Химия и современность

DjVu

      ПРЕДИСЛОВИЕ
      Каждая из научных дисциплин по мере своего развития оказывает все большее и большее влияние на практическую деятельность человека. Невозможно представить себе прогресс цивилизации без понимания человеком законов механики, оптики, электромагнетизма. Без математической базы нельзя было бы ни передать технический опыт, ни спроектировать мало-мальски сложное изделие.
      И все-таки, время, в которое мы живем и действуем, демонстрирует особое значение химической науки, химических знаний для научно-технического прогресса, для успешного процветания землян. Химические процессы происходят и в земле, и в самом человеке, и в атмосфере, его окружающей.
      Если мы не познаем химические процессы, происходящие в земле, останемся без ресурсов, обречем себя на голод. Если не познаем, что происходит в нашем организме, потеряем здоровье. Если не поймем превращений в атмосфере, то можем нарушить ее равновесие и поставить под угрозу саму жизнь на планете.
      Три основные проблемы человечества имеют существенный химический аспект: продовольственная — зависит от успехов агрохимии; энергетическая — от химии переработки углей, ядерного топлива; экологическая — от новых малоотходных производств, эффективных процессов обезвреживания выбросов. Мы не можем обойтись и без новых материалов, получаемых в химическом синтезе. Природные материалы все в меньшей степени устраивают нас или все в меньшей степени могут обеспечить растущие запросы человечества. Таким образом, химизация практически всех сфер человеческой деятельности — объективный закон развития научно-технической революции. Прогресс основных отраслей промышленности, сельского хозяйства, медицины все в большей степени связывается с проникновением в них химических методов, процессов, новых синтетических материалов и веществ. И закономерно, что химия принадлежит к числу дисциплин, составляющих фундамент нашего школьного образования.
      Современные химические процессы во всевозрастающем масштабе используются в народном хозяйстве, и каждому новому поколению выпускников общеобразовательной и профессиональной школы приходится сталкиваться с новыми разнообразными проблемами, возникающими в ходе хозяйственного и культурного строительства в нашей стране.
      Химизация позволяет решать многие важные хозяйственные и социальные проблемы, но диалектично, что она же порождает новые проблемы, связанные с увеличивающейся угрозой здоровью человека и состоянию окружающей природной среды. И часто далеко не просто разобраться в том, что хорошо и что плохо.
      Настоящая книга, написанная группой преподавателей Московского университета, предназначена для учителей химии и призвана способствовать пониманию действительной роли и места химии в современном мире. Авторы поставили перед собой задачу дать представление о новых направлениях и тенденциях развития химии как науки и о взаимосвязи химии с важнейшими народнохозяйственными задачами, вытекающими из решений XXVI съезда и последующих пленумов ЦК КПСС, включая выполнение Продовольственной и Энергетической программ, о роли химии в решении проблемы природных ресурсов, в здравоохранении, в защите окружающей среды и в создании принципиально новых искусственных материалов с рекордными свойствами.
      Настоящую книгу можно рассматривать как выполнение своеобразного социального заказа, рожденного жизнью в связи с осуществлением реформы школы и стремлением привести учебные пособия в соответствие с требованиями социально-экономического и научно-технического прогресса нашего общества.
      Академик В. А. Легасов
     
      ХИМИЗАЦИЯ — ВАЖНЕЙШАЯ ТЕНДЕНЦИЯ РАЗВИТИЯ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА
      Современная научно-техническая революция органически свя-аана с внедрением в жизнь достижений химии, ставшей непосредственной производительной силой общества. И если «условия, в которых народное хозяйство будет развиваться в 80-е годы, делают еще более настоятельным ускорение научно-технического прогресса»1, то важнейшим фактором, определяющим это ускорение, является химизация народного хозяйства.
      Крылатое слово «химизация» родилось в 1924 г. Его автором был выдающийся агрохимик академик Д. Н. Прянишников, Химизация народного хозяйства в узком смысле слова означает прежде всего развитие химии и химической промышленности, а в широком смысле слова — применение химии и химических методов почти во всех областях народного хозяйства.
      Сущность и значение химизации образно раскрыл академик
      А. Е. Ферсман, который писал: «Мы считаем сейчас, что задача дальнейшего промышленного освоения отдельных районов, дальнейшего внедрения индустриализации в страну сводится к ряду широких проблем технической реконструкции самого промышленного подхода; и среди этих широких проблем одной из самых главных является идея химизации. Не той химизации, которую обычно себе представляют так, что просто построили химический завод и этим химизировали район, не той химизации, которая рисуется в виде постановки отдельных химических производств, нет, а той химизации, которая внедряется во все хозяйство, которая пропитывает, проникает своими идеями и своими методами во все производства, которая химической мыслью охватывает технологические и промышленные процессы всех областей промышленности, которая химизирует умы, заставляет химически мыслить, химически представлять себе дальнейшее развитие производительных сил каждого края»2.
      Разумеется, что химизация народного хозяйства возможна лишь при наличии высокоразвитой химии и химической промышленности, химического машиностроения и большой армии высококвалифицированных специалистов — химиков и технологов.
      Ничего этого не было в дореволюционной России. И хотя в историю мировой науки навсегда вошли имена М. В. Ломоносова, А. М. Бутлерова, Д. И. Менделеева и многих других русских химиков, химическое образование и химическая промышленность до революции находились в плачевном состоянии. Достаточно сказать, что в России не было ни одного специализированного химико-технологического вуза, а число специалистов-химиков не превышало 500—600 человек. В Академии наук имелась единственная химическая лаборатория, состоявшая из четырех сотрудников, а существовавшие в стране химические заводы по размерам и ассортименту выпускаемой продукции удовлетворяли лишь незначительную часть потребностей, да к тому же многие из заводов находились в руках иностранцев. В 1913 г. в России производилось серной кислоты и суперфосфата соответственно в 14 и 50 раз меньше, чем в США. Располагая огромными запасами собственного сырья, Россия импортировала колчедан из Испании, серу — из Италии, калийные соли — из Германии, а фосфориты — из Африки.
      Многие выдающиеся открытия русских ученых не были реализованы на родине. Так произошло с открытым Н. Н. Зининым методом превращения нитробензола в анилин. Русские фабриканты пренебрегли этим открытием, ставшим вскоре основой для интенсивного развития анилинокрасочной промышленности в Германии. Реакция превращения ацетилена в уксусный альдегид М. Г. Куче-рова также впервые была использована в Германии для производства уксусной кислоты. Накануне первой мировой войны русская армия не имела ни необходимых боеприпасов, ни средств химической защиты. И когда германские войска стали применять отравляющие газы, то это привело к огромным потерям. Только благодаря инициативе русских химиков Н. Д. Зелинского, Р. В. Бызова,
      Н. А. Шилова и других были созданы достаточно эффективные средства защиты против отравляющих веществ, спасшие жизнь многим русским солдатам.
      Коренной поворот произошел в результате победы Великой Октябрьской социалистической революции. По предложению
      В. И. Ленина в декабре 1917 г. при Высшем совете народного хозяйства был создан химический отдел, в который вошли такие крупные ученые, как Л. Я. Карпов, Н. С. Курнаков, А. Н. Бах, И. М. Губкин, Н. Д. Зелинский, И. А. Каблуков, Д. Н. Прянишников и другие. В условиях невероятных трудностей, обусловленных иностранной интервенцией и гражданской войной, Советское государство сделало все, чтобы поддержать ученых-химиков. В период с 1918 по 1920 г. были созданы Институт физико-химического анализа, Институт платины и благородных металлов, Государственный научно-исследовательский институт по удобрениям, Институт химических реактивов, Российский институт прикладной химии (ныне Государственный институт прикладной химии), Институт химико-фармацевтической промышленности и др. В 1920 г. был создан первый в стране Московский химико-технологический институт. В условиях топливного кризиса, когда все нефтяные и угольные районы страны оказались в руках врагов Советской вла-
      сти, В. И. Ленин обратился к химикам с просьбой изыскать новые виды горючего. В ответ на это группа ученых во главе с академиком И. М. Губкиным разработали методы переработки горючих-сланцев, позволившие получить бензин, керосин, различные масла. В это же время Советское правительство поддержало инициативу химиков об использовании солевых богатств Кара-Богаз-Гола и Хибинского горного района. Экспедиция Н. С. Курнако-ва в Кара-Богаз-Гол создала предпосылки для промышленной добычи сульфата натрия, а экспедиция А. Е. Ферсмана на Кольский полуостров привела к открытию величайших в мире залежей «камня плодородия» — апатита. В 1918 г. Советское правительство поставило перед Академией наук задачу получить отечественный радий. Эта задача была решена в кратчайшие сроки.
      К концу 1927 г. Советская страна завершила восстановление химической промышленности, но она по-прежнему работала на старом оборудовании и сильно отставала по темпам развития от других отраслей народного хозяйства и от высокоразвитых капиталистических стран.
      В марте 1928 г. большая группа ученых-химиков во главе с академиком А. Н. Бахом обратилась к Советскому правительству с запиской о необходимости всесторонней химизации народного хозяйства. В записке отмечалось, что «новая химия создала большое число еще недавно неведомых материалов и в своем дальнейшем развитии творит революцию в промышленной экономике. Еще большие экономические достижения сулит возможность использования всех отбросов, т. е. сырья, находящегося не в надлежащем месте и не нашедшего пока своего применения... Мероприятия по химии в отдельных производственных процессах могут совершить крупнейший переворот и в корне изменить как техническую физиономию,так и экономическую структуру производства в области металлургии, машиностроения, горного дела, транспорта, текстильной и других отраслей нашего народного хозяйства, значительно снизив себестоимость продукции и повысив эффект капитальных вложений»1. Далее следовала подробная программа мероприятий по химизации металлургической и машиностроительной промышленности, горного дела, транспорта и строительства, легкой промышленности и сельского хозяйства. Некоторые из этих предложений не потеряли значение и сейчас. К их числу относится всемерное внедрение гидрометаллургии, получение жидкого топлива из каменного и бурого углей, использование нефти для синтеза полимеров и пластмасс, внедрение в сельское хозяйство эффективных комбинированных удобрений и инсектицидов, химическая переработка отходов сельского хозяйства и т. д.
      В ответ на записку Советское правительство в трехдневный срок создало компетентную комиссию, а спустя месяц приняло постановление «О мероприятиях по химизации народного хозяйства СССР». Одновременно был создан Комитет по химизации народного хозяйства, в который входили члены правительства и ученые, в том числе В. В. Куйбышев, Г. М. Кржижановский, А. И. Микоян, А. Н. Бах, Н. И. Вавилов и другие. Комитету надлежало разработать важнейшие проблемы по химизации, в том числе по рациональному использованию и расширению внутренней сырьевой базы, внедрению завоеваний химии в различные отрасли хозяйства, по производству удобрений и инсектофунгицидов, созданию калийной, коксохимической, редкометаллургической промышленности, а также проблемы газификации, комбинированных химико-металлургических и электрохимических производств. Эти задачи успешно были претворены в жизнь. Деятельность Комитета по химизации способствовала развитию химического машиностроения, торфяной и сланцевой промышленности, промышленности силикатов и стройматериалов. В это же время была создана целая сеть химико-технологических институтов и химических факультетов университетов.
      Во II пятилетке химии уделялось не меньшее внимание, а главную экономическую задачу третьего пятилетнего плана — превзойти передовые капиталистические страны по производству промышленной продукции на душу населения — предполагалось выполнить, превратив ее в пятилетку химии. Этот курс был взят не случайно, так как перед лицом угрозы войны нельзя было мириться с еще существовавшим значительным отставанием от развитых капиталистических стран.
      Война помешала осуществлению этих планов. Советские химики внесли большой вклад в победу над врагом, создав высококачественные виды топлива, в том числе авиационного, эффективные средства противохимической защиты и др.
      После войны наряду с восстановлением народного хозяйства огромное внимание уделялось его химизации. Важной исторической вехой явился майский (1958 г.) Пленум ЦК КПСС, который показал роль химии в создании материально-технической базы коммунизма. В решениях Пленума отмечалось, что ускоренное развитие химии должно стать всенародным делом.
      Еще более грандиозные задачи в области химизации были поставлены в Программе КПСС, принятой на XXII съезде, где, в частности, говорилось, что необходимо «исследование химических процессов, разработка новых, наиболее совершенных технологических методов, создание высококачественных и дешевых синтетических материалов для всех отраслей народного хозяйства: машиностроения, строительных материалов, производства предметов бытового назначения, минеральных удобрений, а также создание новых препаратов, применяемых в медицине и сельском хозяйстве»1.
      1 КПСС в резолюциях и решениях съездов, ковференций и пленумов ЦК. 8-е изд., ч. 8. М., 1971, с. 293.
      За годы, прошедшие со времени принятия Программы КПСС, 'были достигнуты большие успехи в деле химизации народного хозяйства. Созданы новые материалы с разнообразными функциями, в том числе жаростойкие, керамические, сверхтвердые и конструкционные, материалы для квантовой электроники и космической техники. Разработаны новые процессы получения сверхчистых, тугоплавких металлов и сплавов. Новые методы подготовки рудного сырья к переделу позволили существенно интенсифицировать металлургические процессы. Широкое использование экстремальных воздействий, включая крайне низкие и сверхвысокие температуры и давления, ультразвук, электрические, магнитные и акустические поля, радиацию и ионную имплантацию, лазерные излучения и ударные волны, позволили разработать принципиально новые технологические процессы и материалы (например, искусственные алмазы, специальные стали и сплавы, разнообразные композиты).
      Новые высокоэффективные катализаторы позволили резко повысить мощность агрегатов и значительно упростить технологическую схему производства полиэтилена высокой плотности, полипропилена и стирола. На основе достижений в области высокомолекулярных и элементоорганических соединений создано производство высокопрочной пленки полиэтилена и полипропилена, полиамидного «суперволокна» с рекордной упругостью, полимерные мембраны для разделения и обогащения газовых смесей, эффективные регуляторы горения топлив и экстрагентов для извлечения цветных и редких металлов.
      Успехи органического синтеза позволили создать новые типы пестицидов, флотационных реагентов, красителей, лекарств и душистых веществ. Развитие биоорганической химии и молекулярной биологии привело к появлению новых катализаторов для химической технологии (ферментативный катализ).
      Значительно возрос объем производства важнейших химических продуктов, чему способствовало создание агрегатов большой единичной мощности. Уже сейчас у нас эксплуатируются агрегаты по производству аммиака и серной кислоты мощностью 0,5 млн. т в год, азотной кислоты и аммиачной селитры — 0,4 млн. т в год.
      В таблице 1 представлена динамика производства этих продуктов в СССР, США и во всем мире.
      В настоящее время Советский Союз занимает первое место в мире по производству 33 видов важнейшей химической продукции, в том числе нефти, каменного угля, чугуна, кокса, железной и марганцевой руды, минеральных удобрений, цемента, сахара.
      В условиях современной научно-технической революции изменяется роль и само содержание химизации народного хозяйства. Сейчас невозможно найти такую область, в котороРi применение химических методов и материалов не революционизировало бы производственные процессы.
      Наименование химического продукта Единицы измерения 1913 г. 1940 г. 1980 г. Мировое производство
      Россия США СССР США СССР США 1950 г. 1975 г. 1980 г.
      (...)
      1 Народное хозяйство СССР в 1980 г. Статистический ежегодник. М., 1981.
      2 Азотные удобрения в пересчете на 20,5% N, калийные — 41,6% К20, фосфорные—18,7% Р2О5 и фосфоритная мука—19,0% Р206.
      «Химизация народного хозяйства—это мощный рычаг повышения эффективности общественного производства. Продукция химии находит широкое применение в большинстве отраслей, заменяя дорогостоящее естественное сырье, помогая повышать качество изделий, увеличивать производительность труда»1.
      Химизация народного хозяйства имеет двоякое значение. Во-первых, она усовершенствует технологию производственных процессов, заменяя механические операции химическим воздействием. Во-вторых, знание химии позволяет более разумно использовать природные ресурсы и создавать новые материалы с необходимыми свойствами. Химический метод производства характеризуется более высокой интенсивностью, производительностью труда, он легче поддается механизации и автоматизации. Тем самым возникает возможность существенно экономить затраты труда и снижать себестоимость выпускаемой продукции. Достаточно сказать, что капрон в 10 раз, а вискоза в 100 раз дешевле натурального шелка. Химическая переработка древесины позволяет полностью исключить отходы производства, причем в производстве этилового спирта 1 м3 древесины заменяет 275 кг зерна или 700 кг картофеля. Возможность создания искусственных полимеров из продуктов нефтепереработки, природных и попутных газов, а также отходов коксохимии позволяет в огромных количествах экономить пищевое сырье. Известное выражение М. Бертло о том, что химия сама создает собственный объект исследования, теперь приобрело особое значение. Начиная с середины XX в. химикам удалось создать материалы, подобных которым не существует в природе. Например, производство волокна началось с природной целлюлозы, затем перешло к ее химически модифицированным формам (вискоза, ацетатный шелк), а в конечном итоге сделало скачок к синтетическим материалам на принципиально новой основе (полиэфиры, полиамиды, полиакрилонитрил).
      Без успехов химии в производстве новых материалов было бы невозможно представить себе развитие новой техники, в частности атомной, электронной, вычислительной. Освоение космоса оказалось возможным после разработки новых видов ракетного топлива, новых жаропрочных материалов с низкой теплопроводностью, новых химических источников тока с высокой удельной энергоемкостью. Каждый знаком с электролитами — растворами или расплавами солей, кислот или оснований, обладающих высокой электрической проводимостью благодаря подвижности ионов. Химикам удалось создать уникальные — твердые — электролиты, у которых в отличие от жидких подвижны только анионы или только катионы. Это открыло путь для создания необычных химических источников тока с исключительно высокой энергоемкостью, оказавшихся незаменимыми в космической технике и сулящими перспективы преобразования всех видов транспорта.
      1 Материалы XXVI съезда КПСС. М., 1971, с. 60.
      И сполвование достижений хил ии экономит народному хозй -ству огромное количество труда, сырьевых ресурсов.
      Например, существующая в настоящее время потребность в шерсти лишь на 30% обеспечивается натуральным сырьем, тогда как остальные 70% дает химическая промышленность.
      Применение минеральных удобрений и инсектицидов в ряде случаев на порядок увеличивает урожайность полей.
      По масштабам влияния на производство химия превосходит многие другие области знания. Например, в США, Англии и других передовых капиталистических странах число химиков в 3—4 раза превышает число физиков или математиков. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, химические методы Производства дают наибольший экономический эффект, во-вторых, капиталовложения в химию окупаются быстрее всего и дают большую прибыль и, в-третьих, химия решает важнейшую народнохозяйственную проблему, связанную с обеспечением промышленности сырьем.
      В настоящее время в производственной сфере используются практически все химические элементы периодической таблицы Д. И. Менделеева. А успехи геохимии и космохимии позволяют надеяться на использование в недалеком будущем природных ресурсов Мирового океана, а также Луны, Марса и других планет Солнечной системы.
      К этому следует добавить, что темпы развития химических производств значительно превосходят остальные производства. Например, если общий выпуск продукции в мире за десятилетие увеличился в 3 раза, то количество химической продукции возросло в 20 раз. Среднегодовой прирост химической продукции в СССР превышает 10%. В условиях научно-технической революции значительно возросли темпы новых технологических разработок. Если в середине XIX в. на разработку электрохимического процесса получения алюминия потребовалось 35 лет, то век спустя крупномасштабное производство полиэтилена низкого давления было создано менее чем за четыре года. На крупных предприятиях около четверти средств расходуется на новые методы и изделия. Химические предприятия во всех странах выпускают более половины продукции, которой 20 лет назад вообще не существовало.
      Здесь следует отметить, что химизация — это не преходящая, а постоянная и важнейшая тенденция развития народного хозяйства. Указанные выше успехи ни в коей мере не означают, что в стране осуществлена всесторонняя химизация всех отраслей народного хозяйства. Многие задачи предстоит решить в текущей и следующей пятилетках. Это касается как объема основных химических продуктов (табл. 2), так и различных производств, использующих химический передел.
      В качестве первостепенных задач химизации можно рассматривать следующие: разработка и внедрение методов получения полимерных изделий из мономеров в одну стадию, решение проблемы комплексного использования углей Канско-Ачинского бассейна и Хибинских апатитовых руд, изменение структуры производства лакокрасочных материалов с целью полного исключения природного сырья, разработка методов бескоксовой металлургии и эффективных процессов обессеривания твердых и жидких топлив, разработка методов применения микробиологических процессов добычи полезных ископаемых и способов борьбы с загрязнением окружающей среды, создание биологически разлагаемых пластмасс и широкое применение ферментов как катализаторов, создание новых производств с использованием аппаратов большой единичной мощности, а также принципиально новых технологических решений, связывающих дальнейшее увеличение объема продукции не с большими размерами аппарата, а с принципиально новыми явлениями и процессами.
      Примером может служить нефтеперерабатывающая промышленность, в которой заводы первого поколения (мощностью до 3 млн. т) использовали упрощенную технологию перегонки сырья и крекинг. Заводы второго поколения мощностью 12—14 млн. т на основе традиционной технологии оказались неэффективными. Заводы третьего поколения мощностью до 20 млн. т используют увеличение не единичной мощности, а принцип новых технологических процессов, что обеспечивает значительно более широкий ассортимент целевых продуктов при одновременном снижении затрат энергии, труда, размеров территории и общезаводского хозяйства.
      Перейдем к вопросу о роли химизации в решении глобальных проблем, к числу которых обычно относят проблемы продовольствия, сырья, энергии и состояния окружающей среды.
      Продовольственная программа СССР определила стратегию и конкретные пути решения продовольственной проблемы в нашей стране. В Программе отведено большое место вопросам химизации сельского хозяйства. Особое место занимают минеральные удобрения и химические кормовые добавки, химические средства защиты растений и консерванты кормов.
      К 1990 г. должно быть не только значительно увеличено производство минеральных удобрений (30—32 млн. т в пересчете на 100%-ное содержание питательных веществ), но и значительно повышено их качество за счет перехода к высококо.нцентрирован-ным и сложным удобрениям, выпускаемым только в гранулированном или крупнокристаллическом виде. Разумеется, что химизация сельскохозяйственного производства приводит к эффективным результатам лишь в сочетании с высокой культурой обработки почвы. Существенное значение для увеличения пищевых ресурсов имеет замена сельскохозяйственного сырья синтетическими продуктами, получаемыми из минерального сырья, например из нефтепродуктов.
      Современный уровень химической технологии, биотехнологии и микробиологии позволяет в промышленных масштабах получать из непищевого растительного сырья (отходы лесозаготовок и деревообработки, дикорастущие травы и кустарники) моносахариды, этиловый спирт, глицерин, кормовые дрожжи и белково-витаминные препараты. В настоящее время из соевого белка научились делать искусственные мясные продукты, а из растительного белка— молоко и сыр.
      Очень важно решить вопрос, как сохранять продукты растительного и животного происхождения в течение длительного времени— возможно, с помощью процессов сублимационного обезвоживания и низкотемпературной обработки.
      Следующая глобальная проблема связана с ограниченными ресурсами минерального сырья для промышленности. Разработка экономичных методов химического обогащения бедных руд и рециркуляция металлолома может сделать сырьевые ресурсы для производства многих металлов практически неограниченными. Например, в случае 50%-ной рециркуляции железа обеспеченность в нем возрастает с одного до трех веков. Разумеется, рециркуляция, как и извлечение металлов из бедных руд, связана с увеличением энергетических затрат.
      Интерес к керамическим материалам, изготавливаемым непосредственно из глин, настолько возрос, что XXI в. иногда называют керамическим. Уже сейчас созданы керамические материалы с уникальными механическими, магнитными, электрическими или оптическими свойствами, удовлетворяющие самые разнообразные области народного хозяйства, и в этом смысле химизация помогает предотвратить сырьевой кризис.
      Рост материального и культурного благосостояния в будущем может определять энергетика. За последний век потребление энергии в мире возросло в 20 раз, причем 20% энергоресурсов идет на
      производство электроэнергии, 20% — на обеспечение транспорта, 30%—на отопление и технологические процессы в промышленности, не связанные с высокой температурой, и 30% расходуется в химических производствах и металлургии в виде теплоты. Учитывая ограниченные запасы природного топлива (уголь, нефть, газ), основные надежды в будущем возлагают на атомные электростанции, и особенно на управляемый термоядерный синтез (подробнее см. с. 80).
      В ближайшее время можно ожидать интенсивного развития водородной энергетики, причем получение водорода в огромных количествах во всех случаях будет связано с химическим переделом (высокотемпературный электролиз воды, термохимические или радиохимические циклы). Сам водород будет служить как источником энергии, так и химическим сырьем в принципиально новых технологических процессах (например, прямое восстановление руд). Переход к атомной энергии позволит значительно шире использовать уголь, нефть и природный газ в качестве химического сырья. Значительные ресурсы экономии энергии связаны и с переходом от традиционных технологических процессов к энерготехнологическим .
      Угрожающее ухудшение состояния окружающей среды привлекает всеобщее внимание, поскольку во многих районах мира нарушено природное равновесие. Возникла проблема истощения ресурсов пресной воды и недостатка чистого воздуха как следствие интенсивного развития промышленности, транспорта и перенаселения. Быстрое загрязнение окружающей среды и нарушение экологического равновесия превратились в глобальную проблему.
      Современная химическая промышленность является серьезным источником загрязнения природной среды, особенно водоемов и воздушного бассейна, что вызвало у многих своеобразную хемофобию (враждебное отношение к химическим производствам и химическим продуктам). И это в известной степени обосновано, если иметь в виду недостаточно совершенное химическое производство. В настоящее время делается все возможное, чтобы создать безотходные химико-технологические процессы и производства, рассчитанные на комплексное безотходное использование сырья. Как не вспомнить здесь слова К. Маркса о том, что отходы—это сырье, не нашедшее пока потребителя.
      Было бы абсолютно неверно думать, что только химия вносит вклад в загрязнение природной среды. Такие загрязнения создаются в огромных масштабах транспортом, тепловыми электростанциями, металлургической и горнодобывающей промышленностью.
      Разумеется, что законодательство об охране природы в значительной мере способствует решению поставленной задачи. И в принципе возможно создание эффективных способов сохранения окружающей среды. В качестве таких мер можно привести упоминавшийся ранее переход от традиционного топлива к водородному, разработку высокоэффективных мембран для погло-
      щения вредных примесей, создание биологически разлагаемых пластмасс, использование процессов фотохимического разложения воды с целью получения водорода, разработку биотехнологии добычи полезных ископаемых и мн. др.
      Успехи химизации народного хозяйства нашей страны неразрывно связаны с усилиями других социалистических стран. Комплексная программа экономической интеграции стран СЭВ, реализуемая в настоящее время, основана на сотрудничестве социалистических стран и, в частности, в деле химизации сельского хозяйства, в производстве новых типов полимеров, каучуков, химических волокон. Постоянная комиссия СЭВ по химии дала предложения по специализации многих химических производств. СССР и ГДР создали совместно высокоавтоматизированный процесс производства полиэтилена высокого давления, который позволил увеличить вдвое производительность труда и снизить затраты энергии и сырья. По «Олефиновой программе» в СССР и в Венгрии уже сейчас производится свыше 250 тыс. т этилена и 130 тыс. т пропилена. Первый по газопроводу, а второй в цистернах поступают из Венгрии на химический комбинат в г. Калуше (СССР), а целевой продукт — поливинилхлорид — транспортируется в обратном направлении. Венгерские и советские специалисты разработали и внедрили в производство метод одноступенчатого гидрирования фенола для получения капролактама. Совместные усилия советских и болгарских химиков привели к созданию долговечных низкотемпературных катализаторов конверсии оксида углерода (II). Советские и чехословацкие специалисты создали высокоэффективные промышленные электролизеры с ртутным катодом для получения хлора и гидроксида натрия.
      Польша и СССР сотрудничают в разработке процессов подземной выплавки серы. Примером плодотворного сотрудничества стран СЭВ может служить сооружение общих производственных мощностей: целлюлозного комбината в Усть-Илимске на Ангаре, асбестового комбината в Киембае, освоение Курской магнитной аномалии. Советский Союз вносит огромный вклад в химизацию социалистических стран, обеспечивая их нефтепродуктами и природным газом. Эта помощь сыграла решающую роль в период нефтяного кризиса.
      С другой стороны, страны СЭВ внесли существенный вклад в развитие советской химической промышленности. ЧССР изготовила для нашей страны установки для производства аммиака, ПНР — оборудование сернокислотных заводов. В настоящее время международная специализация в рамках СЭВ охватывает многие тысячи химических изделий. Большого эффекта можно ожидать от реализации долгосрочной (до 1990 г.) программы кооперации и специализации химического производства социалистических стран.
     
      АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ И НАПРАВЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ НАУКИ
     
      Современную химию можно представить в виде огромного дерева, которое интенсивно развивается, обрастая все новыми ветвями. Даже простое перечисление всех химических ветвей с формулировками предмета их изучения заняло бы слишком много места. Поэтому ограничимся лишь некоторыми разделами и направлениями химической науки, которые имеют фундаментальное значение и открывают перспективы для развития народного хозяйства. Выбор этих разделов и направлений кажется нам не более произвольным, чем любых других.
     
      РАЗВИТИЕ КВАНТОВОЙ ХИМИИ И ХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
      Фундаментальные химические законы, открытые в прошлом столетии, не были по-настоящему осмыслены до появления квантовой химии. Развитие последней позволило раскрыть природу химической связи, механизмы взаимного влияния атомов и меж-молекулярного взаимодействия. Электронные и квантовомеханические представления содействовали прогрессу в области синтеза новых химических соединений.
      В основе всех химических превращений лежат физические процессы, связанные с изменением состояний электронных оболочек атомов, ионов, комплексов, молекул. Квантовая химия основывается на идеях и методах квантовой механики, которые в концентрированном виде выражаются уравнением Шредингера.
      Решение этого уравнения, учитывающего как кинетическую энергию всех частиц, так и их попарные электростатические взаимодействия, позволяет получить полную энергию частицы и волновую функцию или вектор состояния. Эти параметры, в свою очередь, дают возможность рассчитать любое реальное свойство атомов, ионов или молекул.
      В квантовой химии исследуют электронное строение атомов и молекул. Электронная конфигурация атомов и молекул определяет не только химические, но также оптические, электрофизические и даже механические свойства, причем носителями этих свойств являются валентные электроны. Например, твердость веществ обусловлена сопротивлением электронных облаков сжатию, а энергия, затрачиваемая на их деформацию, приводит к увеличению энергии электронов.
      Методы квантовой механики позволяют рассчитать все физические константы, характеризующие свойства веществ, исходя из четырех фундаментальных величин: заряда ё и массы т электрона, постоянной Планка h и массы ядер атомов, которые образуют соединение. При одинаковых условиях из одних и тех же частиц всегда образуется одно и то же вещество именно с такой, а не иной структурой, поскольку каждому состоянию электронной волновой функции отвечает строго определенная пространственная конфигурация. Атомы удерживаются в определенном порядке химическими связями — силами квантовомеханического взаимодействия. Причем при образовании любой комбинации атомов наиболее вероятной является та, которая соответствует минимуму энергии.
      Для простых молекул, особенно для двух- и трехатомных, включающих атомы 1—3-го периодов, в настоящее время можно вычислять практически все свойства изолированных молекул: энергии различных состояний самой молекулы и ее ионов, энергии переходов, карты распределения электронной плотности, дипольные и магнитные моменты и многие другие свойства. Эта информация позволяет в результате рассчитать ^онстанты равновесия и состав равновесной смеси при заданной температуре даже в тех случаях, когда синтез самих соединений пока невозможен. На рисунке 1 дана схема так называемой нежесткой молекулы. Как показывают квантовомеханические расчеты, один из ее атомов может перемещаться в разные положения в соответствии с минимумами энергци состояния молекулы..
      Для молекул, включающих атомы тяжелых элементов, электроны внутренних оболочек учитывают не явно, а с помощью эффективного потенциала электронов внешних валентных оболочек. Такие приближения не позволяют оценить полные энергии молекул, однако их часто бывает достаточно для определения энергий переходов между валентными уровнями, потенциалов ионизации и других характеристик.
      Наибольшая точность расчетов, естественно, достигается длх малых молекул. Например, энергия диссоциации моЛекул водорода в основном состоянии была оценена в конце 60-х гг.
      Что же нового наблюдается в развитии квантовой химии?
      В годы зарождения этого раздела науки использовались приближенные полуэмпирические методы. Движение электронов в химических системах рассматривалось только при фиксированном положении ядер (адиабатическое приближение). Изучались молекулы самых легких элементов — водорода, гелия. Решение уравнения Шредингера даже в этом случае связано с трудоемкими расчетами. К тому же последующее определение основных физико-химических параметров молекул ввиду сложного характера связи параметров с волновой функцией представляет непростую задачу, Успехи вычислительной техники в последние десятилетия существенно повлияли на методы и направление квантовохимических исследований. Появилась возможность рассчитывать и качественно оценивать строение, физические свойства, спектры довольно крупных молекул (в составе которых примерно 30 электронов). Это особенно ценно для исследования нестабильных активных частиц и комплексов.
      В настоящее время развивается квантовая теория движения ядер в системах при химических реакциях, при явлениях фотовозбуждения и распада веществ, становятся более разнообразными объекты квантовохимических исследований-, от процессов в химических лазерах и электрической проводимости молекулярных кристаллов до сложных механизмов функционирования биологических систем.
      При более точных приближениях полную электронную волновую функцию представляют в виде линейной комбинации функций отдельных электронных конфигураций. Вероятность нахождения электрона в каждой точке пространства считается уже зависимой от положения остальных электронов.
      Учет корреляции электронов существенно уточняет результаты квантовохимических расчетов, особенно для молекул с большим количеством электронов. Электронная корреляция очень существенна при близких расстояниях между молекулами, т. е. при их взаимодействии в ходе превращений.
      Особенное значение квантовохимические расчеты приобретают в тех случаях, когда современный эксперимент либо недоступен, либо слишком дорог. Например, для реакций в низкотемпературной плазме, в космическом пространстве, при многих нестабильных состояниях веществ, возникающих в плазме лазерного луча, такие расчеты могут дать знание вероятностей прохождения химической реакции по тому или иному пути.
      Эти расчеты позволяют оценивать возможные или невозможные л8бибшгации атомов, которые могут составить определенные м<ЫЙа^лы. Например, метальный радикал СН3* несет один электрод на граничной орбитали и сходен в этом смысле с остатком
      карбонила марганца Mn(CO)s. Это сходство называется изоло-бальным соответствием, из которого вытекает некоторое подобие и химических свойств. Остаток карбонила марганца и метильный радикал склонны к димеризации. Поэтому может считаться вероятным и обоазование их комплекса СНзМп (CO)s, который пока не синтезирован.
      Два фрагмента изолобальны, если число, симметрия, свойства, положение в пространстве и энергия граничных орбиталей сходны. Например, метилен и карбонил железа сходны тем, что у обоих на граничных орбиталях по два неспаренных друг с другом электрона. Поэтому их триплетные частицы похожи по реакционной способности. Так, метилен образует тример, циклопропан:
      а тример карбонила железа — соответственно додекатикарбонил железа, молекула которого также содержит трехчленный цикл:
      Здесь наряду с обычными присутствуют мостиковые лиганды СО, связанные одновременно с двумя атомами железа. Мостиковые лиганды характерны также для нестабильных ионов органических соединений.
      Используя изолрбальное соответствие, можно находить аналоги молекул и комплексов, анализ которых позволяет обнаружить простоту в сложных структурах и поэтому помогает в поиске путей их синтеза. Например, карбонил осмия Os(CO)ie имеет весьма сложное строение (доказанное рентгеноструктурным анализом)
      Однако, если сравнить это сложное строение с этиленовым комплексом платины, становится ясным их структурное сходство:
      Квантовая химия может дать в будущем более рациональные для экспериментаторов и специалистов, занимающихся синтезом, способы описания молекул.
      Химическая физика опирается на фундамент квантовой механики и изучает механизмы молекулярных столкновений, перераспределение энергии внутри молекул, а также связанные с внутримолекулярными физическими процессами кинетические химические эффекты. Основные понятия и представления химической физики стали формироваться в первой четверти XX в., когда было обнаружено, что при фотохимическом взаимодействии хлора и водорода на каждый поглощенный квант энергии света образуются не одна, а сотни тысяч молекул хлороводорода. Чтобы объяснить это явление, М. Боденштейн использовал понятие о радикалах — осколках молекул или несвязанных атомов, имеющих свободную валентность и обладающих реакционной способностью значительно большей, чем валентно насыщенные молекулы.
      Молекула имеет четное число электронов. При реакции с радикалом получается конечный продукт, и наряду с этим образуется радикал, так как общее число электронов у двух вступивших в контакт частиц нечетное. Новый свободный радикал, соударяясь с другой молекулой, образует электронейтральную молекулу продукта и соответственно еще один радикал и т. д., пока не встретятся два радикала с разной валентностью. Тогда цепочка превращений (цепная реакция) прерывается, происходит обрыв цепи.
      Позднее Н. Н. Семенов доказал, что в таких цепных реакциях (радикал-молекула) на каждом этапе могут образовываться не один новый радикал, а несколько. Происходит разветвление реакции. Если условия ее протекания делают более вероятным такое разветвление, нежели обрыв цепи, то число радикалов и продуктов реакции нарастает по экспоненте, лавинообразно.
      О том, что некоторые химические реакции не подчиняются открытым еще в прошлом веке кинетическим зависимостям, что даже в случае простейших реакций превращения идут сложным путем через промежуточные соединения, указывали еще Я- Вант-Гофф и С. Аррениус. Позднее оказалось, что для большинства реакций характерно образование активных промежуточных частиц— свободных атомов, ионов; радикалов, возбужденных молекул.
      Получение радикалов при низких температурах в результате химических реакций перспективно, так как селективность превращений при низких температурах всегда выше (т. е. меньше вероятность образования побочных продуктов)’, чем при высоких температурах. Поэтому возможно их эффективное использование для последующих стадий, например окисления, хлорирования или полимеризации.
      Ранее считалось, что радикалы — промежуточные неустойчивые частицы. Еще в начале XX в. были изучены живущие достаточно долго радикалы ненасыщенных соединений. Однако в начале 60-х гг. О. Л. Лебедев и С. Н. Казарновский получили стабильные радикалы насыщенных соединений. Эти радикалы настолько устойчивы, что их можно выделить в виде самостоятельных веществ, которые реагируют даже без участия неспаренного электрона.
      Сначала был выделен устойчивый радикал следующей структуры:
      Эти и другие нитроксильные радикалы, которых теперь синтезировано несколько сот, устойчивы к действию кислот и щелочей, окислителей, растворимы во многих растворителях, не теряют своих парамагнитных свойств от —270° до +250°С. Они уже применяются как вещества-индикаторы в геологии (вместо радиоактивных изотопов), для бесконтактных методов измерений (парамагнитного зондирования), при исследованиях белковых структур
      Этот механизм основан на работах Г. Н. Льюиса (1916 г.) и десятилетия принимался за очевидный. Однако в последние годы было обнаружено, что активные промежуточные частицы — ионы и радикалы — связаны друг с другом быстрыми переходами электрона. При этом обмене ионы и радикалы образуют гибриды: ион-радикалы. Именно такой механизм наиболее типичен.
      Конечно, ион-радикалы неустойчивы и распадаются на ионы и радикалы. Например, катион-радикал метана распадается по двум направлениям:
      Нельюисовский подход к механизму реакций оказался очень продуктивным. Сейчас химия ион-радикалов бурно развивается. Факт образования ион-радикалов заставил иначе взглянуть на роль электрона, который во многих случаях является химическим реагентом — простейшим анионом — и участвует как полноправный партнер в реакциях восстановления:
      Мощным источником электронов является катод в электрохимических процессах. При электрохимическом восстановлении метил-ртути в жидком аммиаке на катоде выделяется вещество, по составу отвечающее формуле CHaHg. Оно диамагнитно, но является хорошим проводником (органический «металл»). Структура его состоит из каркаса, образованного катионами CHaHg+, а суммарный заряд уравновешивается электронами, принадлежащими всей решетке.
      На химическое поведение электрона оказывают влияние и его волновые свойства. Согласно принципу неопределенности при данном фиксированном значении потенциальной энергии частицы ев кинетическая энергия не определенна и может принимать еколь угодно большие значения. Многие реакции, связанные с переходом электронов, не подчиняются законам химической кинетики. Например, скорость таких реакций не зависит от температуры, для них недействительно уравнение Аррениуса, в них преодолевается и высокий энергетический барьер. Электрон не взбирается на вершину потенциального холма, а как бы пробирается сквозь него по некоему туннелю («туннельный эффект»). Причем перенос электрона происходит до соударения частиц с расстояния, на порядок превышающего их размеры. Уже затем происходит электростатическое притяжение, например, образовавшихся катиона и анион-радикала, как в случае реакции парообразного калия и иода:
      «Туннельный эффект» характерен не только для электрона, но и для протона. Для более тяжелых частиц возможность такого переноса резко уменьшается.
     
      ТЕНДЕНЦИИ В РАЗВИТИИ СОВРЕМЕННОЙ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ И ХИМИИ ПОЛИМЕРОВ
      Характерная особенность развития органической химии на современном этапе — ее проникновение в другие области знания, в том числе биологию, медицину, сельское хозяйство. Органический синтез жизненно важных ферментов и пептидов, исследование процессов передачи нервного импульса, регуляции о бмена веществ в организмах, наконец синтез активных генов (1976—1978 гг.), кодирующих в свою очередь синтез инсулина и интерферона, наглядно иллюстрируют достижения органической химии последнего десятилетия.
      В прошлые годы усилия специалистов были в основном сосредоточены на синтезе новых органических веществ и материалов, необходимых для практики. Причем преобладал метод проб и ошибок. Органическая химия в наши дни стала более точной наукой, базирующейся на закономерностях, связывающих свойства веществ с их химическим составом, пространственной структурой, природой химической связи. Развитие стереохимии сделало реальной постановку задачи синтеза веществ с заранее заданным строением, а значит и с заданными свойствами. Совершенствование структурных представлений является, пожалуй, важнейшей тенденцией теоретической химии.
      Все многообразие химических соединений, природных минералов, изобилие органических соединений живой материи обусловлено возможностью достаточно стабильного расположения атомов стройным числом способов, зависящих от пространственной конфигурации электронных орбит и отражающих симметрию поля сил между ядром и электронами. Силы квантовомеханического взаимодействия— межатомные химические связи — удерживают атомы в определенном порядке, что и определяет структуру вещества. Ионная связь обусловлена электростатическими силами между противоположно заряженными частицами. Ковалентная связь — результат совместного владения электронами двумя атомами. При Металлической связи каждый атом связан с несколькими соседними атомами; связывающие электроны относительно свободно перемещаются по всей массе материала. Все эти виды химической связи обусловливают специфические структуры химических соединений.
      Специфика структур определяется, кроме межатомных расстояний, валентных и торзионных углов, также и плотностью упаковки, которая особенно влияет на свойства больших органических молекул, полимеров, ферментов. Для всего живого принципиально важно, что высокомолекулярные вещества в организмах имеют регулярную структуру, сложность которой не уступает сложности аморфных, а правильность — правильности кристаллических структур. Феномен наследственности обязан точному воспроизведению специфических белковых структур по матрицам соответствующего генного набора.
      Эффективные методы исследования; масс-спектроскопия, рент-гено- и электронография, ЯМР, инфракрасная и ультрафиолетовая спектроскопия в совокупности с квантовомеханическими расчетами, выполняемыми с помощью мощных ЭВМ, составляют современный конформационный анализ, направленный на расшифровку строения молекул. Растущая эффективность структурных исследований позволяет достичь впечатляющих успехов в синтезе новых химических соединений. Это характерно для тонкого органического синтеза, для основной химии, биохимии и для всех других «ветвей» органической химии.
      Тонкий органический синтез (ТОС) — это огромное число химических соединений: лекарственных препаратов, красителей, химических добавок, пестицидов, ПАВ, специальных полимерных материалов, синтетических ферментов и т. д. К тому же, как правило, получение каждого продукта ТОС — сложный многостадийный процесс. Именно тонкие превращения в большинстве технологических процессов, большое количество переходов в продвижении к целевому веществу характеризуют специфику этой подотрасли органической химии, а не масштабы производств.
      Прогресс в промышленности органического синтеза в значительной степени зависит от разработки новых реакций. Часто принципиально новая реакция создает новую эпоху в органической химии. Например, в 1928 г. была открыта реакция диенового синтеза (О. Дильс и К. Альдер), состоящая в присоединении веществ, содержащих двойную или тройную связь (диенофилов) в /, 4-положении к сопряженным диеновым системам с образованием шестичленных циклов:
      Эта реакция стала основой процессов получения многих новых синтетических веществ от самых различных циклических соединений до сложных полициклических систем, например стероидных и далее гетероциклических систем.
      Реакция Виттига:
      стала основой нового метода синтеза олефинов, с помощью которого получено большое число сложных аналогов природных соединений. Развитию этого метода синтеза способствовала разработка реагентов, иммобилизованных на полимерных носителях. При этом второй реагент находится в растворе. Реакция протекает таким образом, что продукт остается на полимере и легко отделяется фильтрованием и промывкой от избытка второго реагента и побочных продуктов. Затем конечный продукт отщепляют от полимерной матрицы и подвергают очистке. Это позволяет проводить многостадийные и трудоемкие синтезы без сложной очистки на промежуточных стадиях. Особенно успешно этот метод применяется для синтеза пептидов и белков.
      Весьма эффективен метод иммобилизации ферментов на нерастворимом носителе. Фермент выделяют из природного источника, очищают, фиксируют на неорганическом или полимерном носителе с помощью привязки ковалентной связью или путем адсорбции. Раствор вещества пропускают через колонку, заполненную таким иммобилизованным ферментом. На выходе из колонки продукт отделяют обычными методами. Таким образом можно осуществлять многостадийные процессы, пропуская раствор последовательно через несколько колонок с разными ферментами.