Методы управления химическим процессом

Учение о химических процессах - это такая область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. В основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, поэтому все это учение о химических процессах в равной степени относится как к химии, так и к физике. Основоположник этого учения лауреат Нобелевской премии Н.Н. Семенов говорил о том, что " химический процесс есть то основное явление, которое отличает химию от физики, делает первую более сложной наукой." И действительно, химические процессы являются как бы первой ступенькой при восхождении от таких относительно " простых" понятий как электрон, протон, атом к сложным, многоуровневым живым системам. В этом смысле химия является как бы мостиком, перекинутым от физики к биологии. Физика, объясняя химические процессы на своем языке, по сути закладывает научный фундамент и для биологии, так как в основе жизнедеятельности любого живого организма лежат биохимические процессы.

Существует большое количество решаемых проблем в связи с созданием учения о химических процессах. Но, пожалуй, одной из самых основных проблем являлась задача создания методов, позволяющих управлять химическими процессами. Действительно, если бы эта задача была бы полностью решена, можно себе представить как прекрасно жилось бы химикам на производстве, - все заранее известно: бери вещества в нужном соотношении, создавай соответствующие физические условия в химическом реакторе (температуру, давление и т.п.) и жди высоких результатов выхода химического продукта. Но на самом деле задача эта достаточно сложная: большинство химических реакций - " строптивые кони", они находятся во власти стихии. Вспомните, например, реакцию взрыва или горения, которые так сложно остановить! Но существуют и такие реакции, которые просто не хотят " идти" сами по себе и химикам приходиться стимулировать их осуществление.

Какими же методами пользуются химики для того, чтобы управлять химическим процессом? В самом общем виде все методы управления можно подразделить на две большие группы: термодинамические и кинетические. Первая группа - термодинамические методы - это методы, влияющие на смещение химического равновесия реакции; вторая группа - кинетические методы - это методы, влияющие на скорость протекания реакции.

В 1884 г. появляется книга выдающегося голландского химика Я. Вант-Гоффа, в которой он обосновал законы, устанавливающие зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции. В том же году французский химик А. Ле-Шателье сформулировал свой знаменитый принцип подвижного равновесия, вооружив химиков методами смещения равновесия в сторону образования продуктов реакции. Основными управляющими рычагами в данном случае выступали температура, давление и концентрация реагирующих веществ. Поэтому эти методы управления и получили свое название - термодимические. Вспомним, что любая химическая реакция обратима, Например, реакция типа:

АВ + CD < => АС + BD

Обратимость реакций служит основанием равновесия между прямой и обратной реакциями. На практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Для того, чтобы химическая реакция пошла в сторону увеличения продуктов реакции АС и BD, необходимо либо увеличить концентрацию веществ АВ и CD, либо изменить температуру или давление.

Но термодинамические методы позволяли управлять только направлением реакций, а не их скоростями.

Управлением, скоростью химических реакций в зависимости от различных факторов занимается специальная наука - химическая кинетика. На скорость химической реакции может влиять очень многое, даже стенки сосуда, в котором протекает реакция.