Проблемы и решения на уровне учения о химических процессах

Учение о химических процессах – такая область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. Поскольку в основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, которые традиционно относятся к физической химии, все учение о химических процессах в равной мере относят и к химии, и к физике.

Подавляющее большинство химических реакций трудноуправляемые. Одни из них пока не удается осуществить. Другие сложно остановить, например, реакция горения и взрывы. Третьи очень трудно управляемы, так как самопроизвольно создают множество непредвиденных ответвлений с образованием массы побочных продуктов. Методы управления химическими процессами подразделяются на термодинамические и кинетические, при которых ведущую роль играют те или иные катализаторы.

Каждая химическая реакция обратима и представляет собой перераспределение химических связей. Обратимость служит основанием равновесия между прямой и обратимой реакциями. Однако на практике равновесие смещается в ту или иную сторону, в зависимости от природы реагентов и условий процесса. Реакции, в которых равновесие смещено "вправо", в сторону образования целевых продуктов, как правило, не требуют особых средств управления. Таковы реакции кислотно-основного взаимодействия, или нейтрализации, а также реакции, сопровождающиеся удалением готовых продуктов в виде газов или в форме осадков.

Однако немало реакций идет со смещением равновесия "влево". Для их осуществления требуется особое термодинамическое управление. Такова, в частности, реакция синтеза аммиака из элементов:

Эта реакция очень проста с точки зрения состава и структуры исходных веществ. Но с 1813 по 1913 гг., т.е. на протяжении столетия, она не могла быть осуществлена, так как химики не знали способов управления ею. И только открытие Я.Х. Вант-Гоффа и А.Л. Ле Шателье позволило добиться успеха. Было установлено, что синтез аммиака происходит на поверхности твердого катализатора при сдвиге равновесия вправо за счет применения высоких давлений.

Но термодинамические методы позволяют управлять химическими процессами только при их направленности в прямую или обратную сторону. Термодинамика не оперирует понятием времени. Функции управления скоростью химических процессов выполняет химическая кинетика. Она устанавливает зависимость хода химических процессов от множества структурно-кинетических факторов: строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок; способов смешения реагентов; материала и конструкции реактора и т.д. Эти проблемы на современном уровне знаний решает химия.