Разновидности химических процессов

Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение как материального состава растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме Такие по содержанию исследования проводят и химики-органики, и биохимики, и даже медики. При этом, решая одни и те же задачи, они ставят разные цели. Химиков-органиков интересуют перспективы создания более сложных веществ путем конструирования их молекул для реализации возможностей синтеза аналогов органических соединений, образующихся в живых организмах. Биологи преследуют цель изучения субстратной и функциональной основ жизнедеятельности организмов. Медики стремятся выяснить границы между нормой и патологией в организмах Объединяет все эти исследования идея о ведущей роли ферментов или, в более широком смысле, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности. Эта идея, впервые предложенная великим французским естествоиспытателем Луи Мастером (1822-1895) остается основополагающей и по сей день при изучении химии живой природы в рамках динамической биохимии, основной предмет которой - химические процессы, происходящие в живом организме. В то же время изучением молекулярного состава и структуры ткани живого и неживого организма занимается статическая биохимия. Динамическая биохимия родилась на рубеже XVIII и XIX столетий, когда начали различать процессы дыхания и брожения, ассимиляции и диссимиляции как некие превращения веществ. История исследования брожения включает не только определенные этапы познания действительности, но и трудности проникновения в тайны живого: веру в жизненную силу, надежды Берцелиуса на особые функции катализа в жизнедеятельности организмов, упрощенные представления "чистых химиков" — Либиха и Бертло о брожении как действии обычных химических сил, гениальные предвидения Пастера о различиях между бесклеточным брожением и ферментом живой деятельности дрожжевых клеток и, наконец, открытие белковой основы ферментов и их глубокой дифференциации, а вслед за этим участия на различных стадиях брожения различных ферментов.

Исследование брожения составляет основной предмет ферментологии — стержневой отрасли знаний о процессах жизнедеятельности. На протяжении весьма длительной истории исследования процесс биокатализа рассматривался с двух разных точек зрения. Одной из них, условно названной химической, придерживались Ю. Либих и М. Бертло, а другой — биологической — Л. Пастер.

В химической концепции весь катализ сводился к обычному химическому катализу. Несмотря на упрощенный подход в рамках концепции были установлены важные положения: аналогия между биокатализом и катализом, между ферментами и катализаторами; наличие в ферментах двух неравноценных компонентов — активных центров и носителей; заключение о важной роли ионов переходных металлов и активных центров многих ферментов; вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики; сведение в отдельных случаях биокатализа к катализу неорганическими агентами.В начале развития биологическая концепция не располагала столь обширными экспериментальными подтверждениями. Ее основной опорой были труды Л. Пастера и, в частности, его прямые наблюдения за деятельностью молочнокислых бактерий, которые позволили выявить брожение и способность микроорганизмов получать необходимую им энергию для жизнедеятельности путем брожения. Из своих наблюдений Пастер сделал вывод об особом уровне материальной организации ферментов. Однако все его доводы, если и были не опровергнуты, то по крайней мере отодвинуты на задний план после открытия внеклеточного брожения, а позиция Пастера была объявлена виталистической.Однако с течением времени концепция Пастера победила. О перспективности данной концепции свидетельствуют современные эволюционный катализ и молекулярная биология

ЦЕПНЫЕ РЕАКЦИИ — это самоподдерживающиеся химические реакции, в результате которых первоначальна появляющиеся продукты принимают участие в образовании новых продуктов.                             

Цепные реакции протекают с большой скоростью и иногда со взрывом.   В цепных реакциях различают три стадии: зарождения, цепи, развития цепи и обрыва цепи.

На стадии зарождения цепи происходит oбpaзoвaние промежуточных продуктов, которыми могут быть атомы, ионы или нейтральные молекулы. На стадии развития цепи последовательно протекают реакции превращения и образования свободных радикалов. На стадии обрыва цепи происходит расходование промежуточных продуктов или их разрушение и прекращение реакции. Обрыв реакции может произойти самопроизвольно или под действием ингибиторов. К цепным реакциям относятся, например, окисление органических веществ кислородом, окисление водорода, фосфора, серы, реакции между водородом и хлором, между водородом и бромом и т.д.Большой вклад в разработку теории цепных реакций внес лауреат Нобелевской премии, академик Н.Н.Семенов.

 ГОРЕНИЕ — это химическая реакция, при которой происходит окисление веществ с выделением теплоты и света. Горение и, следовательно, окисление возможны и без участия кислорода. Например, водород сгорает (окисляется) в газообразном хлоре и в парах брома, при этом соответственно образуются хлоро- и бромоводород. Для горения нужны горючее и окислитель. На практике в качестве окислителя могут быть галогены, рзон, пере-кисные соединения, нитросоединения и другие богатые кислородом соединения, а горючими — практически все органические вещества, многие металлы, водород.   

Химия экстремальных состояний.

 При взаимодействии реагентов с катализатором происходит ослабление исходных химических связей. Оно возможно при энергетической активизации реагента, которая достигается при  тепловом либо радиоактивном воздействии, характеризующемся большой величиной энергии. Вопросами энергетической активизации реагента занимается химия экстремальных состояний, которая включает плазмохимию, радиационную химию, химию высоких энергий, высоких давлений и температур.

   Плазмохимия изучает процессы в низкотемпературной плазме. Плазма — это ионизированный газ. Различают слабоионизированную, или низкотемпературную, и высокотемпературную плазму. В плазмохимии рассматриваются процессы при температурах от 1000 до 10000°С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями молекул с заряженными частицами и, что особенно важно, очень высокими скоростями реакций.

В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет около 10^(-13) с при почти полном отсутствии обратимости реакции. Такая скорость в обычных заводских реакторах из-за обратимости снижается в тысячи и миллионы раз. Плазмохимические процессы поэтому очень высокопроизводительны.

В нашей стране разработаны плазмохимические способы превращения угля в жидкое топливо без применения высоких давлений и выброса золы и серы

Радиационная химия — сравнительно молодая отрасль, ей немного более 40 лет. В настоящее время радиационная химия изучает превращение самых разнообразя веществ под действием ионизирующих излучений. Источника ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы.

В результате радиационно-химических реакций из кислорода образуется озон, из газообразных парафинов — водород и сложная смесь низкомолекулярных олефинов. Облучение полиэтилена, поливинилхлорида и многих других полимеров приводит повышению их термостойкости и твердости.

Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, в том числе композиций древесной основе, закрепление лаков и других материалов поверхности дерева и металла, получение полимербетонов пут пропитки обычного бетона тем или иным мономером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в четыре раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозийной стойкостью.

Принципиально новой и исключительно важной областью химии экстремальных состояний является самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Обычно крупномасштабное производство таких материалов осуществляется методом порошковой металлургии, суть которого заключается в прессовании и сжатии при высокой температуре металлических порошков. При этом температура должна составлять 1200-2000°С, а процесс спекания длится несколько часов. Гораздо проще реализуется самораспространяющийся синтез, основанный на реакции горения одного металла в другом или металла в азоте, углероде, кремнии и т.п.

 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез — тепловой процесс горения в твердых телах. Он представляет собой, например, горение порошка титана в порошке бора или порошка циркония в порошке кремния. В результате такого синтеза получены сотни тугоплавких соединений превосходного качества: карбиды металлов, бориды, алюминиды, селениды.Данный метод не требует громоздких печей и процессов, больших энергетических затрат и отличается высокой технологичностью. На установке, производящей многотоннажную продукцию, достаточно работы всего лишь одного человека. По оценке американских специалистов, технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза — высочайшее достижение русских ученых из Института химической физики Российской академии наук.