Химия завтра - Ляпунов Борис Валерианович (читать книги бесплатно полностью TXT) 📗
Современная химия открывает новое даже там, где все хорошо известно, где ничего интересного, казалось бы, уже найти нельзя.
Элементы, для которых в таблице Д. И. Менделеева не было предусмотрено места и для них пришлось пристраивать к ней особую, нулевую группу. Элементы, которые не вступали ни в какие реакции. Элементы, которые за свое химическое упрямство получили прозвище инертных, или благородных. Кроме того, они на Земле еще и редкие.
Да и как могли они иметь иные свойства? Ведь внешние электронные оболочки и гелия, и аргона, и неона, и криптона, и ксенона, и радона — всех шести членов семейства инертных — полностью «укомплектованы» электронами. Поэтому они не могут ни отдавать свои электроны, ни забирать чужие.
Внешние оболочки их атомов устойчивы, и укоренилось мнение, что устойчивость эту ничем поколебать нельзя. На самом же деле она оказалась мифом.
Открыты были и гидраты аргона, криптона и ксенона — любопытные соединения. В них молекулы газов включены в кристаллическую решетку воды. Обошлось здесь без обычной химической связи.
Как-то, еще давно, вспомнили о фторе — самом агрессивном из элементов, — фторе, который соединяется решительно со всеми элементами и не может оставаться в одиночестве, повсюду выискивает себе компаньонов. Не сможет ли он расшевелить инертные атомы?
Изучая соединения фтора с платиной, химики случайно получили новое вещество. В его молекулы, кроме фтора и платины, вошел ксенон. Впервые инертность инертного была поколеблена. Произошло это несколько лет назад. Затем попытались соединить ксенон с одним фтором. И снова удача! А теперь появились окислы, фториды и другие соединения более тяжелых, инертных газов — не только ксенона, но и криптона, и радона.
Среди них — взрывчатка, она успешно может соперничать с любой другой, хотя сейчас еще слишком дорога. Среди них — будущие медицинские препараты. Наконец, новые соединения оказались очень удобны, чтобы в них сохранять и неустойчивый фтор, и устойчивый ксенон. Из такой «кладовой» легко добыть оба газа.
Легкие же газы — гелий и неон — остались пока непокоренными, и справиться с ними будет гораздо труднее. Труднее — не обязательно невозможно. Важно, что химия инертных родилась и сделала первый и, можно сказать, блестящий шаг.
Своим рождением она загадала и новые загадки.
С одной стороны, надо выяснить до конца, почему же столь странно повела себя нулевая группа, откуда взялись у нее скрытые резервы химических связей. С другой стороны, надо разобраться и в свойствах ее соседей — благородных платиновых металлов из восьмой группы. У них тоже малая химическая активность, и они тоже не зря называются благородными. А окиси галогенов (это уже седьмая группа) и кислородные соединения инертных газов оказались по свойствам похожими.
Нет ли здесь какой-либо закономерности, не понадобится ли в будущем перестроить частично периодическую систему? Пока говорят одно: инертным надо подыскать иное название, старое определенно не годится.
Сегодняшняя химия выясняет сложность того, что представлялось простым.
Реакция редко идет в одну стадию, мы же наблюдаем лишь ее начало и конец. Начало — исходные вещества, сырье. Конец — продукты, то, что намечалось получить, А все остальное, фактически все превращения, весь ход процесса, остается, говоря языком кинематографа, за кадром. Ибо от написанного на бумаге до реальности — дистанция огромного размера.
На самом деле в химическом реакторе разыгрывается «пьеса» из многих актов. Участники ее появляются и исчезают, они не доживают до финала. Но именно от них и зависит конечный результат. Если подобрать ключик, который повлияет па этих участников «спектакля» — на свободные радикалы, ионы, комплексы, — то мы получим еще одно могучее средство вмешательства в химический процесс.
Химия будущего заставит посмотреть и на сами химические процессы совершенно по-другому. Речь пойдет на этот раз не о том, что делается с молекулами, а об ином, не менее важном.
Прежде чем встретиться, молекулы должны пройти какой-то путь. Встреча порой происходит не один на один, а в присутствии третьего. Этот третий — катализатор. После встречи, после всех превращений, новые, уже преображенные молекулы должны уйти, покинуть «арену».
Главное — средняя часть «пьесы», в ней и заключен весь химизм, вся сущность происходящего. Чтобы реакция шла быстрее, чтобы обеспечить встречу молекул, которые не стоят на месте, а хаотически двигаются в потоке, и применяют нагрев, давление, используют катализаторы.
Но эта часть целиком зависит от первой и третьей. И выходит, что не только химические превращения, а и транспортировка молекул определяет успех не меньше, чем сам ход молекулярной встречи.
От явлений, разыгрывающихся в микромире, приходится поэтому переходить к событиям макроскопическим. Надо знать, что происходит с жидкостями, газами, твердыми частичками, когда они движутся с большими скоростями и смешиваются между собой.
Надо еще иметь в виду, что здесь участвует и тепло, которое выделяется либо поглощается. Особенно это трудно узнать и учесть, когда арена, где разыгрываются события, не колба и не пробирка, а огромный химический реактор.
В нем одновременно и непрерывно идут все три действия. Они поэтому переплетены между собой и влияют друг на друга. И финал будет намного успешнее, когда химики узнают все тонкости происходящего за стенками реактора.
Здесь скрыт ключ к поискам наилучшей технологии и, более того, к тому, как сами эти поиски ускорить.
Обычный путь от лаборатории до завода может занять десять-пятнадцать лет. Почему? Да потому, что, проводя испытания, мы постепенно переходим ко все более крупным масштабам — от крохотной пробирки до огромного заводского реактора.
Всякий раз нужно было бы создавать новый, увеличенный реактор, и всякий раз начинать сначала. Мы поэтому вынуждены менять всякий раз обстановку «спектакля». Движения, обмены массами и теплом, скорости, количества продуктов получаются иными.
Химия будущего сможет отказаться от этой постепенности, от дорогостоящих и затяжных опытных работ. Она проверит себя на малом — на модели, а математический расчет проделает все остальное.
Уже теперь получается выигрыш во времени, по крайней мере, раз в пять.
Колба-завод, а промежуток между ними заполняет математика. Это и есть химическая индустрия завтрашнего дня.
Мало получить новое вещество, его еще нужно сделать материалом. Нужно добиться, чтобы он обладал всеми качествами, какие потребует от него технолог. Ведь не полимер сам по себе, а изделие из него — вот конечная цель. Скорейший и лучший переход от лаборатории к заводу — одна из самых важных проблем химии сегодня.
Именно математизация даст ответ на волнующие химика-технолога вопросы. Электронная машина скажет, как перейти от завода в колбе к заводу настоящему. Она сразу выберет наивыгоднейшее решение, учтет требования «большого» и «малого», примирит физику и химию в одном компактном и высокоскоростном химическом реакторе.
Нельзя, конечно, представлять себе, что все обстоит чрезвычайно просто. Математизация химии только еще начинается, и помощь математики пока не так велика, как хотелось бы. Стоит чуть измениться условиям в реакторе, и перевод на язык формул уже осложняется. Одно дело, например, если катализатор лежит неподвижным слоем, и совсем другое, если он вскипает в газовой струе. Но и здесь можно быть уверенными, что, в конце концов, даже сложнейшие процессы поддадутся описанию.
Математика позволяет рассчитать, как лучше всего провести реакцию, какую избрать аппаратуру. Отсюда путь к автоматике на химическом заводе.
Автоматика призвана поддерживать на производстве что-либо постоянным — давление или температуру, определенный химический состав. И оказывается, для успешного хода реакции не всегда бывает выгодно сохранять все время один и тот же режим. Его нужно менять, чтобы превращения шли в наивыгоднейших условиях. Химикам нужна не просто автоматика, а программное управление, не простые автоматы, а саморегулирующиеся кибернетические устройства.
