Предмет и структура химии

 Ядерные превращения  и сопутствующие им физико-химические  явления, продукты ядерных реакций,  радиоактивные изотопы, элементы и вещества служат объектами изучения ядерной химии и радиохимии (См. Радиохимия). Работы в этом направлении имеют большое значение для получения и извлечения атомного сырья, разделения изотопов, использования расщепляющихся материалов.        

 Взаимодействие  вещества с излучением и частицами  высоких энергий различной природы,  приводящее к химическим превращениям, изучается радиационной Х. Воздействие радиации инициирует многие процессы, в том числе синтез высокомолекулярных соединений из мономеров. В частности, под действием света происходят фотохимические реакции. Фотохимия исследует как связывание энергии электромагнитного излучения (например, в фотосинтезе, осуществляемом зелёными растениями), так и многочисленные реакции синтеза и распада, изомеризации и перегруппировок, возникающие в ходе указанного взаимодействия. Для промышленного производства перспективно использование мощной энергии Лазера.        

 В электрохимии  накоплен большой материал по  исследованию электролитов, их электропроводности, электрохимических процессов, создана  электрохимическая кинетика, изучаются неравновесные электродные потенциалы, процессы коррозии (См. Коррозия) металлов, разрабатываются новые Химические источники тока. Успехи теоретической электрохимии позволили дать более прочную научную основу многим промышленным электрохимическим процессам.         

 Влияние магнитных  полей на химическое поведение  молекул рассматривается магнетохимией  (См. Магнетохимия). Область термохимических исследований расширилась в результате изучения взаимодействия вещества с плазмой (См. Плазма), в частности в целях использования в плазмохимической технологии. Становление плазмохимии (См. Плазмохимия) относится к 60-м гг., когда были выполнены основополагающие работы в СССР, США и ФРГ.        

 Химические превращения  совершаются во всех агрегатных  состояниях вещества — в жидком, газообразном и твёрдом. Всё  большую актуальность приобретают  исследования химических реакций  твёрдых тел (Топохимические реакции).        

 В современной  Х. накапливаются данные о химической  эволюции вещества во Вселенной,  что позволяет составить общую  картину эволюции природы. СовременнаяЯдерная физика и Астрофизика сформировали представление о возникновении химических элементов. На основе изучения Х. метеоритов, вулканических земных пород, лунного грунта постепенно вырисовывается картина химической дифференциации вещества на планетной стадии развития, в частности геохимической эволюции (см. Геохимия,Космохимия).        

 Обнаружение сложных  органических молекул в межзвёздном  пространстве, в метеоритах и  древнейших горных породах Земли,  а также модельные опыты по  синтезу сложных органических  веществ из простейших соединений (CH₄, CO₂, NH₃, H₂O) в условиях искрового разряда, радиоактивного и ультрафиолетового облучения позволили представить этапы химической эволюции материи, предшествовавшие возникновению жизни (см. также Происхождение жизни).        

 Геохимия вулканогенных  и осадочных пород, Гидрохимия, Х. атмосферы, биогеохимия постепенно формируют представления о планетарных миграциях химических элементов, биохимия — о жизненных циклах. На основе этих данных всё более наполняется конкретным содержанием учение В. И. Вернадского (См. Вернадский) о решающей роли процессов жизнедеятельности для понимания судьбы химических элементов на нашей планете.         

 Большие успехи сделала органическая химия. Так, разработаны автоматические методы синтеза многих белков; установлена структура ряда важных природных веществ — тетродотоксина, гемоглобина, аспартат-аминотрансферазы, содержащей 412 аминокислот, и др.; синтезированы сложнейшие природные соединения — хинин, витамин B₁₂ и даже хлорофилл. Огромное влияние оказала органическая химия на развитие молекулярной биологии. Органическая химия легла в основу создания мощной индустрии тяжелого органического синтеза.         

 Химия полимеров,  которая сформировалась в самостоятельную  химическую дисциплину лишь в  30-х гг., изучает весь комплекс  представлений о путях синтеза  высокомолекулярных соединений, их  свойствах и превращениях, а также  о свойствах тел, построенных  из макромолекул. Для современного этапа химии полимеров характерно углублённое изучение механизмов каталитической полимеризации, вызываемой металлоорганическими соединениями, в частности синтеза стереорегулярных полимеров, исследование микроструктуры высокомолекулярных соединений. Установлено, что свойства полимеров зависят не только от химического состава, строения и размеров макромолекул, но и в не меньшей степени от их взаимного расположения и упаковки (надмолекулярной структуры). Важным достижением явилось создание термостойких полимеров (кремнийорганических, полиимидов и др.). Успехи химии полимеров позволили создать такие важнейшие отрасли химической промышленности как производства пластмасс, синтетического каучука, химических волокон, лакокрасочных материалов, ионитов, клеёв и др.        

 На всех структурных  уровнях организации живого важнейшую  роль играют специфические химические  процессы. Непрерывный обмен веществ  в организме представляет собой  сложнейшую систему согласованных  химических реакций, осуществляемых с участием специфических белковых катализаторов — ферментов.        

 Воздействие химических  процессов, происходящих во внешней  среде, на сообщества организмов (биоценозы), химическая миграция  элементов внутри экосистем, химическое  стимулирование или подавление симбиотических или конкурентных видов исследуются в рамках химической экологии (См. Экология). Формирование поведения организмов в сообществах в значительной степени зависит от химических средств передачи информации (например, феромонов (См. Феромоны), используемых животными для привлечения или отпугивания др. особей, регуляции жизнедеятельности в семьях пчёл, муравьев и т.д.).        

 Традиционные для  биохимии нейрохимические исследования  переросли в новую отрасль  знаний, изучающую влияния химических  соединений на психические процессы; формируется т. н. молекулярная психобиология, связывающая молекулярную биологию с наукой о поведении (см. также Психофармакология).         

IV. Современные методы исследования в химии         

С середины 20 в. происходят коренные изменения в методах  химических исследований, в которые  вовлекается широкий арсенал  средств физики и математики. Классические задачи Х. — установление состава  и строения веществ — всё успешнее решаются с использованием новейших физических методов. Неотъемлемой чертой теоретической и экспериментальной Х. стало применение новейшей быстродействующей вычислительной техники для квантовохимических расчётов, выявления кинетических закономерностей, обработки спектроскопических данных, расчёта структуры и свойств сложных молекул.         

 Из числа чисто  химических методов, разработанных  в 20 в., следует отметить Микрохимический анализ, позволяющий производить аналитические операции с количествами веществ, в сотни раз меньшими, чем в методе обычного химического анализа. Большое значение приобрела Хроматография, служащая не только для аналитических целей, но и для разделения весьма близких по химическим свойствам веществ в лабораторных и промышленных масштабах. Важную роль играет физико-химический анализ (ФХА) как один из методов определения химического состава и характера взаимодействия компонентов в растворах, расплавах и др. системах. В ФХА широко используются графические методы (диаграммы состояния (См. Диаграмма состояния) и диаграммы состав — свойство (См. Диаграмма состав - свойство)). Классификация последних позволила уточнить понятие химического индивида, состав которого может быть постоянным и переменным (см. Дальтониды и бертоллиды). Предсказанный Курнаковым класс нестехиометрических соединений (См. Нестехиометрические соединения) приобрёл большое значение в материаловедении и новой области — Х. твёрдого тела.         

Люминесцентный анализ, метод меченых атомов (см. Изотопные индикаторы), Рентгеновский структурный анализ, Электронография, Полярография и др. физико-химические методы анализа находят широкое применение в аналитической Х. Использование радиохимических методик позволяет обнаружить присутствие всего нескольких атомов радиоактивного изотопа (например, при синтезе трансурановых элементов).        

 Для установления  строения химических соединений важное значение имеет молекулярная спектроскопия (см. Молекулярные спектры), с помощью которой определяются расстояния между атомами, симметрия, наличие функциональных групп и др. характеристики молекулы, а также изучается механизм химических реакций. Электронная энергетическая структура атомов и молекул, величина эффективных зарядов выясняются посредством эмиссионной и абсорбционной рентгеновской спектроскопии (См.Рентгеновская спектроскопия). Геометрия молекул исследуется методами рентгеновского структурного анализа.         

 Обнаружение взаимодействия  между электронами и ядрами  атомов (обусловливающего сверхтонкую  структуру их спектров), а также  между внешними и внутренними  электронами позволило создать  такие методы установления строения молекул, как Ядерный магнитный резонанс (ЯМР), Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), Ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР), гамма-резонансная спектроскопия (см. Мёссбауэра эффект). Особую роль по широте применения приобрела ЯМР-спектроскопия. Для выяснения пространственных характеристик молекул возрастающее значение приобретают оптические методы: спектрополяриметрия, круговой дихроизм, дисперсия оптического вращения. Разрушение молекул в вакууме под влиянием электронного удара с идентификацией осколков применяется для установления их строения методом масс-спектроскопии (См. Масс-спектроскопия). Арсенал кинетических методов пополнился средствами, связанными с использованием ЭПР- и ЯМР-спектроскопии (Химическая поляризация ядер), метода импульсного фотолиза и радиолиза. Это позволяет изучать сверхбыстрые процессы, протекающие за время 10^-9 сек и меньше.        

 Для исследования  космических объектов с успехом  применяются методы спектрального  анализа в различных диапазонах  электромагнитного спектра. В  частности, методами радиоастрономии  в межзвёздном пространстве были  обнаружены облака химических  соединений, включающие такие относительно сложные молекулы, как формальдегид, тиомочевину, метиламин, цианацетилен и др. С развитием космических полётов методы экспериментальной Х. стали применяться на внеземных объектах (Луна, Венера, Марс).         

V. Химическая технология и тенденции её развития        

 Потребности общества  породили химическую технологию. По выражению Бертло, Х. начинает  творить свой собственный объект  исследования, создавая сотни тысяч  неизвестных природе соединений. В развитии химической технологии исторически первыми были методы упрощения, разложения готовых природных форм: получение металлов из руд, выделение солей из сложных систем, перегонка древесины и др. подобные приёмы. Фундаментом химической технологии явилось производство исходных веществ для многих более сложных технологий: серной, соляной, азотной кислот, аммиака, щелочей, соды и некоторых др., составивших область основной химической промышленности. Второй крупнейший исторический этап в химической технологии характеризуется переходом к методам синтеза, получения всё более сложных систем, что базируется уже не только на эмпирических данных, но и на теоретическом понимании природы, строения и свойств химических веществ, закономерностей их формирования (см. Синтез химический).        

 Синтетическая  технология в Х. эволюционирует  от использования готовых природных  веществ и материалов через  их всё более сложную модификацию  к получению новых химических продуктов, не известных в природе. Так, технология производства волокна начиналась с переработки природной целлюлозы, затем перешла к её химически модифицированным формам (вискоза, ацетатный шёлк) и в конечном итоге сделала скачок к синтетическим материалам на принципиально новой основе (полиэфиры, полиамиды, полиакрилонитрил). При этом отмечается более ускоренное развитие технологии синтетического волокна по сравнению с искусственным из природных полимеров.        

 Важная тенденция  развития химической технологии — выход за исторически сложившиеся на нашей планете физико-химические условия, всё более широкое использование экстремальных условий необычных факторов: высокие температуры, сверхвысокие давления, воздействие плазмы, электрических и магнитных полей и излучений. Целью технологии становится получение веществ с необычными и весьма ценными свойствами: сверхчистых и сверхтвёрдых, жаростойких и жаропрочных материалов, полупроводников и люминофоров, фотохромов и термохромов, катализаторов и ингибиторов, биостимуляторов и медикаментов.