Исследования химии в 20-21 веках
Управление химическими процессами, особенности анализа и идентификации структуры сложных молекул. Образование земных и внеземных веществ, получение новых химических элементов. Современные синтетические материалы. Важнейшие открытия в химии XXI века.
| Рубрика | Химия |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 06.01.2011 |
| Размер файла | 57,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Нитиноловые фиксаторы, муфты, спирали находят применение в медицине. С помощью нитиноловых фиксаторов эффективнее соединяются сломанные кости. Благодаря памяти формы нитиноловая муфта лучше фиксируется в десне, предохраняя места сочленений от перегрузок. Нитинол, обладая способностью упруго деформироваться на 8-10%, плавно воспринимает нагрузку, подобно живому зубу, и в результате меньше травмирует десну. Нитиноловая спираль способна восстановить сечение пораженного той или иной болезнью сосуда в организме человека. При внедрении нитиноловых деталей происходит более эффективное заживление ран - ведь помимо замечательных механических свойств нитинол еще и биологически инертен.
Вне всякого сомнения, нитинол найдет более широкое применение: при ремонте газо-, нефте- и газопроводов, а также при решении других задач.
6.3.2 Жидкие кристаллы
Жидкие кристаллы - это жидкости, обладающие, как и кристаллы, анизотропией свойств (в частности, оптических), связанной с упорядоченной ориентацией молекул. Благодаря сильной зависимости свойств жидких кристаллов от внешних воздействий они находят разнообразное применение в технике (в температурных датчиках, индикаторных устройствах, модуляторах света и т. д.).
Жидкокристаллическое вещество состоит из органических молекул с преимущественно упорядоченной ориентацией в одном или двух направлениях. Оно обладает текучестью, как жидкость. Кристаллическая упорядоченность молекул жидких кристаллов подтверждается их оптическими свойствами. Различают три основных типа жидких кристаллов: нематические, смектические и холестерические. Наименьшую упорядоченность имеют нематические жидкие кристаллы. Молекулы их параллельны, но сдвинуты вдоль своих осей одна относительно другой на произвольные расстояния, т.е. длинные, узкие и в то же время весьма жесткие молекулы выстраиваются подобно сплавляемым по реке бревнам. Более сложная форма молекул - в виде плоскостей, из которых образуется многослойная относительно упорядоченная структура, наблюдается в жидких смектических кристаллах. По структуре жидкие холестерические кристаллы похожи на нематические, но отличаются от них закручиванием молекул в направлении, перпендикулярном их длинным осям. Шаг такой спиральной структуры сравнительно большой - несколько микрометров.
Под действием даже очень слабого электрического поля нарушается равновесие ориентированных молекул, при этом изменяются оптические свойства жидкокристаллического вещества: например, из прозрачного оно переходит в светонепроницаемое.
Прогресс в создании новых жидкокристаллических материалов во многом зависит от успешного синтеза молекул сферической, стержне- или дискообразной формы. Одно из перспективных направлений в химии жидких кристаллов - формирование таких структур при синтезе полимеров. Нуклеиновые кислоты, жидкие кристаллы и секреты наноконструирования Ю. Евдокимов // Наука и жизнь .- 2005 .- N 4. - С. 18-24 .
6.3.3 Оптические материалы
Прогресс в развитии световолоконной индустрии во многом определился технологической возможностью изготовления высокопрочной кварцевой нити путем химической конденсации паровой фазы. Толщина полученной таким образом кварцевой нити со стеклянным покрытием составляет примерно 0,1 толщины человеческого волоса. Совершенствование технологии изготовления кварцевых нитей позволило менее чем за десятилетний срок примерно в 100 раз сократить потери светового потока. Из новых оптических материалов, например, таких, как фторидные стекла, можно получить еще более прозрачные волокна. Волоконная оптика открывает чрезвычайно большие возможности для передачи огромного объема информации на большие расстояния. Уже сегодня многие телефонные станции, телевидение с успехом пользуются волоконно-оптической связью.
Современная химическая технология сыграла важную роль и при создании материалов для оптических устройств переключения, усиления и хранения оптических сигналов. Оптические устройства оперируют в новых временных масштабах обработки световых сигналов. Например, оптический переключатель срабатывает за одну миллионную миллионной доли секунды. В современных оптических устройствах используются ниобат лития и арсенид галлия-алюминия. Органические стереоизомеры, жидкие кристаллы и полиацетилены обладают лучшими оптическими свойствами, чем ниобат лития, и являются весьма перспективными материалами для новых оптических устройств.
6.4 Материалы диссоциации металлоорганических соединений
При термической диссоциации ряда металлоорганических соединений получаются чистые металлы различной твердой формы, обладающие уникальными свойствами. К металлоорганическим соединениям относятся:
- карбонилы: Mo(CO)6, Fe(CO)5, Ni(CO)4;
- ацетилацетонаты металлов: Pd(C5H702)2, Pt(C5H702)2,Ru(C5H702)3;
- дикарбонилацетонат родия: Rh(C5H702)2 (C0)2 и др.
Этим соединениям в газообразном состоянии присуща высокая летучесть. Они разлагаются при нагревании до 100 - 150 °С. В результате термической диссоциации можно получить чистую металлическую фазу в различных конденсированных формах: высокодисперсные порошки, металлические вискерсы, беспористые тонкопленочные материалы, ячеистые металлоны, металлические волокна и бумага.
Высокодисперсные порошки состоят из частиц малых размеров (до 1 - 3 мкм) и используются для производства металлокерамики - композиций металлов с оксидами, нитридами, боридами, синтезируемых методом порошковой металлургии. Металлические порошки, например железа и никеля, обладающие магнитными свойствами, применяются в радиоэлектронике и электротехнике.
Металлические вискерсы - нитевидные кристаллы диаметром 0,5-2,0 мкм и длиной 5-50 мкм. Для них характерна высокая прочность, примерно в 10 раз превышающая прочность самых высококачественных сталей, высокая устойчивость к окислению и необычные магнитные свойства. Подобные кристаллы формируются на активных центрах подложки, где в парамагнитных кластерах образуется своеобразная ступенчатая монокристаллическая структура.
Беспористые тонкопленочные материалы отличаются высокой плотностью упаковки атомов. По величине отражения света они приближаются к серебру. Беспористое тонкопленочное покрытие толщиной около 90 мкм надежно защищает металл от коррозии даже в самой агрессивной среде. Их коррозионная стойкость примерно в 5 раз выше, чем, например, гальванических покрытий.
Ячеистые металлы образуются при осаждении металла в результате проникновения паров металлорганических соединений в поры другого материала, где формируется ячеистая металлическая структура.
Металлизированные волокна и бумага обладают уникальными механическими, теплофизическими и электропроводными свойствами. В будущем они найдут широкое применение.
6.5 Тонкопленочные материалы для накопителей информации
Любая современная вычислительная машина, в том числе и персональный компьютер, содержит накопитель информации - запоминающее устройство, способное накапливать и хранить большой объем информации. Большинство накопителей информации базируется на магнитной записи в накопителях информации на подвижном магнитном носителе, где основное - это накопление информации, важным параметром является поверхностная информационная плотность записи, определяемая количеством информации, приходящейся на единицу площади поверхности рабочего слоя носителя информации.
Изготовление современных магнитных накопителей большой емкости основано на применении тонкопленочных материалов. Благодаря применению новых магнитных материалов и в результате совершенствования технологии изготовления всех тонкопленочных элементов магнитного накопителя за относительно короткий срок поверхностная плотность записи информации увеличилась в пять раз: в 1998 г. она составляла примерно 12 Гбит/дюйм2, а в 2000 г. - около 100 Гбит/дюйм2.
Запись с высокой поверхностной плотностью осуществляется на носитель, рабочий слой которого формируется из тонкопленочного кобальтсодержащего материала. Высокую плотность записи можно реализовать только с помощью преобразователей, тонкопленочный материал магнитопровода которых характеризуется большой магнитной индукцией насыщения и высокой магнитной проницаемостью.
Для воспроизведения записанной с высокой плотностью информации применяется высокочувствительный тонкопленочный элемент, электрическое сопротивление которого изменяется в магнитном поле. Такой элемент называется магниторезистивным. Он напыляется из высокопроницаемого магнитного материала, например пермаллоя. Относительное изменение электрического сопротивления пермаллоевого элемента в магнитном поле составляет около 2%. Эта величина экспериментальных исследований последнего десятилетия, может достигать (например, в многослойных тонкопленочных материалах, однослойных гранулированных пленках и других материалах) десятков процентов, поэтому их называют материалами со сверхгигантским магнетосопротивлением.
Таким образом, с применением тонкопленочных магнитных материалов при изготовлении накопителей информации большой емкости уже реализована довольно высокая плотность записи информации. При модернизации таких накопителей и внедрении новых материалов следует ожидать дальнейшего увеличения информационной плотности, что весьма важно для развития современных технических средств записи, накопления и хранения информации.
7. Важнейшие открытия в химии XXI века
2001 Уильям Ноулз, Риоджи Нойори и Барри Шарплесс «За исследования, используемые в фармацевтической промышленности - создание хиральных катализаторов окислительно-восстановительных реакций».
2002 Джон Фенн и Койчи Танака «За разработку методов индентификации и структурного анализа биологических макромолекул, и, в частности, за разработку методов масс-спектрометрического анализа биологических макромолекул».
Курт Вютрих «За разработку применения ЯМР - спектроскопии для определения трехмерной структуры биологических макромолекул в растворе».См.: Нобелевские премии по химии - 21 век.- http://www.socioforum.su/viewtopic.php?f=65&t=10214.
Шведская Королевская академия наук объявила лауреатов Нобелевской премии-2003 по химии. Ими оказались 54-летний Питер Эгр (Peter Agre) из Медицинской школы Университета Джона Хопкинса и 47-летний Родерик МакКиннон из Медицинского института Говарда Хьюза. 10 миллионов шведских крон они получат "за открытие каналов в клеточных мембранах".
Ученые долго пытались понять, каким образом вода и соли (ионы) попадают внутрь живой клетки и выводятся из нее. Понять эти процессы на молекулярном уровне было принципиально важно для медицины; это открыло бы путь к лечению болезней почек, сердца, мускулов, нервов.
О наличии специальных каналов в клеточных мембранах ученые догадывались еще с середины 19-го столетия, однако обнаружить их никак не удавалось. Первым это сделал Питер Эгр, когда в 1988-м году выделил мембранный белок, а годом спустя понял, что это и есть давно разыскиваемый водный канал. Это открытие дало первоначальный толчок громадному спектру биохимических, физиологических и генетических исследований. За свое открытие Питер Эгр получил несколько престижных премий, в 2000-м году был избран членом Национальной академии наук. По любопытному совпадению, одновременно с ним американским академиком стал и другой Нобелевский лауреат этого года - физик Алексей Абрикосов.
Водные каналы в мембранах, как выяснилось, предназначены только для воды и других молекул, в том числе и ионы солей, не пропускают. Следовало поэтому искать ионные каналы. И поиски эти не затянулись. Спустя 10 лет Родерик МакКиннон поразил научное сообщество уникальным экспериментом, в ходе которого смог определить пространственную структуру калиевого канала для ионов, который может открываться и закрываться различными клеточными сигналами. О важности этого открытия говорит хотя бы тот факт, что Шведская Королевская академия отметила его своей премией спустя всего пять лет - срок для Нобелевских премий необычайно короткий. Родерик Маккинон «За изучение структуры и механизма ионных каналов».См.: И. Леенсон. Лауреаты Нобелевской премии по химии 2003 года // "Химия и жизнь - 21 век".- http://chemworld.narod.ru/old/public/nobel2003.html.
2004 Аарон Цехановер, Аврам Гершко и Ирвин Роуз «За открытие убиквитин опосредованного разложения белка».
2005 Роберт Граббс, Ричард Шрок и Ив Шовен «За вклад в развитие метода метатезиса в органическом синтезе».
В 2006 Нобелевская премия по химии присуждена за передачу генетической информации - американцу Роджеру Корнбергу, профессору кафедры структурной биологии Стэнфордского университета. Корнберг удостоился премии "за исследования молекулярных основ транскрипции у эукариот" - первого этапа процесса синтеза белка у животных, растений и грибов.
Открытие Роджера Кронберга заключается в описании передачи данных от хранящей наследственную информацию молекулы ДНК молекуле-посреднику, так называемой информационной РНК.
Благодаря исследованиям Корнберга стало понятно, как, с химической точки зрения, происходит передача генетической информации из генов к соответствующим структурам клетки, ответственным за синтез белков.
Хотя полученные ученым результаты относятся к процессам, происходящим в живых организмах, в пресс-релизе Нобелевского комитета особо подчеркивается, что исследования Корнберга являются достижением в области химии.
Отец Роберта Корнберга - Артур Корнберг также является лауреатом Нобелевской премии в области физиологии и медицины.
Заключение
Таким образом, можно выделить основные черты современной химии, отличающие её от классической химии второй половины XIX века.
Прежде всего, создание надёжного теоретического фундамента привело к значительному росту возможностей прогнозирования свойств вещества. Современная химия немыслима без широкого использования физико-математического аппарата и разнообразных расчётных методов. Прогностические возможности химии распространяются не только на свойства вещества, основные количественные характеристики которых зачастую могут быть рассчитаны до опыта, но и на условия синтеза этого вещества.
Еще одной особенностью химии в ХХ веке стало появление большого числа новых аналитических методов, прежде всего физических и физико-химических. Широкое распространение получили рентгеновская, электронная и инфракрасная спектроскопия, магнетохимия и масс-спектрометрия, спектроскопия ЭПР (электронного парамагнитного резонанса) и ЯМР (ядерного магнитного резонанса), рентгеноструктурный анализ и т.п.; список используемых методов чрезвычайно обширен. Новые данные, полученные с помощью физико-химических методов, заставили пересмотреть целый ряд фундаментальных понятий и представлений химии. Сегодня ни одно химическое исследование не обходится без привлечения физических методов, которые позволяют определять состав исследуемых объектов, устанавливать мельчайшие детали строения молекул, отслеживать протекание сложнейших химических процессов.
Для современной химии также стало очень характерным всё более тесное взаимодействие с другими естественными науками. Физическая и биологическая химия стали важнейшими разделами химии наряду с классическими - неорганической, органической и аналитической. Пожалуй, именно биохимия со второй половины ХХ столетия занимает лидирующее положение в естествознании. Лось В.А. Основы современного естествознания (концепции, теории, проблемы) / Под ред. А.Д. Урсула: Учеб. пособие. - М.: ИНФРА-М., 2000. - С. 67- 69.
Коллоидная и координационная химия, кристаллохимия и электрохимия, химия высокомолекулярных соединений и некоторые другие разделы приобретают черты самостоятельных наук.
Неизбежным следствием совершенствования химической теории явились новые успехи практической химии. Из выдающихся достижений химии XX века достаточно упомянуть хотя бы такие, как каталитический синтез аммиака, получение синтетических антибиотиков и полимерных материалов. Успехи химиков в деле получения вещества с желаемыми свойствами в числе прочих достижений прикладной науки к концу XX столетия привели к коренным преобразованиям в жизни человечества. Химики нашли лекарства от неизлечимых ранее болезней, получили вещества и материалы, использование которых существенно улучшило условия жизни людей. В значительной степени благодаря развитию прикладной химии средняя продолжительность жизни человека за двадцатое столетие выросла практически вдвое.
Впрочем, современная химия дала в руки людей также и эффективные средства сокращения продолжительности человеческой жизни. Достижения науки далеко не всегда используются людьми в благих целях, не всегда результаты практического использования научных открытий оказываются в точности такими, как ожидалось. Всякий успех в деле покорения природы неизбежно влечёт за собой, наряду с выгодами, ещё и появление новых проблем - экологических, этических.
Говоря об успехах практического приложения достижений науки, следует подчеркнуть, что история естествознания вообще и химии в частности постоянно подтверждает особую ценность фундаментальных исследований - "знания ради знания". Исторический опыт наглядно свидетельствует, что почти всякое значительное научное открытие в момент своего совершения лишено практической ценности. Однако именно на том, что изучено фундаментальной наукой десятилетия назад, основываются сегодняшние успехи науки прикладной.
Ещё одним важнейшим результатом достижений фундаментальной науки является создание и постоянное совершенствование научной картины мира. Поскольку наши представления о Вселенной создаются индуктивным путём, от частного к общему, научная картина мира непрерывно уточняется и в принципе не может быть окончательно завершённой.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что наука химия постоянно совершенствуется, и это дает миру возможность открывать новейшие горизонты.
Библиография
1. Концепции современного естествознания : Учеб. для вузов / ; Под ред. В.Н.Лавриненко, В.П.Ратникова .- 2-е изд., перераб. и доп. - М : ЮНИТИ , 2001 .- С. 151-154.
2. Концепции современного естествознания : учеб. пособие для вузов / Под общ. ред. С.И. Самыгина.- Изд. 5-е, доп. и перераб. - Феникс, 2004.
3. Концепции современного естествознания : Учеб. пособие для вузов / А.А. Горелов.- М.: ВЛАДОС., 2000.
4. Концепции современного естествознания : учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Ф. Хохлова.- изд. 2-е, испр. - Москва: Дрофа, 2004.
5. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов/ С.Х. Карпенков. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2003.
6. Лось В.А. Основы современного естествознания (концепции, теории, проблемы) / Под ред. А.Д. Урсула: Учеб. пособие. - М.: ИНФРА-М., 2000.
7. Нуклеиновые кислоты, жидкие кристаллы и секреты наноконструирования. Ю. Евдокимов // Наука и жизнь .- 2005 .- N 4. - С. 18-24.
8. См.: И. Леенсон. Лауреаты Нобелевской премии по химии 2003 года // "Химия и жизнь - 21 век. -http://chemworld.narod.ru/old/public/nobel2003.html.
9. См.: Нобелевские премии по химии - 21 век.- http://www.socioforum.su/viewtopic.php?f=65&t=10214.
Подобные документы
Роль химии в развитии естественнонаучных знаний. Проблема вовлечения новых химических элементов в производство материалов. Пределы структурной органической химии. Ферменты в биохимии и биоорганической химии. Кинетика химических реакций, катализ.
учебное пособие [58,3 K], добавлен 11.11.2009Понятие рефракции как меры электронной поляризуемости атомов, молекул, ионов. Оценка показателя преломления для идентификации органических соединений, минералов и лекарственных веществ, их химических параметров, количественного и структурного анализа.
курсовая работа [564,9 K], добавлен 05.06.2011Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева как основа современной химии. Исследования, открытия, изыскания ученого, их влияние на развитие химии и других наук. Периодическая система химических элементов и ее роль.
реферат [38,8 K], добавлен 03.03.2010Краткий обзор концептуальных направлений развития современной химии. Исследование структуры химических соединений. Эффективные и неэффективные столкновения реагирующих частиц. Химическая промышленность и важнейшие экологические проблемы современной химии.
реферат [45,8 K], добавлен 27.08.2012Истоки и развитие химии, ее связь с религией и алхимией. Важнейшие особенности современной химии. Основные структурные уровни химии и ее разделы. Основные принципы и законы химии. Химическая связь и химическая кинетика. Учение о химических процессах.
реферат [25,9 K], добавлен 30.10.2009Необходимость идентификации вещества и измерение количественной оценки его содержания. Качественный анализ для химической идентификации атомов, молекул, простых или сложных веществ и фаз гетерогенной системы. Классификация методов количественного анализа.
лекция [76,4 K], добавлен 16.01.2011Полиэтилен, пластмассы, поролон – искусственные (синтетические) материалы, созданные человеком с помощью науки химии. Использование пластмасс для создания защитного покрова на металлических электропроводах. Материалы для изготовления защитных костюмов.
презентация [1,8 M], добавлен 29.01.2014Зарождение химии в Древнем Египте. Учение Аристотеля об атомах как идейная основа эпохи алхимии. Развитие химии на Руси. Вклад Ломоносова, Бутлерова и Менделеева в развитие этой науки. Периодический закон химических элементов как стройная научная теория.
презентация [1,8 M], добавлен 04.10.2013Общие тенденции развития современной химии. Основные направления развития химии в ХХI. Компьютерное моделирование молекул (молекулярный дизайн) и химических реакций. Спиновая химия. Нанохимия. Фемтохимия. Синтез фуллеренов и нанотрубок.
курсовая работа [37,4 K], добавлен 05.06.2005Основные функции химии. Свойства моющих и чистящих средств. Использование химии в здравоохранении и образовании. Обеспечение роста производства, продление сроков сохранности сельхозпродукции и повышение эффективности животноводства при помощи химии.
презентация [14,3 M], добавлен 20.12.2009
