СОВРЕМЕННОЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ

 

6.2. Управление химическими процессами

 

 

Успехи в развитии современной химии во многом определяются степенью управления химическими превращениями, которые непосредственно зависят от химической реакционной активности реагентов. Повышению степени управления химическими процессами способствует внедрение новых экспериментальных методов химических превращений с применением современных технических средств контроля и анализа сложных молекулярных структур.

В упрощенном понимании химию можно представить как науку о превращениях одного набора химических веществ в другой. Такое превращение (химическая реакция) на молекулярном уровне означает перегруппировку одного набора молекул в другой. Химическая реакция начинается со смешивания реагентов и заканчивается образованием конечных продуктов. В большинстве случаев она включает ряд промежуточных стадий, и для полного понимания механизма реакции нужны сведения о промежуточных молекулах, образующихся на каждой стадии, протекающей, как правило, очень быстро. Если 20–30 лет назад технические средства эксперимента позволяли проследить за промежуточными молекулами с временем жизни около одной миллионной доли секунды, то современные лазерные источники излучения существенно расширили временной диапазон исследований от 10-6 до 10-15 с. Сейчас физики умеют получать лазерные импульсы длительностью менее 5 фемтосекунд (1 фс = 10-15) и уже приближаются к аттосекундам                 (1 ас = 10-18 с). За основополагающие работы в области фемтохимии американец египетского происхождения Ахмед Зивейл удостоен Нобелевской премии по химии 1999 г. Свои первые экспериментальные исследования сверхбыстрых реакций, инициируемых лазерным импульсом феттосекундной длительности, он начал в конце 80-х годов с изучения распада молекул цианида йода.

Электромагнитное излучение играет важную роль не только в детальном исследовании промежуточных процессов химических превращений, но и в их инициировании. Например, видимое или ультрафиолетовое излучение, поглощаемое некоторыми молекулами, сообщает им энергию, достаточную для изменения распределения электронной плотности, ослабления химических связей и возникновения новой молекулярной структуры, которую трудно получить в реакциях даже при термическом или другом воздействии.

Приобретенная при поглощении молекулой энергия может высвободиться в виде излучения света, цвет которого часто отличается от цвета поглощенного света. Если излучение происходит быстро – в течение 10-9–10-12 с, то оно называется флуоресценцией. Голубой свет, испускаемый бунзеновской газовой горелкой, и северное сияние – это примеры флуоресценции. При медленном процессе излучения света, длящимся от нескольких миллисекунд до нескольких секунд или минут, происходит фосфоресценция (голубое свечение вечером приливов и отливов, свечение циферблатов некоторых марок часов и т.п.).

Применение современной лазерной техники позволяет изучать возбужденное состояние молекул. На определенной длине волны света генерируются строго определенные возбужденные состояния, и при относительно небольшой длительности импульсов можно определить длительность очень быстрых химических процессов, происходящих при флуоресценции. Проанализировав спектр излучаемого света, можно определить скорость таких процессов и распределение энергии в молекулах. Таким образом можно воспроизвести картину электронных состояний молекул.

Лазерное излучение для изучения электронных состояний молекул применялось, например, при облучении бензофенона. Раствор бензофенона при воздействии ультрафиолетового излучения с длиной волны 316 нм испускает свет с двумя длинами волн – 410 и 450 нм, т.е. происходит вторичное излучение с разными длинами волн. Если длительность импульса лазерного излучения равна 10 пс, то на меньшей длине волны – 410 нм вторичное излучение носит характер флуоресценции, а на большей длине волны, соответствующей 450 нм, наблюдается фосфоресценция. Данные наблюдения дают представление о возбужденных состояниях бензофенона и скорости перехода между ними, что весьма важно для понимания сущности природного фотосинтеза – основополагающего процесса растительного мира, воспроизведение которого – давняя мечта ученых-естествоиспытателей.

При смешивании двух газообразных соединений образование продуктов реакции определяется статистической вероятностью, зависящей от энергетического состояния исходных соединений, типов возбуждения и взаимной ориентации молекул при столкновении. Сталкиваются молекулы не только реагирующих соединений, но и каждого из них. Современная вакуумная техника открывает новые возможности для взаимодействия реагирующих соединений при столкновении молекул. В глубоком вакууме, когда длина свободного пробега молекул велика, столкновение молекул может происходить в сравнительно небольшом объеме, составляющем зону пересечения двух молекулярных пучков реагирующих соединений. Молекулярные пучки образуются при пропускании газообразного вещества через узкое сопло, формирующее поток молекул в вакуумной камере со сверхвысоким вакуумом. При пересечении молекулярных пучков возрастает вероятность участия каждой молекулы не более чем в одном столкновении, приводящем к реакции. Это означает, что появляется реальная возможность для изучения тонких деталей химического превращения при единичных столкновениях молекул, что представляется весьма важным средством управления химическими процессами.

Определение характеристик атомных и молекулярных частиц (их структуры и состава) в аналитической химии называют качественным анализом, а измерение их относительного содержания – количественным анализом. Новые методы качественного и количественного анализа основываются на важнейших достижениях различных отраслей естествознания и, в первую очередь, физики. Методы аналитической химии широко применяются во многих отраслях химии, в медицине, сельском хозяйстве, в геологии, экологии и т. п.

Многие методы количественного анализа можно реализовать только после разделения исследуемой сложной смеси на составляющие ее компоненты. Один из универсальных методов разделения – хроматография. Сущность данного метода заключается в том, что различные вещества в жидкой или газообразной фазе обладают разной прочностью связи с поверхностью, с которой они находятся в контакте. С помощью жидкостной хроматографии можно разделить и зафиксировать чрезвычайно малое количество вещества в смеси, составляющее lO-12 г. Хромотографический метод позволяет разделить газообразные смеси, содержащие тысячи компонентов, а также разделить вещества, отличающиеся только изотопным составом.

Для анализа и идентификации структуры сложных молекул, объединяющих большое количество атомов с различными взаимными связями, широко применяются основанные на физических принципах экспериментальные методы ядерного магнитного резонанса, оптической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, нейтронографии и т. п.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ:  Концепции современного естествознания

 



Смотрите также:

  

Естествознание. НОВЕЙШАЯ РЕВОЛЮЦИЯ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

Этим естествознание наступившей новой исторической эпохи существенно отличалось от естествознания.

 

Общие условия развития естествознания

В своем труде «Материализм и эмпириокритицизм», опубликованном в 1909 г., Ленин ответил на кардинальные философские, вопросы, возникшие в ходе развития естествознания.

 

естествознание. НОВЕЙШАЯ РЕВОЛЮЦИЯ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ...

Общие условия развития естествознания. Борьба передовых и реакционных идей в естествознании.

 

СТАНОВЛЕНИЕ МЕДИЦИНЫ. Внедрение естествознания в медицину

естествознания в области медицины ... В тесной связи со всеми медицинскими предметами она не только принесла свет к постели больного и всяческие благодеяния...

 

...вокруг света (1831—1836) и его значение в истории естествознания

областях естествознания, что проф. Генсло, рекомендуя его в 1831 г. в качестве натуралиста на «Бигль», руководился далеко не одной лишь своей интуицией.

 

ВНУТРЕННЯЯ МЕДИЦИНА терапия. Клиническая медицина

Все это вело к серьезному отставанию клинической медицины того времени от развивающегося естествознания. ВНУТРЕННЯЯ МЕДИЦИНА (терапия).

 

...и науки Бэкон выступил как провозвестник опытного естествознания...

...с одной стороны, о качественно простых природах, а с другой, - о чём-то более близком будущим объяснительным моделям механистического естествознания.

 

Медицина В ЗАПАДНОЙ ЕВРОПЕ В ПЕРИОД ПОЗДНЕГО СРЕДНЕВЕКОВЬЯ...

В эпоху Возрождения основными чертами естествознания стали: утверждение опытного метода в науке, развитие математики и механики, метафизическое мышление...

 

Революция в естествознании, идущая на протяжении всего XX...

И таким образом в научном мире сложился странный парадокс: представители естествознания, изучающие заведомо более простые объекты, давно открыли сложность, многомерность...

 

НИКОЛАЙ КУЗАНСКИЙ. Биография и трактаты Николая Кузанского....

космологии Коперника и опытного естествознания. Николай Кузанский родился в селении Куза в Южной Германии в 1401 году Отец.

 

Последние добавления:

 

Валеология. Вайнер  Валеология   География мирового хозяйства  Языковедение   

Туристская деятельность   Сборник задач по банковскому делу     Логика и аргументация