20. Каковы основные принципы управления химическими процессами?

Основная проблема в учении о химических процессах связана с тем, что многие химические реакции были и остаются трудноуправляемыми. Одни из них пока не удается осуществить. Другие сложно остановить.

Суть проблемы заключается в следующем. Каждая химическая реакция обратима и представляет собой перераспределение химических связей.

Основы теории термодинамических методов управления химическими процессами были заложены в конце XIX в. в рамках химической термодинамики, которая изучает химические превращения на основе представления о термодинамическом равновесии в макроскопических системах. Основными рычагами управления реакцией служат температура, давление и концентрации реагирующих веществ.

В настоящее время термодинамические соотношения широко применяют для определения максимально возможного (при данных температуре, давлении и т.п.) выхода продуктов химических реакций и прочих параметров технологических процессов в химической, металлургической и других отраслях промышленности. Использование понятий и методов термодинамики неравновесных процессов позволяет оценивать потоки теплоты и вещества для открытых систем с учетом скоростей химических превращений, но влиять только на направленность.

21. Что такое каталитические системы?

Кинетические (в первую очередь каталитические) методы дают возможность влиять и на скорость химических процессов. Эти методы активно развиваются в рамках химической кинетики - учения о скоростях и механизмах химических реакций, надежной основы создания новых и совершенствования существующих процессов химической технологии: горения и др.

К наиболее важным кинетическим методам относится ускорение химической реакции в присутствии катализаторов — катализ (от греч. katalysis — разрушение). Катализаторы взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав продуктов. Катализ был открыт в 1812 г. российским ученым К.Г.С. Кирхгофом, который получил сахар с помощью катализатора из крахмала. Катализ обусловливает высокие скорости реакций при небольших температурах. Каталитические реакции являются основой многих химико-технологических процессов.

Во-первых, катализ представляет собой способ проведения химических реакций, особенность которого состоит в активизации молекул и ослаблении химических связей реагента при их контакте с катализатором. Во-вторых, в общем случае любую каталитическую реакцию можно представить проходящей через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение ослабленных (неполновалентных) химических связей. В-третьих, в большинстве случаев в качестве катализаторов выступают соединения, молекулы которых содержат широкий набор энергетических неоднородных связей или даже свободные атомы на поверхности. В-четвертых, следствием взаимодействия молекул реагента с катализатором является не только ослабление исходных связей, а еще четыре эффекта:

1) химическая ориентация в заданном направлении;

2) матричная ориентация реакций;

3) увеличение количества встреч реагирующих молекул;

4) захват твердым телом катализатора некоторой части энергии реакции.

22.Назовите основные этапы химической эволюции.

Химическая эволюция — процесс необратимых изменений, приводящий к появлению новых химических соединений - продуктов, более сложных и высокоорганизованных по сравнению с исходными веществами. Эти процессы стали активно и целенаправленно исследовать в 1970-е гг. Интерес восходит к давним попыткам понять, как из неорганической материи возникает органическая, а далее и жизнь.

Этапы химической эволюции. Она началась с появлением простейшего носителя - атома. Согласно концепции Большого взрыва, существующие сейчас химические элементы возникли в процессе эволюции Вселенной от сверхплотного и сверхгорячего состояния до современного мира звезд и галактик. Дальнейший синтез химических элементов продолжается, в недрах звезд при повышении температуры. Этот этап характеризуется температурами, не превышающими 20 106 К. Термоядерная эпоха образования таких ядер (Т ≈ 100 млн К) наступает после того, как на первом этапе истощается, «выгорает» водород. Охлаждение образовавшейся вокруг Солнца дискообразной газовой туманности дало возможность для соединения атомов в молекулы, т.е. началась собственно химическая эволюция.

Химическая эволюция привела к появлению жизни. Это произошло благодаря развитию не веществ, а химических систем и процессов, в них происходящих.

23. Какие проблемы изучения химической эволюции вы знаете?

Исследование химической эволюции осложняется тем, что в настоящее время знания о геохимических условиях древней Земли не являются достаточно полными.

Основные данные о химической эволюции получены в результате модельных экспериментов, в ходе которых удалось получить сложные органические молекулы при различных химических составах атмосферы, гидросферы и литосферы и климатических условиях.

На основе имеющихся данных был выдвинут ряд гипотез о конкретных механизмах и непосредственных движущих силах химической эволюции.

24.В чем сущность идеи саморазвивающихся каталитических систем?

Сущность данной теории состоит в утверждении, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакции происходит естественный отбор наиболее активных каталитических центров. Те же центры, изменение которых связано с уменьшением активности, постепенно исключаются из кинетического процесса.

Считается, что саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем обусловлены постоянным потоком трансформируемой энергии. Главным источником энергии является базисная реакция, максимальные эволюционные преимущества получают каталитические системы, развивающиеся на основе реакций с самым большим сродством.

Теория саморазвития открытых каталитических систем имеет ряд важных следствий. Во-первых, можно классифицировать этапы химической эволюции, а на этой основе классифицировать катализаторы по уровню их организации следующим образом: кристаллы, близкие к идеальным, - реальные кристаллы после раскристаллизации — реальные кристаллы с включением примесей - твердые кристаллы - гомогенные каталитические системы - микрогетерогенные и коллоидные системы.

Во-вторых, появляется принципиально новый метод изучения катализа как динамического явления, связанного с изменением катализаторов в ходе реакций.

В-третьих, дается конкретная характеристика пределов химической эволюции и перехода от хемогенеза к биогенезу в результате преодоления второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.