Тенденции развития современной химии

       Идея  сканирующей туннельной микроскопии проста  -  игла туннельного микроскопа направлена на молекулу, расположенную на поверхности твердого тела. Расстояние между иглой и молекулой должно быть больше, чем размеры молекулы, чтобы не перекрывались атомные орбитали острия и поверхности. Между острием иглы и поверхностью подают напряжение. В какой-то момент напряжение, а значит, и энергия туннелирующих электронов попадает в резонанс с электронно-колебательными уровнями адсорбированной молекулы, и происходит резкий скачок проводимости. Значение напряжения, при котором происходит скачок туннельного тока, строго индивидуально для каждой молекулы, а потому дает ее точный «портрет».

       Безусловно, улучшается качество знания и его  точность. Вместе с тем есть области, в которых химия одиночных молекул и связанные с ней технологии приносят действительно новые и иногда неожиданные знания. Например, гетерогенный катализ и биологическое подразделение химии ожидает подъем именно на базе новых технологий.

       Химия одиночных молекул - это в первую очередь инструмент для управления химическими реакциями, а также для создания новых высоких молекулярных технологий.

       Исследователи учатся манипулировать отдельными молекулами и атомами. Все это необходимо для создания молекулярных конструкций — элементов наноэлектроники, нанооптики или наномеханики. Возможно, в этом главное достижение химии одиночных молекул.

       Если  подытожить все, что уже научились делать с отдельными молекулами, то получится весьма внушительный список: ученые умеют вращать одну молекулу и ориентировать ее на поверхности; заставлять ее переходить с одного места на другое (не только по плоскости, но и по вертикали - с иглы на поверхность и обратно); помещать в нужное место и разрывать. Зачастую все эти манипуляции контролируют с помощью всего двух параметров — тока и напряжения.

       Сканирующие туннельные микроскопы и родственные им приборы используют в качестве рабочих инструментов, чтобы из отдельных атомов строить наномасштабные конструкции. Свойства подобных наноконструкций уникальны. Они могут иметь рекордную твердость или легкость, высокую адсорбционную или реакционную способности. Можно направленно изменять проводимость таких конструкций, варьируя их атомное строение или воздействуя магнитными полями. Эти технологии порождают множество идей: как применять такие наноматериалы в разных областях химии, электроники, техники и медицины. 
 

       2.7 Плазмохимия 

       Плазмохимия изучает кинетику, механизм химических превращений и физико-химических процессов в низкотемпературной плазме. Низкотемпературной принято считать плазму с температурой 10³—10⁵ °C и степенью ионизации 10⁻⁶—10⁻¹, получаемую в электродуговых, высокочастотных и СВЧ газовых разрядах, в ударных трубах, установках адиабатического сжатия и другими способами. В плазмохимии важно разделение низкотемпературной плазмы на квазиравновесную, которая существует при давлениях порядка атмосферного и выше, и неравновесную, которая получается при давлениях менее 30 кПа и в которой температура свободных электронов значительно превышает температуру молекул и ионов. Это разделение связано с тем, что кинетические закономерности квазиравновесных процессов определяются только высокой температурой взаимодействующих частиц, тогда как специфика неравновесных процессов обусловлена большим вкладом химических реакций, инициируемых «горячими» электоронами. Примером плазмохимической технологии служит синтез ацетилена из природного газа (электродуговая печь, 1600 С˚):

       2СН₄ → С₂Н₂ + 3Н₂ .

       Учитывая, что вопрос об экологической обстановке на сегодняшний день стоит довольно остро, важно отметить - одним из наиболее перспективных методов водоподготовки и очистки сильнозагрязненных сточных вод являются методы основанные на плазмохимических процессах в жидко-газовых средах.

       В этом отношении весьма перспективным  представляется применение холодной плазмы, которая создаётся непосредственно  в обрабатываемых жидкостях и  газах или на поверхности стерилизуемых  объектов. Взаимодействие активных частиц плазмы с вредными химическими соединениями или микроорганизмами приводит к их разрушению.

       Технология  плазмохимической обработки воды и  промышленных стоков представляет собой  так называемый деструктивный метод, в основу которого, в отличие от регенеративных методов, удаляющих примеси из воды в твердую (адсорбция), газовую (десорбция) или неводную жидкую (экстракция), фазы положено внесение химических изменений в структуру и состав молекул примесей. Причем наиболее действенным превращением является окисление веществ, которое также служит наиболее эффективным средством в отношении микроорганизмов, в том числе и патогенных.

       Нетермические методы очистки отходящих газов  и жидкостей в промышленности и стерилизации в медицине/биологии стали разрабатываться с 90-х годов  прошлого столетия. Несмотря на некоторые успехи, достигнутые при лабораторных испытаниях, холодная плазменная обработка при атмосферном давлении пока не получила широкого распространения на практике. Основная причина связана с тем, что разработанные к настоящему времени источники холодной плазмы технически сложно и экономически невыгодно масштабировать до параметров, необходимых современному потребителю. Другая, не менее важная, причина состоит в том, что общепринятые способы создания плазмы не гарантируют отсутствия локальных разрушений объекта в местах контакта плазмы с обрабатываемой поверхностью.

       С середины 90-х годов научными коллективами г.Москвы, г.Казани, г.Томска выполнен большой объем научно-исследовательских работ, конструкторских разработок по созданию компактных плазмохимических реакторов для создания холодной плазмы в газово-жидких средах для обработки жидкостей различного состава в различных производственных условиях и прежде всего для различных технологий водоподготовки и очистки.

       На  данный момент разработаны следующие научные основы:

       - процессов диспергирования материалов (металлов и полимеров) до размера малых кластеров (~1 нм);

       - синтеза твердых материалов с  различной наноструктурой и на  этой основе предложены новые  способы синтеза носителей катализаторов, показавшие высокую эффективность в модельных реакциях превращения углеводородов, парциальном окислении сероводорода для очистки газовых потоков, вреакциях гидрирования и метатезиса олефинов. 

       2.8 Фотохимия 

       Фотохимия, наука о химических превращениях веществ под дейтсвием электромагнитного излучения – ближнего ультрафиолетового (100-400 нм), видимого (400-800 нм) и ближнего инфракрасного (0,8-1,5 мкм).

       Принципиально новый этап развития фотохимии начался  в ХХ в. и связан с появлением квантовой  теории и развитием спектроскопии. А. Эйнштейн (1912) сформулировал закон квантовой эквивалентности, согласно которому каждый поглощенный веществом фотон вызывает первичное изменение (возбуждение, ионизацию) одной молекулы или атома. Вследствие конкуренции химических реакций возбужденных молекул и процессов их дезактивации, а также обратного превращения нестабильных первичных продуктов в исходное вещество, химическое превращения претерпевает, как правило, лишь некоторая доля возбужденных молекул. Отношение числа претерпевших превращение молекул к числу поглощенных фотонов называется квантовым выходом фотохимической реакции. Квантовый выход, как правило, меньше единицы; однако в случае, например, цепных реакций он может во много раз (даже на несколько порядков) превышать единицу.

       В России важное значение имели в начале ХХ в. работы П.П. Лазарева в области  фотохимии красителей и кинетики фотохимических реакций. В 40-е гг. А.Н. Терениным была высказана гипотеза о триплетной природе фосфоресцентного состояния, играющего важную роль в фотохимических реакциях, и открыто явление триплет-триплетного переноса энергии, составляющее основу одного из механизмов фотосенсибилизации химических реакций.

       Использование достижений квантовой химии, спектроскопии, химической кинетики, а также появление новых экспериментальных методов исследования, в первую очередь методов изучения очень быстрых (до 10^-12 с) процессов и короткоживущих промежуточных веществ, позволило развить детальные представления о законах взаимодействия фотонов с атомами и молекулами, природе возбужденных электронных состояний молекул, механизмах фотофизических и фотохимических процессов. Фотохимические реакции протекают, как правило, из возбужденных электронных состояний молекул, образующихся при поглощении фотона молекулой, находящейся в основном (стабильном) электронном состоянии. Если интенсивность света очень велика, то путем поглощения двух или более фотонов могут заселяться высшие возбужденные электронные состояния и наблюдаются двух- и многофотонные фотохимические реакции. Возбужденные состояния не являются лишь “горячей” модификацией их основного состояния, несущей избыточную энергию, а отличаются от основного состояния электронной структурой, геометрией, химическими свойствами. Поэтому при возбуждении молекул происходят не только количественные, но и качественные изменения их химического поведения. Первичные продукты реакций возбужденных молекул (ионы, радикалы, изомеры и т.п.) чаще всего являются нестабильными и превращаются в конечные продукты в результате серии обычных термических химических реакций.

       В современной фотохимии выделяют следующие разделы: фотохимия малых  молекул, позволяющую выяснить динамику элементарного акта в возбужденных электронных состояниях молекул; органических и неорганических. Фотохимию, изучающую фотопревращения соответствующих химических соединений и методы фотохимического синтеза; механистичную (физическую) фотохимию, изучающую механизмы и кинетические закономерности фотохимических реакций и тесно связанная с фотофизикой, химической кинетикой, квантовой химией, теорией строения молекул и др. разделами физической химии.

       Важные  практические применения фотохимии  связаны с фотографией, фотолитографией  и др. процессами записи и обработки  информации, промышленном и лабораторным синтезом органических и неорганических веществ (фото-нитрозирование циклогексана с целью получения капролакототама, синтез витаминов группы D, напряженных полициклических структур и др.), синтезом и модификацией полимерных материалов (фотополимеризация, фотомодификация и фотодеструкция полимеров), квантовой электроникой (фотохимические лазеры, затворы, модуляторы), микроэлектроникой (фоторезисторы), преобразованием солнечной энергии в химическую. 

       2.9 «Зеленая химия» 

       «Зелёная химия» (Green Chemistry) — научное направление в химии, к которому можно отнести любое усовершенствование химических процессов, положительно влияющих на окружающую среду. Как научное направление, возникло в 90-е годы XX века.

       Новые схемы химических реакций и процессов, которые разрабатываются во многих лабораториях мира, призваны кардинально сократить влияние на окружающую среду крупнотоннажных химических производств. Химические риски, неизбежно возникающие при использовании агрессивных сред, производственники традиционно пытаются уменьшить, ограничивая контакты работников с этими веществами.

       В то же время, «зелёная химия» предполагает другую стратегию — вдумчивый отбор исходных материалов и схем процессов, который вообще исключает использование вредных веществ. Таким образом, «зеленая химия» — это своего рода искусство, позволяющее не просто получить нужное вещество, а получить его таким путем, который, в идеале, не вредит окружающей среде на всех стадиях своего получения.

       Последовательное  использование принципов «зеленой химии» приводит к снижению затрат на производство, хотя бы потому, что не требуется вводить стадии уничтожения и переработки вредных побочных продуктов, использованных растворителей и других отходов, — поскольку их просто не образуется. Сокращение числа стадий ведет к экономии энергии, и это тоже положительно сказывается на экологической и экономической оценке производства.

       В настоящее время «зелёная химия» как новое научное направление имеет большое число сторонников.

       В 1998 году П. Т. Анастас и Дж. С. Уорнер в своей книге «Зеленая химия: теория и практика» сформулировали двенадцать принципов «зеленой химии», которыми следует руководствоваться исследователям, работающим в данной области:

• 1. Лучше предотвратить потери, чем перерабатывать и чистить остатки.
• 2. Методы синтеза надо выбирать таким образом, чтобы все материалы, использованные в процессе, были максимально переведены в конечный продукт.
• 3. Методы синтеза по возможности следует выбирать так, чтобы используемые и синтезируемые вещества были как можно менее вредными для человека и окружающей среды.
• 4. Создавая новые химические продукты, надо стараться сохранить эффективность работы, достигнутую ранее, при этом токсичность должна уменьшаться.
• 5. Вспомогательные вещества при производстве, такие, как растворители или разделяющие агенты, лучше не использовать совсем, а если это невозможно, их использование должно быть безвредным.
• 6. Обязательно следует учитывать энергетические затраты и их влияние на окружающую среду и стоимость продукта. Синтез по возможности надо проводить при температуре, близкой к температуре окружающей среды, и при атмосферном давлении.
• 7. Исходные и расходуемые материалы должны быть возобновляемыми во всех случаях, когда это технически и экономически выгодно.
• 8. Где возможно, надо избегать получения промежуточных продуктов (блокирующих групп, присоединение и снятие защиты и т. д.).
• 9. Всегда следует отдавать предпочтение каталитическим процессам (по возможности наиболее селективным).
• 10. Химический продукт должен быть таким, чтобы после его использования он не оставался в окружающей среде, а разлагался на безопасные продукты.
• 11. Нужно развивать аналитические методики, чтобы можно было следить в реальном времени за образованием опасных продуктов.
• 12. Вещества и формы веществ, используемые в химических процессах, нужно выбирать таким образом, чтобы риск химической опасности, включая утечки, взрыв и пожар, были минимальными.