Химия органического твёрдого тела

Химия органического твердого тела (англ. — organic sold-state chemistry) – раздел химии твердого тела, изучающий всевозможные химические и физико-химические аспекты органических твердых тел (ОТТ), в частности, – их синтез, строение, свойства, реакционную способность, применение и др. ^{[1] [2]}

История развития

В отдельный раздел науки химия твердого тела (ХОТТ) выделилась после работ Китайгородского А.И., установившего органические кристаллы как относительно самостоятельный тип кристаллов и сформулировавшего основные принципы органических кристаллических структур ^[3].

Органические твердые тела

В настоящее время к ОТТ относят не только кристаллические, но и аморфные тела, а также – любые иные, имеющие органическую природу и способность сохранять форму. Это – моно- и поликристаллы, жидкие кристаллы, порошки, в т.ч. – наноразмерные, полимеры и низкомолекулярные соединения и т.д.

Особенности ОТТ

В отличие от неорганических твердых тел, органические в среднем имеют низкие термическую устойчивость, плотность, электропроводность, механическую прочность и износостойкость. Превышение средних показателей наблюдается лишь у отдельных представителей ОТТ, что всегда является объектом отдельных исследований. В качестве примеров можно назвать полимеры: тефлон, обладающий высокой плотностью > 2 г\см³, химической и температурной устойчивостью до 300 С; кевлар - высокопрочный пуленепробиваемый материал.

Причиной особых свойств ОТТ является высокая распространенность слабых химических связей (ковалентная межатомная и когезионная межмолекулярная) в органических соединениях. Это в свою очередь проявляется в феномене высокой реакционной способности ОТТ при комнатной температуре.

В отдельных классах органических веществ реализуются относительно более сильные связи (ионная, донорно-акцепторная, элемент-углеродная), что и обусловливает их выделение в отдельные классы ОТТ, отличающихся более высокой проводимостью (например, соли), термоустойчивостью, механической прочностью и др.

Реакции ОТТ

К реакциям ОТТ обычно относят реакции типа "твердое - твердое", которые не сопровождаются изменением начального или конечного твердофазного состояния веществ, а также реакции типа "газ - твердое". Однако, для обеспечивания транспорта веществ необходимо образование промежуточных подвижных фаз (жидкость или газ).

В качестве примеров таких реакций можно привести топохимические реакции ^[4], в которых промежуточные подвижные фазы отсутствуют или представлены т.наз. "двумерной жидкостью". К ним относятся фотохимические реакции, реакции твердофазной полимеризации, изомеризации и др.. Таким способом могут быть получены уникальные кристаллические вещества, обладающих кристаллохимическим подобием с исходными реагентами.

Другим примером являются механохимические реакции, в которых взаимодействие веществ происходит на поверхности соприкасающихся твердых веществ, а образовавшийся продукт снимается посредством механического воздействия в специальных устройствах (мельницы, ступки), что приводит к периодическому обновлению активной поверхности и полному реагированию.

Примером реакций ОТТ, в которых образуются жидкие и газовые промежуточные фазы, является органический самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Эти фазы, запускающие химическую волновую реакцию, образуются посредством локального теплового импульса.

Применение ОТТ

ОТТ имеют всевозрастающее применение. Основной объем их использования создается твердыми полимерами, производство которых исчисляется миллионами тонн. Другие ОТТ производятся в существенно меньших количествах.

Другие области применения ОТТ — лекарства (порошки, таблетки), рабочие тела жидко-кристаллических мониторов, устройства записи информации, катализаторы (фталоцианины), химические сенсоры и др..

Относительно недавно обнаружены уникальные оптические свойства ОТТ, позволяющие широко применять их в качестве светоизлучающих устройств (OLED). Интенсивно ведутся поиски органических проводников, полупроводников, сверхпроводников и магнитов.

Примечания

1. ↑ Вест А. Химия твердого тела. Ч. 1,2. — М.: Мир, 1988.
2. ↑ Мелихов И. В. Физико-химическая эволюция твердого вещества. М.: Бином, 2006. - 309с.
3. ↑ Ч.Н.Р. Рао, Дж. Гопалакришнан, Новые направления в химии твердого тела, 1990, “Наука”, Сибирское отделение.
4. ↑ Thomas J.M., Morsi S.E., Desvergne J.P. Topochemical phenomena in organic solid-state chemistry. Adv. Phys. Org. Chem., v.15, 1977, p.63