Этот взгляд на катализ сохраняется и сегодня. Он помог объяснить механизм действия ферментов, управляющих химическими реакциями в живых тканях.
В 1888 году А. Ле Шателье открыл правило, получившее название принципа Ле Шателье. Согласно этому правилу, любое смещение системы в таком направлении, которое уменьшает первоначальное изменение. Как оказалось, химическая термодинамика Гиббса четко объясняла принцип Ле Шателье.
Новые исследования в области физической химии показали, что химические реакции связаны не только с теплом, как таковым, а скорее с энергией вообще.
В XIX веке начинает развиваться фотохимия – область химии, изучающая индуцируемые светом реакции. Среди ее достижений изобретение фотографии, использование света как катализатора и последующие фотохимические цепные реакции и т.д.
Ионная диссоциация. Крупнейшим физико - химиком на рубеже XIXXX вв. наряду с Вант-Гоффом и Оствальдом был шведский ученый Сванте Август Аррениус. Еще будучи студентом, он заинтересовался электролитами, т.е. растворами, способными пропускать электрический ток. Аррениус пришел к мысли, что при растворении в растворителях, подобных воде, определенная часть молекул распадается на отдельные атомы. Более того, поскольку эти распавшиеся молекулы проводят электрический ток, Аррениус предположил, что молекулы распадаются не на обычные атомы, а на атомы, несущие электрический заряд. Это составило основу теории ионной диссоциации. С помощью этой теории ионной диссоциации Аррениус объяснил многие электро- химические явления. В 1889 году Аррениус выдвинул другую плодотворную идею. Он указал, что молекулы, сталкиваясь, не реагируют, если не обладают определенным минимумом энергии, иначе говоря, энергией активации. При малой энергии активации реакции проходят быстро и беспрепятственно, при высокой энергии активации реакция может протекать с бесконечно малой скоростью.
Синтетическая органическая химия
Первая половина XIX века ознаменовалась развитием новой области химии – синтетической органической химии. Химики начали соединять в цепи органические молекулы. Уильям Генри Перкин пытался получить хинин – ценное лекарственное средство против малярии. Однажды обработав анилин бихроматом калия, разочарованный результатом Перкин уже собрался выбросить полученную массу, как вдруг заметил, что она приобрела пурпурный оттенок. Перкин добавил спирт и извлек из реакционной смеси вещество, окрасившее спирт в великолепный пурпурный цвет.
Перкин понял, что у него в руках краситель. Впоследствии он первым организовал промышленное производство синтетического красителя и быстро разбогател.
Несколько лет спустя после поразительного успеха Перкина химики познакомились со структурными формулами органических соединений. Эти формулы могли помочь подобрать методы, позволяющие синтезировать новые органические соединения не случайно, а уже целенаправленно. Так в 1867г. Адольф Байер синтезировал индиго, в 1868г. Карл Гребе синтезировал важный природный краситель – ализарин.
Вслед за Перкином химики начали синтезировать соединения все возрастающей сложности. Синтез обычно позволял установить молекулярное строение, что всегда представляло огромный теоретический, а иногда и практический интерес.
Эти и подобные им достижения заложили основы теории и технологии прикладной химии, благодаря успехам которой наша жизнь преобразилась столь значительным образом и продолжает преображаться в еще более ускоренном темпе.
Шотландский химик Томас Грэхем изучал диффузию, в частности диффузию растворенных веществ. Он обнаружил, что растворы веществ, подобных соли, сахару проходят через разделяющую перегородку из пергаментной бумаги. Соединения, способные проходить через поры пергамента Грэхем назвал кристаллоидами. Соединения другой группы, не способные проходить через поры пергамента, он назвал коллоидами. Наука о гигантских молекулах стала впоследствии важным разделом коллоидной химии, которой Грэхем положил начало.
Взрывчатые вещества. Молекулы-гиганты не избежали преобразующей руки химика. В 1845 году Х.Ф.Шенбайн, случайно превратил целлюлозу в нитроцеллюлозу. Нитрогруппы послужили внутренним источником кислорода, и при нагревании целлюлоза сразу же полностью окислилась.
Шенбайн понял важность сделанного им открытия. На основе нитроцеллюлозы (нитроклетчатки) можно было получить «бездымный порох».
Однако наладить производство нитроклетчатки для военных целей долгое время не удавалось: фабрики, как правило, взрывались. Только в 1891г. Дьюару и английскому химику Фредерику Аугустусу Абелю удалось получить безопасную смесь, назвав ее кордитом.
В состав кордита кроме нитроклетчатки входит также нитроглицерин (мощное взрывчатое вещество), который был получен в 1847г. итальянским химиком Асканио Собреро.
Производством нитроглицерина занялось семейство шведского изобретателя Альфреда Бернарда Нобеля (1833—1896). Когда в результате взрыва погиб брат Нобеля, он сосредоточил свои усилия на «усмирении» этого взрывчатого вещества. В 1866 г. Нобель обнаружил, что кизельгур может впитывать значительные количества нитроглицерина. Пропитанный нитроглицерином кизельгур можно было формовать в брикеты. Такие брикеты были совершенно безопасны в обращении, хотя пропитывающий кизельгур нитроглицерин сохранял свою разрушительную силу. Нобель назвал полученную им смесь динамитом.
Получение новых и более мощных по сравнению с черным порохом взрывчатых веществ в конце XIX в. положило начало гонке вооружений. Его применение для военных целей, как и разработка отравляющих газов во время первой мировой войны, отчетливо продемонстрировало, что задачи науки можно извратить и заставить ее служить целям разрушения. Наука, которая до конца XIX в. казалась средством создания на земле утопии, стала служить уничтожению.
Однако существует много направлений, позволяющих использовать молекулы-гиганты в мирных целях. Так, если полностью нитрованная целлюлоза – это взрывчатое вещество и может применяться только как таковое, то частично нитрованная целлюлоза (пироксилин) более безопасна в обращении, и ее можно применять не только в военных целях (производство пластмасс, различных волокон).
Одним из главных источников основных органических соединений, необходимых для производства новых синтетических продуктов, является нефть. Эта жидкость известна с античных времен, но чтобы использовать ее в больших количествах, необходимо было открыть способ выкачивания нефти из обширных подземных месторождений. Американский изобретатель Эдвин Лаурентин Дрейк первым в 1859 году начал бурить нефтяные скважины.
Новая металлургия. Хотя может показаться, что XIX век, особенно его вторая половина, был веком органической химии, неорганическая химия продолжала развиваться. Самые большие успехи в области прикладной неорганической химии связаны с получением металлов и прежде всего стали, производство которой было и остается наиболее важной статьей экономики любой промышленно развитой страны.
Сталь начали получать и широко использовать еще три тысячелетия назад, но только в середине XIX века был разработан способ, который обеспечивал массовое производство литой стали. Большая заслуга в этом принадлежит Генри Бессемеру.
Бессемер нашел способ удалить избыточный углерод из чугуна – пропустить через расплавленный металл струю воздуха. Металл при этом не охлаждался и не затвердевал; наоборот, в результате реакции углерода с кислородом выделялось тепло, и температура расплава повышалась. Прекращая в соответствующий момент подачу воздуха, Бессемер смог получить сталь.
В 1856 г. Бессемер опубликовал сообщение об изобретенном им конвертере. В результате сталь стала дешевой, и железный век уступил дорогу веку стальному. Значение стали трудно переоценить. Сталь — это современные небоскребы и подвесные мосты, сталь — это рельсы для поездов, сталь — это мощные боевые корабли и всесокрушающая артиллерия.
Впоследствии металлурги пытались улучшить свойства стали, добавляя в нее различные компоненты. Английский металлург Роберт Эббот Хэдфилд ввел в сталь марганец(12%) и она стала намного тверже, чем исходный металл. Хэдфилд запатентовал марганцевую сталь в 1882 году и с этого момента началось победное шествие легированных сталей.
Добавляя в сталь хром, молибден, ванадий, вольфрам и ниобий, металлурги получили богатый спектр легированных сталей, обладающих самыми различными свойствами.
В это же время начали находить применение и новые металлы, в частности алюминий — самый распространенный металл. Однако в природных соединениях он прочно связан с другими элементами. Лишь в 1855г. французский химик Анри Этьен Сен-Клер Де-вилль разработал приемлемый способ получения достаточных количеств довольно чистого алюминия. Однако и после этого стоимость его намного превышала стоимость стали; так, достаточно сказать, что из алюминия были сделаны такие «престижные» предметы, как погремушка сыну Наполеона III и головной убор статуи Вашингтона.
В 1886г. молодой американский студент-химик Чарльз Мартин Холл открыл, что оксид алюминия (глинозем) можно растворить в расплавленном минерале криолите. А получив раствор оксида, можно путем электролиза выделить и сам алюминий. В том же году французский металлург Поль Луи Туссен Эру (1863—1914) разработал по сути тот же метод получения алюминия. Метод Холла —Эру сделал алюминий настолько дешевым, что из него стали изготавливать даже кухонную посуду.