Сколько химий на свете?

Химию можно определить как предмет занятий химиков.
Т. Л. Браун, Г. Ю. Лемей

В начале было слово — «ал хеми», или алхимия. Оно восходит к египетскому иероглифу «хми», означавшем черную (плодородную) землю. Этим же иероглифом обозначался и сам Египет, место, где, возможно, возникла алхимия, которую часто называли «египетским искусством». Впервые термин встречается в рукописи Юлия Фирмика (IV век н.э.). Ю. Либих писал про алхимию, что она «никогда не была ничем иным, как химией».

Художник н. Колпакова. Изображение: «Химия и жизнь»

Следующим словом стало «ятрохимия» — направление в естествознании и медицине, появившееся в XVI веке. Оно отводило основную роль в возникновении болезней нарушениям химических процессов в организме и ставило задачу отыскания химических средств их лечения. Зарождение и развитие ятрохимии, получившей наибольшее распространение в Германии и Нидерландах, связано с деятельностью Парацельса (1493–1541), а также врача и анатома Ф. Боэ (1614–1672), сформулировавшего основные ее положения и открывшего при Лейденском университете первую химическую лабораторию для анализов. Представители ятрохимии уделяли внимание изучению процессов пищеварения, а также половых и других желез; различали «кислотные» и «щелочные» болезни. Ятрохимия во второй половине XVIII века перестала существовать как направление в медицине, но дала начало экспериментальной химии.

Большинство химиков XVI–XVIII веков имели медицинское образование и служили аптекарями. Далее, поскольку синтетической химии еще не существовало, вещества для лекарств добывали в естественном состоянии из минералов и растений, а для этого требовались методы анализа, разделения и очистки веществ. Развивается аналитическая химия. Затем военные интересы и запросы потребителей вызвали к жизни остальные разделы химии.

Сейчас химия состоит из пяти крупных разделов. Это аналитическая химия, неорганическая химия, органическая химия, биохимия, физическая химия и техническая химия. А далее они делятся, образуя сотню различных химий. Такое разнообразие заставляет задуматься над тем, что пришло время химии складывать, а не делить.

Академик Ю. А. Косыгин писал: «К концу XX века наука как бы разделилась на слои... Специалист часто замыкался в своем слое, увлекаясь в его пределах деталями... Это создавало узость научного мышления, забвение целостности мира, проблемы которого могут решаться только совместной работой в разных специальностях или их взаимопроникновением. Разделение на специальности создает атмосферу затхлости и беспомощности».

Таким образом, первая задача статьи состоит в показе абсурда такого деления применительно к химии. Разделы взяты из химических энциклопедий, обзоров, web-страниц вузов и НИИ, названий учебников и журналов. Вторая задача — ознакомление неофитов с многообразием химических решений житейских задач. И третья задача. Автору как профессионалу неприятно слышать на всех углах: «выращено без химии», «продукт не содержит химических веществ» и прочие странные лозунги. Куда же вы денетесь без химии!

Аналитическая химия — разработка методов определения химического состава вещества. Она возникла раньше других химических наук, и до конца XVIII века химию определяли как науку, изучающую химический состав веществ. Исторически это первая научная собственно химия.

Агрохимия — наука о химических процессах в почве и растениях, минеральном питании растений, применении удобрений и средств химической мелиорации почв. Включает определение содержания в почвах и растениях химических элементов, белков, аминокислот, витаминов, жиров, углеводов; установление механического и минералогического состава почв, содержания в них органической части (гумуса), солей, водорослей, микроорганизмов и др. Изучает влияние удобрений на растения и почву. Многие приемы агрохимии вошли в практику земледелия с глубокой древности. Благодаря созданию s новой отрасли агрохимии — химии ядохимикатов — появилась возможность не только улучшать питание растений, но и влиять (с помощью регуляторов роста) на их развитие, а также защищать от болезней, насекомых, клещей, нематод и других вредителей. Огромное влияние на агрохимию оказало открытие избирательных гербицидов. Уничтожение сорняков с их помощью позволило улучшить условия роста растений и более эффективно использовать удобрения, так как они не расходуются на подкормку сорняков.

Аналитическая химия элементов. Институт геохимии и аналитической химии РАН (ГЕОХИ, Москва) издает серию монографий, которых уже сейчас насчитывается свыше 50, а в идеале должно быть 109 — по числу известных химических элементов.

Астрохимия изучает химические реакции между атомами, молекулами и зернами пыли в межзвездной среде, включая фазы образования звезд и планет. Синтез гелия можно считать началом всех реакций в природе, первопричиной жизни, света, тепла и метеорологических явлений на Земле. Рождение химических элементов — функция звезд. До железа включительно они рождаются в термоядерных процессах синтеза ядер в недрах бесчисленных солнц. Начиная с кобальта и далее – создаются при взрывах сверхновых через нейтроноизбыточные ядра с последующей серией бета-распадов. Радиоастрономы показали, что темные межзвездные облака содержат многие сложные молекулы (метанол, окись углерода, формальдегид, этанол, синильную кислоту, муравьиную кислоту и другие). Молекулярная радиоастрономия позволила идентифицировать все эти молекулы по их вращательным спектрам в микроволновой области.

Бионеорганическая химия изучает комплексы биополимеров или низкомолекулярных природных веществ с ионами металлов, присутствующих в живых организмах (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺). Исследует роль этих ионов в выполнении биологических функций ферментов. Практическое применение связано с синтезом металлосодержащих лекарственных препаратов.

Биоорганическая химия изучает связь между строением органических веществ и их биологическими функциями. Объекты исследований: биополимеры, витамины, гормоны, антибиотики и другие. Сформировалась на стыке биохимии и органической химии. Биоорганическая химия связана с практическими задачами медицины, сельского хозяйства, химической, пищевой и микробиологической промышленности.

Биохимия изучает входящие в состав организмов химические вещества, их структуру, распределение, превращения и функции. Казалось бы, эта наука должна быть разделом органической химии, однако многочисленные разветвления биохимии превратили ее в отдельное направление. Первый синтез природного вещества мочевины в 1828 году разрушил представление о «жизненной силе», участвующей в образовании веществ организмом. Внедрение в биологию идей и методов физики и химии, а равно стремление объяснить строением и свойствами биополимеров такие биологические явления, как наследственность, изменчивость или мышечное сокращение, привело в середине XX века к выделению из биохимии молекулярной биологии. Потребности народного хозяйства в получении, хранении и обработке различных видов сырья привели к развитию технической биохимии. В конце XX и начале XXI века биохимия стала ведущим химическим направлением, во всяком случае, большинство Нобелевских премий по химии присуждают именно за биохимические работы.

Галургия — раздел химической технологии по производству минеральных солей. К галургии в узком смысле относят переработку природных солей. Сырьем для галургического производства служат морская вода, отложения морских солей, а также озерные и подземные рассолы. Прикладные задачи — проектирование калийных, соляных и сульфатных предприятий; проектирование предприятий по добыче и переработке горно-химического сырья: сульфата натрия, фосфоритного, магнийсодержащего сырья и других природных солей.

Геохимия изучает химический состав Земли, распространенность в ней химических элементов и их стабильных изотопов, закономерности распределения химических элементов в различных геосферах, законы поведения, сочетания и миграции элементов в природных процессах. Геохимия исторически сформировалась как химия элементов в геосферах и во многом продолжает оставаться таковой. Это было оправданно во времена Ферсмана и Вернадского. Но свойства веществ – это свойства фаз. Один и тот же элемент может находиться в составе различных фаз и сам образовывать множество фаз с очень разными свойствами (вспомним хотя бы фазы углерода). В XX веке появились методы анализа фаз. Поэтому дальнейшее развитие геохимии — это химия фаз в геосферах. Валовой элементный анализ геологических проб должен подкрепляться фазовым анализом. Иначе наблюдается ничем сейчас не оправданный перескок через структурный уровень организации вещества: от химического элемента, минуя минеральную фазу, к породе и геологическому телу.

Гидрохимия изучает химический состав природных вод и закономерности его изменения под влиянием физических, химических и биологических воздействий. Задача — установление химического состава основных элементов экосистем океанов и морей, процессов их биогеохимической трансформации и эволюции.

Гистохимия — раздел гистологии, изучающий локализацию различных химических веществ и продуктов их метаболизма в тканях. Некоторые методы окрашивания позволяют выявлять в клетках те или иные химические вещества. Возможно дифференциальное окрашивание жиров, гликогена, нуклеиновых кислот, нуклеопротеинов, некоторых ферментов и других химических компонентов клетки. Вклад гистохимии в изучение химического состава тканей постоянно возрастает. Подобраны красители, флуорохромы и ферменты, которые можно присоединить к специфическим иммуноглобулинам (антителам) и, наблюдая связывание этого комплекса в клетке, идентифицировать клеточные структуры. Эта область исследований составляет предмет иммуногистохимии. Использование иммунологических маркеров в световой и электронной микроскопии способствует расширению знаний о биологии клетки, а также повышению точности медицинских диагнозов.

Иммунохимия изучает химические основы иммунитета. Основные проблемы: строение и свойств иммунных белков — антител, природных и синтетических антигенов, а также выявление закономерностей взаимодействия между этими главными компонентами иммунологических реакций у разных организмов. Методами иммунохимии пользуются также в прикладных целях, в частности при выделении и очистке активных начал вакцин и сывороток.

Квантовая химия. Это направление химии на основе квантовой механики рассматривает строение и свойства химических соединений, реакционную способность, кинетику и механизмы химических реакций. Из-за сложности объектов применяют приближенные методы расчета. С квантовой химией неразрывно связана компьютерная химия — дисциплина использующая математические методы для расчета молекулярных свойств, амплитуды вероятности нахождения электронов в атомах, моделирование молекулярного поведения.

Коллоидная химия — наука о дисперсных системах и поверхностных явлениях. Отсюда берет начало популярная нынче нанотехнология. Коллоидные системы – это и человек и холодец. Поскольку у частиц дисперсной фазы и окружающей их среды большая поверхность раздела, поверхностные явления оказывают определяющее влияние на свойства системы в целом. Цель исследований – управление образованием, свойствами и разрушением дисперсных систем и граничных слоев за счет регулирования межмолекулярных взаимодействий на границах раздела фаз. Этого добиваются с помощью поверхностно-активных веществ, способных самопроизвольно концентрироваться на поверхности частиц дисперсной фазы.

Компьютерная химия — см. квантовая химия.

Косметическая химия. Ее предмет – средства и методы улучшения внешности человека. Различают врачебную и декоративную косметику. Известно выражение «кожа — это самый большой орган», и нельзя не задумываться о том, как он функционирует, как действуют вещества, которые мы наносим на его поверхность, к каким последствиям приведет то или иное воздействие. Ответы на эти вопросы ищет косметическая химия.

Космохимия — наука о химическом составе космических тел, законах распространенности и распределения химических элементов во Вселенной, процессах сочетания и миграции атомов при образовании космического вещества. Космохимия исследует преимущественно «холодные» процессы на уровне атомно-молекулярных взаимодействий веществ, в то время как «горячими» ядерными процессами в космосе – плазменным состоянием вещества, нуклеогенезом (процессом образования химических элементов) внутри звезд — занимается физика. Развитие космонавтики открыло перед космохимией новые возможности. Это непосредственное исследование пород Луны при участии космонавтов или в результате забора образцов грунта автоматическими аппаратами и доставки их на Землю. Автоматические спускаемые аппараты сделали возможным изучение вещества и условий его существования в атмосфере и на поверхности других планет Солнечной системы и астероидов, в кометах. Благодаря экстремальным условиям в космическом пространстве протекают процессы и встречаются состояния вещества, несвойственные Земле. В межзвездном пространстве обнаруживаются в крайне малых концентрациях атомы и молекулы многих элементов, а также минералы (кварц, силикаты, графит и другие) и, наконец, идет синтез различных сложных органических соединений из первичных солнечных газов H, CO, NH₃, O₂, N₂, S и других простых соединений в равновесных условиях при участии излучений.

Криохимия изучает химические превращения веществ при низких температурах. Основные задачи — получение соединений, химически неустойчивых при нормальных условиях, выяснение нижних температурных границ химической активности веществ, разработка технологических процессов с использованием низких температур. Продукты криотехнологий — химические реактивы, ферменты, сорбенты, лекарственные вещества, резисторы, композиты, пигменты, катализаторы, электродные и пьезоматериалы, пористая керамика, порошки для стекловарения и выращивания монокристаллов.

Кристаллохимия изучает законы расположения атомов и типы симметрии в кристаллических телах, а также дефекты в их структуре. Центральное понятие кристаллохимии — кристаллическая структура. Определено свыше 120 000 кристаллических структур (около 40 000 неорганических, более 80 000 органических) — от простых веществ до белков и вирусов. Источником данных о структурах служат дифракционные методы исследования: рентгеноструктурный анализ, электронография, нейтронография, мессбауэрография. Причины образования той или иной кристаллической структуры определяются общим принципом термодинамики: наиболее устойчива структура, которая при данных давлении и температуре имеет минимальную свободную энергию. Обнаруженные Е. С. Федоровым 230 пространственных групп симметрии представляют собой естественный закон природы, не имеющий математического выражения (наряду с Периодической системой Д. И. Менделеева).

Лазерная химия изучает химические процессы, стимулируемые лазерным излучением. Высокая монохроматичность лазерного излучения позволяет селективно возбуждать молекулы одного вида, причем молекулы других видов остаются невозбужденными. Возможность фокусировки лазерного излучения позволяет вводить энергию локально, в определенную область объема, занимаемого реагирующей смесью. Лазерное воздействие на химические реакции может быть тепловым и фотохимическим. Лазерная офтальмология и микрохирургия — в конечном счете та же лазерная химия, но на службе у медицины.

Лесохимия изучает химические свойства древесины и способы ее промышленной переработки, чтобы извлечь как можно больше полезных веществ. Целлюлозно-бумажное производство занимает первое место по объемам перерабатываемого сырья и готовой продукции в лесной промышленности. Оно потребляет балансовую и дровяную древесину (80%), отходы лесозаготовок и деревообработки (щепа, опилки — 20%) для выработки целлюлозы, древесной массы и получения из них бумаги, картона. Нитрованием целлюлозы концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты получают тринитроцеллюлозу, называемую пироксилином, которую применяют в производстве бездымного пороха, поэтому рядом с целлюлозно-бумажным комбинатом следует искать завод боеприпасов. Гидролизные производства в качестве сырья используют отходы лесопиления и деревообработки. Первоначально гидролизу подвергали хвойную древесину, получая 160–180 л этанола в расчете на 1 т абсолютно сухого сырья (в дальнейшем стали производить также дополнительно 35–40 кг кормовых дрожжей из послеспиртовой барды). Затем появились предприятия фурфурольно-дрожжевого профиля (70–80 кг фурфурола и 100 кг дрожжей в расчете на 1 т сухих растительных отходов) и чисто дрожжевого профиля. Отходы этого производства – гидролизный лигнин (30–40% в расчете на абсолютно сухое сырье), который применяют как котельное топливо, а также для получения углей различного назначения, удобрений, уксусной и щавелевой кислот, фенолов, наполнителей для полимерных материалов. Однако чаще всего этот лигнин остается в виде никому не нужных отвалов. Существует и дубильно-экстрактовое производство — источник дубящих веществ. Для их выработки применяют кору ивы, ели, лиственницы, листья бадана, древесину дуба или каштана. Из смолы получают также канифоль. Еще одно направление — пиролизное производство, получение древесного угля из древесины нагреванием ее без доступа воздуха в специальных стальных ретортах и печах.

Магнетохимия изучает связь магнитных и химических свойств веществ, влияние магнитных полей на химические процессы. Спиновая химия как раздел магнетохимии уникальна: она вводит в химию магнитные взаимодействия. Будучи пренебрежимо малыми по энергии, магнитные взаимодействия контролируют химическую реакционную способность и пишут новый, магнитный «сценарий» реакции. Получение молекулярных магнетиков, многоспиновых молекул, содержащих неспаренные электроны, спиновых меток тоже можно отнести к спиновой химии.

Медицинская химия включает в себя аспекты биологии, медицины, фармацевтики. Она занимается обнаружением, дизайном, идентификацией и получением биологически активных соединений, изучением их метаболизма, интерпретацией способа действия на молекулярном уровне и созданием зависимостей «структура – активность». Таким образом, начав с медицины в XVI веке, химия в нее возвращается, несмотря на некоторый скептицизм медиков. Достаточно сказать, что 70% лекарственных препаратов — продукты синтетической химии, а остальные 30% — фитохимии.

Металлургия — область науки и техники, охватывающая процессы получения металлов из руд или других веществ, изменения химического состава, структуры и свойств металлических сплавов. Металлургические процессы применяют и для производства неметаллических материалов, в том числе полупроводников. Различают пирометаллургию (использование процессов, проходящих при высокой температуре), гидрометаллургию (извлечение металлов химическими реакциями в водных растворах) и электрометаллургию (применение электролиза).

Механохимия изучает химические превращения веществ при деформировании, трении, ударном сжатии. Пластическая деформация твердого тела обычно приводит к накоплению в нем дефектов, изменяющих физико-химические свойства, в том числе реакционную способность. Это используют в химии для ускорения реакций, снижения температуры процессов и других путей интенсификации химических реакций в твердой фазе. Механохимическим методом проводят деструкцию полимеров, синтез интерметаллидов и ферритов, получают аморфные сплавы, активируют порошковые материалы.

Нанохимия – химия и технология объектов, размеры которых порядка 10^–9 м (кластеры атомов, макромолекулы). Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеют в виду три направления: изготовление электронных схем (в том числе и объемных), элементы которых по размерам сравнимы с атомами; разработка и изготовление наномашин; манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов. Место нанохимии в нанотехнологиях – синтез нанодисперсных веществ и материалов, регулирование химических превращений тел нанометрового размера, предотвращение химической деградации наноструктур, способы лечения болезней с использованием наночастиц.

Нейрохимия — раздел биохимии, изучающий химические и клеточные механизмы деятельности нервной системы. Нейрохимия подразделяется на общую, изучающую химические свойства нервной системы вне связи с конкретной физиологической деятельностью, и функциональную (частную), изучающую химические и молекулярные механизмы деятельности нервной системы в процессе реализации той или иной физиологической функции. Познание химических механизмов деятельности мозга не просто одна из задач биологии, оно играет важную роль в стремлении человека к осознанию самого себя как личности, к пониманию своего места на Земле. Поэтому нейрохимия — одна из самых сложных, современных и бурно развивающихся областей биохимии и нейробиологии. Она тесно связана с такими направлениями биологии, как морфология и физиология нервной системы, молекулярная биология и генетика, а также с клиническими дисциплинами, в частности с нейропатологией и психиатрией.

Неорганическая химия изучает химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества (кроме органических соединений углерода). Обеспечивает создание материалов новейшей техники. Число неорганических веществ приближается к 400 тысячам.

Органическая химия изучает соединения углерода с другими элементами — так называемые органические соединения и законы их превращений. К концу XX века их число превысило 10 млн. Синтез многочисленных органических веществ привел к созданию новых отраслей промышленности — синтетических красителей, полимеров, искусственного жидкого топлива и пищи. Удалось синтезировать витамины, гормоны, ферменты. Многообразие органических соединений во многом обусловлено изомерией – способностью соединений при одинаковом составе и массе различаться строением, физическими и химическими свойствами. Органическая химия делится на огромное число направлений.

Нефтехимия изучает состав, свойства и химические превращения компонентов нефти и природного газа, а также процессы их переработки.

Органическая геохимия изучает химический и изотопный состав органических веществ, заключенных в горных породах, их эволюцию в ходе геологической истории, закономерности распределения, а также роль органического вещества в процессах миграции химических элементов в земной коре, формировании месторождений урана, меди, ванадия, германия, молибдена. Этот раздел химии изучает исходные для органического вещества биохимические соединения (углеводы, белки, лигнин) и продукты их преобразования во внешних геосферах (гумус, сапропель, ископаемые угли, горючие сланцы, нефть) под влиянием бактериальной жизни, температуры, давления и других факторов. Геохимия нефти и угля разделилась на два самостоятельных научных направления. Органическая геохимия близко соприкасается с органической космохимией в части исследования органического вещества космических тел.

Органический синтез изучает пути и методы искусственного создания органических соединений. В 1828 году Ф. Вёлер впервые синтезировал органическое вещество из неорганического вне живого организма – провел перегруппировку цианата аммония в мочевину при нагревании в водном растворе. Цели оргсинтеза – получение веществ с ценными физическими, химическими и биологическими свойствами или проверка предсказаний теории. Современный органический синтез многогранен и позволяет получать практически любые органические молекулы.

Патохимия изучает химические механизмы патологических процессов. Например, проблема отторжения органов при пересадке — во многом проблема патохимии.

Петрохимия изучает распределение химических элементов в горных породах и породообразующих минералах.

Петрургия — производство стеклокристаллических материалов и изделий из расплавов горных пород (например, базальтов и диабазов) и промышленных отходов (например, шлака и золы) методом литья. Петрургические материалы предпочтительнее металлургических, так как устойчивы в окислительной атмосфере Земли и предполагают прямое использование сырья без выделения чистых компонентов. Петрургическое производство вырабатывает трубы, плиты, лотки для защиты рабочих поверхностей бункеров, желобов, узлов горно-обогатительного, металлургического и энергетического оборудования; кислотоупорные плитки и фасонные детали для химической промышленности; футеровку шаровых мельниц, облицовочные материалы и другие изделия, работающие в условиях воздействия кислот, щелочей или абразивных сыпучих материалов и пульп, а также базальтовое (каменное) волокно.

Пегниохимия. Химики тоже шутят, а что остается делать, если в лаборатории горячее и холодное стекло выглядят одинаково! Социологи провели опрос населения. Всем респондентам задавали два вопроса: 1) как вы относитесь к химическим удобрениям? 2) какая у вас в школе оценка по химии? Оказалось: 1) 90% россиян категорически против химических удобрений; 2) остальные 10% имели по химии оценку «5». Институт пегниохимии РАН, может быть, и появится, когда мы поймем единство природы и тупик бесконечного деления знания, и посмеемся над искусством разделять и не властвовать.

К области пегниохимии, несомненно, принадлежит и химический фольклор.

Крутит и вертит мешалку мотор.
В колбе трехгорлой бордовый раствор.
Варится, киснет ацетофенон.
Скоро дойдет до кондиции он.

Только я начал бензол отгонять –
Колба рванула... Кусков не собрать.
Вспыхнул бензол, загорелся халат.
Что-то заметил сосед невпопад.

Пищевая химия. Ее цель — создание качественных продуктов питания и методов анализа в химии пищевых производств. Это один из самых древних экспериментальных разделов химии со времен появления дрожжевого хлеба. Химия пищевых добавок контролирует их ввод в продукты питания для улучшения технологии производства, а также структуры и органолептические свойства продуктов, увеличение сроков хранения, повышение биологической ценности. К числу таких добавок принадлежат консерванты, антиоксиданты, окислители, эмульгаторы, стабилизаторы, красители, вкусовые вещества и ароматизаторы, интенсификаторы вкуса и запаха, витамины, микроэлементы, аминокислоты, пряности. Создание искусственной пищи — тоже предмет пищевой химии. Это продукты, которые делают из белков, аминокислот, липидов и углеводов, предварительно выделенных из природного сырья или полученных направленным синтезом из минерального сырья. Пищевые добавки, а также витамины, минеральные кислоты, микроэлементы и прочие вещества придают конечному продукту не только питательность, но и цвет, запах и нужную структуру. В качестве исходных компонентов используют вторичное сырье мясной и молочной промышленности, семена, зеленую массу растений, гидробионты, биомассу микроорганизмов, например дрожжей. Из них выделяют высокомолекулярные вещества (белки, полисахариды) и низкомолекулярные (липиды, сахара, аминокислоты и другие). Низкомолекулярные пищевые вещества получают также микробиологическим синтезом из сахарозы, уксусной кислоты, метанола, углеводородов, ферментативным синтезом из предшественников и органическим синтезом (включая асимметрический синтез для оптически активных соединений). Различают синтетическую пищу, получаемую из синтезируемых веществ, например диеты для лечебного питания, комбинированные продукты из натуральных продуктов с искусственными пищевыми добавками, такие, как колбасно-сосисочные изделия, фарш, паштеты, и аналоги пищевых продуктов, имитирующие какие-либо натуральные продукты, — скажем, черную икру.

Плазмохимия изучает химические процессы в низкотемпературной плазме. Низкотемпературной принято считать плазму с температурой 10³–10⁵ К и степенью ионизации 10^–6–10^–1 получаемую в электродуговых, высокочастотных и СВЧ газовых разрядах, в ударных трубах, установках адиабатического сжатия и другими способами. В плазмохимии важно разделение низкотемпературной плазмы на квазиравновесную, которая существует при давлениях порядка атмосферного и выше, и неравновесную, которая получается при давлении менее 30 кПа и в которой температура свободных электронов значительно превышает температуру молекул и ионов. Это разделение связано с тем, что кинетические закономерности квазиравновесных процессов определяются только высокой температурой взаимодействующих частиц, тогда как специфика неравновесных процессов обусловлена большим вкладом химических реакций, инициируемых «горячими» электронами. Примером плазмохимической технологии служит: синтез ацетилена из природного газа (электродуговая печь, 1600°С): 2CH₄ = С₂Н₂ + ЗН₂.

Прикладная химия. За этим нейтральным словом скрывается самая зловещая химия — химия для войны. Обслуживает в основном нужды военно-промышленного комплекса.

Радиохимия изучает поведение радиоактивных элементов, методы их выделения и концентрирования. Это научная основа получения высокоактивных материалов и регенерации ядерного горючего, разработки методов применения радионуклидов.

Радиационная химия — см. химия высоких энергий.

Сонохимия изучает химические реакции при воздействии ультразвука; это разновидность механохимии, проявляющаяся в жидкости: упругими волнами воздействуют на вещества, чтобы изменить их структуру и свойства. Главный инструмент сонохимии — кавитация, образование в жидкой среде массы пульсирующих пузырьков. Давление в них возрастает до 800 МПа, температура (по теоретическим оценкам) — до 7400 К, образуются электрические разряды, проходит ионизация, возникает явление сонолюминисценции — звук превращается в свет. Оценки показывают, что при сонолюминесценции происходит концентрация энергии в триллион раз, то есть на 12 порядков! Отсюда берет начало одна из заманчивых возможностей ультразвука в жидкости — «пузырьковый термояд».

Спиновая химия — см. магнетохимия.

Стереохимия изучает пространственное строение молекул и его влияние либо на химические свойства (статическая стереохимия), либо на скорость и направление реакций (динамическая стереохимия).

Судебная химия — часть прикладной, преимущественно аналитической химии в широком смысле слова. Это почти необъятная область по изобилию и разнообразию решаемых ею задач, ибо всякое химическое исследование, в сущности, может быть способом судебно-химической экспертизы. Она включает в себя исследование воздуха, воды, почвы, пищевых и вкусовых припасов, предметов потребления, человеческих секретов и экскретов, подозрительных кровяных и семенных пятен, различных технических препаратов, рукописных и напечатанных документов, сырых и обработанных лекарственных веществ. Но и при узком толковании, когда под судебной химией подразумевают ту часть аналитической химии, которая специально занимается открытием ядов при умышленных и неумышленных отравлениях, область судебной химии остается весьма обширной, так как само понятие «яд» представляется чрезвычайно растяжимым. Очевидна связь судебной химии не только с токсикологией и фармакологией, но и с терапией и физиологией. Для окончательного решения вопросов, возникающих при судебно-химических исследованиях о предполагаемых отравлениях, нельзя ограничиваться указаниями на присутствие или отсутствие тех или других ядов, но необходимо установить или исключить зависимость или даже причинную связь между найденным ядом и результатами, подмеченными при вскрытии трупа, выяснить — поскольку результаты могут обусловливаться изменениями, наступившими после смерти; необходимо, наконец, решить крайне важный вопрос о том, может ли обнаруженный яд или выделенное ядовитое вещество вызывать именно те симптомы, что наблюдали при жизни. Здесь врач и химик дополняют друг друга.

Супрамолекулярная химия означает химию, описывающую сложные образования, которые представляют собой результат ассоциации двух (или более) химических частиц, связанных вместе межмолекулярными силами. Ее главные объекты — супрамолекулярные устройства и ансамбли. Устройства — это структурно организованные системы, молекулярные компоненты которых обладают определенными электро-, ионо-, фото-, термохимическими и другими свойствами. Клатратная химия — самая передовая часть супрамолекулярной химии.

Термохимия изучает тепловые явления, сопровождающие химические реакции. Термохимические данные (значения теплоты образования и сгорания химических соединений, тепловых эффектов реакций) используют в химической технологии, при расчетах тепловых балансов процессов. Они же служат расчетной основой химической термодинамики.

Техническая химия. Сюда можно отнести текстильную химию, химию обработки материалов, химию стекла (а это оптическая промышленность — «глаза» микроскопистов, военных и астрономов), химические аспекты экономики. Элементы технической химии можно найти в XV—XVII веках. В середине XV века была разработана технология воздуходувных горнов. Нужды военной промышленности стимулировали работы по улучшению технологии производства пороха. Выходили фундаментальные труды по производству металлов и различных материалов, используемых в строительстве, при изготовлении стекла, крашении тканей, для сохранения пищевых продуктов, выделки кож. С расширением потребления спиртных напитков совершенствовались методы перегонки, конструировались новые перегонные аппараты. Появились многочисленные производственные лаборатории, прежде всего металлургические. Среди химиков-технологов того времени можно упомянуть Ван-ноччо Бирингуччо (1480–1539), чей классический труд «О пиротехнике» был напечатан в Венеции в 1540 году и содержал десять книг. В них шла речь о рудниках, испытании минералов, приготовлении металлов, перегонке, военном искусстве и фейерверках. Другой известный трактат, «О горном деле и металлургии», написал Георг Агрикола (1494–1555).

Топохимия изучает твердофазные реакции, протекающие в определенных участках твердого тела. Путь топохимии проходит от обжига минерального сырья до молекулярно-лучевой эпитаксии (ориентированного роста одного кристалла на поверхности другого), которую активно применяют в микроэлектронике. Ориентированный рост кристалла внутри объема другого называют эндотаксией. Эндотаксия наблюдается, например, при кристаллизации, коррозии.

Углехимия изучает происхождение, состав, строение, свойства твердых горючих ископаемых, а также методы их переработки. Основная задача углехимии — разработка технологий получения из угля, продуктов его переработки и другого углеродсодержащего сырья новых углеродных материалов и адсорбентов.

Фармакохимия (фармацея) изучает приготовление лекарственных веществ, действующих на организм человека и животных. Проверка их безопасности тоже входит в число задач фармакохимии. Из 400 химических соединений, предлагаемых в качестве лекарств, после испытаний принимается только одно!

Фемтохимия — возможность наблюдать за протеканием элементарных химических реакций в фемтосекундном временном диапазоне (10^–15–10^–12 с). Эти времена гораздо меньше периода колебаний атомов в молекулах (10^–13–10^–11 с). Благодаря такому соотношению времен фемтохимия «видит» саму химическую реакцию — как перемещаются во времени и в пространстве атомы, когда молекулы-реагенты преобразуются в молекулы продуктов. Это прямой путь исследования механизмов химических реакций, а значит, и способ управления реакциями. Успехи, достигнутые при использовании фемтосекундных импульсов, привели к открытию другой науки — фемтобиологии.

Физическая химия — наука об общих законах, определяющих строение и химические превращения веществ при изменяющихся внешних условиях. Говорят, что химики работают чистыми методами с грязными веществами, физики — грязными методами с чистыми веществами, ну а физические химики — грязными методами с грязными веществами, то есть исследуют химические явления физическими методами. Вначале это было весовой и объемный анализы, ощущение вкуса и запаха, измерение тепла и цвета. Потом пришли Р. В. Бунзен и Г. Кирхгоф со спектральным анализом, и пошло-поехало. Достижением на рубеже веков стало осознание того факта, что мир веществ скорее неравновесен, чем равновесен. Кроме того, в физхимии сплошь и рядом нарушаются законы арифметики. Вот типичный пример: 50 мл H₂O + 50 мл C₂H₅OH = 96 мл водки + тепло.

Физическая органическая химия уделяет особое внимание исследованию механизмов органических реакций, а также количественной взаимосвязи между химическим строением органических соединений, их свойствами и реакционной способностью. Одно из достижений — открытие и доведение до практического использования стабильных радикалов, которые нашли применение в различных областях науки и техники в качестве спиновых меток, у которых неспаренный электрон служит источником сигнала электронного парамагнитного резонанса, ЭПР.

Фитохимия. Ее забота — создание высокоэффективных лекарственных препаратов на основе веществ растительного происхождения. Другое направление — экологически чистые средства защиты растений. Путь лекарства начинается в лаборатории либо химика-органика, либо фитохимика. Первый создает пока еще не исследованные соединения, второй выделяет вещества из растений. Затем созданные или выделенные вещества передают фармакологу. Он определяет, обладают ли эти вещества нужным эффектом. Чтобы найти активное соединение, применяют два метода. Первый — скрининг, то есть просеивание — перебор имеющихся веществ без предположения о том, с какой именно структурой нужно вещество. Впервые скрининг применил в начале XX столетия П. Эрлих для получения противосифилитических средств на основе органических соединений мышьяка. Второй — направленный синтез: исследователь постепенно накапливает материал, показывающий, какие химические радикалы или иные структуры ответственны за тот или иной вид действия. Природные молекулы растительного происхождения служат моделями для синтеза полезных соединений. Пример такого соединения — салициловая кислота, выделенная из коры ивы. На ее основе было создано такое популярное лекарство, как аспирин (ацетилсалициловая кислота). В настоящее время, несмотря на огромные успехи химиков-синтетиков, из растений получают более трети лекарственных препаратов. Структура многих из них настолько сложна (винбластин, сердечные гликозиды, кокаин, резерпин, хинин, колхицин, пилокарпин), что растения еще долго будут их единственным источником.

Фотохимия изучает реакции, возбуждаемые светом. Практическая фотохимия — фотография, изготовление печатных форм и микросхем методами фотолитографии, фотохимический синтез (например, капролактама). Самый значимый для Земли природный фотохимический процесс — фотосинтез, превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ.

Химическая технология — это наука о методах и средствах рациональной химической переработки сырья, полуфабрикатов и промышленных отходов. Неорганическая химическая технология включает переработку минерального сырья (кроме металлических руд), получение кислот, щелочей, минеральных удобрений. Органическая химическая технология — переработку нефти, угля, природного газа и других горючих ископаемых, получение синтетических полимеров, красителей, лекарственных средств и других веществ.

Химическая физика изучает электронную структуру молекул и твердых тел, молекулярные спектры, элементарные акты химических реакций, процессы горения и взрыва. Сформировалась в 20-х годах XX века в связи с развитием квантовой механики и использованием ее представлений в химии. Граница между химической физикой и физической химией условна, а термин ввел немецкий химик А. Эйкен в 1930 году. Одно из достижений химической физики — теория разветвленных цепных реакций.

Химическое вооружение — боевые отравляющие вещества, средства их применения (ракеты, снаряды, мины, авиационные бомбы и прочие), нейтрализации и защиты. Применение химического оружия запрещено Женевским протоколом 1925 года, который ратифицировали свыше 100 государств. Однако его разработка, производство и накопление в некоторых странах продолжаются до сих пор.

Химия высоких энергий изучает химические реакции и превращения, происходящие в веществе под воздействием нетепловой энергии. Носители нетепловой энергии, воздействующей на вещество, — ускоренные электроны и ионы, быстрые и медленные нейтроны, альфа- и бета-частицы, позитроны, мюоны, пионы, атомы и молекулы при сверхзвуковых скоростях, кванты электромагнитного излучения, а также импульсные электрические, магнитные и акустические поля. Процессы химии высоких энергий различают по временным стадиям на физические, протекающие за фемтосекунды и менее, причем в течение этого времени нетепловая энергия распределяется в среде неравномерно и образуется «горячее пятно», физико-химические, в течение которых проявляются неравновесность и негомогенность в «горячем пятне», и, наконец, химические, в которых превращения вещества подчиняются законам общей химии. В результате образуются такие ионы и возбужденные состояния атомов и молекул, которые при комнатной температуре не могут возникнуть за счет равновесных процессов.

Химия высокомолекулярных соединений — раздел органической химии, объектами исследования которой служат макромолекулы синтетического и природного происхождения, состоящие из повторяющихся мономерных звеньев или молекулярных группировок, соединенных химическими связями и содержащих в главной цепи атомы углерода, а также кислорода, азота и серы. На основе высокомолекулярных соединений (полимеров) разрабатываются многочисленные материалы, в том числе интеллектуальные структуры, с функциональными ингредиентами, что существенно расширяет область их применения. Самая простая макромолекула — это полиэтилен:

...—CH₂—CH₂—CH₂—CH₂—CH₂—CH₂—CH₂—...

Химия катализа изучает вещества, изменяющие скорость химических реакций. Катализатор не находится в стехиометрических отношениях с продуктами и регенерируется после каждого цикла превращения реагентов в продукты. Несмотря на появление новых способов активации молекул (плазмохимия, радиационное и лазерное воздействия и другие), катализ — основа химических производств (относительная доля каталитических процессов составляет 80–90%).

«Химия», на которую можно отправить. В 1963 году ЦК КПСС принял курс на химизацию народного хозяйства. Стал популярным лозунг: «Коммунизм есть советская власть плюс электрификация всей страны, плюс химизация народного хозяйства». На фронте химизации ударный корпус составили условно-досрочно освобожденные заключенные. В этой связи в народе называли «химией» условно-досрочное освобождение, условное осуждение с обязательным привлечением к труду. Включает этапирование в спецкомендатуру, где заключенный обязан проживать в спецобщежитии и работать на указанном предприятии. Новый гуманный Уголовный кодекс предусматривает альтернативные виды наказания за незначительные преступления: штрафы, общественные работы по месту жительства.

Химия силикатов — солей кремниевых кислот. Роль катионов в силикатах играют элементы второго, третьего и четвертого периодов таблицы Д. И. Менделеева. В природе силикаты представлены в виде минералов, входят в состав большинства горных пород, слагающих основную часть земной коры. Тесно примыкает керамика, изделия и материалы, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также оксидов и других неорганических соединений.

Химия природных соединений изучает методы получения, строение и свойства природных биоорганических соединений класса углеводов, а также их синтетических аналогов. Например, аромат кофе содержит до 500 различных компонентов. Химия чая — это также химия природных соединений. Работы немецкого химика А. Байера, изучавшего строение и синтез индиговых производных (индол и синтез природного красителя синего индиго — это цвет классических джинсов), привели к созданию химии синтетических красителей и к Нобелевской премии 1905 года «за заслуги в развитии органической химии и химической промышленности благодаря работам по органическим красителям и гидроароматическим соединениям». Это было началом огромной отрасли производства анилиновых красителей.

Химия твердого тела изучает реакции, в которых участвует одно или несколько веществ в твердом состоянии. Находит применение в микроэлектронике, синтезе новых материалов (керметов, сверхпроводников). Один из ярких примеров — самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). Современное развитие метода СВС позволило разработать технологии получения сверхтвердых и тугоплавких материалов, таких, как нитрид титана, карбид бора, диборид титана, карбид титана, а также оксидных материалов для футеровки печей (оксид циркония) и даже высокотемпературных сверхпроводников.

Химия элементоорганических соединений — наука о строении и превращениях соединений, содержащих химические связи «элемент-углерод», где «элемент» — любой из элементов Периодической таблицы, за исключением H, O, S, CI, Вг. Основные классы элементоорганических соединений — металлоорганические, кремнийорганические, борорганические, фосфорорганические, фторорганические соединения. Металлоорганические соединения (МОС) содержат в молекуле связь «металл—углерод» (М—С). Цианиды, карбиды, а в некоторых случаях и карбонилы металлов, также имеющие связь М—С, считают неорганическими соединениями. К МОС иногда относят органические соединения B, Al, Si и некоторых неметаллов. Гем — самое известное и полезное природное металлоорганическое соединение — переносчик кислорода в человеческом организме.

В химии живых организмов роль элементоорганических соединений еще не совсем ясна, тем не менее можно с уверенностью сказать, что соединения кремния, фосфора и других элементов играют важную роль в жизнедеятельности живых организмов, стоящих на высоком уровне эволюционного развития, в частности человека.

Исследователи работают над синтезом полимеров с 45 элементами Периодической системы. Оказалось, что В, Al, Si, Ti, Sn, Pb, P, As, Sb, Fe в сочетании с кислородом и азотом способны образовывать неорганические цепи полимерных молекул с боковыми органическими и органосилоксановыми группами.

Прикладные аспекты химии элементоорганических соединений направлены на создание новых веществ и материалов для медицины (лекарственные препараты, материалы для протезирования, шовные нити), радиоэлектроники (фото- и светочувствительные материалы, полупроводники, ферромагнетики), сельского хозяйства (стимуляторы роста растений, пестициды, гербициды) и других отраслей промышленности (катализаторы, регуляторы горения моторных топлив).

Цитохимия изучает химическими методами строение и функции клеток, внутриклеточных структур и продуктов их жизнедеятельности.

Электрохимия изучает свойства систем, содержащих подвижные ионы, а также явления, возникающие на границе двух фаз вследствие переноса заряженных частиц. Это нужно для электролиза, гальванотехники, защиты металлов от коррозии и создания химических источников тока. Электрические аккумуляторы, химические источники тока многократного действия — бытовое воплощение электрохимии.

Ядерная химия — пограничный раздел между ядерной физикой, радиохимией и химической физикой. Изучает взаимосвязь между превращениями атомных ядер и строением электронных оболочек атомов и молекул. Иногда ядерную химию неправильно отождествляют с радиохимией. В ней можно выделить исследование ядерных реакций и химических последствий ядерных превращений, химию «новых атомов» — позитроний (Ps), мюоний (Мu), поиск новых элементов и радионуклидов, новых видов радиоактивного распада.