Химия как наука

     Вторым  шагом явилось создание искусственных материалов с необходимыми свойствами. Есть предположения, что первые опыты по созданию искусственных органических материалов предпринял уже великий ум Возрождения - Леонардо да Винчи, который использовал в качестве основы синтеза льняное масло.

     В ХIХ в. были синтезированы первые искусственные органические вещества – анилиновые красители. Затем возникла идея создать материалы, которые должны были заменить дорогостоящие шеллак и гуттаперчу.

     Шеллак  был продуктом жизнедеятельности  червеца – насекомого, проживающего исключительно в Индии и Юго-Восточной Азии. Для производства фунта шеллака требовалась шестимесячная деятельность 15 тысячи червецов. Весьма длительная процедура.

       Гуттаперча – застывший сок  каучукового дерева из Южной  Америки, что также не делало изделия из него дешевыми. Так возникла идея пластика – самого популярного, дешевого и распространенного ныне искусственного материала на основе углеводородов.

     Уже в 1869 г. англичанин Александр Паркес синтезирует так называемый парксин. В том же году американец Джон Хаятт создает целлулоид.

     В 1907 г. другой американский экспериментатор - Лео Бэкленд синтезирует наконец первый настоящий пластик, известный как бакелит. Он был на редкость прочен, не горел и не плавился. Он стал незаменим как теплоизолятор в различных устройствах и в промышленности.

     Следующий шаг в синтезе пластмасс делают европейские химики. 20-е гг. ХХ в. известны работами немецкого химика Карла Циглера. В 1953 г. ему удалось  получить, как он выразился, «большой белый кекс белоснежного полиэтилена» (6, С. 105).

     Циглер  некоторое время работал над  созданием катализаторов для  синтеза полиэтилена при низких температурах. Он познакомил со своими разработками итальянца Джулио Натта. Используя эти катализаторы, в 1954 г. Натта получил высокопрочный полиэтилен с высокой температурой плавления. В 1956 г. он же синтезирует совершенно новый искусственный материал – полипропилен. По словам его создателя, полипропилен можно было использовать для выработки особо прочных и легких ниток, которые нашли бы применение в легкой промышленности.

     В 1963 г. Циглеру и Натта присуждается Нобелевская премия «за открытия в области химии и технологии высокомолекулярных полимеров» (Там  же, С.106).

     Так ХХ в. стал веком пластмасс – искусственных  полимеров, необходимых для человека.

     Мир органической химии многолик, многообразен.

     На  нашей планете, как известно, живое  – это функция и проекция природных  органических соединений: белков, аминокислот, ДНК, ферментов. Биохимические основы простейших и высокоорганизованных форм жизни делают органическую химию еще более сложной. Все это позволило Фридриху Велеру несколько обреченно заметить: «Органическая химия в настоящее время может кого хочешь свести с ума. Она представляется мне дремучим лесом, полным чудесных вещей, огромной чащей без выхода, без конца - куда не осмелишься проникнуть – царство хаоса». Такой она была до работ Александра Михайловича Бутлерова, которому удалось классифицировать мир органических веществ, основываясь на оригинальной теории их строения.

     А.М. Бутлеров предположил, что атомы в молекулах расположены в определенном порядке в соответствии с их валентностью - способностью удерживать атомы другого химического элемента.

       Свойства органических веществ  зависят не только от состава  молекул, но и от их пространственного расположения. Бутлеров назвал этот феномен изомерией. Так был открыт изобутан (рис. 6) – изомер известного всем нам газа в наших горелках - бутана, который подтвердил верность позиции русского химика. Качественно и количественно изобутан не отличен от бутана, но его пространственная структура иная, поэтому физические и химические свойства также отличаются.

     Внутренне строение вещества может быть установлено  экспериментально и выражено химической формулой.

     Все органические вещества можно систематизировать по принципу гомологических рядов, начиная с метана – простейшего органического соединения.

     Замена  атома водорода приводит к возникновению  различных органических соединений – спиртов, щелочей и т.д. Последующий  элемент отличается о предыдущего  на СН2. Гомологический ряд – это совокупность всех однородных органических соединений, которые отличаются только на эту величину.

     Первый  гомологический ряд – это газы: метан, этан, пропан, бутан. Корень этих названий сохраняется в других гомологических рядах 

     Второй  гомологический ряд – спирты: метиловый, этиловый и т.д. 

     Третий  – кислоты. Далее - жиры, сахара и  т.д. Таков признанный всеми принцип  систематизации органических веществ. Один из историков науки, итальянский  профессор Микеле Джуа в своей  работе «История химии» восторженно замечает: «… период около 1860 года был для химии поистине вулканическим; он изобиловал молодыми химиками, одаренными критическим умом и относившимися с энтузиазмом к исследовательской работе. К длинному списку уже упомянутых химиков следует добавить Бутлерова, который понял важность определения строения соединений, ввел термин «структура» для обозначения взаимной связи между атомами и утверждал, что структура вместе с составом определяет физические и химические свойства соединений» (1, С.40).

     Вопрос 5.

     Антропогенный химизм - успехи искусственного органического  синтеза и его последствия  для среды обитания на нашей планете.

     Задача  органического синтеза – создание веществ со специфическими свойствами, не существующие в природе и обладающие почти неограниченным сроком жизни.

      Один  из важнейших энергетических и сырьевых источников на нашей планете выступают  природные углеводороды: нефть, природный  газ, каменные угли, которые являются результатом животного и растительного  метаболизма. Это реликтовые продукты. Они не возобновляются. Это исчерпаемые ресурсы.

         Еще одна проблема: углеводороды – главный сырьевой ресурс для производства синтетических материалов, в частности, пластмасс – полиэтиленов и полипропиленов. Все искусственные полимеры практически не разрушаются в естественных условиях, не теряют своих свойств в течение 50-100 лет. Единственный способ их утилизации – уничтожение: либо сжигание, либо затопление. При сжигании углеводородов, выделяется углекислота – один из основных загрязнителей атмосферы, наряду с метаном и хлорсодержащими веществами. Именно углекислота ответственна за катастрофические процессы в атмосфере, которые находят выражение в эффекте климатических изменений. За последние сто лет средняя температура на планете поднялась на градус, что существенно для нашей планеты. В недалеком будущем под водой окажутся Канада, Северная Америка, острова Юго-Восточной Азии. Гольфстрим исчезнет, и в Европе наступит вечная зима. Цена глобального потепления превышает в экономическом эквиваленте затраты человечества на ведение двух мировых войн. 

     В последние десятилетия мы становимся свидетелями парадоксальных явлений. Климат в Москве становится более  умеренным и влажным, нежели в  конце ХХ в. Наблюдается различие в температурах центра и предместий в диапазоне 3-7 градусов по Цельсию. В центре Москве чаще наблюдаются ливневые дожди, и сокращается количество солнечных дней в году.

     Учащение  ливней в районе Индийского океана повышает температуру его вод. Наблюдается подъем Аляски из-за разрушения вечной мерзлоты и схода льдов. Исчезают ледники, а Килиманджаро – «блистающая гора» - в переводе с африканских диалектов - давно утратила свою сверкающую вершину.

      Углекислый  газ и метан не изменяют температуру, но влияют на прозрачность атмосферы Земли.  «Спектр солнечного излучения приходится на видимый диапазон. Эти электромагнитные волны свободно проходят через атмосферу, единственным естественным препятствием служат только облака. Далее свет, попадая на земную поверхность, частично рассевается и уходит обратно в космос. Однако за счет рассеивания теряется далеко не все излучение, а лишь около 40%, остальное поглощается планетой. Как следствие, растет ее температура» (3, С.89).

     В результате сжигания ископаемого топлива  и продуктов его переработки ежегодно в атмосферу попадает 26 млрд. тонн CO2. 40% поглощается Мировым океаном. Возникает вопрос: куда девать вредную избыточную углекислоту?

     Некоторые ученые предлагают «хоронить» ее в  пустых природных резервуарах, где  откачивалась нефть, или даже отправлять в космическое пространство. Американские ученые задумали проект ловушек, которые будут находиться на нашей планете, отсасывать воздух из атмосферы, обрабатывать его NaOH, связывая избыточную кислоту с образованием безвредной соды, а затем возвращать в атмосферу отработанный воздух, где углекислоты уже вдвое меньше. 

      Общепризнанно, что наиболее агрессивный источник экологического загрязнения на нашей  планете – растущий парк автомобилей. Это заставило химиков поразмышлять о синтезе новых видов топлива, а работников автоконцернов - производителей об увеличении КПД сжигания бензина для снижения экологической нагрузки от использования автомобилей.

     Новые популярные источники энергии ХХI: биоэтанол, электричество, энергия  солнечная батарей, водород и обычная вода. 

      Биоэтанол – это возобновляемый вид топлива. Этанол, этиловый спирт может добываться различными способами. Например, самый  очевидный - из зерновых культур: кукурузы, пшеницы, ячменя и корнеплодов - из картофеля, сахарной свеклы и т.п. Бразилия и Колумбия – самые известные экспортеры биоэтанола перерабатывают сахарный тростник. Сложность заключается в том, что это не совсем рентабельный источник энергии: для его развития необходимы дополнительные территории и вода. Кроме того, добыча этанола в технических целях – угроза пищевой безопасности на планете. Увлечение автомобилистов могут обернуться глобальным голодом. Для решения этой проблемы, совсем недавно в Европе появилась технология производства биоэтанола из целлюлозы и ее отходов (Что нового в науке и технике? 2009. №№1-2. С. 32-33). В богатых странах этанол синтезируют из остатков пищи, одновременно решая проблему утилизации отходов пищевой промышленности и учреждений питания.

      Еще одно популярное направление исследований альтернативных источников энергии – возможность использования энергии нашей звезды. В Европе активно разрабатываются модели автомобилей и мотоциклов, использующие энергию солнечных батарей (рис.7). В 2008 г. был построен тримаран  на солнечных батареях, который совершил кругосветное путешествие за 80 дней, повторив путь капитана Немо – героя фантастического романа Жюля Верна.

      Многие  современные модели американских внедорожников  оснащены гибридными двигателями, использующими  электричество и бензин. Электромобили  все более популярны в мире (рис. 8).

     В 2009 г. на ежегодной выставке-ярмарке  автомобилей японские автопроизводители  демонстрировали автомобили, которые  работают на основе энергии расщепления  молекул воды. Энергия синтеза  воды из молекул водорода и кислорода  сопровождается выбросом энергии, которая используется в двигателях.

     Японцы  – инициаторы и энтузиасты использования  водородного автомобиля. Технология производства энергии из синтеза  воды и ее расщепления, как и ее эксплуатации, исключает полностью  возможность всяких вредных выбросов.

      В 2008 г. японские автопроизводители осуществили серийный выпуск экологичных водородных автомобилей (рис. 9) . Они развивают скорость до 160 км/ч и могут проехать без дозаправки 600 км. Эти автомобили уже в продаже в Японии и США (Что нового в науке и технике. 2008. №№1-2, С. 22-23.)

        Прикладная химия предлагает  новые материалы, которые способны  заменить металлы, хлопок, лен,  шелк, дерево. Французы нашли способ  производства бумаги из отходов  сахарного производства. Нас уже  не удивляют ни сантехника  из керамики, ни трубы из пластмасс. Долговечность пластика и синтетических материалов в данном случае – благо, спасение от техногенных катастроф.

     Силикон, который уже давно и с успехом  используют в пластической хирургии и косметологии, японские инженеры рискнули применить для замены металлического корпуса автомобиля. Машины не деформируются, люди не страдают в авариях. Органический синтез и прикладная химия открывает широкую дорогу для замены естественного – искусственным, снижая индустриальный прессинг на среду обитания.

      Дедерон, лайкра, эластан – материалы, которые  активно используют в легкой, текстильной, чулочно-носочной индустрии. Очень  популярны гибридные ткани, в  которых присутствуют молекулы натуральных  материалов: льна, хлопка и синтетические  материалы вроде эластанов. Искусственные шелка, искусственные мех, искусственные кожи – все это пути снижения  антропогенного давления на животные и растительные виды.