Tarpusavio junginių virsmai, stebimi laukinėje gamtoje, taip pat atsirandantys dėl žmogaus veiklos, gali būti laikomi cheminiais procesais. Juose esantys reagentai gali būti dvi ar daugiau medžiagų, kurios yra toje pačioje arba skirtingos agregacijos būsenos. Pagal tai išskiriamos vienalytės arba nevienalytės sistemos. Šiame darbe bus nagrinėjamos vykdymo sąlygos, kurso ypatumai ir cheminių procesų vaidmuo gamtoje.
Ką reiškia cheminė reakcija
Jei dėl pradinių medžiagų sąveikos pakinta jų molekulių sudedamosios dalys, o atomų branduolių krūviai išlieka tokie patys, jie kalba apie chemines reakcijas ar procesus. Dėl jų srauto susidariusius produktus žmogus naudoja pramonėje, žemės ūkyje ir kasdieniame gyvenime. Didžiulis sąveikų skaičiustarp substancijų pasitaiko tiek gyvojoje, tiek negyvojoje gamtoje. Cheminiai procesai iš esmės skiriasi nuo fizinių reiškinių ir radioaktyvumo savybių. Juose susidaro naujų medžiagų molekulės, o fizikiniai procesai nekeičia junginių sudėties, o branduolinėse reakcijose atsiranda naujų cheminių elementų atomai.
Chemijos procesų įgyvendinimo sąlygos
Jie gali būti skirtingi ir visų pirma priklauso nuo reagentų pobūdžio, energijos antplūdžio iš išorės poreikio, taip pat nuo agregacijos būsenos (kietos medžiagos, tirpalai, dujos), kurioje vyksta procesas. Cheminis dviejų ar daugiau junginių sąveikos mechanizmas gali būti vykdomas veikiant katalizatoriams (pavyzdžiui, gaminant azoto rūgštį), temperatūrai (gaunant amoniaką), šviesos energijai (fotosintezei). Gyvojoje gamtoje dalyvaujant fermentams, plačiai paplitę maisto ir mikrobiologijos pramonėje naudojami fermentacijos (alkoholio, pieno rūgšties, sviesto) cheminės reakcijos procesai. Norint gauti produktus organinės sintezės pramonėje, viena iš pagrindinių sąlygų yra cheminio proceso laisvųjų radikalų mechanizmas. Pavyzdys galėtų būti metano chloro darinių (dichlormetano, trichlormetano, anglies tetrachlorido, atsirandančių dėl grandininių reakcijų) gamyba.
Homogeninė katalizė
Jie yra specialūs dviejų ar daugiau medžiagų kontakto tipai. Cheminių procesų, vykstančių vienalytėje fazėje (pavyzdžiui, dujos - dujos), dalyvaujant greitintuvams, esmėreakcijos, susidedančios iš reakcijų vykdymo visame mišinių tūryje. Jei katalizatorius yra tokios pat agregacijos būsenos kaip ir reagentai, jis sudaro judrius tarpinius kompleksus su pradiniais junginiais.
Homogeninė katalizė yra pagrindinis cheminis procesas, naudojamas, pavyzdžiui, perdirbant naftą, benziną, benziną, gazolį ir kitą kurą. Jame naudojamos tokios technologijos kaip reformavimas, izomerizacija, katalizinis krekingas.
Heterogeninė katalizė
Heterogeninės katalizės atveju reagentų kontaktas dažniausiai vyksta ant paties katalizatoriaus kieto paviršiaus. Ant jo susidaro vadinamieji aktyvieji centrai. Tai yra sritys, kuriose reaguojančių junginių sąveika vyksta labai greitai, tai yra, reakcijos greitis yra didelis. Jie yra specifiniai rūšiai ir atlieka svarbų vaidmenį, jei gyvose ląstelėse vyksta cheminiai procesai. Tada jie kalba apie medžiagų apykaitą – medžiagų apykaitos reakcijas. Heterogeninės katalizės pavyzdys yra pramoninė sulfato rūgšties gamyba. Kontaktiniame aparate dujinis sieros dioksido ir deguonies mišinys kaitinamas ir praleidžiamas per grotelių lentynas, užpildytas dispersiniais vanadžio oksido arba vanadilo sulfato milteliais VOSO4. Tada gautas produktas, sieros trioksidas, yra absorbuojamas koncentruotos sieros rūgšties. Susidaro skystis, vadinamas oleumu. Jį galima skiesti vandeniu, kad gautųsi norima sulfato rūgšties koncentracija.
Termocheminių reakcijų ypatybės
Energijos išsiskyrimas arba įsisavinimas šilumos pavidalu turi didelę praktinę reikšmę. Užtenka prisiminti kuro degimo reakcijas: gamtines dujas, anglis, durpes. Tai fiziniai ir cheminiai procesai, kurių svarbi charakteristika yra degimo šiluma. Šiluminės reakcijos plačiai paplitusios tiek organiniame pasaulyje, tiek negyvojoje gamtoje. Pavyzdžiui, virškinimo procese b altymai, lipidai ir angliavandeniai skaidomi veikiant biologiškai aktyvioms medžiagoms – fermentams.
Išsiskyrusi energija kaupiama ATP molekulių makroerginių ryšių pavidalu. Disimiliacijos reakcijas lydi energijos išsiskyrimas, kurios dalis išsisklaido šilumos pavidalu. Virškinimo rezultate kiekvienas b altymų gramas suteikia 17,2 kJ energijos, krakmolas – 17,2 kJ, riebalai – 38,9 kJ. Cheminiai procesai, išskiriantys energiją, vadinami egzoterminiais, o sugeriantys – endoterminiais. Organinės sintezės pramonėje ir kitose technologijose skaičiuojami termocheminių reakcijų šiluminiai efektai. Svarbu tai žinoti, pavyzdžiui, norint teisingai apskaičiuoti energijos kiekį, sunaudojamą reaktoriams ir sintezės kolonėlėms, kuriose vyksta reakcijos kartu su šilumos absorbcija, šildyti.
Kinetika ir jos vaidmuo cheminių procesų teorijoje
Reaguojančių dalelių (molekulių, jonų) greičio skaičiavimas yra svarbiausia pramonės užduotis. Jo sprendimas užtikrina ekonominį efektą ir technologinių ciklų pelningumą chemijos gamyboje. Dėl padidinimotokios reakcijos greitis, kaip amoniako sintezė, lemiami veiksniai bus slėgio pokytis azoto ir vandenilio dujų mišinyje iki 30 MPa, taip pat staigaus temperatūros padidėjimo prevencija (temperatūra yra 450–550 °C yra optimalus).
Sulfatinės rūgšties gamyboje naudojami cheminiai procesai, būtent: piritų deginimas, sieros dioksido oksidacija, sieros trioksido absorbcija oleume, atliekami įvairiomis sąlygomis. Tam naudojama pirito krosnis ir kontaktiniai įtaisai. Juose atsižvelgiama į reagentų koncentraciją, temperatūrą ir slėgį. Visi šie veiksniai koreliuoja, kad reakcija vyktų didžiausiu greičiu, o tai padidina sulfatinės rūgšties išeigą iki 96–98%.
Medžiagų ciklas kaip fizikiniai ir cheminiai procesai gamtoje
Gerai žinomas posakis „Judėjimas yra gyvenimas“taip pat gali būti taikomas cheminiams elementams, kurie įsijungia į įvairias sąveikas (derinimo, pakeitimo, skilimo, mainų reakcijas). Cheminių elementų molekulės ir atomai nuolat juda. Kaip nustatė mokslininkai, visas aukščiau išvardytas cheminių reakcijų rūšis gali lydėti fizikiniai reiškiniai: šilumos išsiskyrimas ar jos sugertis, šviesos fotonų emisija, agregacijos būsenos pasikeitimas. Šie procesai vyksta kiekviename Žemės apvalkale: litosferoje, hidrosferoje, atmosferoje, biosferoje. Svarbiausi iš jų yra medžiagų, tokių kaip deguonis, anglies dioksidas ir azotas, ciklai. Kitoje antraštėje apžvelgsime, kaip azotas cirkuliuoja atmosferoje, dirvožemyje irgyvi organizmai.
Azoto ir jo junginių tarpusavio konversija
Gerai žinoma, kad azotas yra būtinas b altymų komponentas, o tai reiškia, kad jis dalyvauja formuojantis visų rūšių žemiškosios gyvybės formavimuisi be išimties. Azotą augalai ir gyvūnai pasisavina jonų pavidalu: amonio, nitratų ir nitritų jonais. Dėl fotosintezės augaluose susidaro ne tik gliukozė, bet ir aminorūgštys, glicerolis, riebalų rūgštys. Visi aukščiau išvardyti cheminiai junginiai yra reakcijų, vykstančių Kalvino cikle, produktai. Išskirtinis rusų mokslininkas K. Timiriazevas kalbėjo apie kosminį žaliųjų augalų vaidmenį, be kita ko, turėdamas omenyje jų gebėjimą sintetinti b altymus.
Žolėdžiai peptidus gauna iš augalinio maisto, o mėsėdžiai – iš grobio mėsos. Augalų ir gyvūnų liekanų irimo metu, veikiant saprotrofinėms dirvožemio bakterijoms, vyksta sudėtingi biologiniai ir cheminiai procesai. Dėl to azotas iš organinių junginių pereina į neorganinę formą (susidaro amoniakas, laisvas azotas, nitratai ir nitritai). Grįžtant į atmosferą ir dirvožemį, visas šias medžiagas vėl pasisavina augalai. Azotas patenka per lapų odelės stomatas, o azoto ir azoto rūgščių tirpalus bei jų druskas pasisavina augalų šaknų plaukeliai. Azoto virsmo ciklas užsidaro, kad vėl pasikartotų. Cheminių procesų, vykstančių su azoto junginiais gamtoje, esmę XX amžiaus pradžioje išsamiai ištyrė rusų mokslininkas D. N. Pryanishnikovas.
Pultelinė metalurgija
Šiuolaikiniai cheminiai procesai ir technologijos labai prisideda prie unikalių fizinių ir cheminių savybių medžiagų kūrimo. Tai ypač svarbu, visų pirma, naftos perdirbimo gamyklų, įmonių, gaminančių neorganines rūgštis, dažus, lakus, plastikus, prietaisams ir įrangai. Jų gamyboje naudojami šilumokaičiai, kontaktiniai įtaisai, sintezės kolonos, vamzdynai. Įrangos paviršius liečiasi su agresyviomis terpėmis esant aukštam slėgiui. Be to, beveik visi cheminės gamybos procesai yra atliekami aukštoje temperatūroje. Aktualu yra medžiagų, pasižyminčių dideliu atsparumu šiluminiam ir rūgštims bei antikorozinėms savybėms, gamyba.
Miltelinė metalurgija apima metalo turinčių miltelių gamybą, sukepinimą ir įterpimą į šiuolaikinius lydinius, naudojamus reakcijose su chemiškai agresyviomis medžiagomis.
Kompozitai ir jų reikšmė
Tarp šiuolaikinių technologijų svarbiausi cheminiai procesai yra kompozicinių medžiagų gavimo reakcijos. Tai putos, kermetai, norpapalstai. Kaip gamybos matrica naudojami metalai ir jų lydiniai, keramika, plastikai. Kaip užpildai naudojami kalcio silikatas, b altasis molis, stroncio ir bario feridai. Visos aukščiau išvardytos medžiagos suteikia kompozitinėms medžiagoms atsparumą smūgiams, karščiui ir dilimui.
Kas yra chemijos inžinerija
Mokslo šaka, tirianti žaliavų: naftos, gamtinių dujų, anglies, mineralų reakcijose naudojamas priemones ir būdus, buvo vadinama chemine technologija. Kitaip tariant, tai mokslas apie cheminius procesus, vykstančius dėl žmogaus veiklos. Visą jo teorinę bazę sudaro matematika, kibernetika, fizikinė chemija ir pramonės ekonomika. Nesvarbu, koks cheminis procesas vyksta technologijoje (nitratų rūgšties gavimas, kalkakmenio skaidymas, fenolio-formaldehido plastikų sintezė) – šiuolaikinėmis sąlygomis tai neįmanoma be automatizuotų valdymo sistemų, palengvinančių žmogaus veiklą, pašalinančių aplinkos taršą, užtikrinančių. nuolatinės ir be atliekų cheminės gamybos technologija.
Šiame darbe nagrinėjome cheminių procesų, vykstančių laukinėje gamtoje (fotosintezė, disimiliacija, azoto ciklas), ir pramonėje, pavyzdžius.
