РАЗВИТИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
| Химия начиная со второй половины XIX в. находилась в центре внимания научной мысли. После того как были сформулированы и разграничены основные понятия атома, молекулы и эквивалента, она быстро двинулась вперед, раскрывая «тайны» неорганического и органического мира. Достижения химии, особенно успехи в области аналитической химии и ее важнейшего раздела — качественного анализа, а также появление и быстрое распространение спектрального анализа (1859—1861 гг.), способствовали открытию за сравнительно небольшой исторический промежуток времени ряда новых химических элементов. К 1869 г. уже было известно 63 химических элемента. Возникла настоятельная необходимость научного обобщения и систематизации элементов, ставших объектом интенсивных исследований химической науки. Не случайно Д. И. Менделеев, работая над обоснованием открытого им в 1869 г. периодического закона, одного из величайших законов естествознания, называл современную ему химию «учением об элементах». Периодический закон Д. И. Менделеева способствовал раскрытию многих не поддающихся ранее объяснению явлений, особенностей химического поведения уже открытых элементов, позволил предсказывать существование новых элементов и их свойства. На основании этого закона были предсказаны не известные еще аналоги бора, алюминия, кремния, марганца, теллура, циркония, бария, тантала и других. В 1870—1871 гг. Менделеев подробно описал свойства нескольких предсказанных элементов, которым он дал названия экабор, экаалюминий и экасилиций. Вскоре эти элементы — галлий (экаалюминий), скандий (экабор) и германий (экасилиций) были открыты. Галлий был открыт методом спектрального анализа в 1875 г. французским химиком П. Э. Ле- коком де Буабодраном. С обоснованием физического смысла периодического закона, ставшего возможным благодаря разработке теории строения атома, было установлено, что периодичность изменения свойств химических элементов зависит не от их атомного веса, а от атомного номера 12—4]. Периодический закон стал фундаментом теоретической химии. Он открыл широкие возможности для дальнейшего развития прикладной химии, в частности для решения практических задач, связанных с синтезом веществ с заранее заданными свойствами, получением новых материалов и совершенствованием технологии химических производств. Прогресс химии, и физики, их взаимопроникновение и взаимообогащение сопровождались возникновением новых понятий и открытием новых законов, что создало предпосылки для появления новой самостоя тельной области науки — физической химии. Становление физической химии относится к последней трети XIX в., хотя зарождение отдельных ее разделов началось еще в конце XVIII — начале XIX вв. Достижения в области физической химии неразрывно связаны с запросами практики, с общим промышленным прогрессом и развитием химических производств. Химическая промышленность уже не могла базироваться в это время лишь на эмпирических представлениях и разрозненных теоретических знаниях. Физическая химия, объясняя химические явления и устанавливая их закономерности на основе общих принципов физики, сама стала источником разнообразных научных разработок и выводов, все более широко используемых в химической технологии. Развитие физической химии в конце XIX — начале XX в. характеризовалось многочисленными открытиями в таких ее областях, как электрохимия, химическая кинетика, катализ, учение о растворах, химическая термодинамика и ряде других. На развитие химии, и в частности электрохимии и учение о растворах огромное влияние оказала созданная шведским ученым С. Аррениу- сом теория электролитической диссоциации. Изучая электропроводность разбавленных водных растворов кислот, Аррениус в 80-х годах XIX в. пришел к выводу, что молекулы их распадаются на ионы — положительно и отрицательно заряженные частицы. Благодаря теории электролитической диссоциации стало возможным объяснение различных физико-химических явлений, в том числе связь между электрической проводимостью и реакционной способностью электролитов. Появление и развитие этой теории имело огромное практическое значение. На основе теории электролитической диссоциации выросла техническая электрохимия (электролиз, гальванотехника), получившая в рассматриваемый период широкое промышленное распространение. Теория электролитической диссоциации послужила основой для дальнейших исследований в области растворов. Продолжателями этого направления в химии выступили немецкий физико-химик В. Ф. Оствальд и голландский химик Я. X. Вант-Гофф. В 1844 г. Оствальд обнаружил связь электропроводности растворов со степенью их электролитической диссоциации и нашел способ определения основности кислот по электропроводности их растворов (1887—1888 гг.). Ему принадлежит открытие (1888 г.) «закона разбавления», сыгравшего большую роль в обосновании теории электролитической диссоциации [7, 8]. К 1885—1889 гг. относятся работы Я. X. Вант-Гоффа по разбавленным растворам, в которых рассмотрены явления, связанные с осмотическим давлением и давлением пара над раствором, а также зависимости точек замерзания и кипения растворов от концентрации. Свои представления о растворах Вант-Гофф распространил в 1890 г. и на твердые тела, введя новое понятие «твердые растворы». Большое значение получили в рассматриваемый период исследования в области химической кинетики. Установление основных закономерностей протекания химических реакций дало возможность разрабатывать принципы эффективного управления химическими процессами, конструировать необходимые аппараты и оборудование, создавать новые и усовершенствовать традиционные технологические схемы в химических производствах. Один из важнейших вопросов химической кинетики связан с учением о скоростях химических реакций и химическом равновесии. Во второй половине XIX в. исследованию этого вопроса посвящен ряд работ, в том числе немецкого химика JI. Вильгельми, изучившего (1850 г.) скорость инверсии тростникового сахара, и французского химика П. Э. М. Бертло, который совместно со своим соотечественником, химиком Л. Пеан де Сен- Жилем, опубликовал (1861 —1863 гг.) результаты исследований скорости образования сложных эфиров из спиртов и кислот [9]. В 1864—1867 гг. норвежские ученые К. М. Гульдберг и П. Вааге открыли закон действующих масс, который лег в основу учения о химическом равновесии и скоростях химических превращений. В результате систематических исследований русского химика Н. А. Меншуткина в 1882—1890 гг. были установлены связи между строением веществ и их реакционной способностью [10]. Я. X. Вант-Гофф и С. А. Аррениус в последующих работах обобщили и развили положения о химической кинетике. В частности, ими установлены зависимости скорости протекания химической реакции от температурных условий. Вант-Гофф показал, что при повышении температуры на 10° С скорость реакции увеличивается в 2—4 раза [6, И, 12]. С проблемой химической кинетики неразрывно связаны вопросы катализа. Первые сведения об ускорении химических реакций иод действием небольших количеств некоторых веществ были получены еще в конце XVIII — первой половине XIX в. (Н. Клеман, III. Де- зорм, К. Кирхгоф, П. Филлипс, М. Фарадей, JI. Тенар, Г. И. Гесс, И. Дёберейнер, Г. Дэви и др.). Такие процессы немецкий химик Э. Митчерлих назвал (1833 г.) контактными, а шведский химик Й. Берцелиус — каталитическими (1835 г.) [5, с. 174-175; 13]. Интерес к каталитическим процессам значительно возрос с 60-х годов XIX в., когда появился каталитический способ производства серной кислоты. В 70—90-х годах XIX в. катализ привлекает внимание многих ученых. Крупный вклад в исследование и развитие каталитического процесса внес К. А. Винклер, осуществивший в 1875 г. получение серной кислоты из сернистого газа и кислорода воздуха при нагревании в присутствии платинированного асбеста. В. Ф. Оствальд, придававший большое значение каталитическим процессам, на одной из своих лекций о катализе в лейпцигском Институте физической химии, говоря о своих исследованиях и работах учеников, отмечал, что, с тех пор как институт перешел в новое здание, он начал работу в нем «не без боязни за будущее. Предыдущий период принес весьма обильный урожай. В больших отделах, таких, как химическая динамика и электрохимия, были сделаны значительные успехи; казалось, что на долю нового института вместо интересных походов в неисследованные страны выпала лишь прозаическая задача — разработка приобретенного. Тогда я сказал себе: часть девственного леса мы должны оставить за собою... Но из всех путей, ведущих к этой цели, ни один не казался мне столь благородным и многообещающим, как катализ». Действительно, конец XIX — начало XX в. ознаменовались замечательными успехами в области катализа. Было найдено немало эффективных катализаторов, позволивших проводить химические превращения с высокими скоростями, в том числе и при низких температурах. Кроме того, с помощью катализаторов удалось успешно осуществить ряд химических процессов, которые при обычных условиях ранее не могли быть реализованы (синтез азотной кислоты путем окисления азота кислородом воздуха, 1903—1905 гг.; синтез аммиака соединением элементарных азота с водородом; 1913 г. и др.). Было обнаружено и другое- ценное свойство катализаторов — способность направлять химическое превращение в сторону получения определенного продукта из ряда возможных (в этом случае подбирают соответствующий катализатор). Исследование тепловых эффектов химических процессов во второй половине XIX в. (П. Э. М.Берт- ло, X. П. Ю. Томсен, Н. Н. Бекетов и др.) на основе открытого Г. И. Гессом закона постоянства сумм тепла химической реакции привело к созданию термохимии, которая, в свою очередь, оказала большое влияние на формирование химической термодинамики. Успехи, достигнутые в области химической термодинамики в конце XIX в., дали возможность осуществить ряд крупных открытий в области химического синтеза. К ним относится и уже упоминавшийся каталитический синтез аммиака. Разрешить эту важнейшую научную проблему удалось в результате раскрытия закономерностей, которым подчиняется химическое равновесие. Синтез аммиака, как известно, требует особых термодинамических условий, связанных с резким уменьшением объема получаемого продукта по сравнению с объемом исходных азота и водорода. Общие принципы химического равновесия в зависимости от температуры высказал в 1884 г. Я. Вант-Гофф. В том же году A. Jle Шателье сформулировал общий закон химического равновесия, который затем (1887 г.) с позиций термодинамики был обоснован К. Брауном. Последующие работы принадлежат немецким ученым В. Нернсту и Ф. Габеру, которые в 1905—1906 гг. сделали необходимые термодинамические расчеты химического равновесия реакции образования аммиака при высоких температурах и давлениях, дав тем самым конкретные рекомендации для осуществления промышленного синтеза. Достижения химии стали оказывать всевозрастающее влияние на прогресс химической технологии, области применения которой непрерывно расширялись. Установление закономерностей управления химическими процессами вооружило технологию теорией и методами для более активного преобразования вещества природы. Если главной задачей технологии предыдущего периода было получение исходных веществ для производства других уже известных химических соединений и продуктов (серная кислота, сода, щелочи и др.), составлявших область основной химической промышленности, то технология конца XIX — начала XX в. решала более серьезные задачи создания принципиально новых веществ. Это в первую очередь задачи целенаправленного синтеза, получения все более сложных химических соединений и материалов. Становление синтетической технологии — примечательная особенность рассматриваемого периода. Научно-технические достижения второй половины XIX —начала XX в. дали возможность использовать (в ограниченных масштабах) в технологии экстремальные химико-физические условия (высокие температуры, давления), расширившие ее возможности. Именно это позволило осуществить в конце XIX в. ряд оригинальных методов получения новых материалов и химических продуктов. К их числу относятся, например, работы французского химика А. Муассана, заложившего основы высокотемпературной электротехнологии. В электрической дуговой печи, развивающей температуру более 3000° С, Муассан восстановил молибден, вольфрам, алюминий, уран и другие металлы из их кислородных соединений, разработал способы получения совершенно новых соединений металлов с неметаллами: с углеродом (карбиды), бором (бориды), кремнием (силициды) и др.. Открытия А. Муассана, наряду с их большой научной значимостью, заложили основы новых технологических процессов в химической и металлургической отраслях промышленности. Значительное внимание в это время уделялось исследованиям, связанным с разработкой процессов получения металлических сплавов и комплексных соединений — малоизученных областей неорганической химии. К 70-м годам XIX в. были заложены основы органического синтеза. В изучение органических соединений и разработку синтеза внесли вклад Ф. Вёлер, Ю. Либих, Н. Н. Зинин, А. Кольбе, Э. Франкланд, П. Бертло, Р. Вунзен, Ж. Б. Дюма, Ш. Жерар и ряд других ученых. Выдающееся значение в развитии органической химии имела созданная русским ученым А. М. Бутлеровым теория химического строения, которая дала объяснение ряду невыясненных в то время явлений, в том числе изомерии. Ученый впервые показал, что изомеры представляют соединенияс одинаковым элементарным составом, но различным химическим строением. На основании теории Бутлерова стало возможным устанавливать строение уже известных веществ и прогнозировать пути получения новых органических соединений. Из многообразия химико-технологических направлений, имеющих крупное экономическое значение и определявших в рассматриваемый период научно-технический прогресс химической промышленности, отчетливо прослеживаются следующие: аммиачный процесс получения соды; получение серной кислоты контактным способом; получение азотной кислоты контактным окислением аммиака и непосредственной фиксацией азота атмосферы; производство минеральных удобрений; коксохимическое производство; нефтехимическое производство; производство синтетических красителей; производство взрывчатых веществ; электрохимическая технология. |