ХИМИЯ с нуля – современный учебник

У нас вышел новый курс, где всё объясняется ещё проще. Подробннее по ссылке

Приветствую Вас на HIMI4KA.RU – образовательном ресурсе, посвященному изучению химии для тех, кто раньше не учил, либо подзабыл основы этого увлекательного предмета. Если вы думаете, что данная наука вам не по зубам, то имейте в виду: выдающийся русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев оставался в школе на второй год, а в гимназии, так вообще имел по химии тройку. Но это не помешало ему стать блестящим химиком с мировым именем.

Безусловно, Менделеев стал известным ученым не за один день, а за долгие годы изучения химии с нуля, выполняя различные опыты и эксперименты, читая десятки учебников, и заучивая наизусть сотни формул и определений. А ведь раньше не было интернета и за книгами необходимо было идти в библиотеку, где приходилось часами стоять в очереди, чтобы получить заветный «гранит науки». И это было не единственной сложностью на пути к знаниям, потому как данная научно-естественная наука тогда только зародилась, и в ней бытовали многие ошибочные теории и гипотезы. Другими словами, учебники по химии того времени могли не только не дать новых знаний, но еще и обучить ошибочным, поэтому приходилось многие теории проверять на практике. Тем не менее, несмотря на все трудности обучения своего времени, Д.И. Менделеев добился того, что стены любого кабинета химии и лаборатории украшает его наследие.

Понять суть и выучить основы химии достаточно просто, хотя многие незаслуженно считают ее трудной и скучной наукой. На самом деле все сложные реакции и превращения описываются простыми закономерностями, в основе которых лежат законы физики и базовые математические соотношения. Главное — это желание и стремление: чем больше стремление — тем больше знаний вы получите. Причем это правило относится к любому делу, за которое вы беретесь. Еще на процесс обучения влияет отношение преподавателя к предмету и материал, который он преподносит. Если преподаватель не горит желанием донести знания до обучающихся, следовательно, время будет проходить впустую. Но это не беда, ведь всегда можно почитать уроки химии дома, используя книги и учебники, однако, если материал будет подан в неверной последовательности или основы химии в нем будут изложены чересчур научным языком, то толку от такого обучения будет мало, не так ли? Поэтому сайт «Химия для чайников» будет вам невероятно полезным в обучении химии с нуля!

Неоспоримым достоинством курсов по химии является их уникальность и простота в освоении для начинающих. Даже если вы никогда ее не понимали, считали себя унылым чайником, а от решения задач у вас кружилась голова, то теперь появился отличный шанс в короткие сроки обучиться до уровня «отличника». Ведь уроки химии на нашем сайте — это не голые факты, числа, формулы — нет, это — полноценный учебник по химии, который содержит в себе всю необходимые теорию и практику, объясняет и учит даже в том случае, если вы никогда не понимали предмет.

1. Если вы зашли на сайт впервые и планируете изучать основы химии с нуля, то сначала обязательно посетите таблицу Менделеева, которая поможет вам лучше ориентироваться в химических элементах.
2. Вторым вашим шагом будет внимательное прочтение всех уроков из Самоучителя, который состоит из 4 разделов: общей, неорганической и органической химии, а также решения задач. Материал изложен последовательно и доступно, чтобы обучение было максимально эффективным.
3. После этого вы переходите к третьему шагу, который заключается в просмотре видео-уроков по химии. Это поможет вам закрепить полученные знания и закрыть оставшиеся пробелы в изучении.
4. Четвертый шаг для тех, кто собирается сдавать ОГЭ и ЕГЭ по химии, у нас подготовлен специальный курс подготовки к данным экзаменам. Теория в нем изложена кратко, поэтому прежде вам следует обязательно прочитать уроки химии из самоучителя. Не ленитесь, читайте, изучайте и тогда обязательно получите за экзамен максимальный балл!

И конечно же не стоит забывать, что сайт HIMI4KA.RU — это не волшебная таблетка, а самоучитель, который прежде всего рассчитан на вашу самостоятельную работу. Самое главное – внимательное и регулярное чтение материала, и тогда вы приятно удивитесь тому уровню знаний, которых достигните. Удачи!

Самоучитель по химии – HIMI4KA

Предлагаемый вашему вниманию Самоучитель — не обычный учебник по химии. В нём не просто излагаются какие-то факты, не просто описываются свойства веществ, как в обычном пособии. Этот курс по изучению химии объясняет и учит, особенно в тех случаях, если вы не можете или стесняетесь обратиться за разъяснениями к учителю. Данный самоучитель в виде рукописи использовался с 1991 г. школьниками, и не было ни одного ученика, который бы «провалился» на экзамене по химии и в школе, и в вузах. Большинство из них начинало с «нуля»!

Курс рассчитан на самостоятельную работу ученика. Главное, чтобы вы отвечали по ходу чтения на те вопросы, которые встречаются в тексте. Если вы не смогли ответить на вопрос, — читайте внимательнее ещё раз: все ответы имеются рядом. Желательно также выполнять все задания которые встречаются по ходу объяснения нового материала, а также задания ЕГЭ, которые взяты из реальных сборников ФИПИ разных лет издания. В этом вам помогут многочисленные обучающие алгоритмы, которые есть в каждой части Самоучителя по химии.

В интерактивном учебнике приведены, в основном, схемы химических реакций. Коэффициенты нужно расставлять самим, даже если об этом не сказано в задании. В конце каждого урока имеются упражнения, вопросы и задачи, которые проверяют степень усвоения предложенного материала. Если вы смогли, не подглядывая в текст урока, ответить на эти вопросы, сделать все упражнения, решить все задачи — замечательно. В противном случае ещё раз перечитайте урок.
В последних уроках самоучителя приведены также способы решения базовых задач по химии. В случае затруднений при решении задачи, условие которой имеется в конце главы, найдите эту задачу среди задач для самостоятельного решения в уроках 29–32, а потом посмотрите, как решается такая задача.

Изучив данный Самоучитель, вы сможете легко ответить на многие вопросы ЕГЭ и просто понять и, возможно, полюбить этот непростой, но очень интересный предмет ХИМИЯ.

Если ты готов, то дерзай! И да прибудет с тобой химия 🙂

Самоучитель

Оценка

Таблица Менделеева для чайников – HIMI4KA

У нас вышел новый курс, где всё объясняется ещё проще. Подробннее по ссылке

Еще в школе, сидя на уроках химии, все мы помним таблицу на стене класса или химической лаборатории. Эта таблица содержала классификацию всех известных человечеству химических элементов, тех фундаментальных компонентов, из которых состоит Земля и вся Вселенная. Тогда мы и подумать не могли, что таблица Менделеева бесспорно является одним из величайших научных открытий, который является фундаментом нашего современного знания о химии.

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

На первый взгляд, ее идея выглядит обманчиво просто: организовать химические элементы в порядке возрастания веса их атомов. Причем в большинстве случаев оказывается, что химические и физические свойства каждого элемента сходны с предыдущим ему в таблице элементом. Эта закономерность проявляется для всех элементов, кроме нескольких самых первых, просто потому что они не имеют перед собой элементов, сходных с ними по атомному весу. Именно благодаря открытию такого свойства мы можем поместить линейную последовательность элементов в таблицу, очень напоминающую настенный календарь, и таким образом объединить огромное количество видов химических элементов в четкой и связной форме. Разумеется, сегодня мы пользуемся понятием атомного числа (количества протонов) для того, чтобы упорядочить систему элементов. Это помогло решить так называемую техническую проблему «пары перестановок», однако не привело к кардинальному изменению вида периодической таблицы.

В периодической таблице Менделеева все элементы упорядочены с учетом их атомного числа, электронной конфигурации и повторяющихся химических свойств. Ряды в таблице называются периодами, а столбцы группами. В первой таблице, датируемой 1869 годом, содержалось всего 60 элементов, теперь же таблицу пришлось увеличить, чтобы поместить 118 элементов, известных нам сегодня.

Периодическая система Менделеева систематизирует не только элементы, но и самые разнообразные их свойства. Химику часто бывает достаточно иметь перед глазами Периодическую таблицу для того, чтобы правильно ответить на множество вопросов (не только экзаменационных, но и научных).

The YouTube ID of 1M7iKKVnPJE is invalid.

Периодический закон

Существуют две формулировки периодического закона химических элементов: классическая и современная.

Классическая, в изложении его первооткрывателя Д.И. Менделеева: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величин атомных весов элементов.

Современная: свойства простых веществ, а также свойства и формы соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов (порядкового номера).

Графическим изображением периодического закона является периодическая система элементов, которая представляет собой естественную классификацию химических элементов, основанную на закономерных изменениях свойств элементов от зарядов их атомов. Наиболее распространёнными изображениями периодической системы элементов Д.И. Менделеева являются короткая и длинная формы.

Группы и периоды Периодической системы

Группами называют вертикальные ряды в периодической системе. В группах элементы объединены по признаку высшей степени окисления в оксидах. Каждая группа состоит из главной и побочной подгрупп. Главные подгруппы включают в себя элементы малых периодов и одинаковые с ним по свойствам элементы больших периодов. Побочные подгруппы состоят только из элементов больших периодов. Химические свойства элементов главных и побочных подгрупп значительно различаются.

Периодом называют горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания порядковых (атомных) номеров. В периодической системе имеются семь периодов: первый, второй и третий периоды называют малыми, в них содержится соответственно 2, 8 и 8 элементов; остальные периоды называют большими: в четвёртом и пятом периодах расположены по 18 элементов, в шестом — 32, а в седьмом (пока незавершенном) — 31 элемент. Каждый период, кроме первого, начинается щелочным металлом, а заканчивается благородным газом.

Физический смысл порядкового номера химического элемента: число протонов в атомном ядре и число электронов, вращающихся вокруг атомного ядра, равны порядковому номеру элемента.

Свойства таблицы Менделеева

Напомним, что группами называют вертикальные ряды в периодической системе и химические свойства элементов главных и побочных подгрупп значительно различаются.

Свойства элементов в подгруппах закономерно изменяются сверху вниз:

• усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические;
• возрастает атомный радиус;
• возрастает сила образованных элементом оснований и бескислородных кислот;
• электроотрицательность падает.

Все элементы, кроме гелия, неона и аргона, образуют кислородные соединения, существует всего восемь форм кислородных соединений. В периодической системе их часто изображают общими формулами, расположенными под каждой группой в порядке возрастания степени окисления элементов: R₂O, RO, R₂O₃, RO₂, R₂O₅, RO₃, R₂O₇, RO₄, где символом R обозначают элемент данной группы. Формулы высших оксидов относятся ко всем элементам группы, кроме исключительных случаев, когда элементы не проявляют степени окисления, равной номеру группы (например, фтор).

Оксиды состава R₂O проявляют сильные основные свойства, причём их основность возрастает с увеличением порядкового номера, оксиды состава RO (за исключением BeO) проявляют основные свойства. Оксиды состава RO₂, R₂O₅, RO₃, R₂O₇ проявляют кислотные свойства, причём их кислотность возрастает с увеличением порядкового номера.

Элементы главных подгрупп, начиная с IV группы, образуют газообразные водородные соединения. Существуют четыре формы таких соединений. Их располагают под элементами главных подгрупп и изображают общими формулами в последовательности RH₄, RH₃, RH₂, RH.

Соединения RH₄ имеют нейтральный характер; RH₃ — слабоосновный; RH₂ — слабокислый; RH — сильнокислый характер.

Напомним, что периодом называют горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания порядковых (атомных) номеров.

В пределах периода с увеличением порядкового номера элемента:

• электроотрицательность возрастает;
• металлические свойства убывают, неметаллические возрастают;
• атомный радиус падает.

Элементы таблицы Менделеева

Щелочные и щелочноземельные элементы

К ним относятся элементы из первой и второй группы периодической таблицы. Щелочные металлы из первой группы — мягкие металлы, серебристого цвета, хорошо режутся ножом. Все они обладают одним-единственным электроном на внешней оболочке и прекрасно вступают в реакцию. Щелочноземельные металлы из второй группы также имеют серебристый оттенок. На внешнем уровне помещено по два электрона, и, соответственно, эти металлы менее охотно взаимодействуют с другими элементами. По сравнению со щелочными металлами, щелочноземельные металлы плавятся и кипят при более высоких температурах.

Показать / Скрыть текст

Лантаниды (редкоземельные элементы) и актиниды

Лантаниды — это группа элементов, изначально обнаруженных в редко встречающихся минералах; отсюда их название «редкоземельные» элементы. Впоследствии выяснилось, что данные элементы не столь редки, как думали вначале, и поэтому редкоземельным элементам было присвоено название лантаниды. Лантаниды и актиниды занимают два блока, которые расположены под основной таблицей элементов. Обе группы включают в себя металлы; все лантаниды (за исключением прометия) нерадиоактивны; актиниды, напротив, радиоактивны.

Показать / Скрыть текст

Галогены и благородные газы

Галогены и благородные газы объединены в группы 17 и 18 периодической таблицы.  Галогены представляют собой неметаллические элементы, все они имеют семь электронов во внешней оболочке. В благородных газахвсе электроны находятся во внешней оболочке, таким образом с трудом участвуют в образовании соединений. Эти газы называют «благородными, потому что они редко вступают в реакцию с прочими элементами; т. е. ссылаются на представителей благородной касты, которые традиционно сторонились других людей в обществе.

Показать / Скрыть текст

Переходные металлы

Переходные металлы занимают группы 3—12 в периодической таблице. Большинство из них плотные, твердые, с хорошей электро- и теплопроводностью. Их валентные электроны (при помощи которых они соединяются с другими элементами) находятся в нескольких электронных оболочках.

Показать / Скрыть текст

Металлоиды

Металлоиды занимают группы 13—16 периодической таблицы. Такие металлоиды, как бор, германий и кремний, являются полупроводниками и используются для изготовления компьютерных чипов и плат.

Показать / Скрыть текст

Постпереходными металлами

Элементы, называемые постпереходными металлами, относятся к группам 13—15 периодической таблицы. В отличие от металлов, они не имеют блеска, а имеют матовую окраску. В сравнении с переходными металлами постпереходные металлы более мягкие, имеют более низкую температуру плавления и кипения, более высокую электроотрицательность. Их валентные электроны, с помощью которых они присоединяют другие элементы, располагаются только на внешней электронной оболочке. Элементы группы постпереходных металлов имеют гораздо более высокую температуру кипения, чем металлоиды.

Показать / Скрыть текст

Неметаллы

Из всех элементов, классифицируемых как неметаллы, водород относится к 1-й группе периодической таблицы, а остальные — к группам 13—18. Неметаллы не являются хорошими проводниками тепла и электричества. Обычно при комнатной температуре они пребывают в газообразном (водород или кислород) или твердом состоянии (углерод).

Показать / Скрыть текст

А теперь закрепите полученные знания, посмотрев видео про таблицу Менделеева и не только.

Отлично, первый шаг на пути к знаниям сделан. Теперь вы более-менее ориентируетесь в таблице Менделеева и это вам очень даже пригодится, ведь Периодическая система Менделеева является фундаментом, на котором стоит эта удивительная наука.

Химия: основа устойчивого развития | Новости сибирской науки

​​​Вопросы экологии постоянно звучат в научной и общественно-политической повестке многих стран мира. Химические риски неизбежно возникают в процессах производства, использования и утилизации тех или иных продуктов. Даже безопасное, на первый взгляд, вещество может нанести вред окружающей среде, если оно не вписывается в цикл естественного круговорота веществ. Прямо сейчас активно обсуждаются принципы зеленой химии и безотходного производства. Ректор Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева Александр Мажуга уверен — новые направления в химии становятся основой для устойчивого развития. 

​

— Безотходное производство захватило умы и разные сферы жизни человечества, в том числе крупные и малые предприятия. Какие направления в химии связаны с безотходным производством и направлены на его обеспечение?

— На самом деле обеспечить безотходное производство достаточно сложно. Любое производство, особенно химическое, нефтехимическое, биотехнологическое так или иначе образует определенный набор отходов. Первостепенная задача состоит в том, чтобы производство было максимально безотходным. Вторая важная задача — перевести производство на технологию замкнутого цикла, при которой отходы либо используются вновь, либо перерабатываются на сырьё для новых продуктов.

Например, электрохимические, гальванические производства, — а это процессы химической технологии — используют большое количество растворов для травления. В результате образуются отходы, содержащие ионы тяжелых металлов, таких, как медь, серебро, свинец, никель, кобальт, хром. Всё это отходы первого и второго класса опасности, которые оказывают негативное влияние на здоровье человека, окружающую среду и экологию. Наш университет разрабатывает технологии по переработке этих отходов и способы возращения их в товарный оборот.

К примеру, медно-аммиачный раствор — самый распространенный тип отходов, который образуется при производстве печатных плат, как правило утилизируется. Подвергая его переработке, мы возвращаем обратно чистую медь и сульфат аммония, тем самым, создавая соединения, которые могут быть использованы в качестве минеральных удобрений. Это и есть технология замкнутого цикла.

Если мы говорим в целом о безотходном производстве, то, конечно же, необходимо создавать максимально замкнутый процесс. При этом здесь есть два ключевых подхода. Первый состоит в замкнутой системе водооборота. Вода присутствует практически во всех химических, нефтехимических производствах. Замкнутый цикл в данном случае предполагает, что отработанная жидкость не сливается в канализацию, а с помощью дренажной системы собирается в емкости, фильтруется и насосами подается обратно в производство.

Второй подход основан на замкнутом цикле использования ресурсов — электроэнергии, газа и прочих. В этом случае мы используем меньше ресурсов, а наш процесс становится суммарно безотходным.

— В России уже есть производства, которые внедряют эти подходы?

— Наши ведущие производители в области химического комплекса — компании «Сибур» и «Фосагро» — максимально используют принципы безотходного производства и замкнутого цикла при создании своих продуктов. Важно отметить, что в России уже сегодня создается уникальная система — первая в нашей стране — по переработке отходов.

Я уже говорил, что так или иначе химическая промышленность образует отходы. Это не всегда отходы четвертого или пятого класса опасности. Чаще всего это как раз отходы первого и второго класса — наиболее опасные. В рамках создания системы по переработке отходов ведется строительство экотехнопарков. Эту миссию на себя взяла корпорация «Росатом», а также ее дочернее предприятие Федеральный экологический оператор. На первом этапе создаются четыре экотехнопарка, которые будут перерабатывать практически все типы наиболее токсичных отходов I и II класса.

Мы сейчас не говорим о радиоактивных отходах. Часто «Росатом» воспринимается как корпорация, которая занимается исключительно ядерной энергетикой и радиоактивными отходами. Но в случае с экотехнопарками речь идет о нерадиоактивных отходах. Суммарно в России ежегодно образуется около 300 тысяч тонн таких отходов. А доля переработки — лишь 2%, что очень мало.

 ​Модель производства в одной из лабораторий РХТУ. Научная Россия / Николай Мохначев

 В лаборатории Менделеевского инжинирингового центра. Научная Россия / Николай Мохначев

Следует отметить, что за время существования и развития химической промышленности в России было накоплено большое количество отходов — так называемые объекты накопленного вреда. Раньше переработке отходов уделялось очень мало внимания. Отходы на химическом заводе, как правило, просто сливались в цистерны или скважины. И на этом все заканчивалось. Сейчас государство старается уделять внимание экологии, здоровью населения и разработке новейших технологий переработки.

Предполагается, что четыре экотехнопарка, которые в ближайшее время будут построены в России, будут перерабатывать до 200 тысяч тонн отходов в год. Думаю, что в дальнейшем появятся новые технопарки, и тогда мы сможем перерабатывать весь объем отходов.

— В каких отраслях наблюдается наибольший спрос на безотходное производство?

— Конечно, тренд на безотходное производство сейчас виден в нефтегазохимической отрасли. Это очень важно. Но если мы посмотрим по количеству отходов, которые образуются на тонну продукта, то, как это ни странно, наибольшее количество отходов образует фармацевтическая промышленность. Все обычно думают, что нефтегазовая промышленность — основной источник образования отходов. Но на самом деле это не так. Просто из-за большого объема производства в сумме этих отходов больше.

А когда мы говорим о тонне продукта, то больше всего отходов образуется в фармацевтической отрасли. Наши фармацевтические компании, производители фармсубстанций, готовых форм серьезно озадачены этим вопросом. Пытаются применять химические процессы и химические технологии, которые позволяют максимально без отходов производить продукт.

На кафедре химической технологии органического синтеза Российского химико-технологического университета работал известный ученый Петр Гаврилович Сергеев. Именно он предложил технологию получения фенола из ацетона — кумольный метод. Я упомянул о нем неслучайно, поскольку кумольный метод — это процесс с так называемой стопроцентной атомарной эффективностью. Девять атомов углерода в исходном соединении превращаются в два продукта, которые суммарно содержат все девять атомов. Исключительный пример безотходного производства.

— А где могут применяться подобные технологии?

— Эти технологии уже применяются во всем мире. Речь чаще всего идет о технологии производства фенола и ацетона. Ацетон используется повсеместно в качестве растворителя. А фенол — как исходное соединение для производства, например, средств защиты растений, гербицидов, пестицидов. По сути, ключевой интермедиант химической промышленности.

— На просторах интернета можно встретить такое интересное определение. «Зеленая химия — это своего рода искусство, позволяющее не просто получить нужное вещество, но получить его другим путем, который, в идеале, не вредит окружающей среде на всех стадиях его получения». Насколько верно это определение?

— Не только зеленая химия, но и в целом вся химия — это настоящее искусство. Даже немного магии есть в этом процессе. Зеленая химия — направление, которое развивается с 80-х годов.

Но если копнуть глубже, то окажется, что еще Дмитрий Иванович Менделеев говорил о том, что химический процесс нужно оценивать по количеству образующихся отходов. Поэтому главная задача зеленой химии — создавать максимально безотходные технологии.

Зеленая химия — это междисциплинарное направление внутри химической науки. Оно включает все направления в химии: и органическую, и неорганическую, и физическую. По сути, это комплекс мер и технологий, которые позволяют сделать процесс наиболее экологичным.

Существуют принципы зеленой химии. Первый связан со стопроцентной атомарной эффективностью, о которой я упоминал. Он предполагает использование всех атомов исходных соединений при создании продукции. Однако подобных процессов не так много.

Второй принцип посвящен использованию в химическом процессе максимально нетоксичных соединений. Они могут быть разных типов. Наиболее известные — катализаторы, которые используются для ускорения химического процесса. Очень часто катализатор представляет собой соединение тяжелых металлов. Ученые, которые занимаются зеленой химией, стараются создавать катализаторы, не содержащие ионы тяжелых металлов.

Третий принцип нацелен на использование растворителей, которые не вредят окружающей среде. Проще говоря, зеленая химия — это целый набор подходов, которые позволяют сделать химическое производство безотходным, не опасным, экономически эффективным с использованием замкнутого цикла, принципами возврата в растворители и так далее.

— Развивается ли в России это направление?

— Да, конечно. Развивается оно и в нашем университете. Сейчас мы разрабатываем стратегию развития университета в рамках программы стратегического академического лидерства. И направление зеленой химии — ключевое, магистральное направление нашей программы.

В структуре университета существует институт проблем устойчивого развития и кафедра зеленой химии. Наши ученые изучают процессы с точки зрения зеленой химии и работают над методиками безопасных и эффективных производств. Также мы активно популяризируем направления зеленой химии в России. Член-корреспондент Российской Академии наук Наталия Павловна Тарасова возглавляет это направление, как в университете, так и в стране в целом.

— На волне роста популярности экологического направления меняется ли образование в области химии?

— Разумеется. Химия и экология всегда идут вместе. Вообще экология — это всегда приложение к определенной сфере. Экология в химии, экология в области биологии, экология, связанная с географией. РХТУ, прежде всего, занимается экологическими аспектами в химической технологии.

Университет готовит специалистов по направлению экологии и природопользования. Помимо этого, студенты-химики, студенты-технологи изучают на курсе дисциплины, связанные с экологией. И, конечно, у нас есть целое направление, которое прямо так и называется — курсы зеленой химии для студентов РХТУ.

— Какое место занимает химия в рамках мероприятий по обеспечению так называемого устойчивого развития, к которому все так стремятся. Насколько активно это направление развивается в России?

— Если говорить о принципах устойчивого развития, которые продвигает Организация объединенных наций, то все из них так или иначе связаны с химией.

Среди них: принцип обеспечения здоровой среды. Тут без химии никуда, потому что благодаря химии производятся фармацевтические субстанции и готовые лекарственные формы.

Принцип устойчивого развития — чистая вода, чистый воздух. Именно химики создают технологии очистки воды, технологии водоподготовки, очистки воздуха.

Говоря о химических предприятиях, нельзя не упомянуть технологии, которые делают безопасными для окружающей среды выбросы химических предприятий.

Химия играет значимую роль в области эффективной, чистой энергетики. Все современные альтернативные источники энергии: солнечные батареи, ветряки так или иначе включают в себя химические процессы. Химики создают новые материалы для солнечных батарей, композиционные материалы для пропеллеров ветряков.

Важная тема, которая остро стоит в мировой повестке — климатические изменения. Необходимо создавать новые и улучшать существующие технологии, которые оказывают наименьшую углеродную нагрузку на земную атмосферу.

— Замечает ли научное сообщество интерес государства к устойчивому развитию и химическим технологиям?

— Интерес, конечно есть. Правительство регулирует и стимулирует развитие зеленых технологий. Первый очень важный шаг — внедрение наилучших доступных технологий (НДТ). Современные справочники НДТ всегда включают экологический аспект. Регулятор говорит о том, что химическая технология должна быть эффективной и экологически безопасной.

Второй очень важный шаг — создание системы учета и оценки отходов производства, которая была утверждена в 2019 году. Прежде всего мы говорим о самых опасных отходах I и II класса.

Помимо этого, в рамках нацпроекта «Экология» создается инфраструктура для переработки опасных отходов. Очень важно, что многие представители химической промышленности выбрали путь экологичного производства. Кстати, компания «Фосагро» показывает хороший пример. Коллеги поддерживают развитие зеленой химии не только в Российской Федерации, выделяя специальное грантовое финансирование. На международном уровне «Фосагро» стал партнером ЮНЕСКО и ежегодно проводит конкурс в области зеленой химии. Поэтому роль нашей промышленности нельзя недооценивать.

— Директор института химии и проблем устойчивого развития Наталья Павловна Тарасова на одном из общих собраний РАН говорила хемофобии. Насколько важно донести обычным людям, что химия — это чистое и экологичное будущее человечества?

— С проблемой хемофобии мы сталкиваемся очень часто. Хемофобия — это боязнь химических веществ и химических превращений и процессов. Но важно понять, что химия — это все, что нас окружает. Это пластик, лекарства, разнообразные композиционные материалы. Куда ни посмотри, везде химия.

Организм человека — это большой химический завод, который действует и живет по своему определенному сценарию и по своим физико-химическим основам и законам.

Тем не менее такая проблема есть. Конечно же, тут очень важна популяризация, и в некотором роде, пропаганда. Надо показывать, что химические заводы меняются. Среди многих людей распространен стереотип, что химические заводы — это трубы из которых валит черный дым, это разлитые лужи нефти или опасных химикатов.

Но современный химический завод выглядит абсолютно иначе. Сейчас нет ни одного предприятия, где из трубы идет рыжий дым — так называемые «лисьи хвосты» при производстве азотной кислоты. Современные химические предприятия полностью автоматизированы. Там работают высоко квалифицированные специалисты, а процессы не оказывают негативного эффекта на окружающую среду.

Очень важно говорить и о том, что объекты накопленного вреда наносят больший урон, чем завод по переработке таких отходов. Прямо сейчас университет вместе с коллегами из Федерального экологического оператора проектирует четыре технопарка по переработке отходов.

Часто можно услышать от жителей мнение, что строительство подобных технопарков — очень опасно. На самом деле, гора, содержащая десятки тысяч тонн отходов рядом с поселением, гораздо опаснее, чем завод, который занимается их переработкой.

Мы стараемся проводить мероприятия для популяризации химии, пытаемся донести, что хемофобия — понятие из прошлого. Рассказываем об этом и школьникам, и взрослым людям, участвуем во всевозможных мероприятиях по популяризации химии.

— Прошлый год был провозглашен Генеральной Ассамблеей ООН Международным годом Периодической таблицы химических элементов. Это повлияло на популярность химии среди молодежи?

— Действительно, в 2019 году мы праздновали 150 лет открытия Периодического закона Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Он, пожалуй, самый известный российский химик во всем мире. Я думаю, если за границей спросить: «какого российского ученого вы знаете», то назовут три фамилии: это – Менделеев, это – Ломоносов, это – Вернадский.

Периодический закон известен всему миру. Хотя не везде звучит имя Дмитрия Ивановича Менделеева. В течение 2019 года прошло множество мероприятий и для школьников, в том числе открытые уроки по всей стране, и для студентов. Проведен химический диктант, всевозможные выставки.

Мы посетили практически все значимые финансово-экономические мероприятия нашей страны: Питерский международный форум, Российский инвестиционный форум, Сочинский экономический форум, где рассказывали о том, что без химии не будет развития. Эта отрасль приносит большой доход государству, при этом важно вкладываться в эту отрасль, развивать собственные технологии, потому что без химии никуда.

— Есть ли понимание у правительства, что химия важна для развития государства?

— Да, понимание есть. Мне кажется, правительство видит необходимость развития химической отрасли. Это доказывает один из примеров: в конце прошлого года председателем правительства был подписан указ о создании инновационного научно-технического центра «Долина Менделеева» на площадке РХТУ, который стал инициатором этого проекта. Центр направлен на развитие отрасли малотоннажной химии, которая сегодня полностью зависима от импорта. Нам удалось не только получить распоряжение правительства, но и привлечь большое число предприятий химического комплекса в этот проект. «Долина Менделеева» — это площадка, которая объединяет ученых и промышленников, для того чтобы российские технологии активнее внедрялись в производство.

— Поговорим о другом важном направлении. Недавно вы выиграли грант, который направлен на поиск лекарств для лечения социально значимых заболеваний. Расскажите, насколько серьезной была конкуренция в этом конкурсе и какой результат вы планируете получить?

— Действительно, борьба за грант — это тяжелая борьба. Мы смогли победить в конкурсе только благодаря партнерству с ведущими организациями, как из сектора исследований и разработок научных институтов Российской академии наук, так и в партнерстве с медицинскими институтами и научными организациями. Основная задача проекта — разработать системы доставки терапевтических молекул в мозг. Медицина очень нуждается в подобных системах, особенно когда речь идет о терапии социально-значимых заболеваний.

Онкологические патологии головного мозга на сегодняшний день наименее успешно подаются терапии. Летальность составляет почти 100%. Второе направление посвящено инсульту, от которого также погибает очень много людей. Третье направление связано с терапией депрессии. В настоящее время — это актуальное направление. В условиях постоянно меняющейся обстановки люди больше подвержены психическим заболеваниям, в том числе депрессии.

После внутривенного введения или перорального приема таблетки на пути лекарства в мозг встречаются различные барьеры. Главный из них — гематоэнцефолический барьер. Мы создаем такие системы, которые бы позволили этот барьер преодолеть и с наибольшей эффективностью доставить терапевтический агент в мозг.

Работа предполагает создание специальных полимерных контейнеров, внутри которых будет содержаться терапевтический агент. Реализация состоит из нескольких этапов. Все, конечно, начинается с работы химиков. На первом этапе происходит синтез формуляции, в которой содержится одно или несколько терапевтических агентов, лекарств. На следующем этапе мы изучаем поведение этих формуляций инвитро на модельных системах. А на третьем этапе происходит исследование инвиво на лабораторных животных. К концу реализации проекта мы получим молекулы-кандидаты, которые в дальнейшем могут быть исследованы в рамках и доклинических, и клинических испытаний.

— А как часто в химии используются математические методы?

— Методы математического моделирования используются активно, особенно в области медицинской химии. При поиске нового терапевтического агента мы всегда изучаем мишень, куда этот агент должен попасть. Здесь используется схема молекулярного моделирования, так называемый докинг. В рамках упомянутого проекта предусмотрено использование математического моделирования.

— Оно производится силами РХТУ или сторонней организации?

— В данном проекте математическое моделирование производится силами сотрудников университета.

— Что бы вы пожелали ребятам, которые хотят связать свою жизнь с химией? Какое направление выбрать?

— Действительно, порой сложно выбрать среди многообразия направлений нашего университета наиболее актуальное. Каждое из них активно развивается. Есть направления, связанные с получением фармацевтических субстанций, направления, связанные с технологиями производства неорганических соединений, особо чистых веществ, направления, связанные с цифровизацией химического комплекса, в том числе с математическим моделированием.

Поэтому выбор во многом зависит от интересов абитуриента. При этом, поступая в РХТУ, у нашего абитуриента и будущего студента всегда есть возможность выбора.

Химия — наука не простая, но очень увлекательная. Поэтому я хочу пожелать нашим абитуриентам, чтобы они не боялись экспериментировать и по-настоящему погрузились в науку. Только так могут появляться новые, интересные, необходимые нашей стране открытия и технологии. 

О перспективных направлениях и проектах РХТУ мы также поговорили с Анной Анатольевной Щербиной, доктором химических наук, проректором по науке РХТУ имени Д.И. Менделеева:

— Какие перспективные проекты развиваются в РХТУ? Принимают ли в них участие студенты вашего вуза?

— В последнее время у нас действительно достаточно большой спрос на проекты не только Российского научного фонда и Российского фонда фундаментальных исследований, которые выполняют исследователи в инициативном порядке (то есть сами заявляют интересную им тему, которую они считают фундаментальной, значимой, актуальной и соответствующей мировому уровню). Множество проектов приходят к нам буквально из индустрии. Промышленные предприятия обращаются по совершенно разным интересным направлениям.

В нашем университете реализуются проекты по созданию различных неорганических материалов. Это и особо чистые вещества для  фотоники и микроэлектроники, керамические тугоплавкие и жиростойкие материалы, различные функциональные материалы и покрытия. Помимо этого, полимерные материалы и их компонентная база, в том числе синтез новых связующих, углеродные или неорганические волокна и многое другое.  

Есть работы, которые касаются экологической тематики и посвящены организации водного хозяйства (водоочистка, водоподготовка) или утилизации отход

ов, очистке стоков и различных газовых выбросов. Все проекты так или иначе направлены на решение комплексных задач.

Еще одно интересное направление — экологический мониторинг, расчет рисков и предотвращение возможных аварий.

Действительно во многих проектах, будь то работа в научных коллективах или выполнение хозяйственных договоров с индустриальными партнерами, участвуют и молодые исследователи — сотрудники кафедры, ассистенты, аспиранты и, конечно, студенты. Для последних решение серьезных задач имеет важное значение. Придя в университет, с самых первых дней хочется попробовать себя в науке. И очень часто, когда мы встречаемся с абитуриентами, этот вопрос звучит одним из первых: будет ли возможность участвовать в интересных проектах? Видно, что ребята тянутся к научным исследованиям, поэтому мы активно поддерживаем такой интерес. Если хочется — надо пробовать. Получается — значит, будет толк.

— То есть индустриальные партнеры постоянно подкидывают какие-то новые задачи?

— Да, безусловно. Часто они приходят с конкретными предложениями или конкретными запросами. Иногда бывают довольно сложные задачи, которые, действительно требуют очень серьезных фундаментальных исследований, теоретических расчетов, знаний уникальных свойств уже имеющихся материалов. Для решения подобных сложных задач мы собираем междисциплинарные коллективы.

— Насколько тесно вы сотрудничаете с образовательными организациями и академическими институтами, которые также развивают химическое направление?

— Мы очень часто работаем и с теми, и с другими. Особенно тесно сотрудничаем с химическим факультетом Московского государственного университета. У нас есть ряд фундаментальных проектов, которые поддержаны фондами. И абсолютно прикладные задачи, которые как раз пришли к нам из индустрии.

Нельзя не сказать и о других университетах, например, РТУ (МИРЭА), в состав которого сейчас входит МИТХТ — замечательный университет, который и я окончила в свое время. Также активно взаимодействуем с Ивановским государственным технологическим университетом, Московским и Питерским Политехом, МГТУ СТАНКИНом, Томским государственным и Политехническим университетами и, конечно, с академическими институтами химического профиля и многими другими. Это и московские академические институты, и региональные, которые, находятся в Сибири, на Урале, где многие годы существуют сильные химические школы. Все определяется сложностью задач. Иногда мы не можем решать их самостоятельно, в одиночку, потому собираем сильный коллектив из разных институтов и университетов.

— А что насчет международного сотрудничества? Подписаны ли какие-то соглашения с вузами из других стран?

— Да, у нас довольно много соглашений, которые касаются, например, совместных стажировок и программ по обмену. Недавно, до пандемии,  наши студенты успели съездить в Гамбургский университет, где реализуется достаточно интересное направление — получение аэрогелей на основе технологии сверхкритических флюидов. Это направление объединяет в себе и моделирование, и создание материалов совершенно разной природы, но с уникальными свойствами, и практическое промышленное приложение.

С рядом европейских университетов обсуждается несколько больших проектов, в том числе по созданию лаборатории международного уровня. Мы уже пригласили ученых из различных университетов Германии, Испании, Франции, которые могли бы руководить новыми лабораториями, обсуждать передовые идеи с нашими коллективами и реализовывать их непосредственно в РХТУ. Надеюсь, что проекты найдут финансовую поддержку со стороны российских фондов и Минобрнауки.

Видео ​​Александр Мажуга

Автор: Анастасия Пензина.

 Фото: Николай Мохначев.

 Видео: Александр Козлов​.

Химия: основа устойчивого развития

О принципах зеленой химии, безотходном производстве и хемофобии — интервью с ректором РХТУ им. Д.И. Менделеева Александром Мажугой

Вопросы экологии постоянно звучат в научной и
общественно-политической повестке многих стран мира.
Химические риски неизбежно возникают в процессах производства,
использования и утилизации тех или иных продуктов. Даже
безопасное, на первый взгляд, вещество может нанести вред
окружающей среде, если оно не вписывается в цикл естественного
круговорота веществ. Прямо сейчас активно обсуждаются принципы
зеленой химии и безотходного производства. Ректор Российского
химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева
Александр Мажуга уверен — новые направления в
химии становятся основой для устойчивого развития. 

Александр Георгиевич Мажуга. Научная Россия / Николай Мохначев

Александр Георгиевич Мажуга — ректор
Российского химико-технологического университета имени Д.И.
Менделеева, доктор химических наук, профессор Российской
Академии наук.

— Безотходное производство захватило умы и разные сферы
жизни человечества, в том числе крупные и малые предприятия.
Какие направления в химии связаны с безотходным производством и
направлены на его обеспечение?

— На самом деле обеспечить безотходное производство достаточно
сложно. Любое производство, особенно химическое, нефтехимическое,
биотехнологическое так или иначе образует определенный набор
отходов. Первостепенная задача состоит в том, чтобы производство
было максимально безотходным. Вторая важная задача — перевести
производство на технологию замкнутого цикла, при которой отходы
либо используются вновь, либо перерабатываются на сырьё для
новых продуктов.

Например, электрохимические, гальванические производства, — а это
процессы химической технологии — используют большое количество
растворов для травления. В результате образуются отходы,
содержащие ионы тяжелых металлов, таких, как медь, серебро,
свинец, никель, кобальт, хром. Всё это отходы первого и второго
класса опасности, которые оказывают негативное влияние на
здоровье человека, окружающую среду и экологию. Наш университет
разрабатывает технологии по переработке этих отходов и способы
возращения их в товарный оборот.

К примеру, медно-аммиачный раствор — самый распространенный тип
отходов, который образуется при производстве печатных плат, как
правило утилизируется. Подвергая его переработке, мы возвращаем
обратно чистую медь и сульфат аммония, тем самым, создавая
соединения, которые могут быть использованы в качестве
минеральных удобрений. Это и есть технология замкнутого цикла.

Если мы говорим в целом о безотходном производстве, то, конечно
же, необходимо создавать максимально замкнутый процесс. При этом
здесь есть два ключевых подхода. Первый состоит в замкнутой
системе водооборота. Вода присутствует практически во всех
химических, нефтехимических производствах. Замкнутый цикл в
данном случае предполагает, что отработанная жидкость не
сливается в канализацию, а с помощью дренажной системы собирается
в емкости, фильтруется и насосами подается обратно в
производство.

Второй подход основан на замкнутом цикле использования ресурсов —
электроэнергии, газа и прочих. В этом случае мы используем меньше
ресурсов, а наш процесс становится суммарно безотходным.

— В России уже есть производства, которые внедряют эти
подходы?

— Наши ведущие производители в области химического комплекса —
компании «Сибур» и «Фосагро» — максимально используют принципы
безотходного производства и замкнутого цикла при создании своих
продуктов. Важно отметить, что в России уже сегодня создается
уникальная система — первая в нашей стране — по переработке
отходов.

Я уже говорил, что так или иначе химическая промышленность
образует отходы. Это не всегда отходы четвертого или пятого
класса опасности. Чаще всего это как раз отходы первого и второго
класса — наиболее опасные. В рамках создания системы по
переработке отходов ведется строительство экотехнопарков. Эту
миссию на себя взяла корпорация «Росатом», а также ее дочернее
предприятие Федеральный экологический оператор. На первом этапе
создаются четыре экотехнопарка, которые будут перерабатывать
практически все типы наиболее токсичных отходов I и II класса.

Мы сейчас не говорим о радиоактивных отходах. Часто «Росатом»
воспринимается как корпорация, которая занимается
исключительно ядерной энергетикой и радиоактивными отходами. Но в
случае с экотехнопарками речь идет о нерадиоактивных отходах.
Суммарно в России ежегодно образуется около 300 тысяч тонн таких
отходов. А доля переработки — лишь 2%, что очень мало.

​Модель производства в одной из лабораторий РХТУ. Научная Россия / Николай Мохначев

В лаборатории Менделеевского инжинирингового центра. Научная Россия / Николай Мохначев

Следует отметить, что за время существования и развития
химической промышленности в России было накоплено большое
количество отходов — так называемые объекты накопленного вреда.
Раньше переработке отходов уделялось очень мало внимания. Отходы
на химическом заводе, как правило, просто сливались в цистерны
или скважины. И на этом все заканчивалось. Сейчас государство
старается уделять внимание экологии, здоровью населения и
разработке новейших технологий переработки.

Предполагается, что четыре экотехнопарка, которые в ближайшее
время будут построены в России, будут перерабатывать до 200 тысяч
тонн отходов в год. Думаю, что в дальнейшем появятся новые
технопарки, и тогда мы сможем перерабатывать весь объем отходов.

— В каких отраслях наблюдается наибольший спрос на
безотходное производство?

— Конечно, тренд на безотходное производство сейчас виден в
нефтегазохимической отрасли. Это очень важно. Но если мы
посмотрим по количеству отходов, которые образуются на тонну
продукта, то, как это ни странно, наибольшее количество отходов
образует фармацевтическая промышленность. Все обычно думают, что
нефтегазовая промышленность — основной источник образования
отходов. Но на самом деле это не так. Просто из-за большого
объема производства в сумме этих отходов больше.

А когда мы говорим о тонне продукта, то больше всего отходов
образуется в фармацевтической отрасли. Наши фармацевтические
компании, производители фармсубстанций, готовых форм серьезно
озадачены этим вопросом. Пытаются применять химические процессы и
химические технологии, которые позволяют максимально без отходов
производить продукт.

На кафедре химической технологии органического синтеза
Российского химико-технологического университета работал
известный ученый Петр Гаврилович Сергеев. Именно он предложил
технологию получения фенола из ацетона — кумольный метод. Я
упомянул о нем неслучайно, поскольку кумольный метод — это
процесс с так называемой стопроцентной атомарной эффективностью.
Девять атомов углерода в исходном соединении превращаются в два
продукта, которые суммарно содержат все девять атомов.
Исключительный пример безотходного производства.

— А где могут применяться подобные технологии?

— Эти технологии уже применяются во всем мире. Речь чаще всего
идет о технологии производства фенола и ацетона. Ацетон
используется повсеместно в качестве растворителя. А фенол — как
исходное соединение для производства, например, средств защиты
растений, гербицидов, пестицидов. По сути, ключевой интермедиант
химической промышленности.

— На просторах интернета можно встретить такое интересное
определение. «Зеленая химия — это своего рода
искусство, позволяющее не просто получить нужное вещество, но
получить его другим путем, который, в идеале, не вредит
окружающей среде на всех стадиях его получения». Насколько верно
это определение?

— Не только зеленая химия, но и в целом вся химия — это настоящее
искусство. Даже немного магии есть в этом процессе. Зеленая химия
— направление, которое развивается с 80-х годов.

Но если копнуть глубже, то окажется, что еще Дмитрий Иванович
Менделеев говорил о том, что химический процесс нужно оценивать
по количеству образующихся отходов. Поэтому главная задача
зеленой химии — создавать максимально безотходные технологии.

Научная Россия / Николай Мохначев

Научная Россия / Николай Мохначев

Зеленая химия — это междисциплинарное направление внутри
химической науки. Оно включает все направления в химии: и
органическую, и неорганическую, и физическую. По сути, это
комплекс мер и технологий, которые позволяют сделать процесс
наиболее экологичным.

Существуют принципы зеленой химии. Первый связан со стопроцентной
атомарной эффективностью, о которой я упоминал. Он предполагает
использование всех атомов исходных соединений при создании
продукции. Однако подобных процессов не так много.

Второй принцип посвящен использованию в химическом процессе
максимально нетоксичных соединений. Они могут быть разных типов.
Наиболее известные — катализаторы, которые используются для
ускорения химического процесса. Очень часто катализатор
представляет собой соединение тяжелых металлов. Ученые, которые
занимаются зеленой химией, стараются создавать катализаторы, не
содержащие ионы тяжелых металлов.

Третий принцип нацелен на использование растворителей, которые не
вредят окружающей среде. Проще говоря, зеленая химия — это целый
набор подходов, которые позволяют сделать химическое производство
безотходным, не опасным, экономически эффективным с
использованием замкнутого цикла, принципами возврата в
растворители и так далее.

— Развивается ли в России это направление?

— Да, конечно. Развивается оно и в нашем университете. Сейчас мы
разрабатываем стратегию развития университета в рамках программы
стратегического академического лидерства. И направление зеленой
химии — ключевое, магистральное направление нашей программы.

В структуре университета существует институт проблем устойчивого
развития и кафедра зеленой химии. Наши ученые изучают процессы с
точки зрения зеленой химии и работают над методиками безопасных и
эффективных производств. Также мы активно популяризируем
направления зеленой химии в России. Член-корреспондент Российской
Академии наук Наталия Павловна Тарасова возглавляет это
направление, как в университете, так и в стране в целом.

— На волне роста популярности экологического направления
меняется ли образование в области химии?

— Разумеется. Химия и экология всегда идут вместе. Вообще
экология — это всегда приложение к определенной сфере. Экология в
химии, экология в области биологии, экология, связанная с
географией. РХТУ, прежде всего, занимается экологическими
аспектами в химической технологии.

Университет готовит специалистов по направлению экологии и
природопользования. Помимо этого, студенты-химики,
студенты-технологи изучают на курсе дисциплины, связанные с
экологией. И, конечно, у нас есть целое направление, которое
прямо так и называется — курсы зеленой химии для студентов РХТУ.

— Какое место занимает химия в рамках мероприятий по
обеспечению так называемого устойчивого развития, к которому все
так стремятся. Насколько активно это направление развивается в
России?

— Если говорить о принципах устойчивого развития, которые
продвигает Организация объединенных наций, то все из них так или
иначе связаны с химией.

Среди них: принцип обеспечения здоровой среды. Тут без химии
никуда, потому что благодаря химии производятся фармацевтические
субстанции и готовые лекарственные формы.

Принцип устойчивого развития — чистая вода, чистый воздух. Именно
химики создают технологии очистки воды, технологии
водоподготовки, очистки воздуха.

Говоря о химических предприятиях, нельзя не упомянуть технологии,
которые делают безопасными для окружающей среды выбросы
химических предприятий.

Химия играет значимую роль в области эффективной, чистой
энергетики. Все современные альтернативные источники энергии:
солнечные батареи, ветряки так или иначе включают в себя
химические процессы. Химики создают новые материалы для солнечных
батарей, композиционные материалы для пропеллеров ветряков.

Важная тема, которая остро стоит в мировой повестке —
климатические изменения. Необходимо создавать новые и улучшать
существующие технологии, которые оказывают наименьшую углеродную
нагрузку на земную атмосферу.

— Замечает ли научное сообщество интерес государства к
устойчивому развитию и химическим технологиям?

— Интерес, конечно есть. Правительство регулирует и стимулирует
развитие зеленых технологий. Первый очень важный шаг — внедрение
наилучших доступных технологий (НДТ). Современные справочники НДТ
всегда включают экологический аспект. Регулятор говорит о том,
что химическая технология должна быть эффективной и экологически
безопасной.

Александр Георгиевич Мажуга. Научная Россия / Николай Мохначев

Второй очень важный шаг — создание системы учета и оценки отходов
производства, которая была утверждена в 2019 году. Прежде всего
мы говорим о самых опасных отходах I и II класса.

Помимо этого, в рамках нацпроекта «Экология» создается
инфраструктура для переработки опасных отходов. Очень важно, что
многие представители химической промышленности выбрали путь
экологичного производства. Кстати, компания «Фосагро» показывает
хороший пример. Коллеги поддерживают развитие зеленой химии не
только в Российской Федерации, выделяя специальное грантовое
финансирование. На международном уровне «Фосагро» стал партнером
ЮНЕСКО и ежегодно проводит конкурс в области зеленой химии.
Поэтому роль нашей промышленности нельзя недооценивать.

— Директор института химии и проблем устойчивого развития
Наталья Павловна Тарасова на одном из общих собраний РАН говорила
хемофобии. Насколько важно донести обычным людям, что
химия — это чистое и экологичное будущее
человечества?

— С проблемой хемофобии мы сталкиваемся очень часто. Хемофобия —
это боязнь химических веществ и химических превращений и
процессов. Но важно понять, что химия — это все, что нас
окружает. Это пластик, лекарства, разнообразные композиционные
материалы. Куда ни посмотри, везде химия.

Организм человека — это большой химический завод, который
действует и живет по своему определенному сценарию и по своим
физико-химическим основам и законам.

Тем не менее такая проблема есть. Конечно же, тут очень важна
популяризация, и в некотором роде, пропаганда. Надо показывать,
что химические заводы меняются. Среди многих людей распространен
стереотип, что химические заводы — это трубы из которых валит
черный дым, это разлитые лужи нефти или опасных химикатов.

Но современный химический завод выглядит абсолютно иначе. Сейчас
нет ни одного предприятия, где из трубы идет рыжий дым — так
называемые «лисьи хвосты» при производстве азотной кислоты.
Современные химические предприятия полностью автоматизированы.
Там работают высоко квалифицированные специалисты, а процессы не
оказывают негативного эффекта на окружающую среду.

Очень важно говорить и о том, что объекты накопленного вреда
наносят больший урон, чем завод по переработке таких отходов.
Прямо сейчас университет вместе с коллегами из Федерального
экологического оператора проектирует четыре технопарка по
переработке отходов.

Часто можно услышать от жителей мнение, что строительство
подобных технопарков — очень опасно. На самом деле, гора,
содержащая десятки тысяч тонн отходов рядом с поселением,
гораздо опаснее, чем завод, который занимается их переработкой.

Мы стараемся проводить мероприятия для популяризации химии,
пытаемся донести, что хемофобия — понятие из прошлого.
Рассказываем об этом и школьникам, и взрослым людям, участвуем во
всевозможных мероприятиях по популяризации химии.

— Прошлый год был провозглашен Генеральной Ассамблеей ООН
Международным годом Периодической таблицы химических элементов.
Это повлияло на популярность химии среди молодежи?

— Действительно, в 2019 году мы праздновали 150 лет открытия
Периодического закона Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Он,
пожалуй, самый известный российский химик во всем мире. Я думаю,
если за границей спросить: «какого российского ученого вы
знаете», то назовут три фамилии: это – Менделеев, это –
Ломоносов, это – Вернадский.

Периодический закон известен всему миру. Хотя не везде звучит имя
Дмитрия Ивановича Менделеева. В течение 2019 года прошло
множество мероприятий и для школьников, в том числе открытые
уроки по всей стране, и для студентов. Проведен химический
диктант, всевозможные выставки.

Мы посетили практически все значимые финансово-экономические
мероприятия нашей страны: Питерский международный форум,
Российский инвестиционный форум, Сочинский экономический форум,
где рассказывали о том, что без химии не будет развития. Эта
отрасль приносит большой доход государству, при этом важно
вкладываться в эту отрасль, развивать собственные технологии,
потому что без химии никуда.

— Есть ли понимание у правительства, что химия важна для
развития государства?

— Да, понимание есть. Мне кажется, правительство видит
необходимость развития химической отрасли. Это доказывает один из
примеров: в конце прошлого года председателем правительства был
подписан указ о создании инновационного научно-технического
центра «Долина Менделеева» на площадке РХТУ, который стал
инициатором этого проекта. Центр направлен на развитие отрасли
малотоннажной химии, которая сегодня полностью зависима от
импорта. Нам удалось не только получить распоряжение
правительства, но и привлечь большое число предприятий
химического комплекса в этот проект. «Долина Менделеева» — это
площадка, которая объединяет ученых и промышленников, для того
чтобы российские технологии активнее внедрялись в производство.

— Поговорим о другом важном направлении. Недавно вы
выиграли грант, который направлен на поиск лекарств для лечения
социально значимых заболеваний. Расскажите, насколько серьезной
была конкуренция в этом конкурсе и какой результат вы планируете
получить?

— Действительно, борьба за грант — это тяжелая борьба. Мы смогли
победить в конкурсе только благодаря партнерству с ведущими
организациями, как из сектора исследований и разработок научных
институтов Российской академии наук, так и в партнерстве с
медицинскими институтами и научными организациями. Основная
задача проекта — разработать системы доставки терапевтических
молекул в мозг. Медицина очень нуждается в подобных системах,
особенно когда речь идет о терапии социально-значимых
заболеваний.

Онкологические патологии головного мозга на сегодняшний день
наименее успешно подаются терапии. Летальность составляет почти
100%. Второе направление посвящено инсульту, от которого также
погибает очень много людей. Третье направление связано с терапией
депрессии. В настоящее время — это актуальное направление. В
условиях постоянно меняющейся обстановки люди больше подвержены
психическим заболеваниям, в том числе депрессии.

После внутривенного введения или перорального приема таблетки
на пути лекарства в мозг встречаются различные барьеры. Главный
из них — гематоэнцефолический барьер. Мы создаем такие системы,
которые бы позволили этот барьер преодолеть и с наибольшей
эффективностью доставить терапевтический агент в мозг.

Работа предполагает создание специальных полимерных контейнеров,
внутри которых будет содержаться терапевтический агент.
Реализация состоит из нескольких этапов. Все, конечно, начинается
с работы химиков. На первом этапе происходит синтез формуляции, в
которой содержится одно или несколько терапевтических агентов,
лекарств. На следующем этапе мы изучаем поведение этих формуляций
инвитро на модельных системах. А на третьем этапе происходит
исследование инвиво на лабораторных животных. К концу реализации
проекта мы получим молекулы-кандидаты, которые в дальнейшем могут
быть исследованы в рамках и доклинических, и клинических
испытаний.

— А как часто в химии используются математические
методы?

— Методы математического моделирования используются активно,
особенно в области медицинской химии. При поиске нового
терапевтического агента мы всегда изучаем мишень, куда этот агент
должен попасть. Здесь используется схема молекулярного
моделирования, так называемый докинг. В рамках упомянутого
проекта предусмотрено использование математического
моделирования.

— Оно производится силами РХТУ или сторонней
организации?

— В данном проекте математическое моделирование производится
силами сотрудников университета.

— Что бы вы пожелали ребятам, которые хотят связать свою
жизнь с химией? Какое направление выбрать?

— Действительно, порой сложно выбрать среди многообразия
направлений нашего университета наиболее актуальное. Каждое из
них активно развивается. Есть направления, связанные с получением
фармацевтических субстанций, направления, связанные с
технологиями производства неорганических соединений, особо чистых
веществ, направления, связанные с цифровизацией химического
комплекса, в том числе с математическим моделированием.

Поэтому выбор во многом зависит от интересов абитуриента. При
этом, поступая в РХТУ, у нашего абитуриента и будущего студента
всегда есть возможность выбора.

Химия — наука не простая, но очень увлекательная. Поэтому я
хочу пожелать нашим абитуриентам, чтобы они не боялись
экспериментировать и по-настоящему погрузились в науку. Только
так могут появляться новые, интересные, необходимые нашей
стране открытия и технологии.

Название видео

Название изображения

О перспективных направлениях и проектах РХТУ мы
также поговорили с Анной Анатольевной Щербиной, доктором
химических наук, проректором по науке РХТУ имени Д.И.
Менделеева:

— Какие перспективные проекты развиваются в РХТУ?
Принимают ли в них участие студенты вашего вуза?

— В последнее время у нас действительно достаточно большой
спрос на проекты не только Российского научного фонда и
Российского фонда фундаментальных исследований, которые
выполняют исследователи в инициативном порядке (то есть сами
заявляют интересную им тему, которую они считают
фундаментальной, значимой, актуальной и соответствующей
мировому уровню). Множество проектов приходят к нам буквально
из индустрии. Промышленные предприятия обращаются по совершенно
разным интересным направлениям.

В нашем университете реализуются проекты по созданию различных
неорганических материалов. Это и особо чистые вещества для
 фотоники и микроэлектроники, керамические тугоплавкие и
жиростойкие материалы, различные функциональные материалы и
покрытия. Помимо этого, полимерные материалы и их
компонентная база, в том числе синтез новых связующих,
углеродные или неорганические волокна и многое другое.  

Есть работы, которые касаются экологической тематики и
посвящены организации водного хозяйства (водоочистка,
водоподготовка) или утилизации отходов, очистке стоков и
различных газовых выбросов. Все проекты так или иначе
направлены на решение комплексных задач.

Еще одно интересное направление — экологический мониторинг,
расчет рисков и предотвращение возможных аварий.

Действительно во многих проектах, будь то работа в научных
коллективах или выполнение хозяйственных договоров с
индустриальными партнерами, участвуют и молодые исследователи —
сотрудники кафедры, ассистенты, аспиранты и, конечно, студенты.
Для последних решение серьезных задач имеет важное значение.
Придя в университет, с самых первых дней хочется попробовать
себя в науке. И очень часто, когда мы встречаемся с
абитуриентами, этот вопрос звучит одним из первых: будет ли
возможность участвовать в интересных проектах? Видно, что
ребята тянутся к научным исследованиям, поэтому мы активно
поддерживаем такой интерес. Если хочется — надо пробовать.
Получается — значит, будет толк.

— То есть индустриальные партнеры постоянно подкидывают
какие-то новые задачи?

— Да, безусловно. Часто они приходят с конкретными
предложениями или конкретными запросами. Иногда бывают довольно
сложные задачи, которые, действительно требуют очень серьезных
фундаментальных исследований, теоретических расчетов, знаний
уникальных свойств уже имеющихся материалов. Для решения
подобных сложных задач мы собираем междисциплинарные
коллективы.

— Насколько тесно вы сотрудничаете с образовательными
организациями и академическими институтами, которые также
развивают химическое направление?

— Мы очень часто работаем и с теми, и с другими. Особенно тесно
сотрудничаем с химическим факультетом Московского
государственного университета. У нас есть ряд фундаментальных
проектов, которые поддержаны фондами. И абсолютно прикладные
задачи, которые как раз пришли к нам из индустрии.

Нельзя не сказать и о других университетах, например, РТУ
(МИРЭА), в состав которого сейчас входит МИТХТ — замечательный
университет, который и я окончила в свое время. Также активно
взаимодействуем с Ивановским государственным технологическим
университетом, Московским и Питерским Политехом, МГТУ
СТАНКИНом, Томским государственным и Политехническим
университетами и, конечно, с академическими институтами
химического профиля и многими другими. Это и московские
академические институты, и региональные, которые, находятся в
Сибири, на Урале, где многие годы существуют сильные химические
школы. Все определяется сложностью задач. Иногда мы не можем
решать их самостоятельно, в одиночку, потому собираем сильный
коллектив из разных институтов и университетов.

— А что насчет международного сотрудничества? Подписаны
ли какие-то соглашения с вузами из других стран?

— Да, у нас довольно много соглашений, которые касаются,
например, совместных стажировок и программ по обмену. Недавно,
до пандемии,  наши студенты успели съездить в Гамбургский
университет, где реализуется достаточно интересное направление
— получение аэрогелей на основе технологии сверхкритических
флюидов. Это направление объединяет в себе и моделирование, и
создание материалов совершенно разной природы, но с уникальными
свойствами, и практическое промышленное приложение.

С рядом европейских университетов обсуждается несколько больших
проектов, в том числе по созданию лаборатории международного
уровня. Мы уже пригласили ученых из различных университетов
Германии, Испании, Франции, которые могли бы руководить новыми
лабораториями, обсуждать передовые идеи с нашими коллективами и
реализовывать их непосредственно в РХТУ. Надеюсь, что проекты
найдут финансовую поддержку со стороны российских фондов и
Минобрнауки.

Название видео

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и
высшего образования РФ и Российской академии наук.

Неорганическая химия — основа новых материалов

Юрий Дмитриевич Третьяков,
академик РАН
«Химия и жизнь» №5, 2007

Большая часть знаний, на которых базируется неорганическая химия, получена довольно давно, но во второй половине прошлого века она вдруг оказалась в тени фантастических достижений органической химии и химии живых систем. Практически у всех создалось ощущение, что неорганическая химия — в глубоком застое. Этому в немалой степени способствовали и университетские профессора, излагавшие предмет почти в неизменном виде на протяжении десятилетий. Между тем ситуация в последние годы существенно переменилась. Интенсивное развитие электроники, фотоники, сенсорики и спинтроники потребовало новых материалов со специальными свойствами, что привело к ренессансу неорганической химии.

Кстати, неорганика вообще гораздо сложнее органической химии. Последняя — это фактически химия одного элемента, а у неорганики их в арсенале почти сто. Именно это дает простор для создания самых разных материалов с разными свойствами.

В Периодической системе элементов уже почти исчезли «застойные» зоны, практически все элементы активно применяются в новых материалах. Пример тому — использование самых молодых (по времени открытия) химических элементов, таких, как рений, технеций и франций, не говоря уже о плутонии, америции и других актинидах.

Переход от химических элементов к материалам исключительно сложен, здесь не помогают даже методы комбинаторной химии, поскольку возможно множество сочетаний различных химических элементов. Например, только для элементов, имеющих стабильные изотопы, таких сочетаний больше 7·10²³. Это число увеличится на много порядков, если учесть, что большинство современных материалов создают, используя метастабильные состояния веществ. Дело в том, что 99,9% неорганических материалов находятся в неравновесном состоянии, то есть с ними что-то происходит во времени (например, металл окисляется). Этот процесс превращения может быть очень медленным, поэтому кажется, что материал стабилен и неизменен. Чем отличается стабильное состояние от метастабильного? Если зафиксировать все параметры, которые характеризуют состояние системы, то только одно-единственное будет термодинамически стабильным, а множество других — метастабильными. Таких метастабильных состояний бесконечно много даже для одного вещества, имеющего фиксированный состав, а свойства у этих состояний разные.

В этой ситуации метод случайного перебора композиций не может быть эффективным — надо с умом использовать закономерности неорганической химии. К сожалению, несмотря на славные традиции ее развития в России, в последние 10–20 лет фронт отечественных исследований значительно сузился из-за крайне ограниченных экспериментальных возможностей многих научных групп (нет современных электронных микроскопов, синхротронных источников излучения, сквид-магнетометров, ЯМР-спектрометров высокого разрешения и т. д.). Это тем более печально, что в прошлом российские ученые внесли существенный вклад в развитие неорганической химии, — достаточно вспомнить Д.И. Менделеева, И.С. Курнакова, Л.А. Чугаева, И.И. Черняева, а также А.В. Новоселову, И.В. Тананаева, В.И. Спицина.

Мы не будем пытаться охватить все направления современной неорганической химии, а ограничим круг научных проблем опытом, накопленным на кафедре неорганической химии химического факультета и на факультете наук о материалах МГУ за последние годы. Несмотря на неизбежную субъективность, этот выбор дает достаточно полное представление о современной неорганической химии. Возьмем только основные направления: химия ионных и молекулярных прекурсоров; кристаллохимический дизайн новых неорганических соединений; неорганическая супрамолекулярная химия; химия соединений переменного состава; химия элементов в аномальных степенях окисления; неорганическая химия биоматериалов; неорганический синтез материалов с использованием различных физических воздействий.

Химия прекурсоров

Прекурсор — это предшественник, а точнее, обычное в неорганике обозначение исходного вещества, вступающего в реакцию. Конечная цель исследователей — не синтез соединений, а создание на их основе материалов с определенным комплексом свойств. Свойства же материала зависят от его структуры. Ну, это понятно в общем смысле, а если копнуть глубже, то оказывается, что у каждого материала есть несколько уровней структуры, которые связаны между собой, и все они влияют на свойства материала.

Первый уровень структуры — кристаллический. Это структура на атомном и ионном уровне организации вещества, то, как расположены ионы, атомы или молекулы в кристаллической решетке относительно друг друга. Следующий уровень — более удаленный от атомного состояния, он связан с присутствием в твердом теле различных линейных дефектов. Третий уровень — это макроскопические дефекты (например, поры), которые возникают в твердых телах в процессе их формирования или использования.

Одно дело, когда у нас в руках монокристалл — в нем кристаллический порядок повторяется во всем объеме. Но чаще всего мы имеем дело с поликристаллическими телами, то есть такими, которые состоят из маленьких кристалликов (кристаллитов), по-разному ориентированных друг относительно друга. Здесь возникают дополнительные дефекты (дислокации, границы между кристалликами, поры, трещины), которые вносят важный вклад в формирование свойств. Например, железо, если его получить в виде монокристалла, будет в химическом отношении совершенно инертно. А если железо получить разложением карбонила или оксалата железа, то это будет поликристаллический материал, который сразу сгорает на воздухе, образуя оксиды. И то и другое — железо, а ведут они себя совершенно по-разному.

Чтобы управлять зависимостью свойств от уровней структуры, надо, чтобы исходные вещества были в определенном состоянии. А этого не всегда просто достичь. При получении многих материалов неэффективен, казалось бы, самый простой твердофазный синтез, который широко использовали раньше для получения магнитных диэлектриков и пьезокерамики. Например, марганец-цинковые ферриты синтезировали, осуществляя реакцию:

Оказалось, что традиционные механическое перемешивание, прессование смеси реагентов и их высокотемпературный обжиг (1200°С) во многих случаях не дают однофазного продукта. При повышении температуры теряется летучий оксид цинка и происходит диссоциация оксида железа (III). Все это изменяет состав и существенно ухудшает свойства материала.

Шаг вперед — использование в качестве исходных реагентов твердых солевых растворов. Как показали наши исследования, наиболее удобны для этого соли типа шенитов — M²⁺A⁺(RO₄)₂·6Н₂0 (М = Mg, Mn, Ni, Co, Fe, Cu, Zn; A — щелочной металл или NH₄⁺, R = S, Se, Те) или квасцов A⁺M³⁺(SO₄)₂·12Н₂0 (А — щелочной металл или NH₄, М = Fe, Cr, Со).

Теперь сделаем маленькое отступление и поясним, что такое твердые солевые растворы. Для примера возьмем более простую соль, например NaCl. Если растворить хлорид натрия в воде, а потом понизить температуру, то раствор станет пересыщенным и выпадет осадок. Если мы в этот же раствор добавим еще и KCl, то из раствора по мере понижения температуры выделятся не индивидуальные соли NaCl и KCl, а кристаллиты твердого раствора. В твердом растворе, также как и в жидком, вещества смешаны на атомном уровне — в этом его ключевое отличие от механической смеси кристаллов.

Твердые растворы широко используют в металлургии. Известно, что железо в процессе получения из руды растворяет углерод. Если железо не содержит углерода, то оно мягкое и пластичное, если углерода 1% — это прочная сталь, а если 4% — хрупкий чугун. Для любого человека это совершенно разные материалы, а для химика — твердый раствор железа с различным содержанием растворенного углерода. Другой пример — когда в меди растворяют олово и получается бронза. В зависимости от того, какое количество олова содержится в сплаве, материал будет иметь совершенно разные механические и прочностные свойства, и даже звучание колокола, который делают из меди, будет совершенно разным.

Так вот, оказалось, что шениты и квасцы могут образовывать твердые растворы при любых соотношениях компонентов и имеют хорошую растворимость в воде, резко уменьшающуюся при охлаждении. Это так называемые ионные (поскольку в солях ионная связь) прекурсоры, или исходные реагенты. Целевой продукт — феррит получают с помощью термолиза:

От того, в каких условиях проводится эта реакция, зависит, удастся ли получить поликристаллический материал с нужной керамической структурой и свойствами.

Несколько позже появилась криохимическая технология получения твердых солевых растворов, основанная на сбалансированном сочетании нагрева и охлаждения. Прежде чем применять новую технологию, надо было подробно изучить фундаментальные процессы криокристаллизации, сублимационного обезвоживания, криоосаждения, криоэкстракции и криодиспергирования. Криохимический синтез солеобразных исходных реагентов стал основой получения самых разных функциональных материалов. Например, высокопрочной керамики, пигментов, сорбентов, катализаторов и многого другого.

Важная особенность солеообразных ионных прекурсоров — так называемая топохимическая память, то есть способность помнить свое происхождение и передавать эту информацию в последующих реакциях, которые так и называются — топохимическими. Скорее всего, эту информацию в твердом теле хранит реальная структура, сформированная, как правило, в неравновесных условиях. В дальнейшем это сильно влияет на свойства функциональных материалов (особенно тех, которые получают в форме поликристаллической керамики).

Очень важны и интересны исследования молекулярных прекурсоров (исходных реагентов). Их используют, например, для создания тонкопленочных материалов методом молекулярного наслаивания. Известно, что уже давно назрела необходимость увеличить плотность записи информации в кремниевых микросхемах, а для этого придется заменить SiО₂ на оксиды с большей величиной диэлектрической константы. Среди наиболее вероятных претендентов оказались НfO₂, ZrO₂, Ln₂0₃ (лантан и другие редкоземельные элементы). Чтобы получить пленки таких оксидов на поверхности кремния, надо создать исходные реагенты с высокой летучестью и относительной термической стабильностью, которые смогут легко гидролизоваться (или вступать в другие реакции разложения) с образованием аморфных оксидов на поверхности кремния. В лаборатории координационной химии МГУ синтезировали новые молекулярные прекурсоры на основе насыщенных комплексов металла с лигандами, образующими относительно слабые донорно-акцепторные связи.

Комплексы с органическими лигандами использовали и для решения другой важнейшей проблемы — получения термозащитных покрытий на лопатках газотурбинных двигателей. Оказалось, что лучше всего покрытия, полученные осаждением ZrO₂ (Y₂O₃) из паров бета-дикетонатов соответствующих металлов. Процесс недорогой, поскольку можно использовать недорогой ацетилацетат. То, что полимерный Y(AcAc)₃ недостаточно летуч, легко устраняется его совместным испарением с летучим Zr(AcAc). — при этом испарение происходит гораздо полнее.

Кристаллохимический дизайн

Сотрудники кафедры неорганической химии МГУ разработали концепцию структур срастания и использовали ее для поиска новых материалов. Что такое структуры срастания?

Например, возьмем кристалл WO₃. Его стабильная модификация (со структурой типа ReO₃) получается в результате сочленения октаэдров, так что они имеют только общие вершины и больше ничего общего у них нет. Если представить, что одна часть структуры смещается относительно другой, то тогда общими становятся не только вершины, но и грани. Такое смещение происходит при переходе к нестехиометрическим составам. Практически это делают следующим образом. В WO₃ на каждый атом вольфрама приходится три атома кислорода. Если отжигать такой кристалл при пониженном давлении кислорода, то он частично восстанавливается, теряя какую-то часть кислорода и сохраняя при этом кристаллическую структуру (на такое восстановление способны не все оксиды, например оксид никеля восстанавливается скачком, изменяя состав с образованием металлического никеля). Структура срастания — это фаза с нестехиометрическим соотношением атомов, и ее можно представить как сдвиг одной части кристаллов относительно другой. Этот сдвиг повторяется через определенное число октаэдров, а увидеть его можно на электронных микроскопах высокого разрешения. Надо отметить, что структуры срастания оказались стабильны в довольно широком диапазоне температур.

Концепция структур срастания показала себя очень эффективной при синтезе новых высокотемпературных сверхпроводников на основе сложных оксидов меди. В них входит перовскит (ABO₃) или его фрагмент, который становится одним из блоков структур срастания (рис. 1). Новые сверхпроводники синтезировали, перебирая различные структуры, подобно тому как это делается при синтезе органических соединений. Но в данном случае надо было рассматривать не изолированные группы атомов, как в органических молекулах, а бесконечные двумерные слои, объединенные в блоки.

Такое кристаллохимическое моделирование позволило Е.В. Антипову и С.Н. Путилину (кафедра неорганической химии МГУ) спрогнозировать существование и синтезировать новое семейство (рис. 2) сверхпроводников HgBa₂Ca_n–1Cu_nO_2n+2+δ, которое обладает рекордно высокими значениями критической температуры (у лучшего представителя 135 К). Температуры перехода в сверхпроводящее состояние у таких соединений сильно зависят от содержания кислорода и числа слоев (CuO₂). Потом оказалось, что если добавить еще и атомы фтора, то это расширяет область поиска Cu-содержащих сверхпроводников (оксифторидов). Особенно надо отметить синтез HgBa₂Ca₂Cu₃O₈F_0,32 — в этом веществе внедрение фтора вызвало анизотропное химическое сжатие и привело к возрастанию Т_с до рекордно высокого значения 138 К.

Принципиально новый подход к дизайну новых материалов (разработан А.Р. Каулем с сотрудниками) — эпитаксиальная стабилизация неустойчивых оксидов в виде тонких пленок. Эпитаксия — это когда одно вещество удается кристаллизовать на поверхности другого, заставляя его принять ту структуру, которую имеет подложка. Матрица как бы навязывает пленке свое строение.

Так, ученые МГУ синтезировали новые соединения RBО₃ (R — редкоземельный элемент, В = Ni, Co, Mn, Fe, In) с различными свойствами: сегнетоэлектрики (RFeО₃ и RMnО₃), материалы с переходом «металл—диэлектрик» (RNiО₃, RCоО₃) и магнитные материалы (R₃Fe₅O₁₂). Оказалось, что эпитаксиальную стабилизацию можно с успехом использовать в производстве тонкопленочных материалов для микроэлектроники.

Конечно, конструирование функциональных материалов не сводится только к кристаллохимическому дизайну. Можно использовать систему физико-химических принципов, достаточно давно сформулированных автором этой статьи. Ее с успехом применили для оптимизации свойств ферритов, магнитных полупроводников, электронно-ионных проводников, керамических электролитов, пьезокерамики и т. д.

Неорганическая нано

— и супрамолекулярная химия

Интерес к наноматериалам связан, в частности, с их необычными физическими свойствами. Принято, что наноматериалы, в отличие от обычных материалов, состоят из частиц меньше 100 нм — именно в этой области происходит резкое изменение свойств. Например, уменьшение размеров полупроводниковых частиц ниже некоторого критического значения может привести к изменению ширины запрещенной зоны, генерации второй гармоники, эффектам размерного квантования энергетических уровней. При этом, наверное, самая большая проблема — предрасположенность свободных наночастиц к агрегации: это сильно затрудняет их практическое применение. Один из путей решения этой проблемы — нанести наночастицы на инертную матрицу, которая защитит их от воздействия окружающей среды и предотвратит агрегацию. Методами получения таких нанокомпозитов тоже занимается неорганическая химия.

Как матрицу для нанокомпозитных материалов можно использовать кремнеземы. Их большое преимущество — высокоупорядоченные поры с диаметром от 20 до 100 А. Пористых материалов много, но кремнеземы в своем роде уникальны, поскольку у них довольно однородное распределение пор по размерам, а также очень высокая удельная поверхность (1000 м²/г). Пористый SiO₂, можно использовать как матрицу для синтеза наночастиц металла, полупроводниковых соединений, а также полианилиновых и углеродных волокон.

Сегодняшний этап развития неорганической супрамолекулярной химии — это супрамолекулярные ансамбли, обладающие благодаря особенностям архитектуры особыми свойствами. Их строение определяется структурой каркаса «хозяина», а функциональные свойства — природой «гостя». Возьмем, к примеру, полупроводниковые клатраты. У них в полостях каркаса «хозяина» размещены атомы «гостя» с координационными числами 20 и 24. Гостевые атомы не связаны с каркасом ковалентными связями и могут колебаться с такими частотами, которые обеспечивают эффективное рассеяние теплопроводящих фононов. У таких материалов очень низкое (как у стекол) значение теплопроводности. В то же время каркас обеспечивает высокие концентрацию и подвижность носителей заряда. Все это делает клатраты перспективными веществами для создания термоэлектрических материалов.

Новое направление неорганической супрамолекулярной химии исследует контролируемую самосборку упорядоченных супрамолекулярных ансамблей в высокотемпературных реакциях, когда реакционная система сложна и не поддается анализу. Основой для таких процессов служит взаимная подстройка «гостя» и «хозяина». Первый служит шаблоном для формирования каркаса определенной топологии и геометрии, но при этом и сам изменяет свои параметры, подчиняясь требованиям «хозяина». Пример — структура [Hg₆P₄](TiCl₆)Cl, сформированная за счет самосборки TiCl₆^3– и Сl^– в полостях каркаса [Hg₆P₄]⁴⁺ (рис. 3).

Соединения переменного состава

Соединения переменного состава открыл более 100 лет назад Н.С. Курнаков и назвал их бертоллидами. Позднее оказалось, что практически все неорганические твердофазные соединения с ионным типом связи имеют непостоянный состав. Возьмем, к примеру, поваренную соль NaCl. Кажется, что это соединение постоянного состава, а на самом деле — переменного. Причем его кристаллическая структура будет сохраняться, даже если на один атом натрия придется больше (или меньше), чем один атом хлора. И хотя отклонение состава от стехиометрического очень невелико (порядка 10^–5–10^–7), это уже влияет на свойства вещества и потому становится очень важным в науке о материалах. Например, бесцветный (и стехиометрический) NaCl, обработанный парами натрия при высоких температурах, станет голубым и начнет проводить электрический ток. Если NaCl обработать парами хлора, то он позеленеет и тоже станет проводником, но не за счет движения электронов, а за счет подвижных дырок. Выходит, что можно получать вещества с различными свойствами, не изменяя кристаллической структуры.

В зависимости от элементов, которые входят в состав соединений переменного состава, область их существования может быть широкой (моноксиды титана и железа) или, наоборот, крайне узкой (галогениды щелочных металлов, халькогениды цинка, свинца, кадмия). Если отклонения от стехиометрии невелики, то такой материал можно описывать как модель с точечными дефектами или внедренными атомами, не взаимодействующими друг с другом. Когда степень нестехиометрии возрастает, изменения, происходящие в кристаллах, имеют другую природу (например, образуются ассоциаты). Подробным исследованием структуры таких соединений занимаются многие исследователи, но тут пока не все ясно.

Есть немало систем с так называемой бесконечно адаптируемой структурой. Они сохраняют свою структурную организацию при непрерывном изменении состава и без участия точечных дефектов. Способностью адаптироваться, как оказалось, обладают фазы переменного состава Y(OF)_2,13–2,22 и твердые растворы ТiO₂(Cr₂O₃).

Все уже полученные знания в этой области можно применить к любым вновь созданным материалам: сверхпроводящим купратам, манганитам с колоссальным магнитным сопротивлением или цератам с высокой протонной проводимостью. Но каждый из них имеет собственную специфику и потому требует проведения собственных исследований нестехиометрии.

Именно среди таких соединений с переменным составом удалось найти сверхпроводящий материал, сохраняющий высокий уровень критических токов в сильных магнитных полях, — например, неодим-бариевый купрат Nd_1–xBa_2–xCu₃O_z.

А вот иттрий-бариевый купрат YBa₂Cu₃O_z со строгой катионной стехиометрией такими свойствами не обладает.

Элементы в аномальных степенях окисления

Идея создавать новые материалы на основе элементов в необычных степенях окисления пока кажется довольно странной. Очевидная причина — аномальная степень окисления равносильна нестабильному состоянию этого элемента. Получать подобные материалы можно только в том случае, когда такой необычный элемент существует достаточно долго. Но тем не менее исследования эти необычайно интересны.

Большой вклад в химию элементов, находящихся в аномальной степени окисления, внесли исследователи из Института физической химии РАН и химического факультета МГУ. Они получили Np^VII, Pu^VII, Am^VII, Cm^VI, Cm^V, серию актинидов и лантанидов в низших степенях окисления, показали возможность существования Tm^IV.

С точки зрения материаловеда, наиболее интересны «матричные» системы. Их получают кристаллизацией из раствора или расплава, соосаждением или твердофазным синтезом. Так удалось синтезировать матричные системы, содержащие Fe(IV), Fe(V), Fe(VI) и Co(VI). Возможен и другой путь синтеза — когда легирующий ион замещает металл в матрице, свойства которой предопределяют состояние окисления этого легирующего иона. Так, в пентаоксиде ванадия стабилизируется Fe(V), причем это необычное окислительное состояние возникает просто при растворении в расплаве пентаоксида ванадия оксида трехвалентного железа. Правда, реально получить Fe(V) удалось только после быстрой закалки образцов. Известны также соединения висмута в низших степенях окисления (Bi₅³⁺, Bi₈⁵⁺ и Bi₉⁵⁺) и никеля.

Со всеми подобными соединениями очень трудно работать, поскольку они малостабильны. Свойства их почти не изучены, и не очень понятна перспектива их применения.

Неорганические биоматериалы

У таких, казалось бы, прочных природных материалов, как костная и зубная ткани, тем не менее постоянно появляются проблемы. Кость, с точки зрения материаловеда, — это композиционный материал, состоящий из гидроксилапатита Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ (63% вес.) и белка коллагена (20% вес.) (рис. 4). Кроме того, в кости есть заметные количества ионов Na⁺, Mg²⁺, К⁺, Сl^–, F^–, СО₃^2–. Что обеспечивает высокую прочность кости, так до конца и непонятно. Поэтому даже самыми современными методами пока невозможно создать полный аналог костной ткани. Единственная альтернатива — имплантаты.

Когда требуется восстановить участки, подверженные серьезным циклическим нагрузкам (например, тазобедренный сустав), используют металлические сплавы на основе малотоксичного титана. В остальных случаях предпочитают более похожую по составу на кость керамику или композиты с фосфатом кальция. Современная тенденция — «регенерационный» подход, то есть создание и использование материалов, которые взаимодействуют с организмом и стимулируют восстановление ткани. Такие имплантаты невозможно создать без глубокого понимания физиологических процессов.

Считают, что важен не только химический состав, но и структура кристаллов гидроксилапатита, поскольку это определяет отклик организма на чужеродный материал. С этой точки зрения идеально вещество, во всем подобное костному биоминералу. Этого добиться очень сложно, тем более в промышленных масштабах. Тем не менее химическое и структурное соответствие биоматериала костной ткани — один из основных принципов в этой области. Варьируя эти параметры, можно делать биоматериалы с заданной биоактивностью.

Синтез, модификация и исследование фосфатов кальция с заданным составом и микроморфологией, оценка их будущей биоактивности — большая и неординарная задача для химиков. Уже известно, как образуется и гидролизуется гидроксилапатит. Увеличить его биологическую активность можно двумя путями: уменьшить размеры кристаллов (благодаря чему увеличивается удельная поверхность) и изменить физико-химические характеристики поверхности, то есть химически ее модифицировать. При втором подходе возможно создать материалы, которые активно рассасывались бы при контакте с жидкостями организма. Перспективными считают карбонатсодержащий гидроксилапатит Ca_10–0,5x(PO₄)_6–x(CO₃)·(OH)₂, а также кремнийсодержащий гидроксилапатит:

То, что после полувекового активного применения биоматериалов исследователи пытаются сделать такой, который бы стимулировал регенерацию костной ткани, означает, что пришло понимание исключительной сложности задачи. Применение того или иного материала зависит и от характеристики костного дефекта, и от конкретного клинического случая. Поэтому надо иметь целый спектр искусственных заменителей, чтобы можно было выбрать то, что подходит конкретному больному.

Синтез с помощью физических воздействий

Каков бы ни был механизм химических превращений, чтобы они начались, смесь надо активизировать. Самое простое — нагрев, эффективность которого можно оценить величиной энергии активации в уравнении Аррениуса. Однако эта величина (ее можно экспериментально определить как температурный коэффициент скорости реакции) имеет физический смысл только тогда, когда ее можно связать с определенным элементарным процессом, лимитирующим реакцию в рассматриваемом температурном диапазоне.

В реальных же синтезах материалов химическое взаимодействие складывается по меньшей мере из двух фундаментальных процессов — собственно химической реакции и переноса вещества к реакционной зоне. Поскольку последний процесс зависит от диффузии, а в твердом теле подвижность составных частей определяется дефектностью его структуры, то в результате дефекты существенно влияют на условия твердофазного синтеза. А значит, скорость и направление химической реакции можно изменять с помощью различных физических воздействий (с нагревом или без). Нагрева как раз пытаются избежать, поскольку могут происходить нежелательные изменения.

Начнем с ультразвука. Его эффективность зависит от фазового состояния системы. Если это жидкость (растворы, расплавы), то после ультразвукового воздействия происходит кавитация, то есть возникновение, осцилляции и коллапс микропузырьков. В результате формируются короткоживущие «горячие зоны», с температурой до 5000 К и давлением до 1000 атм. В некоторых случаях после схлопывания кавитационных пузырьков возникают интенсивные микропотоки жидкости и мощные локальные ударные волны, которые ускоряют массоперенос. Как следствие — разлагаются летучие соединения (карбонилы металлов), ускоряются окислительно-восстановительные реакции, образуются стабильные эмульсии и суспензии. Оказалось, что ультразвук очень эффективен в жидкофазных системах при проведении классических реакций неорганического синтеза, а также при получении нанопорошков металлов, оксидов и карбидов.

Если реакция идет в твердой фазе, то ультразвук увеличивает плотность дислокаций и эффективные коэффициенты диффузии, а также способствует новым межфазным контактам. Возможно даже, что изменится механизм реакции и снизится температура взаимодействия реагентов. Акустическая активация процессов в твердой фазе дала возможность синтезировать оксидные материалы, получить активные формы исходных реагентов, а иногда и направленно изменять конечные свойства продуктов.

В последние 10–12 лет исследователи предпринимали немало попыток микроволнового синтеза и спекания материалов. Но между тем физико-химическая природа происходящих при этом процессов так и осталась малоизученной. Микроволнами обрабатывали разнообразные оксиды, гидроокиси, соли или их смеси друг с другом, получая при этом самые разные материалы — ферриты, манганиты, кобальтиты, никелаты и купраты.

Согласно теории, для того чтобы микроволновое излучение взаимодействовало с веществом и последнее поглощало энергию, нужно, чтобы в нем были либо диполи, способные переориентироваться и вращаться под микроволновым воздействием, либо свободные носители зарядов, которые могут перемещаться при наложении микроволнового поля. Многие неорганические соли имеют низкую проводимость, а с другой стороны, у молекул воды в кристаллогидратах, а также у некоторых анионов есть значительный дипольный момент. Поэтому в большинстве солевых систем поглощение микроволнового излучения, вероятнее всего, связано с диполями.

Экспериментально известно, что соединения, не содержащие химически связанной воды (карбонаты, нитраты, оксалаты щелочных и щелочно-земельных элементов), практически не поглощают микроволнового излучения. Напротив, кристаллогидраты неорганических солей взаимодействуют с микроволновым полем (рис. 5), причем то, как это происходит, зависит от химической природы катионов. В итоге — микроволновая обработка смеси солей довольно эффективна, поскольку после их разложения образуются высокодисперсные частицы оксидов, равномерно распределенные по реакционному объему, которые активно взаимодействуют друг с другом. Кроме того, при микроволновой обработке смеси не только увеличивается скорость реакции, но и понижается температура взаимодействия — это также наблюдали экспериментально.

Заключение

За последние два десятилетия неорганическая химия разительно изменилась благодаря тесному взаимодействию с физической химией, физикой твердого тела, органической химией, биохимией, а также применению современных инструментальных методов исследования. Необыкновенно расширился круг объектов неорганической химии. К ним теперь причисляют не только соединения, но и материалы, причем помимо неорганической составляющей они часто содержат органические, полимерные или биополимерные фрагменты.

Большинство объектов изучают на нескольких уровнях — кроме кристаллической или молекулярной структуры исследуют электронную и магнитную, структуру дефектов кристаллического строения, распределение микропримесей, структуру границ раздела в поликристаллических веществах, наноструктуру, структуру микро- и мезопор, поверхностей, а также влияние всех перечисленных уровней на свойства вещества. О каком кризисе можно говорить, когда перед химиками столь обширное поле деятельности?

То, что было упомянуто в статье, — далеко не все научные направления неорганической химии. Более того, здесь затронуты даже не все объекты, которые изучают на кафедре неорганической химии химического факультета и на факультете наук о материалах МГУ. Мы не рассказали о неорганических материалах для газовых сенсоров; барьерных материалах; люминесцентных нанокомпозитах на основе A^IVB^VI; низкоразмерных структурах и сверхрешетках; новых поколениях полупроводников и полупроводниковых гетероструктур; кислородпроводящих мембранах и твердых электролитах; материалах для литиевых источников тока; магнитных нанокомпозитах на основе стекломатриц; фотонных кристаллах; керамических пигментах на основе гидроксиапатитов и многом другом, чем активно занимаются исследователи в МГУ и за его пределами.

Химия: уроки, тесты, задания.

Химия: уроки, тесты, задания.

1. 
   
   1. 
      
      

      
      Предмет химии
      

      
      

   2. 
      
      

      
      Физические тела и вещества
      

      
      

   3. 
      
      

      
      Чистые вещества и их смеси
      

      
      

   4. 
      
      

      
      Разделение смесей. Методы очистки веществ
      

      
      

   5. 
      
      

      
      Атомы и молекулы
      

      
      

   6. 
      
      

      
      Химические элементы. Знаки химических элементов
      

      
      

   7. 
      
      

      
      Закон постоянства состава
      

      
      

   8. 
      
      

      
      Химические формулы
      

      
      

   9. 
      
      

      
      Отличия простых и сложных веществ
      

      
      

   10. 
       
       

       
       Валентность. Степень окисления. Составление формул по валентностям и степеням окисления
       

       
       

   11. 
       
       

       
       Физические и химические явления
       

       
       

   12. 
       
       

       
       Признаки и условия протекания химических реакций
       

       
       

   13. 
       
       

       
       Закон сохранения массы веществ в химических реакциях
       

       
       

   14. 
       
       

       
       Уравнения химических реакций
       

       
       

2. 
   
   1. 
      
      

      
      Классификация веществ
      

      
      

   2. 
      
      

      
      Металлы
      

      
      

   3. 
      
      

      
      Неметаллы
      

      
      

   4. 
      
      

      
      Оксиды: классификация, свойства, получение
      

      
      

   5. 
      
      

      
      Основания: классификация, свойства, получение
      

      
      

   6. 
      
      

      
      Кислоты: состав, свойства, получение
      

      
      

   7. 
      
      

      
      Амфотерные гидроксиды
      

      
      

   8. 
      
      

      
      Соли: состав и свойства
      

      
      

   9. 
      
      

      
      Взаимосвязь между классами неорганических веществ
      

      
      

3. 
   
   1. 
      
      

      
      Периодический закон
      

      
      

   2. 
      
      

      
      Периодическая система
      

      
      

   3. 
      
      

      
      Строение ядра атома
      

      
      

   4. 
      
      

      
      Строение электронной оболочки атома
      

      
      

   5. 
      
      

      
      Периодическая таблица и закономерности изменения свойств химических элементов
      

      
      

4. 
   
   1. 
      
      

      
      Электроотрицательность
      

      
      

   2. 
      
      

      
      Типы химической связи
      

      
      

   3. 
      
      

      
      Ионная связь
      

      
      

   4. 
      
      

      
      Ковалентная связь
      

      
      

   5. 
      
      

      
      Металлическая связь
      

      
      

   6. 
      
      

      
      Аморфные и кристаллические вещества
      

      
      

   7. 
      
      

      
      Кристаллические решётки
      

      
      

5. 
   
   1. 
      
      

      
      Степени окисления элементов
      

      
      

   2. 
      
      

      
      Окислители и восстановители, окисление и восстановление
      

      
      

6. 
   
   1. 
      
      

      
      Состав растворов
      

      
      

   2. 
      
      

      
      Растворение. Растворимость
      

      
      

   3. 
      
      

      
      Электролиты и неэлектролиты
      

      
      

   4. 
      
      

      
      Электролитическая диссоциация кислот, оснований и солей
      

      
      

   5. 
      
      

      
      Свойства ионов
      

      
      

   6. 
      
      

      
      Среда растворов. Индикаторы
      

      
      

   7. 
      
      

      
      Реакции ионного обмена. Реакция нейтрализации
      

      
      

7. 
   
   1. 
      
      

      
      Классификация химических реакций по числу и составу вступивших в реакцию и образовавшихся веществ
      

      
      

   2. 
      
      

      
      Классификация химических реакций по тепловому эффекту
      

      
      

   3. 
      
      

      
      Классификация химических реакций, ОВР
      

      
      

   4. 
      
      

      
      Скорость протекания химической реакции. Катализаторы
      

      
      

8. 
   
   1. 
      
      

      
      Свойства водорода
      

      
      

   2. 
      
      

      
      Свойства кислорода
      

      
      

   3. 
      
      

      
      Вода
      

      
      

   4. 
      
      

      
      Галогены. Хлор и его соединения
      

      
      

   5. 
      
      

      
      Сера и её соединения
      

      
      

   6. 
      
      

      
      Азот и его соединения
      

      
      

   7. 
      
      

      
      Фосфор. Соединения фосфора
      

      
      

   8. 
      
      

      
      Углерод. Соединения углерода
      

      
      

   9. 
      
      

      
      Кремний. Соединения кремния
      

      
      

9. 
   
   1. 
      
      

      
      Щелочные металлы и их соединения
      

      
      

   2. 
      
      

      
      Щелочноземельные металлы и их соединения
      

      
      

   3. 
      
      

      
      Алюминий и его соединения
      

      
      

   4. 
      
      

      
      Железо и его соединения
      

      
      

10. 
    
    1. 
       
       

       
       Состав и строение органических веществ
       

       
       

    2. 
       
       

       
       Углеводороды. Полимеры
       

       
       

    3. 
       
       

       
       Одноатомные и многоатомные спирты
       

       
       

    4. 
       
       

       
       Карбоновые кислоты
       

       
       

    5. 
       
       

       
       Жиры
       

       
       

    6. 
       
       

       
       Углеводы: классификация и свойства
       

       
       

    7. 
       
       

       
       Белки
       

       
       

11. 
    
    1. 
       
       

       
       Природные источники углеводородов
       

       
       

    2. 
       
       

       
       Химия и пища. Химия и здоровье
       

       
       

12. 
    
    1. 
       
       

       
       Методы научного познания. Химический эксперимент
       

       
       

    2. 
       
       

       
       Методы получения, собирания и распознавания газов
       

       
       

    3. 
       
       

       
       Обнаружение ионов
       

       
       

13. 
    
    1. 
       
       

       
       Физические величины
       

       
       

    2. 
       
       

       
       Относительная атомная и молекулярная массы. Вычисление относительной молекулярной массы вещества
       

       
       

    3. 
       
       

       
       Количество вещества
       

       
       

    4. 
       
       

       
       Вычисление молярной массы вещества
       

       
       

    5. 
       
       

       
       Вычисление количества вещества
       

       
       

    6. 
       
       

       
       Вычисление массовой доли элемента в химическом соединении
       

       
       

    7. 
       
       

       
       Установление простейшей формулы вещества по массовым долям элементов
       

       
       

    8. 
       
       

       
       Простейшие вычисления по уравнениям химических реакций
       

       
       

    9. 
       
       

       
       Вычисления по уравнениям реакций, если исходное вещество содержит определённую долю примесей
       

       
       

    10. 
        
        

        
        Вычисление массовой доли вещества в растворе
        

        
        

    11. 
        
        

        
        Вычисления, связанные с приготовлением растворов с заданной массовой долей растворённого вещества
        

        
        

    12. 
        
        

        
        Комбинированные задачи
        

        
        

1. 
   
   1. 
      
      

      
      Предмет органической химии. Теория химического строения органических веществ А. М. Бутлерова
      

      
      

   2. 
      
      

      
      Состояние электронов в атоме; s-, p-орбитали. Электронная конфигурация атома
      

      
      

   3. 
      
      

      
      Химическая связь в органических соединениях
      

      
      

   4. 
      
      

      
      Классификация органических веществ
      

      
      

   5. 
      
      

      
      Изомерия. Изомеры
      

      
      

2. 
   
   1. 
      
      

      
      Алканы: метан и его гомологи
      

      
      

3. 
   

   
   Где остальные темы
   

Базовое определение в химии

В химии основание — это химическое соединение, которое отдает электроны, принимает протоны или выделяет ионы гидроксида (ОН-) в водном растворе. Базы отображают определенные характерные свойства, которые можно использовать для их идентификации. Они имеют тенденцию быть скользкими на ощупь (например, мыло), могут иметь горький вкус, вступать в реакцию с кислотами с образованием солей и катализировать определенные реакции. Типы баз включают базу Аррениуса, базу Бронстеда-Лоури и базу Льюиса. Примеры оснований включают гидроксиды щелочных металлов, гидроксиды щелочноземельных металлов и мыло.

Ключевые выводы: базовое определение

• Основание — это вещество, которое реагирует с кислотой в кислотно-щелочной реакции.
• Механизм, с помощью которого работает база, обсуждался на протяжении всей истории. Обычно основание либо принимает протон, либо выделяет гидроксид-анион при растворении в воде, либо отдает электрон.
• Примеры оснований включают гидроксиды и мыло.

Происхождение слова

Слово «основа» вошло в употребление в 1717 году французским химиком Луи Лемери.Лемери использовал это слово как синоним алхимической концепции Парацельса о «матрице» в алхимии. Парацельс предположил, что природные соли выросли в результате смешивания универсальной кислоты с матрицей.

Хотя Лемери, возможно, первым использовал слово «основа», его современное употребление обычно приписывают французскому химику Гийому-Франсуа Руэлю. Руэль определил нейтральную соль как продукт объединения кислоты с другим веществом, которое действует как «основание» для соли. Примеры оснований Руэля включают щелочи, металлы, масла или абсорбирующую землю.В 18 веке соли представляли собой твердые кристаллы, а кислоты — жидкости. Таким образом, для ранних химиков было логично, что материал, нейтрализующий кислоту, каким-то образом разрушил ее «дух» и позволил ей принять твердую форму.

Свойства основания

База проявляет несколько характерных свойств:

• Водный раствор основания или расплавленные основания диссоциируют на ионы и проводят электричество.
• Сильные основания и концентрированные основания являются едкими. Они бурно реагируют с кислотами и органическими веществами.
• Основания предсказуемо реагируют с помощью индикаторов pH. Основа превращает лакмусовую бумагу в синий, метиловый оранжевый — в желтый и фенолфталеин — в розовый. Бромтимоловый синий остается синим в присутствии основания.
• Щелочной раствор имеет pH больше 7.
• Базы имеют горький вкус. (Не пробуйте их!)

Типы оснований

Основания можно разделить на категории по степени их диссоциации в воде и реакционной способности.

• Сильное основание полностью диссоциирует на ионы в воде или представляет собой соединение, способное отщеплять протон (H ⁺ ) из очень слабой кислоты.Примеры сильных оснований включают гидроксид натрия (NaOH) и гидроксид калия (КОН).
• Слабое основание не полностью диссоциирует в воде. Его водный раствор включает как слабое основание, так и сопряженную с ним кислоту.
• superbase даже лучше при депротонировании, чем сильная база. Эти основания имеют очень слабые сопряженные кислоты. Такие основания образуются при смешивании щелочного металла с сопряженной с ним кислотой. Супероснование не может оставаться в водном растворе, потому что это более сильное основание, чем гидроксид-ион.Пример супероснования в гидриде натрия (NaH). Самым сильным супероснованием является дианион орто-диэтинилбензола (C ₆ H ₄ (C ₂ ) ₂ ) ²⁻.
• Нейтральное основание — это основание, которое образует связь с нейтральной кислотой, так что кислота и основание имеют общую пару электронов от основания.
• Твердая основа активна в твердой форме. Примеры включают диоксид кремния (SiO ₂ ) и NaOH, нанесенный на оксид алюминия. Твердые основания могут использоваться в анионообменных смолах или для реакций с газообразными кислотами.

Реакция между кислотой и основанием

Кислота и основание реагируют друг с другом в реакции нейтрализации. При нейтрализации водная кислота и водное основание образуют водный раствор соли и воды. Если соль насыщенная или нерастворимая, она может выпасть в осадок из раствора.

Хотя может показаться, что кислоты и основания — противоположности, некоторые виды могут действовать как кислота или основание. Фактически, некоторые сильные кислоты могут действовать как основания.

Источники

• Дженсен, Уильям Б.(2006). «Происхождение термина« основа ». The Journal of Chemical Education . 83 (8): 1130. doi: 10.1021 / ed083p1130
• Джолл, Мэтью Э. (2009). Изучение химии: перспективы судебной медицины (2-е изд.). Нью-Йорк: W.H. Freeman and Co. ISBN 142

  95.

• Whitten, Kenneth W .; Пек, Ларри; Дэвис, Раймонд Э .; Локвуд, Лиза; Стэнли, Джордж Г. (2009). Химия (9-е изд.). ISBN 0-495-39163-8.
• Зумдал, Стивен; ДеКост, Дональд (2013). Химические принципы (7-е изд.). Мэри Финч.

Что такое база в химии?

Традиционно основания имеют горький вкус, а кислоты кислые, но в химии определения эволюционировали так, что вещества являются либо основаниями, либо кислотами, используя их химические свойства. Эта классификация важна, потому что кислоты и основания могут реагировать с образованием солей, и они являются основой многих других типов обычных химических реакций. Основания обладают определенными общими химическими свойствами, и выбор подходящего химического вещества может повлиять на результат реакции.

TL; DR (слишком долго; не читал)

Более ограниченное и старое определение заключалось в том, что основание — это вещество, которое растворяется в воде и диссоциирует на гидроксид или ион OH ^— и положительный ион. В более общем определении основание — это вещество, которое при растворении в воде увеличивает количество гидроксид-ионов. Это определение достаточно широко, чтобы включать вещества, которые сами по себе не содержат гидроксид-ионы в составе своих молекул, и реакции, которые не происходят в воде.

Ранние определения базы

Химические вещества были базами из-за их наблюдаемых свойств. В этом отношении основы представляли собой вещества, которые имели горький вкус, были скользкими и превращали лакмусовую краску из красного в синий. Когда вы добавляли кислоты к основаниям, оба вещества теряли свои характеристики, и вы получали твердое вещество или соль. Основания получили свое название от этих реакций, потому что они были «основным» химическим веществом, к которому вы добавляли кислоты.

Arrhenius Bases

Сванте Аррениус предложил более общее определение в 1887 году.Аррениус изучал ионы в водных растворах, предполагая, что поваренная соль или NaCl растворяются в воде путем разделения на положительные ионы натрия и отрицательные ионы хлора. Основываясь на этой теории, он думал, что основания — это вещества, которые растворяются в воде с образованием отрицательных ионов OH ^— и положительных ионов. С другой стороны, кислоты производили положительные ионы H ⁺ и другие отрицательные ионы. Эта теория хорошо работает со многими распространенными химическими веществами, такими как щелочь или NaOH. Щелок растворяется в воде с образованием положительных ионов натрия Na ⁺ и отрицательных ионов OH ^— , и это сильное основание.

Определение Аррениуса не объясняет, почему такие вещества, как NaCO ₃ , которые не имеют гидроксид-иона, способного растворяться в воде, тем не менее обладают свойствами, типичными для оснований. Определение также работает только для реакций в воде, потому что оно указывает, что основания должны растворяться в воде.

Кислоты и основания в химии

Определения Аррениуса верны в том смысле, что они идентифицируют гидроксид-ион как активный компонент для оснований. Для кислот определения Аррениуса указывают, что кислотное вещество растворяется с образованием положительных ионов водорода H ⁺ , соответствующего активному компоненту для кислот.

Эти определения могут применяться к веществам за пределами водных растворов, которые не содержат гидроксид или ионы водорода. Вместо этого основания могут быть веществами, которые при растворении в воде увеличивают количество гидроксид-ионов в растворе. Кислоты также увеличивают количество ионов водорода. Это более широкое определение успешно объединяет все вещества, которые ведут себя как основания, в более общую категорию и описывает, что такое основания в химии.

База (химия) — Энергетическое образование

Рисунок 1.Отбеливатель имеет pH около 12-13.

Основание или щелочной — это любое вещество, которое будет реагировать с водой с образованием OH ^{— [1]} Обычно растворы оснований в воде имеют pH более 7.

В воде всегда присутствует некоторое количество ионов H ⁺ и OH ^— в растворе из-за самоионизации воды. В базовых решениях OH ^— будет больше, чем H ⁺ . Более концентрированные основания будут иметь больше OH ^— в растворе.Согласно шкале pH, более щелочной раствор — раствор с большим количеством OH ^– — будет иметь на более высокое значение pH . Кислоты могут реагировать с основаниями в реакции нейтрализации, где H ⁺ из кислоты взаимодействует с OH ^— основания с образованием раствора с более низкой концентрацией OH ^— и более низким pH, чем исходный базовый раствор.

Наиболее распространенными неорганическими основаниями являются гидроксиды (содержащие в своем составе OH ^— ), такие как гидроксид натрия, NaOH или гидроксид кальция, Ca (OH) ₂ .Однако существуют некоторые органические основания, такие как молекулы на основе аммиака, такие как амины, которые не содержат непосредственно OH ^—: любой OH ^— в растворе этих молекул образуется в результате реакции с водой. ^[2]

использует

Способность оснований нейтрализовать кислоты очень полезна, поскольку многие реакции и промышленные процессы имеют кислотные отходы. Некоторые примеры использования оснований для нейтрализации нежелательных кислот:

• Кислотные дожди можно нейтрализовать основными минералами, такими как известняк.(Известняк состоит в основном из карбоната кальция. ^[3] )
• В скрубберах, используемых на электростанциях, используются основания (например, гидроксид кальция), чтобы уменьшить выбросы оксидов серы (типа кислотного загрязнителя), производимых станцией.
• Антациды содержат основания (чаще всего карбонат кальция), которые вступают в реакцию с кислотой желудка, чтобы лечить изжогу и расстройство желудка. ^[4]

Помимо нейтрализации, основания также используются в химических реакциях:

• Гидроксид натрия и гидроксид калия используются для изготовления мыла. ^[5]
• Гипохлорит натрия (NaOCl) является основным ингредиентом отбеливателя для стирки. ^[6]
• Бикарбонат натрия (пищевая сода) используется для образования газов для закваски хлеба и хлебобулочных изделий, а также в некоторых огнетушителях. ^[7]

Рис. 2. Различные кислоты и основания на шкале pH. ^[8]

Чтобы узнать больше о кислотах и ​​основаниях, см. Chemistry LibreText.

Phet Simulation

Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующую симуляцию Фета.Изучите эту симуляцию, чтобы увидеть, как работает pH кислот и оснований.

Для дальнейшего чтения

Чтобы узнать больше о кислотах и ​​основаниях, см. Chemistry LibreText.

Список литературы

1. ↑ Chemistry LibreTexts. (11 июля 2018 г.). Обзор кислот и оснований [онлайн], доступно: https: //chem.libretexts.org/Textbook_Maps/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_ (Physical_and_Theoretical_Chemistry) / Acids_cases_Bases_of_acids_and_Bases_Bases
2. ↑ Chemistry LibreTexts.(11 июля 2018 г.). Organic Acids and Organic Bases [online], Доступно: https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/Organic_Chemistry/Map%3A_Organic_Chemistry_(McMurry)/chapter_02%3A_Polar_Covalent_Bonds_AcBase_Covalent_Covalent_Bonds_Ac_Monic_Covalent_Covalent_Bonds_Ac_A_Covalent_Bonds_a
3. ↑ Geology.com. (11 июля 2018 г.). Limestone [онлайн], Доступно: https://geology.com/rocks/limestone.shtml
4. ↑ Chemistry Libretexts. (11 июля 2018 г.). Изжога [онлайн], Доступно: https: // chem.libretexts.org/Textbook_Maps/General_Chemistry/Map%3A_A_Molecular_Approach_(Tro)/16%3A_Acids_and_Bases/16.01%3A_Heartburn
5. ↑ Ogden Publications Inc. (11 июля 2018 г.). Mother Earth Living: Рецепт мыла с медом и пчелиным воском [онлайн], доступно: https://www.motherearthliving.com/health-and-wellness/beauty-recipes/honey-and-beeswax-soap-recipe-ze0z1506zdeb
6. ↑ Хлорокс. (11 июля 2018 г.). Что такое отбеливатель? [онлайн], Доступно: https://www.clorox.com/how-to/laundry-basics/bleach-101/bleach/
7. ↑ Piper Fire Protection Inc.(11 июля 2018 г.). Типы огнетушителей и их назначение . [онлайн]. Доступно: http://www.piperfire.com/types-of-fire-extinguishers-and-what-they-do/
8. ↑ Адаптировано из книги «Энергия: ее использование и окружающая среда» — Р. А. Хинрихс и М. Кляйнбах, «Кислотный дождь», в Энергия: ее использование и окружающая среда , 5-е изд. Торонто, Онтарио. Канада: Брукс / Коул, 2006, глава 8, раздел C, стр 252-256

Базовое редактирование: прецизионная химия генома и транскриптома живых клеток

ChemCollective: Acid-Base Chemistry

Autograded Virtual Labs

Концептуальные испытания

Учебники

Виртуальные лаборатории

База (химия) Факты для детей

Основание — это вещество, которое может принимать ион водорода (H +) от другого вещества.Химическое вещество может принимать протон, если он имеет отрицательный заряд или если в молекуле есть электроотрицательный атом, такой как кислород, азот или хлор, который богат электронами. Как и кислоты, одни основания сильные, а другие — слабые. Слабые основания с меньшей вероятностью принимают протоны, в то время как сильные основания быстро отбирают протоны в растворе или от других молекул. Кислота — это «химическая противоположность» основания. Кислота — это вещество, которое отдает основанию атом водорода.

Основания имеют pH больше 7.0. Слабые основания обычно имеют значение pH 7–9, в то время как сильные основания имеют значение pH 9–14.

Как работают базы

Основания могут использоваться для нейтрализации кислот. Когда основание, часто OH ^—, принимает протон от кислоты, оно образует молекулу воды, которая безвредна. Когда все кислоты и основания реагируют с образованием молекул воды и других нейтральных солей, это называется нейтрализацией. Кислоты также можно использовать для нейтрализации оснований.

Каждое основание содержит сопряженную кислоту, образованную присоединением атома водорода к основанию.Например, NH ₃ (аммиак) — это основание, а его сопряженная кислота — ион аммония, NH ₄ ⁺ . Слабое основание образует сильную сопряженную кислоту, а сильное основание образует более слабую сопряженную кислоту. Поскольку аммиак является умеренно сильным основанием, аммоний является значительно более слабой кислотой.

Характеристики

Базы имеют следующие характеристики:

• Вкус горький (в отличие от кислого вкуса кислот)
• Склизкие или мыльные ощущения на пальцах (скользкие)
• Многие основания реагируют с кислотами и осаждают соли.
• Сильные основания могут бурно реагировать с кислотами. Пролитую кислоту можно безопасно нейтрализовать с помощью мягкой щелочи.
• Основа красная лакмусовая бумага синяя
• Основания — вещества, содержащие оксиды или гидроксиды металлов
• Основания, растворимые в воде, образуют щелочи (растворимые основания)

Основой являются некоторые обычные бытовые товары. Например, каустическая сода и очиститель канализации сделаны из гидроксида натрия, сильного основания. Аммиак или очиститель на основе аммиака, такой как очиститель окон и стекол, является основным.Эти более сильные основания могут вызвать раздражение кожи. Другие основы, такие как ингредиенты для приготовления пищи, бикарбонат натрия (пищевая сода) или винный камень, являются основными, но они не вредны и подходят для приготовления пищи.

При работе с базами всегда следует носить перчатки. При появлении раздражения кожи пораженный участок следует тщательно промыть холодной водой. Если это не решит проблему, как можно скорее обратитесь за медицинской помощью.

Прочные основания

Сильное основание — это основание, которое выделяет гидроксид-ион ОН– при попадании в воду.Всего их восемь.

Детские картинки

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.
  Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
  Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с вашим системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.