khimie.ru

После 70-х годов, когда уже была создана термохимия (Гесс, Томсен, Бертло), развито учение о диссоциации и подвижном химическом равновесии (Сент-Клер-Девиль, Пфаундлер и др.), открыт закон действия масс (Гульдбсрг и Вааге, 1867 г.) и периодический закон химических элементов, направление работ многих химиков начинает склоняться в сторону физико-химических исследований.

М. Бертло, например, хотел на основе своих термохимических исследований «заложить основы новой науки, призванной преобразить всю химию, сводя ее к рациональным понятиям, опирающимся на основные законы механики» Он стремился перевести «химию из науки описательной в ряды наук чисто физических и механических».

Во второй половине XIX в. в химии создаются два обширных отдела: химическая статика и химическая динамика. Химическая статика рассматривала не процесс химических реакций, а его результаты, т. е. рассматривала вещества в состоянии покоя, понимая последний в смысле подвижного равновесия. Химическая динамика ставила своей задачей изучение самого процесса реакций, измерение силы химического сродства между различными веществами, исследование физических явлений, сопровождающих химические реакции и т. д.

Таким образом, химическая динамика выступила как важное связующее звено между химией и физикой.

Основой химической динамики служили первый и второй законы термодинамики. В химической статике плодотворное применение нашли законы Бойля, Гей-Люссака и Авогадро, которые оказались строго действительными для бесконечно разреженных газов и бесконечно разведенных растворов.

Для изучения химических реакций необходимо было знать, во-первых, какая зависимость существует между химической энергией и характеризующими ее факторами (температурой, давлением, концентрацией) и, во-вторых, представлять себе те условия, которым должна была бы удовлетворять эта энергия для осуществления реакции.

Иными словами, требовалась разработка теории химических процессов. Нужно было научиться ими управлять, предвидеть их результаты и уметь находить новые эффективные пути получения и изучения продуктов реакций. Это вытекало из самой логики развития науки и диктовалось запросами промышленности. Знание химического состава соединений и описание хода реакций с помощью простых стехиометрических уравнений оказывались явно недостаточными с точки зрения новых требований. Такие проблемы, как изменение свойств стали от небольших примесей углерода, серы, марганца и других элементов; выделение калийных солей из сложных смесей (например, из солей стассфуртских месторождений); операции с большими количествами газов и т. п. не находили удовлетворительного решения в рамках установившихся представлений химии.

Изучение, например, причин и условий взрыва гремучего газа в каменноугольных конях потребовало точного определения температур воспламенения и горения, теплоемкости газов, силы взрыва и быстроты распространения нарывной волны. Без физико-химических приемов исследования и соответствующей аппаратуры, конечно, невозможно было произвести измерения этих характеристик.

Расширение производства серной кислоты, соды, освоение различных месторождений солей и других полезных ископаемых, а самое главное, рациональные и экономически выгодное их использование требовали изучения влияния температур, давления, катализаторов и других факторов на течение химических процессов.

Возникла прямая необходимость всесторонне изучить механизм и условия различных реакций, строго регулировать скорости реакций, ускорить медленно текущие процессы.

Была ясно осознана мысль, что скорость химических реакций, химические равновесия, роль температуры и масс, превращения химической энергии в тепловую и электрическую и т. д. − все это имеет применение в технике и может принести весьма крупный экономический эффект.

В учении о подвижном равновесии технологи и инженеры не без основания видели реальный путь разрешения главной задачи химической технологии, а именно установление наивыгоднейших условий осуществления процессов. Вот почему в физико-химии они искали руководящих начал, способных придать химической технологии научную обоснованность.

Действительно, без знания закономерностей, которым подчиняются химические процессы, без умения управлять направлением сложных реакций, без расчета скоростей реакций и выхода нужных продуктов, т. е. без теоретической базы у химической технологии, невозможно проектировать и эксплуатировать крупные производства.

Успехи металлургии, силикатной промышленности позволили в это время создать аппаратуру для ведения химических процессов при высоких давлениях и в широком диапазоне температур.

Благодаря разработке дешевого метода получения водорода и кислорода в большом количестве оказалось возможным применить «водородное пламя» в технических целях, например, для спайки свинцовых листов, что дало возможность сооружать большие свинцовые камеры, необходимые для осуществления камерного способа производства серной кислоты. Это в свою очередь заставило разработать промышленные методы получения водорода и кислорода в огромных масштабах. На основе применения гремучей смеси, а также электродуговых ночей возникла химия высоких температур. Ее продуктами стали сплавленная платина, необходимая для приборостроения (термопара, платиновая бомба Бертло, электроды и т. п.), и карбиды высокоплавких металлов. Карбид кальция, в свою очередь, явился основой получения ацетилена — важнейшего продукта для органической химии и техники.

В 1901 г. французский инженер Ш. Пикар осуществил предложенную Ле Шателье идею о применении горелок, в которых сгорали не кислород и водород, а кислород и ацетилен. Преимущество замены водорода ацетиленом заключалось в том, что при сгорании некоторого объема ацетилена выделяется в четыре раза больше тепла, чем при сгорании такого же объема водорода. Кроме этого, при сгорании кислородно-ацетиленовой смеси образуется не вода, а водород и углекислый газ, что имело важное значение, ибо не надо было опасаться окисления свариваемых металлов. В связи с этим ацетилен-кислородное пламя стало широко применяться в автогенной сварке, которая позволила изготовлять из тугоплавких металлов, из чистого кварцевого стекла большие приборы сложной конструкции и приспособления, необходимые для проведения физико-химических экспериментов под большим давлением и при различных температурах.

В металлургии получили широкое применение новые способы выплавки стали (бессемеровский, томасовский, мартеновский).

Громадное значение химии вообще и физической химии, в частности, в развитии металлургии широко известно. В качестве примера заметим, что причины хладноломкости и красноломкости, механизм закалки стали, сущность влияния легирующих компонентов на свойства сплавов и т. п. нашли строго научное объяснение только на основе физико-химических представлений. Так, учение о фазах дало возможность объяснить структуру сплавов и превращения в различных сплавах, а также явления (кристаллизации солей из растворов и расплавов и т. п.

Учение о химических равновесиях позволило пролить свет на загадочный ранее для металлургов факт, заключающийся в том, что при увеличении высоты доменной печи не удается более полно использовать уголь, так как содержание окиси углерода в отходящих газах не снижается. Это объяснение имело важное экономическое значение. Таким образом, замечал по этому поводу Ле Шателье, опыт, обошедшийся в несколько сот тысяч франков, показал, что восстановление окиси железа окисью углерода не идет до конца. Зная законы химического равновесия, к такому подобному выводу можно было бы прийти значительно быстрее и с меньшими расходами.

Внедрение новых типов двигателей — двигателя внутреннего сгорания, паровой турбины, электромотора — ускорило развитие ‘промышленности и транспорта и заставило пересмотреть многие технологические процессы в смысле их интенсификации. Это в немалой степени зависело от использования электрической энергии в ряде отраслей химической промышленности, металлургии цветных и легких сплавов.

В 80-90-х годах XIX в. со стороны людей практики, промышленников и правительств различных стран был проявлен большой интерес к достижениям электрохимии, быстро нашедшим практическое применение. Это были годы, когда прямо на глазах выросла прикладная электрохимия, потребляющая электрическую энергию во все возрастающем количестве.

«В Швеции,− писал в 1894 г. С. Аррениус В. Оствальду,− достаточно интересуются электрохимией, хотят попытаться использовать многочисленные водопады, а это лучше всего может быть достигнуто использованием их силы для получения электричества, а затем химической энергии.