Vzájomné premeny zlúčenín pozorované u voľne žijúcich živočíchov, ako aj vyskytujúce sa v dôsledku ľudskej činnosti, možno považovať za chemické procesy. Reagencie v nich môžu byť buď dve alebo viac látok, ktoré sú v rovnakom alebo v rôznom stave agregácie. V závislosti od toho sa rozlišujú homogénne alebo heterogénne systémy. Podmienky vedenia, vlastnosti kurzu a úloha chemických procesov v prírode budú zvážené v tomto článku.
Čo znamená chemická reakcia
Ak v dôsledku interakcie počiatočných látok prechádzajú základné časti ich molekúl zmenami a náboje jadier atómov zostávajú rovnaké, hovorí sa o chemických reakciách alebo procesoch. Produkty vznikajúce ich tokom využíva človek v priemysle, poľnohospodárstve a každodennom živote. Obrovské množstvo interakciímedzi látkami dochádza v živej aj neživej prírode. Chemické procesy majú zásadný rozdiel od fyzikálnych javov a vlastností rádioaktivity. Vznikajú v nich molekuly nových látok, pričom fyzikálne procesy nemenia zloženie zlúčenín a pri jadrových reakciách vznikajú atómy nových chemických prvkov.
Podmienky implementácie procesov v chémii
Môžu byť rôzne a závisia predovšetkým od povahy činidiel, potreby prílevu energie zvonku, ako aj od stavu agregácie (pevné látky, roztoky, plyny), v ktorom sa proces vyskytuje. Chemický mechanizmus interakcie medzi dvoma alebo viacerými zlúčeninami sa môže uskutočniť pôsobením katalyzátorov (napríklad výroba kyseliny dusičnej), teploty (získanie amoniaku), svetelnej energie (fotosyntéza). Za účasti enzýmov v živej prírode sú rozšírené procesy chemickej reakcie fermentácie (alkohol, kyselina mliečna, maslová), používané v potravinárskom a mikrobiologickom priemysle. Na získanie produktov v priemysle organickej syntézy je jednou z hlavných podmienok prítomnosť mechanizmu voľných radikálov v chemickom procese. Príkladom môže byť výroba chlórových derivátov metánu (dichlórmetán, trichlórmetán, tetrachlórmetán, vznikajúce pri reťazových reakciách.
Homogénna katalýza
Sú to špeciálne typy kontaktu medzi dvoma alebo viacerými látkami. Podstata chemických procesov prebiehajúcich v homogénnej fáze (napríklad plyn - plyn) za účasti urýchľovačovreakcie, spočívajú v uskutočňovaní reakcií v celom objeme zmesí. Ak je katalyzátor v rovnakom stave agregácie ako reaktanty, tvorí mobilné intermediárne komplexy s východiskovými zlúčeninami.
Homogénna katalýza je základný chemický proces používaný napríklad pri rafinácii ropy, benzínu, ťažkého benzínu, plynového oleja a iných palív. Využíva technológie ako reformovanie, izomerizácia, katalytické krakovanie.
Heterogénna katalýza
V prípade heterogénnej katalýzy dochádza ku kontaktu reaktantov najčastejšie na pevnom povrchu samotného katalyzátora. Vytvárajú sa na ňom takzvané aktívne centrá. Sú to oblasti, kde interakcia reagujúcich zlúčenín prebieha veľmi rýchlo, to znamená, že rýchlosť reakcie je vysoká. Sú druhovo špecifické a zohrávajú dôležitú úlohu aj vtedy, ak v živých bunkách prebiehajú chemické procesy. Potom sa hovorí o metabolizme – metabolických reakciách. Príkladom heterogénnej katalýzy je priemyselná výroba sulfátovej kyseliny. V kontaktnom zariadení sa plynná zmes oxidu siričitého a kyslíka zahrieva a vedie cez mriežkové police naplnené dispergovaným práškom oxidu vanádu alebo síranu vanadylu VOSO4. Výsledný produkt, oxid sírový, sa potom absorbuje koncentrovanou kyselinou sírovou. Vzniká kvapalina nazývaná oleum. Môže sa zriediť vodou, aby sa získala požadovaná koncentrácia kyseliny síranovej.
Funkcie termochemických reakcií
Uvoľňovanie alebo absorpcia energie vo forme tepla má veľký praktický význam. Stačí pripomenúť spaľovacie reakcie paliva: zemný plyn, uhlie, rašelina. Sú to fyzikálne a chemické procesy, ktorých dôležitou charakteristikou je spaľovacie teplo. Tepelné reakcie sú rozšírené ako v organickom svete, tak aj v neživej prírode. Napríklad v procese trávenia dochádza k rozkladu bielkovín, lipidov a uhľohydrátov pôsobením biologicky aktívnych látok - enzýmov.
Uvoľnená energia sa akumuluje vo forme makroergických väzieb molekúl ATP. Disimilačné reakcie sú sprevádzané uvoľňovaním energie, ktorej časť sa rozptýli vo forme tepla. V dôsledku trávenia poskytuje každý gram bielkovín 17,2 kJ energie, škrob - 17,2 kJ, tuk - 38,9 kJ. Chemické procesy, ktoré uvoľňujú energiu, sa nazývajú exotermické a procesy, ktoré ju absorbujú, sa nazývajú endotermické. V priemysle organickej syntézy a iných technológiách sa počítajú tepelné účinky termochemických reakcií. Je to dôležité vedieť napríklad pre správny výpočet množstva energie použitej na ohrev reaktorov a syntéznych kolón, v ktorých prebiehajú reakcie sprevádzané pohlcovaním tepla.
Kinetika a jej úloha v teórii chemických procesov
Výpočet rýchlosti reagujúcich častíc (molekúl, iónov) je najdôležitejšou úlohou priemyslu. Jeho riešenie zabezpečuje ekonomický efekt a rentabilitu technologických cyklov v chemickej výrobe. Pre zvýšenierýchlosť takejto reakcie, akou je syntéza amoniaku, rozhodujúca bude zmena tlaku v plynnej zmesi dusíka a vodíka do 30 MPa, ako aj zabránenie prudkému zvýšeniu teploty (teplota je 450-550 °C optimálne).
Chemické procesy používané pri výrobe síranových kyselín, konkrétne: pálenie pyritov, oxidácia oxidu siričitého, absorpcia oxidu sírového oleom, sa uskutočňujú za rôznych podmienok. Na tento účel sa používa pyritová pec a kontaktné zariadenia. Berú do úvahy koncentráciu reaktantov, teplotu a tlak. Všetky tieto faktory korelujú, aby reakcia prebiehala najvyššou rýchlosťou, čo zvyšuje výťažok kyseliny síranovej na 96-98 %.
Cyklus látok ako fyzikálne a chemické procesy v prírode
Známe príslovie „Pohyb je život“možno aplikovať aj na chemické prvky, ktoré vstupujú do rôznych typov interakcií (kombinácie, substitučné reakcie, rozklad, výmena). Molekuly a atómy chemických prvkov sú v neustálom pohybe. Ako vedci zistili, všetky vyššie uvedené typy chemických reakcií môžu sprevádzať fyzikálne javy: uvoľňovanie tepla alebo jeho absorpcia, emisia fotónov svetla, zmena stavu agregácie. Tieto procesy sa vyskytujú v každom obale Zeme: litosféra, hydrosféra, atmosféra, biosféra. Najvýznamnejšie z nich sú cykly látok ako kyslík, oxid uhličitý a dusík. V ďalšom nadpise sa pozrieme na to, ako dusík cirkuluje v atmosfére, pôde aživé organizmy.
Vzájomná premena dusíka a jeho zlúčenín
Je dobre známe, že dusík je nevyhnutnou zložkou bielkovín, čo znamená, že sa podieľa na vzniku všetkých druhov pozemského života bez výnimky. Dusík je absorbovaný rastlinami a živočíchmi vo forme iónov: amónne, dusičnanové a dusitanové ióny. V dôsledku fotosyntézy tvoria rastliny nielen glukózu, ale aj aminokyseliny, glycerol a mastné kyseliny. Všetky vyššie uvedené chemické zlúčeniny sú produktmi reakcií prebiehajúcich v Calvinovom cykle. Vynikajúci ruský vedec K. Timiryazev hovoril o kozmickej úlohe zelených rastlín s odkazom okrem iného na ich schopnosť syntetizovať proteíny.
Bylinožravce získavajú peptidy z rastlinnej potravy, zatiaľ čo mäsožravce získavajú peptidy z mäsa koristi. Pri rozklade rastlinných a živočíšnych zvyškov pod vplyvom saprotrofných pôdnych baktérií dochádza k zložitým biologickým a chemickým procesom. V dôsledku toho dusík z organických zlúčenín prechádza do anorganickej formy (vzniká amoniak, voľný dusík, dusičnany a dusitany). Po návrate do atmosféry a pôdy sú všetky tieto látky opäť absorbované rastlinami. Dusík vstupuje cez prieduchy pokožky listov a roztoky kyseliny dusičnej a dusitej a ich solí sú absorbované koreňovými vláskami koreňov rastlín. Cyklus premeny dusíka sa uzatvára a znova sa opakuje. Podstatu chemických procesov vyskytujúcich sa so zlúčeninami dusíka v prírode podrobne študoval začiatkom 20. storočia ruský vedec D. N. Pryanishnikov.
Prašková metalurgia
Moderné chemické procesy a technológie významne prispievajú k vytváraniu materiálov s jedinečnými fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami. To je dôležité predovšetkým pre prístroje a zariadenia ropných rafinérií, podnikov vyrábajúcich anorganické kyseliny, farbivá, laky a plasty. Pri ich výrobe sa používajú výmenníky tepla, kontaktné zariadenia, syntézne kolóny, potrubia. Povrch zariadenia je v kontakte s agresívnymi médiami pod vysokým tlakom. Navyše takmer všetky chemické výrobné procesy prebiehajú pri vysokých teplotách. Relevantná je výroba materiálov s vysokou mierou tepelnej a kyselinovej odolnosti, antikoróznymi vlastnosťami.
Prašková metalurgia zahŕňa výrobu práškov obsahujúcich kov, spekanie a zabudovanie do moderných zliatin používaných pri reakciách s chemicky agresívnymi látkami.
Kompozity a ich význam
Z moderných technológií sú najdôležitejšími chemickými procesmi reakcie získavania kompozitných materiálov. Patria sem peny, cermety, norpapalsty. Ako matrica na výrobu sa používajú kovy a ich zliatiny, keramika a plasty. Ako plnivá sa používajú kremičitan vápenatý, biely íl, feridy stroncia a bária. Všetky vyššie uvedené látky poskytujú kompozitným materiálom odolnosť proti nárazu, teplu a opotrebeniu.
Čo je chemické inžinierstvo
Vedecký odbor, ktorý študuje prostriedky a metódy používané pri reakciách spracovania surovín: ropy, zemného plynu, uhlia, minerálov, sa nazýval chemická technológia. Inými slovami, je to veda o chemických procesoch, ktoré sa vyskytujú v dôsledku ľudskej činnosti. Celý jeho teoretický základ tvorí matematika, kybernetika, fyzikálna chémia a priemyselná ekonómia. Nezáleží na tom, aký chemický proces je súčasťou technológie (získavanie dusičnanov, rozklad vápenca, syntéza fenolformaldehydových plastov) - v moderných podmienkach to nie je možné bez automatizovaných riadiacich systémov, ktoré uľahčujú ľudské činnosti, eliminujú znečistenie životného prostredia a zabezpečujú kontinuálna a bezodpadová technológia chemickej výroby.
V tomto článku sme zvážili príklady chemických procesov vyskytujúcich sa vo voľnej prírode (fotosyntéza, disimilácia, cyklus dusíka) aj v priemysle.
