верна, покажет будущее.


Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие также обладает универсальным характером и существует между любыми телами. Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой проявление электро-магнитных взаимодействий, являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. К электромагнитному взаимодействию сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

По своей величине электромагнитные силы намного превосходят гравитационные, занимая второе место на шкале взаимодействий, поэтому эти силы легко наблюдать даже между телами обычных размеров. Но, как и гравитационные силы, электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим, его действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов, уменьшается с расстоянием, но не исчезает.

На заре развития науки об электричестве электрические и магнитные компоненты этого взаимодействия рассматривались как независимые, не связанные между собой родством. Максвелл доказал, что обе силы – это проявление одного и того же феномена. Так был создан прецедент в науке, показавший, что за внешним различием природных сил может скрываться их глубокая общность. Электродинамика Максвелла явилась законченной классической теорией электромагнетизма, сохраняющей свое значение и в наши дни.

Но современная физика создала более совершенную и точную теорию электромагнетизма, в которой учтены квантово-полевые аспекты явления. Эта теория названа квантовой электроди-намикой. Теория начинается с утверждения существования электрического заряда, который проявляется в двух разновидностях: 1) заряд, присущий электрону, назван отрицательным;
2) заряд, присущий протону и позитрону, назван положительным. В отличие от гравитационного взаимодействия, не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Существуют электрически нейтральные частицы, например нейтрон.

Электрический заряд создает поле, квантом которого является безмассовый бозон,– фотон
со спином, равным 1. Взаимодействие зарядов обеспечивается обменом виртуальных фотонов.
В случае разноименных зарядов обмен создает эффект притяжения, а в случае одноименных – отталкивания. В этом проявляется еще одно отличие от гравитационного взаимодействия, которое проявляется только как притяжение.


Слабое взаимодействие

Это третье фундаментальное взаимодействие, действующее только в микромире. Оно ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга и играет очень важную роль не только в микромире, но и во многих явлениях космического масштаба. Благодаря слабому взаимодействию происходят термоядерные реакции, без которых погасло бы Солнце и большин-ство звезд.

Первая теория слабого взаимодействия (четырехфермионная теория) была создана еще
в 1934 г. Э. Ферми. В ней утверждалось, что слабое взаимодействие между частицами происходит контактно, посредством так называемых слабых токов, а не через обмен квантами поля. Благодаря этим токам нейтроны могли превращаться в протоны, кварки одного вида – в кварки другого вида.

Уже в конце 50-х годов стало ясно, что данная теория несовершенна, поскольку сфера ее применения ограничивается только малыми энергиями частиц, участвующих во взаимодействии. Кроме того, теория резко контрастировала с господствующей картиной мира и не отвечала требо-ваниям единообразия в описании всех физических взаимодействий.

Поэтому в 60-х годах независимо друг от друга С. Вайнберг и А. Солам решили, что трудно-сти теории удастся преодолеть, если допустить, что слабое и электромагнитное взаимодействия – это разные проявления одного взаимодействия наподобие того, как электричество и магнетизм – два проявления единой сущности. Так появилась единая теория электрослабого взаимодействия, в рамках которой удалось построить модель слабого взаимодействия.

Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия стало главным триумфом теоретической физики за последние три десятилетия XX в. Единая теория электрослабого взаимодействия успешно описывает все процессы, происходящие при энергиях от долей электрон-вольта до сотен гигаэлектрон-вольт. Вместе теория электрослабого взаимодействия и квантовая хромодинамика (теория сильного взаимодействия) получили название Стандартной модели. Ее основные положения согласуются с результатами большинства экспериментов.


Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие занимает первое место по силе и является источником огромной энергии. Основная функция сильного взаимодействия – соединять кварки и антикварки в адроны. Теория сильного взаимодействия является типичной полевой теорией и называется квантовой хромодинамикой.

Исходным положением теории является постулат о существовании трех типов цветовых зарядов (красного, синего, желтого). Они присущи кваркам и выражают способность вещества к сильному взаимодействию. Цвет кварков подобен электрическому заряду. Как и электрические заряды, одноименные цвета отталкиваются, разноименные притягиваются. Когда три кварка или кварк и антикварк объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в нем такова, что адрон в целом обладает цветовой нейтральностью.

Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами – бозонами. Переносчики сильного взаимодействия названы глюонами (от англ. glue – клей). Они, подобно фотонам, имеют спин, равный единице, и массу, равную нулю. Но электромагнитное взаимодействие является дально-действующим, а сильное взаимодействие имеет очень ограниченный радиус действия – до 10-13 см (порядка атомного ядра).

Как было отмечено ранее, все фундаментальные взаимодействия зависят от расстояния между зарядами: с уменьшением расстояния между ними сила взаимодействия возрастает (обратно пропорциональная зависимость). Сильное взаимодействие тоже зависит от расстояния между цветовыми зарядами, но прямо пропорционально. Из-за особых свойств глюонного поля цветовое взаимодействие между кварками тем меньше, чем они ближе друг к другу. На малых расстояниях кварки перестают влиять друг на друга и ведут себя как свободные частицы. Такое свойство кварков получило название асимптотической свободы. Но как только расстояние между кварками начинает увеличиваться, сила взаимодействия нарастает. Для разделения двух частиц с цветовыми зарядами понадобилась бы бесконечно большая энергия. Лишь в первые моменты после Большого взрыва существовавшие тогда огромные температуры позволяли свободное существование кварков. Но сейчас попытка разорвать связь между кварками приведет к тому, что глюонные струны между ними будут натягиваться все сильнее, в результате возникнут новые кварки и антикварки, которые соединятся с первичными частицами и образуют новые адроны. Именно это и наблюдается в опытах на ускорителях.

До открытия кварков и цветового взаимодействия фундаментальным считалось ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны в ядрах атомов. Но с открытием кваркового уровня вещества под сильным взаимодействием стали понимать цветовые взаимодействия между кварками, объединяющимися в адроны. Ядерные силы перестали считаться фундаментальными, они должны как-то выражаться через цветовые силы.

Теория предполагает, что при сближении барионов (протонов и нейтронов) на расстояние меньшее, чем 10-13 см, они теряют свои индивидуальные особенности, глюонный обмен между кварками, удерживающий их в адронах, принимает коллективный характер. В результате такого взаимодействия кварки всех барионов связываются в единую систему – атомное ядро.

Таким образом, ядерные силы – это только отголоски цветовых сил, слабое подобие настоящего сильного взаимодействия. Не случайно для того, чтобы расколоть атомное ядро, нужна совсем небольшая энергия. Расколоть же протон или нейтрон невозможно.


Теории Великого объединения и Суперобъединения

Заветная мечта всех физиков – выявить универсальность трех фундаментальных сил, объединить все физические взаимодействия в одной теории. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое взаимодействие стало первым обнадеживающим успехом на этом пути. Поэтому физики-теоретики с 1974 г. пытаются создать теорию Великого объединения взаимодействий, в которых электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия будут рассматриваться как различные проявления единого поля. При этом физики исходят из уже известного факта, что константы этих трех фундаментальных взаимодействий, в обычных условиях различающиеся на несколько порядков, могут становиться равными друг другу при определенной величине энергии. Эту энергию, большую, чем 1014 ГэВ, назвали энергией объединения. Также она проявляется на расстояниях 10-29 см. При таких условиях выявляется общая природа трех указанных взаимодействий, кварки и лептоны становятся практически неразличимыми.

Единое поле, которое образуется при таких условиях, должно характеризоваться очень сложной симметрией, способной охватить все калибровочные симметрии, известные как в квантовой хромодинамике, так и в теории электрослабого взаимодействия. Отыскание такой симметрии - главная задача физиков, без решения которой теория Великого объединения невозможна.

В простейшем варианте этой теории для превращения кварков в лептоны требуется 24 поля. Половина из них известна, их квантами являются: фотон, три тяжелых векторных бозона, восемь глюонов. Остальные 12 квантов – сверхтяжелые промежуточные бозоны, названные X и
Y-частицами. Они должны обладать электрическим зарядом и цветом. Именно эти частицы, по расчетам, поддерживают более широкую калибровочную симметрию и могут перемешивать кварки и лептоны.

Считается, что проявление этих полей возможно при сверхвысоких энергиях. По мере понижения энергии Великое объединение сначала распадается на сильное и электрослабое взаимодействия. При дальнейшем уменьшении энергии электрослабое взаимодействие разделяется на электромагнитное и слабое взаимодействия.

Из этой теории вытекает ряд неоднозначных следствий: возможность распада протона и существование магнитных монополей (магнита с одним полюсом). Подобные факты экспериментально обнаружить до сих пор не удалось. Обнаружить опытным путем существование Х и Y-бозонов невозможно, так как необходимые для этого энергии недоступны человеку. Современные ускорители достигают энергии только в 100 ГэВ, а нужно создать энергию
в 1014 ГэВ. Поэтому сегодня физики пытаются найти следы существования таких частиц на ранних стадиях эволюции Вселенной, наблюдая за космическими процессами.

Физики пытаются построить еще более грандиозную теорию Суперобъединения. Она должна объединить все четыре фундаментальных взаимодействия, включая гравитационные силы. Эта теория строится на базе суперсимметрии и теории суперструн.

Исходной идеей в данной теории является утверждение, что в основе нашего мира лежит симметрия. Поэтому квантовая физика высказывает предположение о существовании полной симметрии в описании вещества и поля, фермионов и бозонов. Это значит, что между этими частицами должно существовать полное физическое равноправие, они могут переходить друг в друга. Возможность такого перехода была открыта в 70-е годы и получила название суперсимметрии. Считается, что фермионы и бозоны, являющиеся частицами с разными спинами, входят в одно семейство частиц, обладающих некоторым значением супер-спина. Каждой известной сегодня частице должен соответствовать суперпартнер – частица со спином, отличающимся на 1/2. Так, суперпартнер фотона – фотино со спином 1/2, суперпартнер гравии-
тона – гравитино со спином 3/2 и т.д. Есть также частицы вино, зино, глюино. В одной из теоретических моделей сведены воедино 70 частиц со спином 0; 56 частиц со спином 1/2;
28 частиц со спином 1; 8 частиц со спином 3/2; 1 частица со спином 2.

Описание гравитации на языке суперсимметрии получило название супергравитации. От обычной гравитации она отличается тем, что гравитон здесь уже не единственный переносчик гравитационного взаимодействия. Таких частиц целое семейство, в том числе и уже упоминавшиеся нами частицы гравитино.

Если данная теория верна, то мы получаем основу для полного объединения, в рамках которого весь мир управляется единственной суперсилой, проявляющей себя разными гранями,– электромагнитным, слабым, сильным, гравитационным взаимодействиями. Но все эти грани связаны между собой суперсимметрией. Данная теория еще не получила экспериментального подтверждения.

Благодаря идее суперсимметрии новую жизнь получила теория струн, создателями которой стали английский физик М. Грин и американский физик Д. Шварц (сегодня ее называют теорией суперструн). Они попытались отказаться от уже привычного описания элементарных частиц как точечных объектов. Эта теория описывает некие протяженные объекты – струны. Они являются протяженными, хотя и одномерными объектами и представляют собой отрезки либо со свобод-ными концами, либо соединенными в виде восьмерки. Их размеры – примерно 10-33 см (план-ковская длина).

В данной теории понятие струны становится синонимом понятия микрочастицы или локализованного в пространстве объекта. Все частицы, которые известны и, может быть, будут открыты в будущем, представляют собой определенное возбужденное состояние струны. Эти возбужденные состояния струн можно сравнить с набором гармоний, вызываемым колебанием скрипичной струны. Более высокие гармонии струны будут наблюдаться как новые частицы с массой, больше массы предыдущих частиц. Полагают, что высшие гармонии струн рождались только на ранних стадиях эволюции Вселенной, когда энергии было в избытке. В обычных условиях существуют лишь состояния струн с минимальной энергией. Введение струны полностью исключает точечные представления из структуры микромира, и, по сути, эта теория сводит физику к геометрии очень сложных пространств.

В теории суперструн помимо очень сложных и громоздких вычислений есть некоторые трудности. В частности, она предполагает, что на тех малых расстояниях, на которых существуют струны, должны проявляться дополнительные пространственные измерения. Есть варианты теорий для 11-мерного, 26-мерного и т.д. пространств. Эти лишние измерения, возможно, компактифицированы, т.е. свернуты в точки, замкнуты на себя и не распространяются в область макромира.

Теория суперструн ведет к некоторым нетривиальным следствиям. Так, среди порожденных струнами элементарных частиц должны быть, по расчетам, гипотетические частицы – тахионы. Это частицы, имеющие мнимую массу и движущиеся со скоростью, большей скорости света.

В последние годы некоторые ученые начали обсуждать возможность существования еще одного взаимодействия – спин-торсионного, фиксирующего и передающего информацию посредством торсионного поля (поля кручения). Есть предположения, что эти поля обладают возможностью передавать информацию практически без затрат энергии. Также принято считать, что именно эти поля обеспечивают практически все известные сегодня парапсихические феномены и биоинформационное (энергоинформационное) воздействие. С помощью этих технологий появилась возможность диагностировать и лечить некоторые виды заболеваний, создавать средства защиты от геопатогенных воздействий и вредных электромагнитных полей, разрабатывать новые конструкционные материалы. Если существование таких полей подтвердится, это вновь перевернет наши представления о мире.


Понятие о веществе и его свойствах

В классической физике вещество отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами – удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий.

Каждое вещество (физическое тело) может находиться в одном из четырех агрегатных состояний – твердом, жидком, газообразном и плазменном.


Твердые тела и их свойства

Твердое вещество используется человеком с давних пор. Это основной материал, из которого создаются орудия труда и различные приспособления, использующиеся в нашей жизни. На заре человеческой истории человек мог использовать лишь механические свойства этих тел. В наши дни используются также электрические, магнитные, тепловые и другие свойства твердого вещества. Благодаря широкому использованию твердых тел человечество накопило большой эмпирический материал об их свойствах, который лег с основу теории твердого тела, созданной в классической науке.

Твердые вещества – это тела, отличающиеся постоянством формы и объема.

Твердые тела могут существовать в двух состояниях – кристаллическом и аморфном. Кристаллы характеризуются так называемым дальним порядком расположения атомов, который выражается в строгой повторяемости во всех направлениях одного и того же структурного элемента на протяжении сотен и тысяч периодов кристаллической решетки. Кристаллическое состояние является устойчивым состоянием всех твердых тел. Существуют монокристаллы – тела, имеющие форму правильных многогранников. Но большинство твердых тел являются поликристаллами, имеющими мелкокристаллическую структуру и состоящими из большого числа сросшихся, мелких, хаотично расположенных кристаллических зерен.

В аморфных телах дальний порядок отсутствует, поэтому аморфные тела можно рассмат-ривать как жидкости с очень большой вязкостью. В аморфном состоянии могут находиться обычное стекло, сера, глицерин, а также многие полимеры, состоящие из большого числа повторяющихся групп атомов. Аморфные вещества при определенных условиях переходят в твердое состояние.

Твердые тела обладают механическими свойствами, которые проявляются в ответ на внешние механические воздействия,– сжатие, растяжение, изгиб, удар и т.д. В зависимости от внутреннего строения, наличия дефектов, специфики обработки твердые тела могут быть хрупкими или пластичными.

С точки зрения электрических свойств все твердые тела делятся на металлы, полупроводники и диэлектрики.

По магнитным свойствам выделяют диамагнетики (вода, соль, золото), парамагнетики (алю-миний, литий, калий), ферромагнетики (железо) и антиферромагнетики (некоторые редкозе-мельные элементы).

При повышении температуры твердые тела увеличивают свои линейные размеры и объем – это так называемое тепловое расширение твердых тел. Сильное нагревание может привести к переходу вещества в жидкую (плавление) или газообразную (сублимация, возгонка) фазу.

Твердые тела способны деформироваться при изменении температуры или внешнем силовом воздействии. После прекращения воздействия деформация может исчезнуть (упругая деформация) или остаться (остаточная деформация).


Жидкости и их свойства

Жидкость – это агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным состояниями.

Жидкости – это тела, имеющие определенный объем, но не имеющие упругости формы.

Поэтому у жидкостей есть свойства как твердых тел, так и газов. Так, подобно твердому телу, жидкость сохраняет свой объем, имеет свободную поверхность, обладает прочностью на разрыв. Но, как и газы, жидкость принимает форму сосуда, в котором находится. Кроме того, жидкость легко переходит в газ. При нагревании ее свойства сближаются со свойствами газов, а вблизи температуры кристаллизации – со свойствами твердых тел.

Жидкости однородны и изотропны при отсутствии внешних воздействий. Благодаря поверхностному натяжению жидкость на границе с любой другой средой принимает форму, при которой ее поверхность минимальна. Поэтому небольшие объемы жидкостей имеют форму капли, а в невесомости – форму шара. Если жидкость соприкасается с твердыми телами или другими несмешивающимися жидкостями, возникают капиллярные явления.

Однако главное свойство жидкости, обеспечивающее ее специфичность, это текучесть – смещение в направлении действия силы. В жидкостях наблюдается ближний порядок – упо-рядоченная взаимная ориентация соседних частиц внутри малых объемов.

С поверхности жидкости при любой температуре происходит испарение – процесс парообра-зования. Парообразование идет вследствие вылета с поверхностного слоя жидкости молекул, обладающих наибольшей скоростью (кинетической энергией), поэтому в результате жидкость охлаждается.

Свойства жидкостей изучаются и описываются в различных разделах механики, физики и физической химии, а также в гидродинамике.


Газы и их свойства

Газы широко распространены в природе – они образуют атмосферу Земли, содержатся в твердых породах, растворены в водах Мирового океана. Солнце, звезды, облака межзвездного вещества также состоят из газов.

Газ – это агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, занимая весь предоставленный им объем.

Любое вещество можно перевести в газообразное состояние при определенном давлении и температуре. Таким образом, условия, в которых могут существовать газы, весьма разнообразны – от почти полного вакуума до нейтронных звезд. Поэтому свойства газов (их теплопроводность, вязкость и т.д.) меняются в широких пределах. Но при одинаковых давлениях и температурах равные объемы различных газов содержат равное число молекул и занимают одинаковые объемы (закон Авогадро). Молярный объем газа равен 22,4 литра.


Плазма и ее свойства

Представление о четвертом агрегатном состоянии вещества появилось лишь в 1923 г., когда американские физики И. Ленгмюр и Л. Тонкс ввели термин «плазма».

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положи-тельных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если температура будет увеличиваться и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, молекулы газа начнут распадаться на составляющие атомы, а затем превращаться в ионы – электрически заряженные частицы. Причиной ионизации может также стать воздействие электромагнитного излучения (фотоионизация) или бомбардировка газа заряженными частицами.

В состоянии плазмы находится большая часть вещества Вселенной – звезды, галактические туманности и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра, также она образует радиационные пояса Земли и ионосферу. Кроме того, плазму получают в лабораторных и промышленных условиях при дуговом, искровом и тлеющем разрядах.

Важнейшей характеристикой плазмы является степень ионизации – отношение числа ионизированных атомов к полному их числу в единице объема плазмы. Поэтому в отличие от нейтральных газов на плазму сильно действуют электрические и магнитные поля.

Высокотемпературная плазма из дейтерия и трития используется в установках управляемого термоядерного синтеза (токамаках). Низкотемпературная плазма находит широкое применение в газоразрядных источниках света, в газовых лазерах, а также в магнитогидродинамических генераторах (МГД-генераторах). С помощью плазматронов, создающих струи плотной низкотемпературной плазмы, режут и сваривают металлы, наносят покрытия. В плазмохимии низкотемпературная плазма используется для получения некоторых соединений, потому что высокие температуры плазмы ускоряют химические реакции.


Становление и развитие химии

Одной из важнейших для человека естественных наук является химия.

Химия – наука о составе, внутреннем строении и превращении вещества, а также механизмах этих превращений.

Человек имеет дело с химией в двух ее основных формах. Первая – это химические превращения, происходящие внутри человеческого тела и лежащие в основе всех биологических процессов. Человек не может жить без воды, кислорода, множества разнообразных, в том числе и очень сложных, химических соединений, получаемых с пищей.

Кроме того, человек обращается к химии в процессе материального производства. Не находя в окружающем мире необходимых для себя веществ, предметов и продуктов в готовом виде или в достаточном количестве, человек сам создает их из природного сырья. Именно с помощью химических процессов вещество природы меняется коренным образом.

Поэтому уже с глубокой древности началось практическое использование химических превращений. Выплавленные из руды металлы, кожа, полученная из сырых шкур в результате обработки дубильными веществами, керамика, стекло - все это искусственные материалы, которые человек стал получать с помощью химии за тысячи лет до новой эры. А первым химическим процессом, освоенным человеком и использованным для преобразования окружающей среды, стала реакция горения.


Возникновение химии. Алхимия

Процесс зарождения и формирования химии как науки был длительным во времени и сложным и противоречивым по содержанию. Истоки химического знания лежат в глубокой древности и вызваны потребностью получения необходимых для жизнедеятельности человека веществ. Для этого нужно было научиться производить из одних веществ другие, с заданными свойствами, то есть осуществлять качественные превращения вещества.

Происхождение термина «химия» точно не выяснено до сих пор, хотя по этому вопросу существует несколько версий. Согласно одной из них, название «химия» произошло от египетского слова «хеми», что означало Египет, «черная земля». Поэтому многие историки науки называют химию «египетским искусством». В этой версии химия означает искусство производства необходимых веществ, в том числе умение превращать обыкновенные металлы в золото и серебро или их сплавы.

По другой версии, слово «химия» выводится из греческого термина «химос», который можно перевести как «сок растений». Поэтому «химия» означает искусство получения соков, причем «сок» может означать и расплавленный металл. Так что «химия» может пониматься как искусство металлургии.

Первоначально наибольший вклад в развитие этой науки внесли древние египтяне, а также древние вавилоняне и халдеи. В Древней Вавилонии зародилась не только алхимия, которая в древнем мире не была наукой в полном смысле этого слова. Она была частью религиозных представлений и не выходила на теоретический уровень. Тем не менее, в ее рамках были накоплены важнейшие знания и умения, составившие фундамент современной химии. Кроме того, именно алхимики оставили нам описание многих важнейших химических процессов, различные методы производства продуктов, пользовавшихся большим спросом.

Начала алхимии связывают с именем легендарной личности – Гермеса Трисмегиста («Трижды величайшего»). С тех пор не только алхимия, но и другие тайные знания носят название «герметических наук». Считается, что учение Гермеса было изложено им в 42 тайных книгах. Оно представляло собой сочетание египетского многобожия, иудейско-христианского монотеизма и греческого философского идеализма. В этих книгах содержится знаменитая «Изумрудная скрижаль», в которой в аллегорической форме описан философский камень. Она относится примерно к III веку и считается классическим алхимическим сочинением.

Итак, алхимия – тайное знание о всеобщем превращении веществ и элементов, в частности о превращении неблагородных металлов в благородные (золото и серебро).

Основной целью алхимиков было нахождение философского камня – особого вещества, способствующего подобным превращениям, а также дарующего его владельцам вечную жизнь и вечную молодость.

Наивысшего развития алхимия достигла в трех основных своих типах: греко-египетском, арабском и западно-европейском. У каждого из них были свои цели и предметы исследования.

Основы современной химии были заложены еще в XVII в. английским ученым Робертом Бойлем, именно он сделал из химии науку. Бойль ввел в химию понятие о химическом элементе и положил начало анализу как ведущему методу химии. Таким образом, была определена основная задача химии – разложение соединений на составные части и поиски чистых химических элементов.


Открытие основных законов химии

Проблема химического состава вещества была главной в развитии химии вплоть до
30–40-х годов XIX в. Огромную роль в дальнейшем развитии химии сыграли французский ученый Жозеф Пруст и английский ученый Джон Дальтон.

Жозеф Пруст в 1801 г. установил закон постоянства состава, согласно которому любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом – прочным притяжением составных частей (атомов) и тем самым отличается от смесей. Таким образом, Пруст делал вывод, что всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет один и тот же состав.

Джон Дальтон дал теоретическое обоснование закона Пруста. Также он вошел в историю химии как первооткрыватель закона кратных отношений и создатель основ атомной теории. Он показал, что все вещества состоят из молекул, а все молекулы в свою очередь – из атомов, и что состав любого вещества можно представить себе как простую формулу типа АБ, АВ2, А2В3 и т.д., где символы А и В обозначают названия двух атомов, из которых состоит молекула.

В 1803 г. Дальтон сформулировал закон кратных отношений, в котором утверждал: если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества элементов соотносятся между собой как целые числа.

Подобно древним атомистам, Дальтон исходил из положения о корпускулярном строении материи, но, основываясь на сформулированном Лавуазье понятии химического элемента, пола-гал, что все атомы каждого отдельного элемента одинаковы и обладают определенным весом. Дальтон назвал его атомным весом. Таким образом, каждый элемент обладал разным атомным весом, но этот вес был относительным, так как абсолютный вес атома определить невозможно.
В качестве условной единицы атомного веса Дальтон принял атомный вес водорода – самого легкого из всех элементов, а затем сопоставил с ним вес других элементов. Чтобы экспериментально подтвердить эту идею, нужно было, чтобы элемент соединился с водородом, образуя определенное соединение. Если этого не происходило, то требовалось соединение данного элемента с другим, соединение которого с водородом было известно. Зная вес другого элемента относительно веса водорода, всегда можно было найти отношение веса данного элемента к принятому за единицу весу водорода.

Рассуждая таким образом, Дальтон составил первую таблицу атомных весов. Она и стала самой важной работой ученого, хотя ему не удалось избежать некоторых ошибок. Чтобы придать атомной теории Дальтона статус научной, требовалось объединить ее с молекулярной теорией, которая предполагала существование частиц (молекул), образованных из двух или более атомов и способных в химических реакциях расщепляться на составные атомы.

Следующий шаг в развитии химической атомистики сделал И.Я. Берцелиус. Он стремился найти закон образования химических соединений. Проведя не одну сотню анализов, он представил столько доказательств, подтверждающих закон постоянства состава, что химики были вынуждены признать справедливость этого закона, а, следовательно, и принять атомистическую теорию, которая непосредственно вытекала из закона постоянства состава вещества.

После этого Берцелиус обратился к проблеме определения атомных весов элементов, разраба-тывая более сложные и точные методы экспериментов, которые были недоступны Дальтону.
В результате длительной и тщательной аналитической работы в 1826 г. Берцелиус опубликовал первую таблицу атомных весов, отличающихся высокой точностью, причем атомные веса были соотнесены им с кислородом, атомный вес которого был принят за сто. Приведенные в этой таблице величины в основном совпадают (за исключением атомных весов двух-трех элементов) с принятыми в настоящее время. Эти расчеты потом были подтверждены и уточнены другими учеными.

С работами Берцелиуса по атомистике тесно связано введение в употребление символов, предложенных им в 1814 г. для обозначения не только элементов, но и химических реакций. Все символы, формулы соединений и химические уравнения следует вести от Берцелиуса. Его система химической символики содействовала развитию химии. В качестве символа элемента принимается первая буква его латинского или греческого названия. В тех случаях, когда названия двух или более элементов начинались с одних и тех же начальных букв, к ним добавлялась вторая буква названия. Так появились химические символы элементов, которые используются во всем мире до сих пор.

Еще одним вкладом Берцелиуса в развитие химии является разделение им всех веществ на органические и неорганические. Вещества неживой природы могли выдержать жесткую обработку, и именно их Берцелиус назвал неорганическими. А вещества живой или некогда живой материи такой обработки не выдерживали, и их он назвал неорганическими.

Во многих своих проявлениях эти две группы веществ вели себя принципиально различным образом. Так, химиков не переставало удивлять, что органические вещества при нагревании или каком-либо другом воздействии легко превращались в неорганические. Возможность обратного перехода была установлена гораздо позже.

В то время в науке господствовал витализм – учение, рассматривавшее жизнь как особое явление, подчиняющееся не законам мироздания, а влиянию особых жизненных сил.

Сторонники витализма утверждали, что для превращения неорганических веществ в органи-ческие требовалось какое-то особое воздействие («жизненная сила»), которое проявлялось только внутри живой ткани. По этой причине неорганические соединения, например воду, можно было найти повсюду, тогда как органические соединения, образующиеся под воздействием «жизненной силы», можно было найти только в живых тканях. Химики этого времени, имевшие дело с самыми обычными соединениями и пользовавшиеся самыми обычными методами, осуществить превращения, требовавшие участия таких нематериальных агентов, естественно, не могли.

В 40-х годах XIX в. состояние теоретической химии продолжало оставаться неудовлет-ворительным. В 1840 г. французский химик Шарль Фредерик Жерар (1816–1856) установил, что существовавшие тогда теории объединения атомов в молекулы неполны. Он показал, что в подавляющем большинстве случаев молекулы состоят из атомов и атомных групп, так тесно связанных между собой, что их разделение приводит к появлению новых веществ. Поэтому Жерар назвал молекулу системой, в которой все элементы связаны и влияют друг на друга, качественно преобразуя систему. Один и тот же элемент в разных системах может качественно отличаться в зависимости от связанных с ним партнеров.

В 1852 г. английский химик Эдуард Франклин предложил теорию валентности, в соответст-вии с которой каждый атом обладал определенной способностью к насыщению, или определенной валентностью. Исходя из этой теории, немецкий химик Кекуле показал, что углерод четырехва-лентен и что его атомы могут соединяться друг с другом в цепи. Кекуле ввел в оборот новый химический термин - сродство. Им он обозначил количество атомов водорода, которые могли заместить данный химический элемент. Он приписал всем химическим элементам соответственно три, две или одну единицу сродства. Углерод же находился при этом в необычном положении – его атом обладал четырьмя единицами сродства. Число единиц сродства, присущее данному химическому элементу, ученый назвал валентностью атома. При объединении атомов в молекулу происходило замыкание свободных единиц сродства. В 1858 г. он представил строение наиболее простых молекул и радикалов. Стало ясно, что органические молекулы значительно больше и сложнее, чем неорганические.

Полезность структурных формул была настолько очевидной, что многие химики-органики приняли их сразу. В результате было признано необходимым, записывая формулу соединения, показывать его атомную структуру.

История химии свидетельствует, что до середины XIX в. ее развитие происходило беспоря-дочно и хаотически. Химики открывали все новые и новые химические элементы, описывали их свойства, реакционные способности и благодаря этому постепенно накопили огромный эмпирический материал.


Периодический закон Д.И. Менделеева

Основоположником системного подхода в химии стал русский химик Дмитрий Иванович Менделеев. В Германии он работал над диссертацией. Вернувшись в Россию, Менделеев приступил к изучению элементов и обратил особое внимание на периодичность изменения валентности у элементов, расположенных в порядке возрастания атомных весов.

Менделеев считал, что любое точное знание составляет систему, в основе которой должен быть единый основополагающий принцип. В качестве такого системообразующего принципа он выбрал атомный вес, полагая, что тот является главной характеристикой всех химических элементов.

Основываясь на увеличении и уменьшении валентности элементов в соответствии с их атомным весом, Менделеев разделил элементы на периоды (отсюда – «периодическая система элементов»). Первый период включал только один водород, затем следовали два периода по семь элементов в каждом, а затем шли периоды, содержащие более семи элементов. Такая периодическая система элементов была яснее и нагляднее, чем график. Благодаря форме таблицы мировое сообщество ученых отдало приоритет в открытии периодической системы именно Менделееву, а не другим ученым, которые к тому времени также систематизировали элементы, но в других формах.

Однако во времена Менделеева было известно всего 62 химических элемента. Поэтому в таблице оказались пустые клетки (пробелы). Наличие этих пробелов ученый объяснил не несовершенством самой таблицы, а тем, что соответствующие элементы не были еще открыты.
В 1869 г. Менделеев опубликовал свою таблицу, оставляя пустые места там, где это подсказывал периодический закон.

Периодический закон позволил Менделееву предсказать существование новых, еще не открытых элементов, а также с большой точностью описать их свойства – атомную массу, удельный вес, теплоемкость, температуру плавления и кипения, а также свойства некоторых соединений этих элементов. Так, он предположил существование неизвестных тогда аналогов бора, алюминия и кремния – экабора, экаалюминия и экасилиция. Все предсказанные великим ученым элементы действительно были вскоре открыты химиками. Ими оказались галлий, скандий и германий. Метод Менделеева по предсказанию свойств еще не открытых элементов с успехом применялся его последователями и в более поздние годы. Кроме того, периодический закон позволил Менделееву обнаружить ошибки в определении атомной массы урана и некоторых других элементов, у которых ранее найденное значение атомной массы оказалось в два раза меньше действительной, и поправил значения атомных масс некоторых других элементов, например титана.

Хотя классификация Менделеева была выдающимся научным достижением, получила широкое признание и стала подлинно научной системой химических знаний, она не была идеальной и совершенной. В ней существовало большое число так называемых исключений. Это касается ряда лантаноидов и актиноидов (по 14 элементов), они помещены в шестой и седьмой периоды и в третий столбец. Эти и другие недостатки вызвали многочисленные попытки пересмотреть таблицу, и в настоящее время разработано более 200 ее вариантов. Правда, по устоявшейся традиции таблица сохраняется в первоначальном виде.

По мере совершенствования периодическая таблица элементов завоевывала у химиков всеобщий авторитет, так как объясняла многие факты, а самое главное, указывала на существование глубокой зависимости между различными элементами, выводила свойства химических элементов из их порядкового номера в таблице Менделеева.

В конце XIX в. началась вторая глобальная научная революция. Физики открыли сложную структуру атома, рентгеновские лучи, явление радиоактивности, а также первую элементарную частицу – электрон. Эти открытия не могли не сказаться на развитии химии.


Дальнейшее развитие периодической системы и периодического закона Д.И. Менделеева

После того, как в 1911 г. Эрнст Резерфорд открыл атомные ядра и предложил планетарную модель атома, началась успешная разработка теории строения атома, появились новые представления об электрической природе химических сил. С этого момента атом стал считаться сложной квантово-механической системой, состоящей из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

В 1913 г. Мозли связал положение атома в периодической системе с его рентгеновским излу-чением. На этом основании был сделан вывод о численном равенстве атомного номера химического элемента заряду атомного ядра этого элемента, а, следовательно, общему числу электронов в оболочке нейтрального атома. Еще более глубокое понимание периодического закона было достигнуто после открытий Н. Бора, которые показали, что по мере перехода от элементов с меньшими порядковыми номерами к элементам с большими порядковыми номерами идет заполнение электронами оболочек, все далее расположенных от ядра. При этом периодически повторяется структура внешних электронных конфигураций, что и определяет периодичность химических и физических свойств элементов и их соединений.

Обнаружение изотопов – разновидностей одного химического элемента, отличающихся атом-ными массами, показало, что не атомная масса, как считал Менделеев, а заряд ядра определяет место элемента в периодической системе.

Сейчас мы знаем, что у элементов, расположенных в начале каждого периода, валентные электроны находятся на s-подуровнях соответствующих уровней энергии в атомах. В малых периодах происходит заполнение электронами s и p-подуровней, а в больших периодах также и
d-подуровней. В шестом и седьмом периодах, кроме того, заполняются f-подуровни. Электронные оболочки атомов инертных газов содержат наружные электроны всегда на полностью заполненных s- и p-подуровнях. Таким образом, химические элементы, образующие подгруппу периодической системы, характеризуются аналогичным строением электронных оболочек атома.

Получила свое объяснение и валентность химических элементов. Она стала определяться числом электронов на внешней электронной оболочке, поэтому эти электроны и стали называться валентными. Понятие валентности формировалось параллельно с понятием о химической связи. В 1916 г. появились первые теории химической связи – взаимного притяжения атомов, приводящего к образованию молекул и кристаллов, что обусловлено совместным использованием электронов взаимодействующих атомов и атомно-молекулярных частиц. Было установлено также, что существуют ковалентные неполярные, ковалентные полярные и ионные химические связи, отличающиеся характером физического взаимодействия частиц между собой.


Современная теоретическая химия

Современная теоретическая химия основана на общефизическом учении о строении материи, на достижениях квантовой механики и статистической физики. Современная химическая наука, опираясь на прочные теоретические основы, непрерывно расширяется вширь и вглубь.
В частности, происходит открытие и изучение новых, качественно различных дискретных химических частиц. Так, еще в первой половине XIX в. при изучении электролиза были обнаружены особые электрически заряженные частицы, образованные из атомов и молекул, – ионы. Было выяснено, что ионы являются структурными единицами многих кристаллов, кристаллических решеток металлов, они существуют в атмосфере, в растворах и т.д.

В начале XX в. химики открыли свободные радикалы как одну из активных форм химичес-кого вещества. Они образуются из молекул путем отщепления отдельных атомов или групп и содержат атомы элементов в необычном для них валентном состоянии, что связано с наличием одиночных или неспаренных электронов, являющихся причиной их исключительной химической активности.

К своеобразным формам химического вещества относятся также макромолекулы. Они состоят из сотен и тысяч атомов и вследствие этого приобретают, в отличие от обычной молекулы, качественно новые свойства.

Применение методов квантовой механики в химических исследованиях привело к возникновению квантовой химии. Был разработан метод молекулярных орбиталей, рассматривающий целостную электронную структуру молекулы. На его основе рассчитываются энергетические и электронные параметры молекул. Этот метод получил распространение и в теории органической химии.

Квантово-механические представления привели к появлению учения об абсолютных скоростях химических реакций, которое легло в основу химической кинетики.

Сильный толчок развитию неорганической химии дало проникновение в недра атома и изучение ядерных процессов. Поиски элементов, наиболее пригодных для расщепления в ядерных реакторах, способствовали исследованию малоизученных и синтезу новых элементов с помощью ядерных реакций. Ядерные превращения и сопутствующие им физико-химические явления стали объектами изучения ядерной химии и радиохимии. В связи с этим ученые занялись разработкой методики выделения и концентрации радиоактивных изотопов.

Влияние магнитных полей на химические процессы исследуют электрохимия и магнито-химия. Изучение взаимодействия вещества с плазмой дало начало плазмохимии. Химия полимеров изучает синтез и свойства высокомолекулярных соединений.

Больших успехов добилась органическая химия. Она сложилась в самостоятельную науку еще во второй половине XIX в., чему способствовало накопление большого эмпирического и теорети-ческого материала о соединениях углерода и его производных. Определяющим фактором для всех органических соединений являются особенности валентного состояния углерода – способность его атомов связываться между собой как одинарной, так и двойной, тройной связями в длинные линейные и разветвленные цепи. Благодаря бесконечному многообразию форм сцепления углеродных атомов, наличию изомерии и гомологических рядов почти во всех классах органических соединений возможности получения этих соединений практически безграничны.

В современной химии накапливаются данные о химической эволюции вещества во Вселенной, что позволяет составить общую картину эволюции природы. На этом пути химия активно интегрируется с другими естественными науками, в результате чего появились геохимия, гидрохимия, химия атмосферы, биогеохимия. В перечисленных науках постепенно формируются представления о планетарных миграциях химических элементов. Биохимия изучает жизненные циклы, осуществляемые с участием белковых катализаторов – ферментов. Есть совсем новая
наука – молекулярная психология, связывающая молекулярную биологию с наукой о поведении живых организмов.

Но самые тесные связи издавна связывают химию с физикой. Результатом становится возникновение все новых и новых смежных физико-химических отраслей знания. Огромное значение, которое имеет эта связь, требует специального рассмотрения вопроса о связи химии и физики.


Взаимосвязь химии с физикой

История взаимодействия химии и физики полна примеров обоюдного обмена идеями, объектами и методами исследования. На разных этапах своего развития физика «снабжала» химию понятиями и теоретическими концепциями, оказавшими сильное воздействие на развитие химии. При этом чем больше усложнялись химические исследования, тем больше аппаратуры и методов физических расчетов проникало в химию. Развитие современной науки подтвердило глубокую связь между физикой и химией. Они связаны между собой по происхождению. Связь эта носит генетический характер, т.е. образование атомов химических элементов, соединение их в молекулы вещества произошло на определенном этапе развития неорганического мира. Также эта связь основывается на общности строения конкретных видов материи, в том числе и молекул веществ, состоящих в конечном итоге из одних и тех же химических элементов, атомов и элементарных частиц. Химические процессы базируются на электромагнитном взаимодействии, изучаемом физикой. На основе периодического закона ныне осуществляется прогресс не только в химии, но и в ядерной физике, на стыке которых возникли химия изотопов и радиационная химия.

Физика и химия практически изучают одни и те же объекты, но только каждая наука видит в этих объектах свой предмет исследования. Так, молекула является объектом, изучаемым не только химией, но и молекулярной физикой. Химия изучает ее с точки зрения закономерностей образования, состава, химических свойств, связей, условий ее диссоциации на составляющие атомы. Молекулярная физика изучает поведение масс молекул, обусловливающее тепловые явления, различные агрегатные состояния, переходы из газообразной в жидкую и твердую фазу и обратно,– свойства, не связанные с изменением состава молекул и их внутреннего химического строения.

Сопровождение каждой химической реакции механическим перемещением масс молекул реагентов, выделение или поглощение тепла за счет разрыва или образования связей в новых молекулах также убедительно свидетельствует о тесной связи химических и физических явлений. Так, энергетика химических процессов тесно связана с законами термодинамики. Химические реакции, протекающие с выделением энергии (обычно в виде тепла и света), называются экзотермическими реакциями. Существуют также эндотермические реакции, протекающие с поглощением энергии. Все сказанное не противоречит законам термодинамики: в случае горения энергия высвобождается одновременно с уменьшением внутренней энергии системы.
В эндотермических реакциях идет повышение внутренней энергии системы за счет притока тепла. Измеряя количество энергии, выделяющейся при реакции (тепловой эффект химической реакции), можно судить об изменении внутренней энергии системы. Он измеряется в килоджоулях на моль (кДж/моль). Частным случаем первого начала термодинамики является закон Гесса. Он гласит, что тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния вещества и не зависит от промежуточных стадий процесса. Закон Гесса позволяет вычислить тепловой эффект реакции в тех случаях, когда его непосредственное измерение почему-либо неосуществимо.

С возникновением теории относительности, квантовой механики и учения об элементарных частицах раскрылись еще более глубокие связи между физикой и химией. Оказалось, что ключ к объяснению свойств химических соединений, самого механизма превращения веществ лежит в строении атомов, в квантово-механических процессах его элементарных частиц и особенно электронов его внешней оболочки. Именно новейшая физика блестяще решила такие вопросы химии, как природа химической связи, особенности химического строения молекул органических и неорганических соединений и т.д.

На стыке физики и химии возникла и успешно развивается физическая химия – сравнительно молодое направление, которое оформилась в конце XIX в. в результате успешных попыток коли-чественного изучения физических свойств химических веществ и смесей, теоретического объяснения молекулярных структур. Экспериментальной и теоретической базой для этого послужили работы Д.И. Менделеева (открытие периодического закона), Я. Вант-Гоффа (термоди-намика химических процессов), С. Аррениуса (теория электролитической диссоциации) и т.д. Предметом ее изучения стали общетеоретические вопросы, касающиеся строения и свойств молекул химических соединений, процессов превращения вещества в связи с взаимной обуслов-ленностью их физическими свойствами, условия протекания химических реакций и соверша-ющиеся при этом физические явления.

В первой половине XX в. на стыке химии и новых разделов физики (квантовой механики, электронной теории атомов и молекул) возникает пограничная наука, которую стали называть химической физикой. Она широко применила теоретические и экспериментальные методы новейшей физики к исследованию строения химических элементов и соединений, а также к изучению механизма химических реакций. Химическая физика изучает взаимосвязь и взаимо-переход химической и субатомной форм движения материи.

Внутри физической химии к настоящему времени выделились и вполне сложились в качестве самостоятельных разделов, обладающих своими особыми методами и объектами исследования, электрохимия, учение о растворах, фотохимия, кристаллохимия. В начале XX в. в самостоя-тельную науку выделилась также выросшая в недрах физической химии коллоидная химия. Со второй половины XX в. в связи с интенсивной разработкой проблем ядерной энергетики возникла и получила большое развитие новейшая отрасль физической химии – химия высоких энергий: радиационная химия, изучающая реакции, протекающие под действием ионизирующего излучения, и химия изотопов.

Вообще физическая химия сейчас рассматривается как наиболее широкий общетеоретический фундамент всей химической науки. Многие ее теории имеют большое значение для развития как неорганической, так и органической химии. С возникновением физической химии изучение вещества стало осуществляться не только традиционными химическими методами исследования, не только с точки зрения его состава и свойств, но и со стороны структуры, термодинамики и кинетики химического процесса. Также во внимание стали браться связи и зависимости химического процесса от воздействия явлений, присущих другим формам движения материи (светового и радиационного облучения, светового и теплового воздействий и т.д.).

Таким образом, химия XX в. предстает перед нами как весьма многообразная и разветвленная система знаний, которая находится в процессе интенсивного развития.


Проблема создания новых материалов

Как уже было отмечено, современной науке известны 110 химических элементов, но их распределение (по удельному весу) крайне неравномерно. Поэтому в современной химии важнейшей задачей является рациональное использование имеющихся ресурсов. Для этого нужно использовать химические элементы в производстве в соответствии с их реальными ресурсами в природе, заменить дефицитное сырье имеющимся в изобилии, утилизировать отходы и использовать вторичное сырье.

Полезные ископаемые и их использование в промышленности. Промышленное производство в наши дни требует большого количества металлов, хотя в тех соединениях, из которых они извлекаются, их доля весьма ограниченна. При современных масштабах добычи основные запасы свинца, меди, цинка, золота, олова, серебра и урана будут исчерпаны в ближайшие десятилетия. С железом, марганцем, хромом, никелем и алюминием дело обстоит лучше.

Самым необходимым сегодня металлом является железо – четвертый по распространенности в земной коре элемент. Разведанные запасы этого металла составляют около 100 млрд т.

Вторым по практической значимости металлом является медь. Ее запасы в разведанных месторождениях составляют не более 250 млн т, поэтому в ближайшем будущем они будут исчерпаны. В связи с этим сегодня обсуждается возможность замены меди алюминием – третьим по распространенности элементом в земной коре. Но в наши дни алюминий добывается из бокситов, которых не так много на Земле. Поэтому ученые работают над возможностью полу-чения алюминия из повсеместно распространенных пород – глины и алюмосиликатов вулкани-ческих пород.

В последнее время возросла роль редких металлов – титана, рубидия, тантала, лития и других. Они названы так потому, что добываются в относительно небольших количествах. Хотя их не так уж мало в земной коре, но пригодные для рентабельной разработки месторождения этих металлов встречаются редко. Тем не менее, использование редких металлов даже в небольших количествах в качестве добавок позволяет намного улучшить свойства применяемых в промышленности материалов. Например, титан придает коррозионную стойкость, тантал используется для получе-ния кислото- и термостойких сплавов, платина, палладий и радий применяются в качестве катализаторов.

Промышленность нуждается не только в металлах, но и в неметаллах – сере, фосфоре, азоте, кислороде, хлоре и в образуемых ими соединениях. Запасы неметаллов вполне достаточны и в обозримом будущем их дефицита не предвидится.

Так, сера на Земле встречается в чистом виде, в виде серной руды (пирита), а также во многих минералах. Очень велики разведанные запасы фосфорных месторождений. Важным элементом является азот, применяющийся для производства удобрений и других промышленных продуктов. В земной коре его не очень много, но атмосфера Земли содержит 78% азота. Нет недостатка и в кислороде – самом распространенном элементе на Земле. С его участием протекают многие химические реакции. Кислород в основном находится в связанном состоянии: в виде оксидов. Кроме того, запасы кислорода постоянно восполняются благодаря процессу фотосинтеза, протекающему в зеленых растениях. В последнее время постоянно возрастает потребность в хлоре, запасы которого велики в соляных залежах и морской воде.

Одним из самых востребованных химических элементов является углерод, занимающий тринадцатое место по распространенности в природе. Он содержится в карбонатных породах (99,5%), в виде углекислого газа в атмосфере и воде (0,5%). Лишь 0,02% углерода приходится на уголь, нефть и газ, на добычу и переработку которых ориентирована промышленность и энерге-тика. На сегодняшний день 90% всех органических соединений производится из нефти и природ-ного газа. Но разведанных запасов нефти при нынешних темпах потребления хватит только до 2050 г. Примерно на 80 лет хватит разведанных запасов природного газа. А затем вновь придется вернуться к добыче и переработке угля, запасы которого велики, но не бесконечны. Поэтому важнейшей задачей является разработка новых технологий получения углеродного сырья из карбонатов и воздуха.

Поскольку полезные сырьевые запасы при современных темпах потребления быстро истощаются и одновременно накапливается огромное количество отходов, важнейшей задачей становится включение этих отходов в новые производственные циклы, что будет способствовать как сохранению природных ресурсов, так и охране окружающей среды.

Определенные успехи в использовании вторичного сырья есть. Лучше всего налажено использование металлолома, в больших количествах потребляемого промышленностью. Отрабо-таны технологии переработки использованной бумаги и картона, позволяющие сберегать лес, но, к сожалению, этим материалом часто пренебрегают.

Намного хуже обстоит дело с вторичной переработкой золы и шлаков, которые могут быть использованы в качестве наполнителей цемента. Кроме того, из них можно извлекать железо и производить силикатные строительные материалы, но такой переработки практически не происходит.

Из нефтяных отходов в хозяйственный цикл возвращается 25–35%, хотя эта цифра могла быть гораздо выше. То же касается использования пластмасс. Так, полистирол, поливинилхлорид могут быть успешно возвращены в промышленность. К сожалению, некоторые виды пластмасс (полиу-ретан) с трудом поддаются переработке.

Традиционные и новые материалы. Замена старых материалов новыми. Вещества, из которых изготавливается различная продукция, называются материалами. Для каждого вида продукции нужны свои материалы, обладающие определенными характеристиками. Наряду с давно известными, апробированными материалами технический прогресс производства требует создания новых материалов, обладающих уникальными свойствами. Кроме того, в связи с истощением природных ресурсов возникает необходимость в замене старых, традиционных материалов новыми и более доступными.

Среди давно используемых материалов в первую очередь нужно назвать камень. Огромный период в истории человечества получил название Каменного века, так как основным материалом, из которого изготовлялись оружие и орудия труда, был камень. Так же хорошо знакомы человеку древесина и изделия из глины, вначале из сырой, а позже – из обожженной. Около
6–7 тысячелетий назад человек научился обрабатывать металлы. Затем были получены первые сплавы, важнейшим из которых стала бронза. И, наконец, решающий шаг был сделан во II тыся-челетии до н.э., когда человек научился обрабатывать железо.

Современные технологии позволяют получить металлы с самыми разными свойствами – жаропрочные, высокотвердые, кислотоустойчивые и т.д.

По-прежнему в мире добывается огромное количество древесины. Но если раньше она использовалась в качестве топлива, строительного материала и материала для изготовления мебели, сегодня сфера применения древесины значительно расширилась. Огромное значение имеет выработка целлюлозы для бумажной промышленности, поскольку, несмотря на то, что в последнее время бумага производится из синтетических материалов, значительная часть бумаги и картона до сих пор производится из древесины. Кроме того, древесина постепенно становится важным химическим сырьем для получения искусственных веществ – текстиля, топлива, сахара, белков, витаминов. Например, из 100 кг древесины можно получить 20 л спирта, 22 кг кормовых дрожжей или 12 кг этилена. В производстве мебели и стройиндустрии современные химические технологии открывают новые возможности использования древесины. В частности, древесново-локнистые и древесностружечные плиты можно получать из любого древесного материала, в том числе и из такого, который раньше считался отходами.

Стекло долгое время использовалось лишь в качестве украшений. Затем из него стали делать посуду, оконные стекла и т.д. К XX в. умели выплавлять стекло более 800 разновидностей, из него производили около 43 тысяч различных изделий. Но стекло обладало серьезным недостатком – оно было хрупким, изделия из него легко приходили в негодность. Поэтому важнейшей задачей ученых и инженеров в XX в. стало получение небьющегося стекла.

Это стало возможным лишь в 20–30-е годы XX в., когда была выяснена структура стекла, после чего было налажено производство не только небьющегося, но и жаропрочного стекла, способного выдерживать перепад температур до 1000° С.

Кроме того, было получено стекло, которое можно было обрабатывать, как обычный металл. А композиционные материалы, изготовленные из химически обработанного стекла со слоями пластика, обладают прочностью металла (бронестекло).

Стекла с напыленным на них тонким слоем металла летом задерживают лучи палящего солнца, а зимой сохраняют тепло.

Производится огромное количество стекловолокнистых материалов, которые используются для армирования, отделки, склеивания, декорирования, изолирования и т.п. Некоторые виды стекловолокна используются в качестве светопровода, по которому можно передавать большое количество информации.

Помимо традиционного стекла, являющегося хорошим изолятором, в последнее время появилось стекло с полупроводниковыми свойствами, которое изготавливается методом тонкопленочной технологии.

Таким образом, область применения стекла постоянно расширяется, традиционный материал приобрел новые свойства.

Меняют в наши дни свои свойства также силикатные и керамические материалы, уже давно известные человеку. Сегодня 90% всех производимых в мире строительных материалов прихо-дится на силикаты. К ним относятся бетон и цемент. В хозяйственной деятельности широко используются высокопрочный полимербетон; огнеупорный бетон, выдерживающий температуру до 1800° С; легкий бетон, в который можно забивать гвозди; бетон с высокими теплоизолиру-ющими свойствами; бетон с малым влагопоглощением.

Традиционная керамика – это фаянс, фарфор, каменная керамика. Она получается из смеси глины, кварца и полевого шпата, обработанной при высокой температуре. Из нее изготавливаются кирпичи разных видов, изоляторы, а также различные виды посуды. В последнее время была получена керамика высокой термической и коррозионной стойкости и прочности. Некоторые материалы начинают разрушаться только при температуре выше 1600°С. В сосудах из такой керамики можно плавить металлы, из нее можно делать камеры сгорания для космических ракет и детали для металлорежущих инструментов. А в начале 90-х годов XX в. был синтезирован керамический материал на основе оксидов меди, обладающий свойством высокотемпературной сверхпроводимости,– он переходит в сверхпроводящее состояние при 170 К.

В XX в. наряду с традиционными материалами появились новые – полимерные и синте-тические. Они находят все большее применение, потеснив традиционные материалы.

На основе природных или синтетических полимеров получают пластмассы – материалы, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения.

Полимеры – это искусственные органические соединения, построенные из макромолекул, которые состоят из множества малых основных молекул,– мономеров.

Процесс их образования зависит от множества факторов. Вариации и комбинации этих факторов позволяют получить множество разновидностей полимерной продукции с различными свойствами.

Массовое производство различных видов пластмасс было налажено только во второй половине XX в., хотя первые пластмассы были получены еще в конце XIX в. Около 2/3 мирового производства полимеров составляют материалы массового промышленного потребления. К ним относятся:

? полиэтилен, из которого делают пластиковые сумки, игрушки, различного рода емкости, изоляционные покрытия для проводов и кабелей;

? политетрафторэтилен (кухонная посуда и изоляционные материалы);

? полипропилен (ковровые изделия, синтетические покрытия для спортивных площадок);

? поливинилхлорид (пластиковые упаковки, трубы, шланги для полива, детали системы внутренней канализации);

? полистирол (изоляционные материалы, мебель, упаковочные материалы);

? полиакрилонитрил (пряжа, ткани, парики);

? поливинилацетат (клеи, краски, текстильные покрытия);

? полиметилметакрилат (заменители стекла, краски).

Сегодня созданы пластмассы, способные заменить металлы, термостойкие пластмассы для авиационной и ракетной техники. Все больше пластмасс используется в строительстве – пластмассовые рамы, облицовочные материалы, кровля и т.д. Существуют проекты создания полностью пластмассовых автомобилей, хотя и сейчас доля пластмасс в автомобилестроении по сравнению с металлами становится все большей.

К полимерным материалам относится и каучук, из которого изготавливается всем известная резина. Натуральный каучук до сих пор добывают из каучукового дерева в Бразилии и Индокитае. Но он имеет сравнительно невысокую термостойкость и подвержен старению. Кроме того, количество натурального каучука недостаточно для современной промышленности. Поэтому химики разработали способы получения синтетического каучука с заданными свойствами. Таким образом, восполняется нехватка природного сырья и производится продукция с высокими показателями износостойкости, химической стойкости. Эти материалы применяются в обувной промышленности, в машиностроении и для производства шин.

Настоящая революция произошла в текстильной промышленности, в которой постоянно увеличивается доля искусственных тканей и синтетических материалов. Более 50% современных волокон производится из материалов, синтезированных за последние полвека, – вискозы, полиамида, полиакрилонитрила и полиэфиров. Кроме того, разработаны технологии химической обработки и отделки тканей из натуральных волокон (например, обработка шерсти для обеспечения устойчивости против моли, уменьшения усадки материала и придания ему несминаемости, обеспечения антистатических, антимикробных и грязеотталкивающих свойств).

Сегодня химики работают над созданием нового поколения искусственных волокон со свойствами, максимально приближенными к естественным материалам. Уже созданы ткани, обладающие высокой степенью защиты от солнечных лучей; ткани, обладающие лучшими свойствами льна, хлопка, шерсти. Появились микроволокна с диаметром в десять раз тоньше волоса. Они позволяют ткать материалы мягкие, защищающие от сырости, но пропускающие при этом воздух к телу. Пустотелые волокна, также разработанные химиками, лучше противостоят холоду. Есть волокна с триклозаном – веществом, останавливающим размножение микробов. Одной из разновидностей синтетических тканей является кевлар – материал, который в пять раз прочнее на разрыв, чем сталь. Он идет на изготовление пуленепробиваемых жилетов, курток и т.д. Создание космических скафандров – также заслуга химиков, создавших уникальную ткань: в нее встроены миллионы микроскопических капсул с парафином, которые при нагревании плавятся, забирая тепло у веществ, находящихся рядом, а при охлаждении они отвердевают и выделяют тепло, нагревающее космонавта.

Сегодня на смену старым материалам во всех областях хозяйства приходят новые. Это связано с тем, что новые материалы более эффективны, чем старые. Кроме того, мы уже говорили о дефиците традиционных видов сырья, которым нужно искать заменители. Поэтому исследова-ния ученых направлены на изучение и использование силикатов, составляющих 97% массы земной коры. Именно они должны стать основным сырьем для производства всех строительных материалов и полуфабрикатов при изготовлении керамики, способной конкурировать с металлами.

Внимание химиков к металлам и керамике неслучайно, именно они составляют на
90% современную материально-техническую базу производства. В мире ежегодно производится около 600 млн тонн металла – более 150 кг на каждого жителя планеты. Примерно столько же производится и керамики вместе с кирпичом. Но металлов не так много, кроме того, их изго-товление обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем получение керамики. Разница в их стоимости до недавнего времени никого особенно не волновала, так как каждый материал имел свое строго определенное назначение. Но сегодня благодаря химии открывается все больше возможностей для замены металла керамикой. Очевидное преимущество керамики в том, что ее плотность на 40% ниже, чем плотность металлов, что позволяет снизить массу изготовляемых из керамики деталей. А при использовании в производстве керамики таких химических элементов, как цирконий, титан, бор, германий, хром, молибден, вольфрам и др., можно получать керамические изделия с заранее заданными свойствами. Как уже говорилось выше, в последнее время была синтезирована огнеупорная, термостойкая, высокотвердая керамика с набором заданных электрофизических свойств.

Так, еще в 60-е годы XX в. в нашей стране был получен сверхтвердый материал гексанит – одна из разновидностей нитрида бора с температурой плавления 3200°С и твердостью, близкой к твердости алмаза. У него отсутствует хрупкость, присущая керамике. Такая керамика произво-дится методом прессования порошков с получением необходимых форм и размеров, что делает ненужной механическую обработку изделий.

Еще одна революционная новация в химии – производство элементоорганических соединений. Это соединения, в состав которых входят как органические элементы (углерод, водород, сера, азот, кислород), так и производные ряда других химических элементов (кремния, фтора, магния, кальция, цинка, натрия, лития и т.д.). Химия кремнийорганических материалов лежит в основе производства полимеров, обладающих ценными свойствами и незаменимых в авиации и энергетике. Фторорганические соединения исключительно устойчивы даже в очень агрессивных средах кислот и щелочей и к тому же обладают особой поверхностной активностью, способностью поглощать кислород и перекиси, поэтому изделия из фторуглерода являются материалом для изготовления внутренних органов человека, а также используются в медицине для создания всевозможных покрытий.


Методы управления химическим процессом

В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические и кинетические. Термодинамические методы влияют на смещение химичес-кого равновесия реакции. Кинетические методы влияют на скорость протекания химической реакции.

Выделение химической термодинамики в самостоятельное направление обычно связывают с появлением в 1884 г. книги голландского химика Я. Вант-Гоффа «Очерки по химической дина-мике». В ней обоснованы законы, устанавливающие зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции. Тогда же французский химик
А. Ле-Шателье сформулировал свой знаменитый принцип подвижного равновесия, вооружив химиков методами смещения равновесия в сторону образования целевых продуктов.

Принцип Ле-Шателье – если на систему оказано воздействие, то она будет действовать таким образом, чтобы уменьшить влияние этого воздействия.

Поскольку основными рычагами управления реакцией выступают температура, давление (если реакция происходит в газовой фазе) и концентрация реагирующих веществ (если реакция идет в жидкой фазе), эти методы управления и получили название термодинамических методов.

Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Это зависит как от природы реагентов, так и от условий протекания процесса. Есть много реакций, равновесие в которых смещено в сторону конечных продуктов: к ним относятся уже упоминавшаяся реакция нейтрализации, реакции с удалением готовых продуктов в виде газов или осадков. Но существует немало реакций, равновесие в которых смещено влево, к исходным веществам. Для их осуществления требуются особые термодинамические рычаги – изменение температуры, давления и концентрации реагирующих веществ.

Но термодинамические методы преимущественно влияют на направление химических про-цессов, а не на их скорость. Управлением скоростью химических процессов занимается химичес-кая кинетика, которой изучается зависимость протекания химических процессов от различных структурно-кинетических факторов: строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реактора и т.п.

Задача исследования химических реакций является очень сложной. Ведь при ее решении необходимо выяснить механизм взаимодействия не просто двух реагентов, а еще и «третьих тел», которых может быть несколько. В этом случае наиболее целесообразно поэтапное решение, при котором вначале выделяется наиболее сильное действие какого-либо одного из «третьих тел», чаще всего катализатора.

Кроме того, следует понять, что практически все химические реакции представляют собой отнюдь не простое взаимодействие исходных реагентов, а сложные цепи последовательных стадии, где реагенты взаимодействуют не только друг с другом, но и со стенками реактора, которые могут как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс.

Также на интенсивность химических процессов оказывают влияние случайные примеси. Вещества различной степени чистоты проявляют себя в одних случаях как более активные реагенты, в других – как инертные. Примеси могут оказывать как каталитическое, так и ингибирующее действие. Поэтому для управления химическим процессом в реагирующие вещества вносятся те или иные добавки.

Таким образом, влияние «третьих тел» на ход химических реакций может быть сведено к катализу, то есть положительному воздействию на химический процесс, и к ингибированию, сдерживающему процесс.


Катализ и его роль в химии

Явление катализа было открыто еще в 1812 г. русским химиком К.С. Кирхгофом. Но меха-низм катализа долгое время оставался загадкой природы, вызывая к жизни самые разнообразные теории, как чисто химические, так и физические. Эти теории, будучи ошибочными, оказывались полезными хотя бы потому, что наталкивали ученых на новые эксперименты. Ведь дело было в том, что для большинства промышленно важных химических процессов катализаторы подбирались путем бесчисленных проб и ошибок.

Катализ – ускорение химической реакции в присутствии особых веществ – катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в конечный состав продуктов.

Каталитические процессы различаются по своей физической и химической природе:

? гетерогенный катализ – химическая реакция взаимодействия жидких или газообразных реагентов идет на поверхности твердого катализатора;

? гомогенный катализ – химическая реакция идет либо в газовой смеси, либо в жидкости, где растворены как катализатор, так и реагенты;

? электрокатализ – реакция идет на поверхности электрода в контакте с раствором и под воздействием электрического тока;

? фотокатализ – реакция идет на поверхности твердого тела или в растворе и стимулируется энергией поглощенного излучения.

Наибольшее распространение имеет гетерогенный катализ, с его помощью осуществляется до 80% всех каталитических реакций в современной химии.

Применение катализаторов послужило основанием коренной ломки всей химической промышленности. Благодаря им оказалось возможным использование в качестве сырья для органического синтеза парафинов и циклопарафинов, до сих пор считавшихся «химическими мертвецами». Катализ необходим при производстве маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Почти вся промышленность основной химии (производства неорганических кислот, оснований и солей) и «тяжелого» органического синтеза, включая получение горюче-смазочных материалов, базируется на катализе. Последнее время тонкий органический синтез становится все более каталитическим, т.к. 60–80% всей химии основано на каталитических процессах. Химики не без основания говорят, что некаталитических процессов вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит своеобразным катализатором.

Сегодня мы уже можем сделать некоторые выводы о сущности катализа.

1. Реагирующие вещества вступают в контакт с катализатором, взаимодействуют с ним, в результате чего происходит расслабление химических связей. Если реакция происходит в отсутствие катализатора, то активация молекул реагирующих веществ должна происходить за счет подачи в реактор энергии извне.

2. В общем случае любую каталитическую реакцию можно представить проходящей через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение расслабленных химических связей.

3. В подавляющем большинстве случаев в качестве катализаторов выступают соединения переменного состава, отличающиеся наличием в них ослабленных химических связей или даже свободных валентностей, что придает им высокую химическую активность. Их молекулы содержат широкий набор энергетически неоднородных связей или даже свободные атомы на поверхности.

4. Следствием взаимодействия реагентов с катализатором является ход реакции в заданном направлении, увеличение скорости реакции, так как на поверхности катализатора увеличивается число встреч реагирующих молекул. Кроме того, катализатор захватывает некоторую часть энергии экзотермической реакции для энергетической подпитки все новых актов реакции и ее общего ускорения.

На современном этапе своего развития химия открыла множество эффективных катализа-торов. Каталитическими свойствами обладают многие химические элементы периодической системы, но важнейшую роль играют металлы платиновой группы и редкоземельные металлы.

С участием катализаторов скорость некоторых реакций возрастает в 10 млрд раз. Есть катализаторы, позволяющие не просто контролировать состав конечного продукта, но и способствующие образованию молекул определенной формы, что сильно влияет на физические свойства продукта (твердость, пластичность).

Одно из перспективных направлений повышения эффективности катализа заключается в разработке молекулярных сит – природных или синтетических материалов, содержащих алюминий, кремний и кислород и обладающих структурой мельчайших пустот и каналов. Такие сита выполняют функцию катализатора: попавшие внутрь пустот или каналов молекулы вступают в реакцию, которая при обычных условиях возможна только при высокой температуре. Молекулярные сита применяются для производства высокооктанового бензина и превращения полученного из древесины метанола в бензин.


Эволюционная химия и ее основные проблемы

Под эволюционными проблемами в химии понимают процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию заслуженно считают предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

До последней трети XX в. об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, химиков вопрос о происхождении вещества не волновал, потому что получение любого нового химического соединения всегда было делом рук и разума человека. Молекулы новых химических соединений конструировались по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание из кирпичей. Живые же организмы из блоков собрать было нельзя. Но изучение и освоение опыта живой природы было давней мечтой ученых.

Первые шаги на этом пути были сделаны еще И. Берцелиусом, который установил, что в основе функционирования живого организма лежит биокатализ. Затем исследования в этом направлении велись немецким ученым Ю. Либихом, французом П. Бертло и, наконец,
Н.Н. Семеновым, что способствовало укреплению связи химии с биологией.

Постепенное развитие науки XIX в., приведшее к раскрытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке. На повестке дня стояло изучение характера химических процессов в живых тканях, обусловленности биологических функций химическими реакциями.

Действительно, если посмотреть на обмен веществ в организме с точки зрения химии, то можно увидеть совокупность большого числа сравнительно простых и однообразных химических реакций, которые сочетаются между собой во времени, протекают не случайно, а в строгой взаимопоследовательности, в результате чего образуются длинные цепи реакций. И этот порядок закономерно направлен к постоянному самосохранению и самовоспроизведению всей живой системы в целом в данных условиях окружающей среды. Так что такие специфические свойства живого, как рост, размножение, подвижность, возбудимость, способность реагировать на изменения внешней среды, связаны с определенными комплексами химических превращений.

Поэтому химии среди наук, изучающих жизнь, принадлежит ведущая роль. Именно химией была выявлена важнейшая роль хлорофилла как химической основы фотосинтеза, гемоглобина – как основы процесса дыхания, установлена химическая природа передачи нервного возбуждения, определена структура нуклеиновых кислот и т.д. Но главное заключалось в том, что объективно в самой основе биологических процессов, функций живого лежат химические механизмы. Все функции и процессы, происходящие в живом организме, оказывается возможным изложить на языке химии, в виде конкретных химических реакций.

Конечно, было бы неверным сводить явления жизни только к химическим процессам. Это было бы грубым механистическим упрощением. Даже сама химия подчеркивает специфичность химических процессов в живых системах, показывает их отличия от того, что происходит в неживых системах. Специфичность и одновременно взаимосвязь химической и биологической форм движения материи подчеркиваются и другими науками, возникшими на границе биологии, химии и физики. Среди них биохимия – наука об обмене веществ и химических процессах в живых организмах; биоорганическая химия – наука о строении, функциях и путях синтеза соединений, составляющих живые организмы; физико-химическая биология – наука о функцио-нировании сложных систем, передаче информации и регулировании биологических процессов на молекулярном уровне; а также биофизика, биофизическая химия и радиационная биология.

В рамках перечисленных наук были определены химические продукты клеточного метаболизма (обмена веществ); установлены циклы биосинтеза этих продуктов и реализован их искусственный синтез; открыты материальные основы регулятивного и наследственного молекулярного механизма, а также выяснено значение химических процессов в энергетических процессах клетки и живых организмов в целом.

Сейчас для химии особенно важным становится применение биологических принципов, в которых сконцентрирован опыт приспособления живых организмов к условиям Земли в течение многих миллионов лет, опыт создания наиболее совершенных механизмов и процессов.

Как было понято учеными еще в XIX в., основой исключительной эффективности биологи-ческих процессов является биокатализ. Поэтому химики ставят своей целью создать новую химию, основанную на каталитическом опыте живой природы. Они стремятся к новым принципам управления химическими процессами, в которых будет применяться синтез себе подобных молекул, по принципу ферментов будут созданы катализаторы с таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут существующие в нашей промышленности до сих пор.

Ферменты - органические вещества белковой природы, которые синтезируются в клетках и во много раз ускоряют протекающие в них реакции, не подвергаясь при этом химическим превращениям. Ферменты (от лат. fermentum – брожение, закваска) иногда называют энзимами (от греч. en – внутри, zyme – закваска).

Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализа-торам, тем не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире сталкиваются с серьезными ограничениями. Пока речь может идти только о моделировании некоторых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем. Также возможно частичное практическое применение выделенных ферментов для ускорения некоторых химических реакций. Для этого нужно изучить весь каталитический опыт живой природы, в том числе и опыт формирования самого фермента, клетки и даже организма. На этой основе и возникла эволюционная химия как новая наука, пролагающая пути принципиально новой химической технологии, способной стать аналогом живых систем.

Таким образом, возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов – ферментов. Для освоения опыта живой природы и реализации полученных знаний в промышленности химики наметили ряд перспективных путей.

Во-первых, химики ведут исследования в области металло-комплексного катализа, который обогащается приемами, используемыми живыми организмами в реакциях с участием ферментов.

Во-вторых, ученые пытаются моделировать биокатализаторы. Уже удалось создать модели многих ферментов, которые извлекаются из живой клетки и используются в химических реакциях. Но проблема осложняется тем, что ферменты, устойчивые внутри живой клетки, вне ее быстро разрушаются.

В-третьих, развивается химия иммобилизованных систем. При этом ферменты, выделенные из живого организма, закрепляются на твердой поверхности путем адсорбции. Пионером в этой области выступил русский химик И.В. Березин. Благодаря его исследованиям биокатализаторы стали стабильными, устойчивыми в химических реакциях, появилась возможность их многократ-ного использования.

В-четвертых, глобальной целью современной химии является решение самой широкой
задачи – освоение и использование всего опыта живой природы. Это позволит химикам создать полные аналоги живых систем, в которых будут синтезироваться самые разнообразные вещества. Таким образом, будут созданы принципиально новые химические технологии.

Зарождение эволюционной химии произошло в 1960-х годах, когда были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно в процессе работы они дезактивировались, ухудшались и выбрасывались. Так, химики обратили внимание на процессы самоорганизации в химических системах, на существование в природе химических систем разной степени сложности, а также на процесс перехода от химических систем к биологическим, подняв тем самым химию на качественно новый, четвертый уровень.

Также было отмечено, что ведущую роль на предбиологической стадии эволюции играл катализ. Роль каталитических процессов усиливалась по мере усложнения состава и структуры химических систем. Именно на этом основании некоторые ученые напрямую стали связывать химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Иными словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем.


Концепции современной химии и их практическое применение

Современная химия удовлетворяет множество нужд человечества, но главная необходимость в современный период - это химия всего живого, и, прежде всего, человека, направленная на решение задач здравоохранения, сельского хозяйства. Поэтому химия живого рассматривается в этом тексте первой.

Любой живой организм - растение, животное, человек - это особая среда, называемая коллоидом и изучаемая коллоидной химией - быстро развивающейся наукой о химии без химических превращений. Поэтому рассмотрение химии живого начинать надо с коллоидной химии.

Коллоидная химия. Коллоидная система (коллоид) - это смесь веществ в высокодисперсном состоянии. Вещество, столь сильно диспергированное, имеет чрезвычайно большую поверхность и благодаря этому приобретает новые для себя свойства по сравнению с компактным состоянием. Молекулы диспергированного вещества объединяются друг с другом так, чтобы поверхность раздела с другой фазой стала минимальной, благодаря чему в коллоидной системе существуют особые структуры, например мицеллы. Высокодисперсная смесь термодинамически нестабильна, но процессы агрегации диспергированных частиц и молекул могут быть заторможены так сильно, что некоторые коллоидные системы сохраняются тысячелетиями. Примером могут служить многие горные породы, существующие миллионы лет. Таким образом, коллоидная химия не изучает химические реакции, характерные для органической или неорганической химии, но все внимание сосредоточивает на структурах коллоидных систем, на их стабильности или преднамеренном разрушении, энергиях образования и т.п.

Двумя важными характеристиками веществ в коллоидной химии являются гидрофильность и гидрофобность. Они легко переводятся: гидро – это вода, фильность – любовь, фобность – отталкивание. Следовательно, гидрофильные вещества – это вещества, смачиваемые водой, гидрофобные вещества водой не смачиваются. Та же пара понятий может быть заменена эквивалентами – липофобные и липофильные. Липо в переводе означает жир, липофобные вещества жиром не смачиваются, а липофильные смачиваются. Все эти названия взяты из известного всем людям факта: жир и вода не смешиваются, а расслаиваются, и жир плавает над водой.

Молекулы белка состоят из двух частей – гидрофильной и липофильной, и на границе раздела жир – вода молекулы белка обращены гидрофильной частью к воде (дисперсионной среде), а липофильной частью – к капелькам жира (дисперсной фазе). Молекула белка, как говорят, является дифильной молекулой, причем обе части молекулы белка (гидрофильная и липофильная) прочно соединены друг с другом ковалентными связями. Молекулы белка, сочетая гидро- и липо-фильность, не могут целиком находиться в воде или в жире. Для них единственно выгодное положение – это граница жир – вода, а значит, присутствие большого количества дифильных молекул в системе жир – вода способствует образованию большой поверхности раздела двух фаз – воды и жира. Поэтому, например, молоко не расслаивается на воду и масло.

Дифильные молекулы называются поверхностно активными веществами (ПАВ), а микрокапля дисперсной фазы с молекулами ПАВ, расположенными по границе раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды, называется мицеллой. Дифильные молекулы могут образовывать в водной среде двухслойные пленки. Для ясности будем говорить о горизонтальных пленках. В верхнем слое все дифильные молекулы упорядочены так, что их гидрофильные части, условно говоря, ориентированы вверх, а в нижнем слое - вниз, причем оба слоя сложены липофильными концами дифильных молекул друг к другу. В результате в воде образуется с обеих сторон гидрофильная пленка, но внутри нее имеется липофильный слой. Эта пленка не обязательно должна быть плоской и горизонтальной, она может принимать любую конфигурацию, в том числе окружать в воде некоторую ее часть. Такую двухслойную пленку ПАВов образуют мембраны клеток всех органов человека, животных и растений. Природными веществами, составляющими мембраны клеток, являются липиды, а точнее фосфолипиды, гликолипиды и стерины (разнообразие всех липидов не ограничивается тремя названными мембранными липидами).

Конечно, коллоидная химия изучает значительно больше объектов, чем клеточные
мембраны,– от дробления руд и обогащения методом флотации горно-металлургического сырья до пищевой промышленности.

Создание лекарств. На разработку каждого нового лекарства, выпущенного в продажу, в среднем тратится 10 лет и 0,5 млрд. долл. США.

В силу того, что все живое состоит из клеток, лекарство должно действовать на клетку - это его цель. Лекарство должно выполнять одну из трех функций: разрушать мембрану клетки и тем самым уничтожать ее целостность; блокировать работу белков, которые обеспечивают жизнедеятельность клеток; дробить нуклеиновые кислоты, лишая клетку способности воспроизводиться.

Современная методика поиска новых лекарств состоит из ряда этапов. Сначала природные вещества, прежде всего травы, или синтезированные химиками соединения подвергают испытаниям – скринингу (на животных, колониях бактерий и т.п.) для обнаружения биологической активности. Если испытывался природный объект, то из него, в случае положи-тельного результата скрининга, выделяют активное начало и определяют структуру его молекулы. Далее используют принцип соотносимости структуры и свойств и прогнозируют способы улучшения активного начала. Наконец, синтезируют предсказанные аналоги, и их свойства вновь изучают.

К лекарствам предъявляется множество требований. Во-первых, нельзя забывать, что большинство лекарств таковыми являются в рекомендуемых дозах, а в больших дозах – это яды. Лекарства главным образом принимаются орально, и они должны, не разрушаясь и не поглощаясь печенью и почками, распространиться по всему телу, но воздействовать только на одну цель. Пути лекарств лежат через соляную кислоту желудка, сквозь кровеносные сосуды в кровь и там им надо противостоять действию ферментов крови, многие из которых выполняют защитную функцию, борясь с посторонними веществами. Если лекарство предназначено для мозга, то оно должно преодолеть барьер «кровь – мозг». Лекарство не должно навсегда оставаться в теле человека; оно должно через некоторое время разложиться и бесследно исчезнуть.

В истории фармацевтики особое место занимает борьба с инфекционными бактериями.
В 1910 г. лауреат Нобелевской премии Эрлих получил первый синтетический антимикробный пре-парат – мышьяксодержащий салварсан, который стал применяться при лечении сифилиса.
В 1935 г. был открыт пронтозил, эффективный против стрептококков. Пронтозил был началом целого семейства сульфаниламидных препаратов, позволявших бороться с инфекцией, проникшей в кровеносную систему. Они были единственным эффективным средством до появления пенициллина в начале 40-х годов XX в.

В 1944 г. из почв был выделен антибиотик стрептомицин, а в послевоенные годы было обна-ружено множество новых антибиотиков, которые позволяют успешно бороться с туберкулезом, бубонной чумой, проказой, дифтерией, газовой гангреной, гонореей и др.

Антибиотики селективно действуют против клеток бактерий, а не млекопитающих. Это связано с различиями в строении и биохимии клеток тех и других. Например, клетка бактерий имеет как мембрану, так и стенку, которая играет важнейшую роль в выживании бактерий. Клетки человека и животных имеют только мембраны. Клетки бактерий благодаря стенкам очень живучи в разных агрессивных средах, чего нельзя сказать о клетках млекопитающих. Клетки бактерий не имеют такого ядра, какое есть в клетках человека и животных. Клетки бактерий содержат ферменты, позволяющие синтезировать витамины, а человек и животные получают витамины только через пищу.

Антибактериальные препараты останавливают метаболизм клеток бактерий, но не вредят клеткам человека в силу отличия метаболизма клеток бактерий и человеческих органов. Так, например, действуют сульфаниламидные препараты. Любопытно, что организмы японцев и китайцев быстрее усваивают такой препарат семейства сульфаниламидов, как сульфатиазол, по сравнению с организмами американцев.

Генетическая инженерия. Генетическая инженерия – это создание с помощью биохими-ческого или химического синтеза отсутствующих в природе молекул ДНК, способных, однако, размножаться и участвовать в синтезе белков в клетке-хозяине, изменяя ее генетическую программу.

Выведение измененных растений и животных стало возможным благодаря генетической инженерии. Введение раствора чужеродной ДНК в ядро оплодотворенной яйцеклетки мыши, например, приводит к хромосомной интеграции. Яйцеклетка вводится матери-мыши, и у некоторых новорожденных мышей обнаруживается новый ген. Это и есть трансгенные животные. Например, человеческий ген гормона роста был введен мыши - и размеры трансгенных мышей сильно увеличились.

Инженерная энзимология. Энзимы – это ферменты. Ферменты - это высокоспецифические белковые катализаторы, выделяемые только из биологических объектов – растений, водорослей, органов животных. Инженерная энзимология использует выделенные ферменты для химико-технологических применений: получения новых продуктов, а также для улучшения качества и удешевления известных.

Использование ферментов в промышленности долгое время тормозилось тем их свойством, что они очень неустойчивы вне клеток, в которых они были синтезированы в живом организме. Со временем были найдены способы «иммобилизации» ферментов, т.е. увеличения их стабильности вне клеток, а также найдены приемы использования целых клеток как средства стабилизации содержащихся в них ферментов. Лабильность ферментов даже в иммобилизованном состоянии неизбежно приводит к однократному их использованию в инженерно-технических целях.

Иммобилизация ферментов - это перевод их в нерастворимое в воде состояние с сохранением каталитической активности. Иммобилизуют ферменты разными способами. Очень надежный, хотя и недешевый способ – это ковалентное присоединение молекул ферментов к водонерастворимому носителю – полимерам, например к целлюлозе, хитину, декстринам, полистиролу или неорганическим материалам – пористому стеклу, керамике. Растворимость ферментов падает, если их ковалентно сшить друг с другом. Иногда полезной оказывается коллоидная химия: ферменты, захваченные гелем, водой из него не вымываются из-за крупных размеров их молекул, но гель легко проницаем для мелких молекул субстрата и продуктов ферментативных реакций.

Результатом иммобилизации является приобретение ферментами нового качества – нераство-римости в воде, которое позволяет отфильтровывать их от реакционной смеси, что резко удешевляет технологические процессы разделения веществ.

Важным направлением инженерной энзимологии является конверсия возобновляемого растительного сырья для целей пищевой, микробиологической, нефтехимической, энергетической, медицинской промышленности и сельского хозяйства. Например, пищевой продукт глюкоза получается из целлюлозосодержащего сырья; лигнин – отход переработки древесины в целлюлоз-нобумажной промышленности, долго не находивший применения и скопившийся в огромных количествах, подвергается ферментной или микробиологической деструкции для получения алкилфенольных, оксифенольных и других фенольных производных в качестве сырья для полимерной химии.

Ферментативное получение глюкозы из целлюлозосодержащих веществ – быстро развивающаяся отрасль промышленности. Во-первых, глюкоза заменяет сахар, чья молекула представляет собой соединение одной молекулы глюкозы с одной молекулой фруктозы, и в организме человека или животного распадается на мономеры. Во-вторых, глюкоза - практически единственное исходное сырье для получения фруктозы, которая в свою очередь в перспективе, из-за ее великолепных пищевых свойств, рассматривается как основной заменитель сахара.

Фруктоза, или иначе фруктовый, плодовый или медовый сахар, широко распространена в природе: ее много в яблоках, помидорах, пчелином меде. Вкус фруктозы приятнее глюкозного:
он - медовый, а не приторный, как у глюкозы. Фруктоза на 60 -70% слаще сахара. Но главное – фруктоза менее вредна для зубов, чем глюкоза, и может потребляться, в отличие от глюкозы, больными диабетом. Она же снижает риск заболевания диабетом. Однако выделение фруктозы из природного сырья - безнадежно дорогое предприятие, а перерабатывать другие сахара во фруктозу до 70-х годов XX в. не умели. И тем не менее уже в 1980 г. потребление глюкозо-фруктозных сиропов в Японии составило 10% от всего потребляемого населением пищевого сахара,
в США – 12%.

Превращение глюкозы во фруктозу катализирует фермент глюкозоизомераза. Обычно до полного превращения всей глюкозы во фруктозу процесс не доводят (если только продукт не предназначен для больных диабетом, которым предлагается чистая фруктоза). Для здоровых людей экономически более оправданно производить глюкозо-фруктозный сироп, содержащий
42-43% фруктозы, 51-52% глюкозы и не более 6% дисахарида. О сиропах, а не о кристаллических продуктах идет речь потому, что смесь глюкозы и фруктозы не затвердевает. Глюкозо-фруктозная смесь используется для производства мороженого, кондитерских изделий, хлеба, консер-вированных фруктов и т.д. Производство глюкозо-фруктозных сиропов из кукурузного крахмала с помощью глюкозоизомеразы в 1,5 раза более экономически выгодно, чем получение сахара из сахарной свеклы по современной технологии. В целом производство глюкозо-фруктозных сиропов в мире уже в 1980 г. составляло 3,7 млн т.

Другим примером применения инженерно-энзимологических процессов служит получение
L-аминокислот для сбалансированного питания. Аминокислоты - главный строительный материал живых организмов. Из них синтезируются белки. Растения и микроорганизмы способны сами синтезировать все нужные им аминокислоты из более простых соединений. Однако человеческий организм способен синтезировать для себя лишь 12 из 20 нужных для жизнедеятельности аминокислот. Остальные восемь аминокислот получили название незаменимых и должны поступать в организм с пищей. При нехватке хотя бы одной из них проявляется патология. Поэтому важно синтезировать эти аминокислоты в промышленных масштабах для корректировки рационов питания.

Химический синтез дает смесь L- и D-аминокислот, молекулы которых представляют зеркальные изомеры, а человеческий организм усваивает только L-аминокислоты. Иммобили-зованный фермент – аминоацилаза, например, позволяет перевести D- в L-изомер.

Аспарагиновая аминокислота не принадлежит к числу незаменимых, но производится в мире многими тысячами тонн. Она находит широкое применение в пищевой промышленности для придания (в сочетании с другой аминокислотой - глицином) кондитерским изделиям и напиткам различных оттенков кислого и сладкого вкуса. Аспарагиновую кислоту получают с помощью фермента аспартазы.

Лактоза, или молочный сахар, содержится в заметных количествах в молочной сыворотке. Лактоза малосладкая и плохо растворима в воде. Она инициирует кристаллизацию льда в мороженом, что резко снижает органолептические свойства последнего. Молекулы лактозы распадаются на глюкозу и галактозу при гидролизе под действием лактозы. Молоко после такой обработки обретает новые диетические качества, поскольку часть людей страдает лактозной недостаточностью, и молочные продукты им доставляют только страдания.

Целлюлоза – это полимер, состоящий из множества сшитых в цепь молекул D-глюкозы.
В природе имеются микроорганизмы, содержащие набор ферментов – целлюлаз, – способных гидролизовать целлюлозу до глюкозы; сырьем для производства глюкозы служат отходы лесоперерабатывающей промышленности: опилки, щепки, сучья, неделовая древесина и т.п., а также отходы сельского хозяйства: солома, ботва и т.п. Полученная глюкоза находит применение в медицине, пищевой промышленности, тонкой химической технологии, микробиологической промышленности и проч. Целлюлоза на нашей планете - самое крупнотоннажное производство из всех возобновляемых видов сырья.

Иммобилизованные ферменты используются для производства лекарств и в медицинской диагностике. Ферменты играют огромную роль в развитии технологии рекомбинантной ДНК. Химическая трансформация ДНК, необходимая для целей генетической инженерии, не может быть обеспечена традиционными методами химии нуклеиновых кислот, и поэтому широкое внедрение методов генетической инженерии в значительной мере зависит от использования иммобилизованных ферментов.

Искусственная пища. На самом деле речь пойдет о самой обычной растительной пище, но подвергшейся очень глубокой переработке, намного превышающей кулинарную. Существуют растения, например соя, зерна которых содержат до 30% растительного масла, 40% растительных белков, а остальное - малоценная клетчатка.

Оказалось, что соевый белок по аминокислотному составу очень близок к мясу. О таких белках говорят, что они – полноценный заменитель мяса. Но питаться соевыми бобами всю жизнь было бы тяжелым испытанием, поэтому появилась задача глубокой переработки сои, которая изначально состояла из следующих технологических операций. Сначала из соевых бобов получают соевую муку, затем из нее извлекают соевое масло, которое является важным продуктом питания, но главное - мешает извлечению белков. Обезжиривают муку экстракцией бензином. Из раствора соевого масла в бензине отгоняют бензин, а масло перегоняют в вакууме, в результате чего вырабатывается рафинированное масло. Так получают все растительные масла начиная
с 40-х годов XX в. Отжим оставляет много масла в муке (или зернах). Обезжиренную соевую муку обрабатывают раствором щелочи, в результате чего все белки растворяются в воде; раствор фильтруется и к фильтрату добавляется кислота, которая осаждает белки. Отфильтрованный продукт, называемый белковым изолятом, содержит около 99% белков сои.

Белковый изолят добавляют в традиционные изделия из рубленого мяса - сосиски, сардельки, вареные колбасы в количестве 30-50% без заметного изменения органолептических и потреби-тельских качеств. Они продаются в расфасованном и упакованном виде, причем на упаковке обязательно указывается состав мясопродукта с указанием на белковый изолят.

Другой способ производства «мясопродуктов» растительного происхождения для фаршей и паштетов - это экструзия насыщенных водных растворов белков под давлением при температуре выше точки кипения воды.

Высокими потребительскими качествами обладают искусственные мясопродукты волокнис-той структуры. История их возникновения весьма любопытна. В начале 20-х годов XX в. только заводы Форда выпускали в США 5,5 млн автомобилей, для обивки сидений которых требовалось много тканей. Одновременно скотобойни Чикаго столкнулись с проблемой: кровь от забитых животных попадала в городскую канализацию и оттуда распространялся ужасных запах, который был обусловлен разложением белков крови животных. Возникла задача: извлекать белки из крови. Это было легко сделать: кровь собирали, добавляли в нее кислоту, в результате чего все белки оседали, их отфильтровывали, но спрашивалось, как оплатить эти дополнительные затраты? Решение было блистательным. Осадок белка растворяли в щелочи, и полученный раствор продавливали сквозь тонкие фильеры в осадительную ванну с кислотой. Белок твердел и превращался в нити, которые извлекали из ванны, сушили, пряли и из полученной пряжи получали ткань, на ощупь очень напоминавшую шерсть. Этой тканью и стали обивать сидения автомобилей, так как эта ткань была вдвое дешевле шерсти. У искусственной ткани был один недостаток: она была очень гигроскопичной и при попадании воды прочность ткани снижалась, поэтому со временем она вышла из употребления, но технология не была забыта и оказалась востребована при производстве мясопродуктов волокнистой структуры.

Щелочной раствор соевого белка продавливается сквозь фильеры в кислотно-солевую каогуляционную ванну с рН раствора около 3,0. Осаждающими кислотами служат соляная, фосфорная или уксусная. У части читателей существует устойчивое предубеждение против химической переработки продуктов питания, но, пожалуйста, вдумайтесь. Соляная кислота - это основной компонент желудочного сока, причем концентрация соляной кислоты в нем около 10%, выше, чем в осадительной ванне. Фосфорная кислота постоянно присутствует в любой клетке, так как энергия для работы клеток получается за счет гидролиза аденозинтрифосфата до аденозиндифосфата и фосфорной кислоты. В теле человека есть хранилища неорганических фосфатов и система их доставки в нуждающиеся в фосфатах клетки. Уксусная кислота постоянно образуется в организме человека на одной из стадий окисления глюкозы до углекислого газа и воды. Наконец, в результате нейтрализации щелочи, например соляной кислотой, образуется поваренная соль.

Итак, полученные затвердевшие волокна белка извлекают из коагуляционной ванны, подвергают ориентационной вытяжке, при этом волокна упрочняются за счет ориентации макромолекул белков и частично обезвоживаются. На свойства белковых волокон сильно влияет их кислотность: при рН < 4,0 белковые волокна очень жестки, на вкус сухие и кислые,
при рН > 7,0 волокна столь эластичны, что при нагревании растворяются в собственной воде (плавятся). Поэтому после коагуляционной ванны (рН = 3) рН волокон доводят до 5,5-6,2. Для повышения прочности белковых волокон в коагуляционную ванну добавляют полисахариды, например декстрин. Для того чтобы волокна не распадались, их смешивают со связующим веществом (клейковина пшеницы, яичный альбумин), а также добавляют вкусовые, ароматические вещества, красители и пропускают через ванну с нагретым жиром, фиксирующую волокна в виде компактной массы.

К вопросу о красителях. Они исключительно природные. Например, большая часть урожая красного перца поступает на экстракцию красного красителя, которым красят белый соевый белковый изолят. Часто получают пектиновые волокна, извлеченные из свеклы или яблок, содержащие соевые белки в качестве наполнителя. Такое «мясо» сохраняет волокнистую структуру даже после обжаривания.

У читателей не должно складываться впечатление, будто соевый белковый изолят и изделия из него - это суррогатная пища. На самом деле соевый белок применяется в качестве детского питания, школьных завтраков и диетического питания. Не обязательно соевый белок употреблять в виде «мяса». Производятся соевое молоко, сыры, йогурты. Соя - это очень важный продукт питания. Недаром в США 1/6 посевных площадей занята соей, и ежегодно получают 65 млн тонн соевых бобов. В России климатические условия позволяют выращивать теплолюбивую сою только на Дальнем Востоке – 420 тыс. тонн в год и в Краснодарском крае – 40 тыс. тонн в год, но вся соя, произведенная на Дальнем Востоке, продается в Китай.

В XXI в. проблема искусственной пищи приобретает иное значение. С ростом населения планеты необходимо искать новые источники пищевых продуктов. Пояснить проблему можно следующим примером. Только 10% растительных белков, содержащихся в корме для скота, превращается в результате откорма животных в мясо и молоко. Но только 10% белков мяса и молока усваивается человеком, т.е. ему достается только 1% белков с полей. Согласитесь, очень расточительно. Было бы правильнее пользоваться растительными белками, тем более что есть множество растений более богатых белком, чем соя. Например, листья и стебли люцерны в пересчете на гектар дают белка в пять раз больше, чем соя. Много белка в люпине. В Англии завод «Плантмилк» перерабатывает листья клевера, капусты, гороха и других сельскохозяйственных культур и производит молоко без коров. Биосинтез белка у одноклеточных организмов в 1000 раз больше, чем у высших животных. Дрожжи, водоросли, микроорганизмы питаются отходами биомассы и даже нефтью или газом, производя белок. Это очень перспективное направление. Переработка 50 млн тонн нефти позволяет произвести с их помощью 25 млн тонн белка, что достаточно для питания 2 млрд человек в течение года. Для сравнения: мировой улов рыбы дает 15 млн тонн белка в год. Эффективность фотосинтеза у водорослей (хлореллы) в 100 раз выше, чем у наземных растений. Это позволяет получить такое же количество белка из ванны с хлореллой с площадью водной поверхности 2 кв. м, какое получается с одного гектара пашни. Содержание белка в сухой массе хлореллы – 50%.

Описанные способы глубокой переработки пищевого сырья полезны в тех случаях, когда использовать иным способом сырье невозможно. Например, в Японии вылавливается множество «бросовой» рыбы – мелких рыбешек, непригодных для кулинарной обработки. Эту рыбу растворяют в щелочи, фильтруют и осаждают белок соляной кислотой. Так же утилизируют белки картофеля, пшеницы, кукурузы, остающиеся в качестве отходов от производства крахмала, в Голландии и Японии.

Другой способ увеличения продуктов питания, получаемых с единицы площади пашни в результате затрат ограниченной энергии, – это переход к трансгенным растениям, получаемым в результате химического вмешательства в ген растения. Например, выведен картофель, в ген которого методами генной инженерии введен фрагмент, приводящий к гибели особо опасного вредителя картофеля,– колорадского жука. Получены трасгенные томаты, соя, рапс, клубника, малина, устойчивые к болезням и вредителям. Существуют предубеждения против трансгенных продуктов питания, однако пять поколений белых крыс, питавшихся трансгенной соей, не отличались от контрольной группы. В Англии и США регулярно обследуют людей, потребляющих трансгенные продукты. В Швейцарии трансгенные продукты маркируют, а в Англии, ФРГ и Швеции - нет.

Существует и еще один аспект искусственного питания. Во всем мире постоянно растет число больных аллергией. Аллергия – это повышенная чувствительность иммунной системы на чужеродные белки, попадающие в организм человека, в том числе и с пищей. В силу того, что организм каждого человека сначала расщепляет потребленные белки на аминокислоты, а затем строит из этих аминокислот свои собственные белки, для аллергиков белки натуральных продуктов заменяются на бульон аминокислот. Аллергия особенно сильна к белкам коровьего молока, которое содержит 36 белковых облигатных (неизбежных) аллергенов; Р-лактоглобулин – особенно сильный аллерген. Он очень устойчив к денатурации: все разрушается, а он остается целым, но он уничтожается в кисломолочных продуктах. Показательно, что в молоке женщин его нет, но и молоко матери может вызвать у ребенка аллергенную реакцию. Однако аллергенные белки сои легко разрушаются, поэтому соевые продукты гипоаллергенные, а потому рекомен-дуются в качестве детского питания, пригодного даже для тех детей, которые страдают от материнского молока.

Получение бульона аминокислот – тоже непростая задача для химика. Сначала белки подвергают ферментативному гидролизу. Продукты ферментолиза менее аллергенны, но не избавлены от этого недостатка целиком. Ферментолизаты имеют горький вкус, а их аллергенность лишь на 10-30% меньше, чем у исходных белков. Это происходит потому, что в продукте остаются нетронутые ферментами белки. Их удаляют мембранными технологиями: отцеживают целые белки, но пропускают сквозь мембрану аминокислоты. Горечь устраняется путем ионного обмена на катионных смолах или адсорбцией на активированном угле. После этого продукт готов к употреблению.

Особые состояния веществ. Особым направлением развития современной химии стало использование свойств веществ в необычных состояниях – одно из них сверхкритическое состояние жидкостей и газов, которое можно пояснить следующим образом.

Казалось бы, при любом давлении у химических веществ сохраняется температура, при которой жидкость переходит в пар, а пар конденсируется в жидкость, однако существуют такие критические давления и температура (точка на диаграмме состояния), выше которых парообразное состояние вещества неотличимо от жидкообразного. Это и есть сверхкритическое состояние, при котором индивидуальные химические вещества имеют плотность жидкости, но подвижность и проницаемость газа. Когда говорят о проницаемости, имеют в виду проникновение в пористые твердые вещества: чем меньше поры, тем труднее проникает в них жидкость или совсем не проникает, а газы проникают во все поры.

Сочетание растворителями в сверхкритическом состоянии свойств жидкости и газа очень важно для экстракции – извлечения одного или нескольких компонентов из твердого пористого тела в жидкую среду (растворитель). Газы из-за низкой плотности экстрагирующей способностью не обладают, но обретают ее в сверхкритическом состоянии.

Один из примеров экстракции при нормальных условиях – упоминавшееся выше извлечение растительных масел из семян масличных культур (подсолнечника, арахиса, кукурузы, рапса и др.) бензином. Семена загружают в карусельные экстракторы (в количестве десятков тонн) и орошают растворителем. Однако эта технология взрыво- и пожароопасна. От нее выгодно отличается экстракция углекислым газом в сверхкритическом состоянии. Она применяется, например, при извлечении кофеина из зерен кофе, выделения красного красителя из красного перца, для ряда процессов в парфюмерном производстве и фармацевтической промышленности. Технология экологически чистая и безопасна с точки зрения возникновения пожара.

Другой прием изменения свойств химических веществ - их высокая степень диспергирования, в результате которого отношение площади поверхности вещества к его объему резко увеличи-вается. Все свойства веществ изучены в обычном состоянии, при котором упомянутое отношение площади поверхности к объему мало. Сильное увеличение этого отношения приводит к состоянию, которое называется нанохимией: температуры плавления твердых тел понижаются, резко повышается химическая активность, например железо возгорается на воздухе при комнатной температуре, возникают новые явления на границах раздела фаз, меняется цвет. Все свойства веществ, раздробленных до размеров частиц, необходимо изучать заново.

Супрамолекулярная химия. В последнюю четверть XX в. быстро стала развиваться суп-рамолекулярная химия. Ее особенностью является образование новых соединений (преимуще-ственно органических) из более простых без потери индивидуальности последних. Эта особенность объясняется тем, что образование супрамолекулярных соединений не сопро-вождается образованием новых валентных связей. Молекулы двух исходных веществ взаимодействуют друг с другом посредством слабых, но многочисленных сил Ван дер Ваальса. Основной принцип супрамолекулярных соединений – молекулярное распознавание по размерам и другим свойствам. Образно выражаясь, одна молекула входит в полость другой, как поршень автомобильного двигателя входит в цилиндр. Например, органическая липофильная молекула входит внутрь кольца молекулы циклодекстрина, причем внутренняя полость кольца липофильная, а внешняя – гидрофильная, в результате образования супрамолекулярного соединения нерастворимое в воде органическое вещество меняет свои свойства и переходит в водную фазу.

Супрамолекулярная химия является обобщением старых экспериментальных фактов и теорий, носящих разные названия, но общих по сути: клатраты, соединения включения, соединения
«гость – хозяин». Все перечисленные термины отражают и подчеркивают наличие в соединении минимум двух разных исходных веществ, которые в составе нового соединения не теряют своей индивидуальности в силу того, что между ними нет валентных связей, а причина образования нового соединения кроется в геометрическом подобии.

Рассмотрим для примера газовые гидраты, в которых роль «хозяина» выполняет вода, а «гостями» могут быть молекулы одного из таких веществ, как ксенон, метан, пропан, сернистый газ, сероводород, хлор и т.д. Разнообразие «гостей» вызвано особенностью молекул «хозяина», т.е. воды. Обычная вода при замерзании образует кристаллы льда, который имеет при разных давлениях множество модификаций. Связано это с тем, что плотность обычного льда ниже плотности воды и лед плавает на воде. Этот редкий факт объясняется кристаллической структурой воды, определяемой водородными связями. Водородные связи образуют каркас, отличающийся большой рыхлостью. Однако рыхлость обычного льда не предел. Водородные связи могут располагать молекулы так, что в структуре воды появляются большие полости, в которых могут располагаться молекулы хлора, сероводорода и т.д. Однако такие особо рыхлые структуры воды могут реализоваться только в том случае, если эти пустоты заполнены атомами или молекулами определенных размеров, так как пустоты сами по себе существовать не могут. Представьте себе булку с изюмом: если бы в булке не было изюма, то тесто заполнило бы все пространство. Изюм – это «гость», тесто – «хозяин», а булка – новое соединение – клатрат.

Рыхлость структуры воды меняется скачками, а не постепенно, т.е. существуют дискретные структуры, причем кроме обычного льда их три, но в полости трех таких структур могут «вселяться» самые разные «гости», размеры которых соответствуют размерам полостей. Газовые гидраты плавятся при более высоких температурах, чем чистая вода, а поэтому гидрат метана, внешне не отличающийся от снега, образуется в газопроводах, забивая пробкой трубы огромного диаметра.

В 1969 г. рядом советских геологов были открыты метановые гидраты в недрах Земли. Оказа-лось, что их залежи в вечной мерзлоте и на дне Мирового океана содержат гигантское количество метана.

Разложение газогидратов, залегающих в коре Земли и на дне океана, таит большие опасности для людей. Тайна Бермудского треугольника недавно получила газогидратное истолкование. Согласно этой гипотезе, разложение находящихся на дне моря в этом районе газовых гидратов приводит к взрывоподобному выбросу огромных объемов газа. Поднимаясь к поверхности воды, они превращают ее в пузырящуюся пену, мгновенно поглощающую любой корабль, и создают восходящее в небо облако метана, приводящее к гибели самолетов из-за взрыва смеси метана и воздуха от пламени двигателей.

Выбросы газов наблюдаются на Земле постоянно: грязевые вулканы в Каспийском море, прибрежье Панамы, выбросы газа около Новосибирских островов, в Охотском море. Разложение природных газовых гидратов таит и другие опасности, например усиление парникового эффекта. Радиационная активность метана (отражение инфракрасного излучения Земли назад, к ее поверхности) в 21 раз выше, чем у углекислого газа.

В середине прошлого века вклад метана в парниковый эффект составлял 6%, в конце XX в. – 10, а в середине XXI в. достигнет 14%. Анализ воздуха, захватываемого полярными льдами, пока-зывает, что современный прирост концентрации метана в атмосфере беспрецедентен за последние 160 тыс. лет: рост температуры планеты влечет разложение гидратов метана, а метан усиливает парниковый эффект.

Неорганическая химия: фуллерены и квазикристалы. Если молекулярные аспекты жизнедеятельности человека и всего живого часто поражают нас новыми находками, то, казалось бы, в такой древней и сложившейся области, как неорганическая химия находок быть не может. Оказывается, это совсем не так, и в последние 20 лет XX в. были сделаны поражающие воображение открытия.

Начнем с того, что углерод, один из элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева, имеет, как известно, ряд модификаций - графит, алмаз, аморфная сажа, а также малоизвестный карбин, в котором атомы углерода связаны в цепи, а цепи упакованы параллельными рядами в кристаллы. Казалось, что об углероде известно все. Однако поиски форм существования углерода на поверхности звезд и в их ближайшем окружении привели к таким условиям эксперимента с графитом, который дал неожиданный результат: получился углерод, растворимый в бензоле. Раствор имел малиновый цвет, а после испарения бензола образовались кристаллы, в которых были обнаружены молекулы, содержавшие 60 атомов углерода. Атомы углерода располагались по вершинам одного из полуправильных многогранников Архимеда - усеченного икосаэдра. Форма этого полиэдра очень близка к шару: 5- и 6-угольники в этом полиэдре расположены как на футбольных мячах, поэтому изначально было предложено назвать новую модификацию футболеном, но авторы назвали свое творение бакминстер-фуллереном по имени американского архитектора, сооружавшего куполообразные здания по тем же принципам, по каким устроены и молекулы С60. Дальнейшее изучение показало, что фуллеренов много, их молекулы всегда полые и содержат четное число атомов углерода. Самыми распространенным является С60 (бакмин-
стер =фуллерен). Затем следует С70, а остальные фуллерены от С20 до С84 (возможно, будут получены фуллерены и с еще большим количеством атомов углерода в молекуле) содержатся в мизерных количествах каждый в продуктах синтеза фуллеренов из графита.

Второе фундаментальное открытие в области неорганической химии оказалось столь же неожиданным, как и открытие фуллеренов, так как оно было сделано в области, о которой, казалось бы, известно все, – это сплавы металлов и интерметаллические соединения.

Прежде чем изложить сущность открытия, следует напомнить, что для твердых тел было известно только два состояния: термодинамически устойчивое кристаллическое и неустойчивое аморфное. Оказалось, что некоторые интерметаллиды, например А16Мn, могут иметь не кристаллическое, не аморфное, а иное строение, названное квазикристаллическим. Квазикрис-таллы не обладают упорядоченностью, но и не являются аморфными веществами. В них существует так называемая ориентационная упорядоченность (кристаллы ею тоже обладают), т.е. все мельчайшие фрагменты, из которых состоит квазикристалл и которые в свою очередь состоят из определенного количества атомов металлов, одинаково ориентированы в пространстве. Отсутствие трансляционной периодичности придает квазикристаллам ряд особых свойств. Свободные электроны в этих интерметаллидах не могут беспрепятственно двигаться вдоль трансляций из-за отсутствия последних. Они сталкиваются с атомами, а поэтому квазикристаллы имеют на 5-8 порядков более низкую электро- и теплопроводность. Оказалось, что квазикрис-таллы очень хрупкие, что объясняется особой дефектностью их структур. По каким-то, неясным пока, причинам к квазикристаллической поверхности не пригорает пища, поэтому внутренние поверхности сковороды стали покрывать слоем квазикристаллов. У кварзикристаллов трение заметно ниже, чем у кристаллов, а поэтому из них делают износостойкие пары трения: оси, опорные подшипники и т.п.

Оглавление
Физика и химия микромира.
Дидактический план
Основы физики микромира
Строение атома
Поле и вещество
Мир элементарных частиц
Свойства элементарных частиц
Характеристики элементарных частиц и их классификация
Основы кварковой теории
Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества
Движение и взаимодействие в физике
Понятие взаимодействия
Общая характеристика физических взаимодействий
Гравитационное взаимодействие
Электромагнитное взаимодействие
Слабое взаимодействие
Сильное взаимодействие
Теории Великого объединения и Суперобъединения
Понятие о веществе и его свойствах
Твердые тела и их свойства
Жидкости и их свойства
Газы и их свойства
Плазма и ее свойства
Становление и развитие химии
Возникновение химии. Алхимия
Открытие основных законов химии
Периодический закон Д.И. Менделеева
Дальнейшее развитие периодической системы и периодического закона Д.И. Менделеева
Современная теоретическая химия
Взаимосвязь химии с физикой
Проблема создания новых материалов
Методы управления химическим процессом
Катализ и его роль в химии
Эволюционная химия и ее основные проблемы
Концепции современной химии и их практическое применение
Все страницы