4.4 Химия
4.4.038 Химическая физика Семенова
Химик, физик, общественный деятель, депутат Верховного Совета СССР нескольких созывов; профессор, заведующий кафедрой химической кинетики МГУ; академик, академик-секретарь Отделения химических наук, вице-президент АН СССР, родоначальник огромной научной школы; член 14 иностранных академий и обществ; заместитель директора Ленинградского физико-технического института, директор Института химической физики АН СССР; один из основателей Московского физико-технического и Московского инженерно-физического институтов, основатель и председатель Научного центра АН СССР в Черноголовке; один из главных участников советского ядерного проекта; председатель правления общества «Знание»; лауреат двух Сталинских и Ленинской премий, Нобелевской премии 1956 г. по химии (совместно с С. Хиншелвудом); обладатель почетной степени Honoris causa восьми известных университетов мира; кавалер 9 орденов Ленина, Золотой медали им. Ломоносова АН СССР; дважды Герой Социалистического Труда — Николай Николаевич Семенов (1896—1986) является первооткрывателем ионно-гетерогенного катализа, автором общей количественной теории цепных реакций, теории теплового взрыва газовых смесей и других открытий мирового уровня.
Главной заслугой Семенова считается основание им нового направления в физической химии — химической физики.
На первый взгляд, большой разницы между физической химией и химической физикой нет. Но это, конечно, только на первый взгляд — для людей особо не отягощенных естественнонаучным образованием. Впрочем, даже они наверняка слышали о таинственных алхимиках, которые и занимались на стыке средневековой науки и искусства «физической химией», а попросту — «химичили».
Так вот, никакого отношения к нашему предмету это не имеет. Первым этот термин ввел в 1752 г. М.В. Ломоносов, назвав свои лекции «Курсом истинной физической химии».
Это направление наше «всё» определил так: «Физическая химия — наука, которая должна на основании положений и опытов физических объяснить причину того, что происходит через химические операции в сложных телах». (Сегодня определение сократили до «науки об общих законах физики и химии»).
Получив методологическое основание, физическая химия развивалась и обогащалась, пока в 1930-х гг. от нее не отпочковалась самостоятельная ветвь — «химическая физика». Это направление узурпировало часть функций родоначальницы и занялось изучением физических законов, управляющих строением и превращением химических веществ.
«Предметом физической химии (классической) является суммарное рассмотрение химических процессов, протекающих с одновременным участием множества частиц, тогда как предметом химической физики — рассмотрение отдельных частиц и взаимодействий между ними, т.е. элементарных процессов» (http://www.ximicat.com/).
Термин обязан своим рождением немецкому физико-химику А. Эйкену, выпустившему в 1930 г. «Учебник химической физики». (Справедливости ради стоит отметить, что за 3 года до этого вышла книга советских ученых В.Н. Кондратьева, Н.Н. Семенова и Ю.Б. Харитона «Электронная химия», в которой была изложена суть науки, не получившей еще своего названия).
Сама наука возникла не по прихоти ученых, а вследствие появления квантовой механики с ее представлениями, теории химической связи, открытия межмолекулярных взаимодействий и реакционной способности молекул.
Спрос на новую отрасль знания оказался столь велик, что уже в 1931 г. у нас был организован Институт химической физики АН СССР, а в США с 1933 г. стал издаваться «Journal of Chemical Physics» («Журнал химической физики»).
Пограничная область между химией и новыми разделами физики, вобравшая в себя последние научные достижения, получила быстрое развитие — в первую очередь благодаря открытию и изучению ранее неизвестные типов химических реакций.
В частности, теории разветвленных цепных реакций, которую независимо друг от друга развивали в 1920-е — 1930-е гг. советский ученый Н.Н. Семенов и английский физико-химик С.Н. Хиншвулд.
В 1956 г. оба исследователя были удостоены Нобелевской премии по химии (к слову, из российских химиков Семенов — единственный лауреат по этой номинации) — «за исследования в области механизма химических реакций».
Разработанная Семеновым теория цепных химических реакций* легла в основу создания полимеров — веществ с заранее заданными свойствами, химических лазеров и др.
*Цепными реакциями называют сложные реакции, в которых промежуточные активные частицы, регенерируясь в каждом элементарном акте, вызывают цепь превращений исходного вещества. Различают химические цепные реакции (горение, полимеризация) и ядерные. В первых активными частицами выступают свободные радикалы, возбужденные атомы и молекулы, во вторых — нейтроны.
Опубликованная в 1934 г. Семеновым монография «Цепные реакции» закрепила за ним и руководимым им Институтом химической физики роль мирового лидера в области химической кинетики.
Еще одним шагом по развитию новой науки стало создание Семеновым теории теплового взрыва газовых смесей (самовоспламенения), впервые изложенной в его статье «К теории процессов горения» (1928). На основе этой теории химик в дальнейшем построил учение о распространении пламени, детонации, горении взрывчатых веществ и порохов.
Предыдущие открытия априори подготовили Семенова к участию в ядерном проекте. В 1945 г. Николай Николаевич сам обратился к правительству с предложением участвовать в работах по созданию атомного оружия. Институт химической физики успешно участвовал в расчетах, измерении констант, подготовке полигона и оборудования для испытаний.
В 1955 г. Семенов сделал очередное выдающееся открытие: новый тип катализа — ионно-гетерогенный. Ученым и его учениками была развита цепная теория гетерогенного катализа, разработаны статистическая теория каталитической активности, теория топохимических процессов и кристаллизации.
Во второй половине XX в. Семенов стал инициатором нового направления развития химической физики — биологического. В результате за несколько десятилетий химическая физика стала теоретической основой науки о жизни и на слиянии ее и биологии возникла новая наука — биохимическая физика, которая по прогнозам (академик А.Е. Шилов) в нашем веке должна стать основной в понимании молекулярных механизмов процессов, происходящих в живых организмах.
Н.Н. Семенов создал знаменитую «семеновскую» научную школу химической физики и воспитал блестящую плеяду учеников, ставших академиками: В.Н. Кондратьева, Л.Б. Зельдовича, Ю.Б. Харитона, В.В. Воеводского, В.И. Гольданского, Н.С. Ениколопова, Н.М. Эмануэля, А.И. Шальникова, А.Е. Шилова, Д.Г. Кнорре, М.А. Садовского, А.Б. Налбандяна и многих других.
Современный этап в развитии химической физики характеризуется широким применением масс-спектрометрии, рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии, ядерного магнитного резонанса, метода спинового эха, электронографии и ионографии, ударно-волновых и десятков, если не сотен других методов теоретической и экспериментальной физики.
Химическая физика нашла широчайшее применение в науке и технике. Она изучает процессы горения и взрыва, электронную структуру молекул и твердых тел, элементарные акты химических реакций, молекулярные спектры и т.д.
В ней сегодня выделились два основных направления: «определение электронной и атомно-молекулярной структуры химических частиц и образованных ими веществ и исследования, связанные с решением проблем химической динамики, то есть изменений во времени энергетических и структурных характеристик частиц».
Ныне получили дальнейшее развитие многие разделы химической физики, разработанные Семеновым и его учениками — электрохимия и катализ, квантовая и ядерная химия; появилась химия низких температур и высоких энергий, фото- и плазмохимия, радиационная химия… Не забыта и прародительница этой науки — физическая химия.
Говорить о применении этой науки на практике можно много, но разве упомянутых полимеров, химических лазеров и атомной бомбы — мало?