Федеральное агентство по образованию
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет вечернего и заочного образования
Кафедра оборудования и технологии сварочного производства
КУРСОВАЯ РАБОТА
По дициплине: «Теоретические основы прогрессивной технологии»
Тема: «Новые научные направления современной химии и их прикладное использование»
Выполнила:
студентка вечернего отделения
группы ЭК – 041
зачетная книжка № 00231
Филимонова О. С.
Руководитель:
д.т.н., профессор
Селиванов В. Ф.
2005
1 Общие тенденции развития современной химии 4
2 Основные направления развития химии в ХХI 5
2.1 Компьютерное моделирование молекул (молекулярный
дизайн) и химических реакций 5
2.2 Спиновая химия 7
2.3 Нанохимия 9
2.4 Фемтохимия 11
2.5 Синтез фуллеренов и нанотрубок 12
2.6 Химия одиночной молекулы 13
2.7 Электровзрывная активация пульпы и растворов 15
Химия - наука социальная. Её высшая цель – удовлетворять нужды каждого человека и всего общества. Многие надежды человечества обращены к химии. Молекулярная биология, генная инженерия и биотехнология, наука о материалах являются фундаментально химическими науками. Прогресс медицины и охраны здоровья - это проблемы химии болезней, лекарств, пищи; нейрофизиология и работа мозга - это, прежде всего нейрохимия, химия нейромедиаторов, химия памяти. Человечество ждёт от химии новых материалов с магическими свойствами, новых источников и аккумуляторов энергии, новых чистых и безопасных технологий, и т.д.
В первой части данной курсовой работы рассматриваются основные тенденции развития современной химии, ее приоритетные направления в конце двадцатого и начале двадцать первого веков.
Вторая, самая объемная, часть курсовой работы состоит из нескольких подразделов, анализируются более подробно некоторые аспекты развития химии в двадцать первом веке; в частности в данной части присутствуют такие подразделы, как компьютерная химия, спиновая химия, нанохимия, фемтохимия, синтез фуллеренов и нанотрубок, химия одиночной молекулы,электровзрывная активация пульпы и растворов. Приводятся также области применения данных новых направлений.
В заключении делается прогноз развития химии в будущем.
1 Общие тенденции развития современной химии
1.1 Химия как фундаментальная наука
Как фундаментальная наука химия сформировалась в начале XX века, вместе с новой, квантовой механикой. И это бесспорная истина, потому что все объекты химии - атомы, молекулы, ионы, и т.д. - являются квантовыми объектами. Главное, центральное событие в химии - химическая реакция, т.е. перегруппировка атомных ядер и преобразование электронных оболочек, электронных одежд молекул-реагентов в молекулы продуктов - также является квантовым событием. Три главных элемента квантовой механики составили прочный и надёжный физический фундамент химии:
- понятие волновой функции электрона как распределённого в пространстве и времени заряда и спина углового момента);
- принцип Паули, организующий электроны по энергетическим уровням и спиновым состояниям, "рассаживающий" электроны по их собственным орбиталям (волновым функциям);
- уравнение Шредингера как квантовый наследник уравнений классической механики.
В химии (как, впрочем, и во всякой живой науке) постоянно рождаются новые идеи, совершаются крупные прорывы, формируются новые тенденции. Главные, ключевые события происходят в химическом синтезе; здесь совершаются каждодневные открытия - большие и малые, значимые и мало заметные.
1.2
Оценивая основные тенденции и уже имеющиеся результаты научно-технического развития химии можно говорить о том, что мир вступает в новую эволюционную фазу, которую можно назвать вторичной эволюцией, когда в противостоянии «технология – эволюция», влияние технологии начинает превалировать, радикально меняя и биосферу, и самого человека. Преображаются глубинные основы химической технологии. Во-первых, кая теория строения вещества в сочетании с моделирующими возможностями супер-ЭВМ позволяет точно прогнозировать свойства синтезируемого вещества и путь его синтеза.
Во-вторых, развитие тонких методов катализа, «прицельной» химии расщепления и сшивки крупных молекулярных фрагментов и другие подобные методы превращают химика как бы в зодчего новых химических форм. Наконец, ведется интенсивный поиск путей самоформирования все более высокоорганизованных химических структур. Почти фантастические перспективы развития в этом направлении наметились в области химии быстропротекающих процессов - взрыва, пламени, плазмы. Эти процессы, играющие ключевую роль в автомобильном, воздушном и морском транспорте, космонавтике, гидрометаллургии и т.д., остаются до настоящего времени мало изученными. Ниже перечислены основные направления развития современной химии на рубеже ХХ – ХХI веков:
- синтез новых, не существующих в природе, химических элементов;
- разработка метода полярографии;
- создание фундаментальной пограничной дисциплины — квантовой химии;
- расшифровка структуры (двойной спирали) дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК);
- синтез дендримеров (молекулы, построенные по фрактальному типу - когда всё вещество составлено одной гигантской молекулой (по принципу алмаза));
- синтез неметаллических (в том числе стеклообразных) полупроводников;
- синтез неметаллических (керамических) высокотемпературных сверхпроводников;
- создание мультисенсорных систем типа «электронный нос», «электронный язык» на основе неселективных сенсоров, разработка методов распознавания образов (с применением искусственных нейронных сетей) при интеграции химии, физики, математики.
Подводя итог вышесказанному, можно выделить основные направления развития химии в 21 веке:
- компьютерная химия, компьютерное моделирование молекул (молекулярный дизайн) и химических реакций;
- спиновая химия;
- синтез и исследование наноструктур, развитие и применение нанотехнологий;
- синтез полимерных полупроводников;
- химия чрезвычайно быстротекущих реакций (фемтохимия);
- синтез фуллеренов и нанотрубок;
- развитие химии одиночной молекулы;
- развитие электроники на молекулярном уровне;
- создание «молекулярных машин»;
- электровзрывная активация пульпы и растворов;
- создание и развитие «химической медицины», решение проблемы «химического бессмертия».
В следующей части курсовой работы рассмотрены подробнее некоторые перспективные направления современной химии.
2 Основные направления развития химии в ХХI
2.1 Компьютерное моделирование молекул (молекулярный дизайн) и химических реакций
Компьютерное моделирование химических реакций - это сформировавшаяся на стыке теоретической физики, прикладной вычислительной математики и химии область знаний, в которой создана количественная теория строения и основных свойств многоатомных молекул и реакций между ними. Пройдя довольно длительную историю развития, компьютерная химия дала возможность понять, как устроен микромир на молекулярном уровне. Она позволила с достаточно высокой степенью достоверности производить численный прогноз. На основании такого прогноза можно судить, во-первых, о самой возможности существования или иной молекулярной системы как устойчивой совокупности атомов. Во-вторых, об индивидуальных характеристиках таких систем (геометрическое строение, распределение заряда внутри молекулы и др.). В-третьих, о преимущественных направлениях тех или иных химических реакций. Создание мощного программного обеспечения наряду с самим развитием ЭВМ сделало такой прогноз практически доступным широкому кругу исследователей разных направлений.
Основными направлениями компьютерной химии являются:
- создание принципиально новых компьютерных программ поиска и отбор новых эффективных веществ;
- количественный анализ связи структура-активность для широкого спектра ФАВ.
Стало реальным говорить о так называемом инженерном уровне расчетов, когда достоверность прогноза достигает 80-90 процентов. При этом прогноз делается за столь короткий промежуток времени, что испытать массу вариантов можно быстрее, чем провести натурный эксперимент. Соответствующие методы получили столь большое распространение, что составили основу так называемого молекулярного дизайна, или моделирования молекул. Современный исследователь-химик уже не может ограничиться лишь традиционными химическими знаниями, навыками и экспериментами. Параллельно и даже с некоторым опережением должно проводиться моделирование химических систем. Сейчас уже можно смело говорить о двух равноправных сторонах одного и того же исследовательского процесса.
Компьютер реально становится таким же инструментом исследования, как и привычный химический или физико-химический эксперимент. И расчет, и эксперимент, следовательно, может проводить один и тот же человек.
Владение методами компьютерной химии становится, таким образом, необходимым требованием к любому современному специалисту-химику. Более того, современные компьютерные программы обладают высокой сервисностью, поэтому работать с ними может, в принципе, любой школьник-старшеклассник. Основным экспериментальным методом изучения электронных уровней молекулы служит спектроскопия. Например, с помощью ультрафиолетовой, оптической и фотоэлектронной спектроскопии определяют положение уровней энергии слабосвязанных электронов. Энергии наиболее глубоких электронов измеряют, применяя рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию. Исследование энергетического спектра молекул является сравнительно простой и точной процедурой.