III. Химия 20 века

Конец 19 в. ознаменовался тремя выдающимися открытиями в области физики, в результате к-рых была доказана сложная структура атома, прежде считавшегося неделимым, - были открыты рентгеновские лучи, явление радиоактивности и электрон. Это положило начало новому этапу в развитии X. После того как Э. Резерфорд установил существование атомных ядер и предложил планетарную модель атома (1911), началась успешная разработка теории строения атома, появились новые представления об электрич. природе хим. сил (см. Атом, Атомная физика).

Открытый Г. Мозли закон (1913) связал положение элемента в периодич. системе и его характеристическое рентгеновское излучение. Это привело к выводу, что атомный номер хим. элемента численно равен заряду атомного ядра этого элемента, а следовательно общему числу электронов в оболочке нейтрального атома. Ещё более глубокое понимание периодич. закона было достигнуто на основании работ Н. Бора и др. учёных, показавших, что по мере перехода от элементов с меньшими атомными номерами к элементам с большими их значениями происходит заполнение электронами оболочек (уровней и подуровней), всё далее расположенных от ядра. При этом периодически повторяется сходная структура внешних электронных конфигураций, от чего и зависит в основном периодичность химических и большинства физ. свойств элементов и их соединений. Решающую роль в понимании закономерностей заполнения электронных оболочек атома и объяснении атомных и молекулярных спектров сыграл Паули принцип. Сделанные открытия позволили решить многие вопросы, связанные с дальнейшей разработкой и теоретич. обоснованием периодич. системы Менделеева. Обнаружение изотопов показало, что не атомная масса, а заряд ядра определяет место элемента в периодич. системе. Открытием нейтронов (Дж. Чедвик, 1932) и искусственной радиоактивности (И. и Ф. Жолио-Кюри, 1934) были заложены основы получения новых радиоактивных изотопов и элементов, отсутствующих в природе, и последующего синтеза трансурановых элементов.

С решением проблемы строения атома связан вопрос о природе химической связи. В. Коссель (1916) и Г. Льюис (1916) предложили первые электронные теории валентности и хим. связи. Теория Косселя рассматривала образование ионной связи, теория Льюиса - ковалент-ной. Описательная сторона этих теорий, хорошо согласующаяся с моделью атома Бора и объясняющая нек-рые характерные особенности хим. связи, сохраняет
в известной мере своё значение до сих пор. Выдвинутые позже концепции, в частности резонанса теория (Л. По-линг), позволяют получать нек-рые качественные и полуколичественные данные о симметрии молекул, об эквивалентности тех или иных связей и структурных элементов в молекулах, о стабильности и реакционной способности молекул.

Однако только на основе квантовой механики удалось объяснить природу хим. связи, точно рассчитать энергию связи для простейшей молекулы - молекулы водорода (нем. учёные В. Гейт-лер и Ф. Лондон, 1927) - и многие физ. параметры др. двухатомных и нескольких многоатомных молекул (Н₂О, HF, LiH, NH₃ и др.), в т. ч. межатомные расстояния, энергии образования из атомов, частоты колебания в спектрах, электрич. и магнитные свойства, насыщаемость и направленность связей.

Новейший этап развития X. характеризуется быстрой разработкой пространств, представлений о строении вещества, стереохим. концепций. Ещё в 1874-75 Ж. А. Ле Бель и Вант-Гофф высказали предположение, что 4 атома или радикала, связанные с атомом углерода, расположены не в одной плоскости, а в пространстве, по вершинам тетраэдра, в центре к-рого находится атом углерода. В связи с этим было расширено представление об изомерии, установлено неск. её видов и были заложены основы стереохимии. Для мн. молекул были определены их стабильные пространств, конфигурации; в дальнейшем исследователи установили лабильные конформации молекул, возникающие в результате нек-рого затруднения свободного вращения атомных групп вокруг простых связей (см. Конформационный анализ).

Совр. теоретич. X. основывается на общефиз. учении о строении материи, на достижениях квантовой теории, термодинамики и статистич. физики. Применение методов квантовой механики к решению хим. задач привело к возникновению квантовой X. Её задачей стало решение волнового уравнения Шредин-гера для многоэлектронных систем молекул. Одним из первых результатов была теория валентных связей, ещё широко использовавшая традиционное представление о паре электронов как носительнице хим. связи (Гейтлер, Лондон, Дж. Слэтер, Полинг). Затем был разработан метод молекулярных орбита-лей (МО), рассматривающий целостную электронную структуру молекулы; каждая молекулярная орбиталь (волновая функция) учитывает вклад в неё всех электронных орбиталей атомов (см. Молекулярных орбиталей метод). Наиболее распространённый вариант метода МО осн. на приближённом описании молекулярных орбиталей через линейную комбинацию атомных орбиталей (ЛКАО МО). В ряде случаев для простейших молекул на основе использования новейшей вычислит, техники могут быть проведены весьма сложные расчёты молекул без всяких предварительных упрощений задачи. На основе указанного метода рассчитываются энергетические и электронные параметры молекул (распределение электронной плотности, величина энергии, длина и порядок связей, нек-рые физ. свойства соединений). Метод МО получил ныне распространение в теории органич. X. В неорганич. X. на основе его сочетания с теорией кристаллического поля (X. Бете) возникла теория поля лигандов.

Квантовохим. рассмотрение кинетич. соотношений, установленных Аррениусом и Вант-Гоффом, привело к возникновению учения об абсолютных скоростях хим. реакций, являющегося основой хим. кинетики. Это позволило вычленить очень важную теоретич. проблему совр. X.-вопрос о природе переходного состояния, промежуточного активированного комплекса, внутри к-рого происходят во многом ещё неясные процессы перестройки структуры молекул.

Детальное изучение кинетики и механизмов реакций, исследование элементарных актов хим. взаимодействий -важная задача хим. физики. Большое значение приобрели работы в области цепных реакции, основы теории к-рых были разработаны Н. Н. Семёновым и С. Хиншелвудом. Кинетические исследования сыграли важную роль в развитии технологии переработки нефти, горения топлива, синтеза высокомолекулярных веществ. Показана возможность хим. фиксации азота при обычных темп-ре и давлении, что может существенно изменить будущую технологию.

Ядерные превращения и сопутствующие им физико-химич. явления, продукты ядерных реакций, радиоактивные изотопы, элементы и вещества служат объектами изучения ядерной химии и радиохимии. Работы в этом направлении имеют большое значение для получения и извлечения атомного сырья, разделения изотопов, использования расщепляющихся материалов.

Взаимодействие вещества с излучением и частицами высоких энергий различной природы, приводящее к хим. превращениям, изучается радиационной X. Воздействие радиации инициирует многие процессы, в т. ч. синтез высокомолекулярных соединений из мономеров. В частности, под действием света происходят фотохимич. реакции. Фотохимия исследует как связывание энергии электромагнитного излучения (напр., в фотосинтезе, осуществляемом зелёными растениями), так и многочисленные реакции синтеза и распада, изомеризации и перегруппировок, возникающие в ходе указанного взаимодействия. Для пром. произ-ва перспективно использование мощной энергии лазера.

В электрохимии накоплен большой материал по исследованию электролитов, их электропроводности, электрохимич. процессов, создана электрохимич. кинетика, изучаются неравновесные электродные потенциалы, процессы коррозии металлов, разрабатываются новые химические источники тока. Успехи теоретич. электрохимии позволили дать более прочную науч. основу мн. пром. электрохимич. процессам.

Влияние магнитных полей на хим. поведение молекул рассматривается магнетохимией. Область термохимич. исследований расширилась в результате изучения взаимодействия вещества с плазмой, в частности в целях использования в плазмохимич. технологии. Становление плазмохимии относится к 60-м гг., когда были выполнены основополагающие работы в СССР, США и ФРГ.

Хим. превращения совершаются во всех агрегатных состояниях вещества-в жидком, газообразном и твёрдом. Всё большую актуальность приобретают исследования хим. реакций твёрдых тел (топохимические реакции).

В совр. X. накапливаются данные о хим. эволюции вещества во Вселенной, что позволяет составить общую картину эволюции природы. Совр. ядерная физика и астрофизика сформировали представление о возникновении хим. элементов. На основе изучения X. метеоритов, вулканич. земных пород, лунного грунта постепенно вырисовывается картина хим. дифференциации вещества на планетной стадии развития, в частности геохим. эволюции (см. Геохимия, Космохимия).

Обнаружение сложных органич. молекул в межзвёздном пространстве, в метеоритах и древнейших горных породах Земли, а также модельные опыты по синтезу сложных органич. веществ из простейших соединений (СН, СО₂ NH₃, Н₂О) в условиях искрового разряда, радиоактивного и ультрафиолетового облучения позволили представить этапы хим. эволюции материи, предшествовавшие возникновению жизни (см. также Происхождение жизни).

Геохимия вулканогенных и осадочных пород, гидрохимия, X. атмосферы, биогеохимия постепенно формируют представления о планетарных миграциях хим. элементов, биохимия - о жизненных циклах. На основе этих данных всё более наполняется конкретным содержанием учение В. И. Вернадского о решающей роли процессов жизнедеятельности для понимания судьбы хим. элементов на нашей планете.

Большие успехи сделала органич. химия. Так, разработаны автоматич. методы синтеза многих белков; установлена структура ряда важных природных веществ -тетродотоксина, гемоглобина, аспартат-аминотрансферазы, содержащей 412 аминокислот, и др.; синтезированы сложнейшие природные соединения - хинин, витамин Bi2 и даже хлорофилл. Огромное влияние оказала органич. химия на развитие молекулярной биологии. Органич. химия легла в основу создания мощной индустрии тяжелого органич. синтеза.

Химия полимеров, к-рая сформировалась в самостоятельную хим. дисциплину лишь в 30-х гг., изучает весь комплекс представлений о путях синтеза высокомолекулярных соединений, их свойствах и превращениях, а также о свойствах тел, построенных из макромолекул. Для совр. этапа химии полимеров характерно углублённое изучение механизмов каталитич. полимеризации, вызываемой металлоор-ганич. соединениями, в частности синтеза стереорегулярных полимеров, исследование микроструктуры высокомолекулярных соединений. Установлено, что свойства полимеров зависят не только от хим. состава, строения и размеров макромолекул, но и в неменьшей степени от их взаимного расположения и упаковки (над-молекулярной структуры). Важным достижением явилось создание термостойких полимеров (кремнийорганических, полиимидов и др.). Успехи химии полимеров позволили создать такие важнейшие отрасли хим. пром-сти, как произ-ва пластмасс, синтетич. каучука, хим. волокон, лакокрасочных материалов, иони-тов, клеёв и др.

На всех структурных уровнях организации живого важнейшую роль играют специфические хим. процессы. Непрерывный обмен веществ в организме представляет собой сложнейшую систему согласованных хим. реакций, осуществляемых с участием специфич. белковых катализаторов - ферментов.

Воздействие хим. процессов, происходящих во внеш. среде, на сообщества организмов (биоценозы), хим. миграция элементов внутри экосистем, хим. стимулирование или подавление симбио-тических или конкурентных видов исследуются в рамках хим. экологии. Формирование поведения организмов в сообществах в значит, степени зависит от хим. средств передачи информации (напр., феромонов, используемых животными для привлечения или отпугивания др. особей, регуляции жизнедеятельности в семьях пчёл, муравьев и т. д.).

Традиционные для биохимии нейро-химич. исследования переросли в новую отрасль знаний, изучающую влияния хим. соединений на психич. процессы; формируется т. н. молекулярная психобиология, связывающая молекулярную биологию с наукой о поведении (см. также Психофармакология).