لوحظت التحولات المتبادلة للمركبات فييمكن اعتبار الطبيعة الحية ، وكذلك التي تحدث نتيجة النشاط البشري ، كعمليات كيميائية. يمكن أن تكون الكواشف الموجودة فيها إما مادتين أو أكثر في حالة واحدة أو في حالات تجميع مختلفة. بناءً على ذلك ، يتم تمييز الأنظمة المتجانسة أو غير المتجانسة. سيتم النظر في شروط التنفيذ وخصائص الدورة ودور العمليات الكيميائية في الطبيعة في هذا العمل.
ما هو المقصود بالتفاعل الكيميائي
إذا كنتيجة لتفاعل المواد الأوليةتتغير مكونات جزيئاتها ، وتبقى شحنة نوى الذرات كما هي ، تتحدث عن التفاعلات الكيميائية أو العمليات. يتم استخدام المنتجات الناتجة عن حدوثها من قبل الرجل في الصناعة والزراعة والحياة اليومية. يحدث عدد كبير من التفاعلات بين المواد ، سواء في الطبيعة الحية أو غير الحية. للعمليات الكيميائية اختلاف جوهري عن الظواهر الفيزيائية وخصائص النشاط الإشعاعي. إنها تشكل جزيئات من مواد جديدة ، في حين أن العمليات الفيزيائية لا تغير تكوين المركبات ، وتظهر ذرات العناصر الكيميائية الجديدة في التفاعلات النووية.
شروط تنفيذ العمليات في الكيمياء
يمكن أن تكون مختلفة وتعتمد ، من قبلكل شيء ، من طبيعة الكواشف ، والحاجة إلى تدفق الطاقة من الخارج ، وكذلك حالة التجميع (المواد الصلبة ، والمحاليل ، والغازات) التي تحدث فيها العملية. يمكن تنفيذ الآلية الكيميائية للتفاعل بين مركبين أو أكثر تحت تأثير المحفزات (على سبيل المثال ، إنتاج حمض النيتريك) ، ودرجة الحرارة (إنتاج الأمونيا) ، والطاقة الضوئية (التمثيل الضوئي). بمشاركة الإنزيمات في الطبيعة الحية ، تنتشر على نطاق واسع عمليات التفاعل الكيميائي للتخمير (الكحول وحمض اللبنيك وحمض الزبد) المستخدمة في الصناعات الغذائية والميكروبيولوجية. للحصول على منتجات في صناعة التخليق العضوي ، فإن أحد الشروط الرئيسية هو وجود آلية الجذور الحرة للعملية الكيميائية. مثال على ذلك هو إنتاج مشتقات الكلور من الميثان (ثنائي كلورو ميثان ، ثلاثي كلورو ميثان ، رابع كلوريد الكربون ، المتكون نتيجة للتفاعلات المتسلسلة.
الحفز المتجانس
أنها تمثل أنواع خاصة من الاتصال بين اثنينأو عدة مواد. يتمثل جوهر العمليات الكيميائية التي تجري في مرحلة متجانسة (على سبيل المثال ، الغاز - الغاز) بمشاركة مسرعات التفاعل في إجراء تفاعلات في الحجم الكامل للمخاليط. إذا كان المحفز في نفس حالة التجميع مثل الكواشف ، فإنه يشكل مجمعات وسيطة متنقلة مع مركبات البداية.
الحفز المتجانس هو المادة الكيميائية الرئيسيةعملية تتم ، على سبيل المثال ، في تكرير النفط وإنتاج البنزين والنفتا وزيت الغاز وأنواع الوقود الأخرى. يستخدم تقنيات مثل الإصلاح والأزمرة والتكسير التحفيزي.
تحفيز غير متجانس
في حالة التحفيز غير المتجانس ، اتصلتحدث المواد المتفاعلة ، في أغلب الأحيان ، على السطح الصلب للمحفز نفسه. يتم تشكيل ما يسمى بالمراكز النشطة عليه. هذه هي المناطق التي يستمر فيها تفاعل المركبات المتفاعلة بسرعة كبيرة ، أي أن معدل التفاعل مرتفع. إنها خاصة بالأنواع وتلعب دورًا مهمًا أيضًا إذا حدثت العمليات الكيميائية في الخلايا الحية. ثم يتحدثون عن التمثيل الغذائي - التفاعلات الأيضية. مثال على التحفيز غير المتجانس هو الإنتاج الصناعي لحمض الكبريتات. في جهاز التلامس ، يتم تسخين خليط غازي من ثاني أكسيد الكبريت والأكسجين ويمرر عبر أرفف شبكية مملوءة بمسحوق مشتت من أكسيد الفاناديوم أو كبريتات الفاناديل VOSO4... المنتج الناتج هو ثالث أكسيد الكبريت ، إذنيمتص بواسطة حامض الكبريتيك المركز. يتكون سائل يسمى أوليوم. يمكن تخفيفه بالماء للحصول على التركيز المطلوب لحمض الكبريتات.
ملامح التفاعلات الكيميائية الحرارية
إطلاق أو امتصاص الطاقة على شكل حرارةله أهمية عملية. يكفي أن نتذكر تفاعلات احتراق الوقود: الغاز الطبيعي ، الفحم ، الخث. إنها عمليات فيزيائية وكيميائية ، ومن أهم سماتها حرارة الاحتراق. تنتشر التفاعلات الحرارية في كل من العالم العضوي والطبيعة غير الحية. على سبيل المثال ، في عملية الهضم ، يتم تكسير البروتينات والدهون والكربوهيدرات تحت تأثير المواد النشطة بيولوجيًا - الإنزيمات.
تتراكم الطاقة المنبعثة في النموذجروابط عالية الطاقة لجزيئات ATP. تترافق تفاعلات التشتت مع إطلاق الطاقة ، والتي يتبدد بعضها في شكل حرارة. نتيجة لعملية الهضم ، يعطي كل غرام من البروتين 17.2 كيلوجول من الطاقة ، والنشا - 17.2 كيلوجول ، والدهون - 38.9 كيلوجول. تسمى العمليات الكيميائية مع إطلاق الطاقة طاردة للحرارة ، ومع امتصاصها - ماص للحرارة. في صناعة التخليق العضوي والتقنيات الأخرى ، تُحسب التأثيرات الحرارية للتفاعلات الكيميائية الحرارية. من المهم معرفة ذلك ، على سبيل المثال ، من أجل الحساب الصحيح لكمية الطاقة المستخدمة في تسخين المفاعلات وأعمدة التوليف التي تحدث فيها التفاعلات مصحوبة بامتصاص الحرارة.
الخواص الحركية ودورها في نظرية العمليات الكيميائية
حساب سرعة تفاعل الجسيمات (الجزيئات ،الأيونات) هي أهم مهمة تواجه الصناعة. يوفر حلها تأثيرًا اقتصاديًا وربحية للدورات التكنولوجية في الإنتاج الكيميائي. لزيادة معدل مثل هذا التفاعل ، مثل تخليق الأمونيا ، فإن العوامل الحاسمة ستكون التغيير في الضغط في خليط الغاز من النيتروجين والهيدروجين إلى 30 ميجا باسكال ، وكذلك منع الزيادة الحادة في درجة الحرارة ( درجة الحرارة المثلى هي 450-550 درجة مئوية).
العمليات الكيميائية المستخدمة في الإنتاجيتم تنفيذ حامض الكبريتات ، وهي: حرق البيريت ، وأكسدة ثاني أكسيد الكبريت ، وامتصاص ثالث أكسيد الكبريت بواسطة الأوليوم في ظروف مختلفة. لهذا الغرض ، يتم استخدام فرن البيريت وأجهزة الاتصال. يأخذون في الاعتبار تركيز المواد المتفاعلة ودرجة الحرارة والضغط. كل هذه العوامل مرتبطة بتنفيذ التفاعل بأعلى معدل ، مما يزيد مردود حامض الكبريتات إلى 96-98٪.
دورة المواد كعمليات فيزيائية وكيميائية في الطبيعة
يمكن أن يكون القول المأثور "الحركة هي الحياة"تنطبق على العناصر الكيميائية التي تدخل في أنواع مختلفة من التفاعل (تفاعلات المركب ، الاستبدال ، التحلل ، التبادل). تصل جزيئات وذرات العناصر الكيميائية في حركة مستمرة. كما أثبت العلماء ، يمكن أن تكون جميع أنواع التفاعلات الكيميائية المذكورة أعلاه مصحوبة بظواهر فيزيائية: إطلاق الحرارة أو امتصاصها ، وانبعاث فوتونات الضوء ، وتغير في حالة التجميع. تحدث هذه العمليات في كل قشرة من الأرض: الغلاف الصخري والغلاف المائي والغلاف الجوي والمحيط الحيوي. أهمها دورات المواد مثل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين. في العنوان التالي ، سنلقي نظرة على كيفية دوران النيتروجين في الغلاف الجوي والتربة والكائنات الحية.
التحويل البيني للنيتروجين ومركباته
من المعروف أن النيتروجين ضروريجزء لا يتجزأ من البروتينات مما يعني أنه يساهم في تكوين جميع أنواع الحياة الأرضية دون استثناء تمتص النباتات والحيوانات النيتروجين على شكل أيونات: أيونات الأمونيوم والنترات والنتريت. النباتات ، نتيجة لعملية التمثيل الضوئي ، لا تشكل الجلوكوز فقط ، ولكن أيضًا الأحماض الأمينية والجلسرين والأحماض الدهنية. جميع المركبات الكيميائية المذكورة أعلاه هي نتاج تفاعلات تحدث في دورة كالفين. تحدث العالم الروسي البارز K. Timiryazev عن الدور الكوني للنباتات الخضراء ، مع الأخذ في الاعتبار ، من بين أمور أخرى ، قدرتها على تصنيع البروتينات.
العواشب من الحصول على الببتيداتالخضار والحيوانات آكلة اللحوم - من لحوم الضحايا. أثناء تحلل بقايا النباتات والحيوانات تحت تأثير البكتيريا السابروتروفية في التربة ، تحدث عمليات بيولوجية وكيميائية معقدة. نتيجة لذلك ، يتم تحويل النيتروجين من المركبات العضوية إلى شكل غير عضوي (يتم تكوين الأمونيا والنيتروجين والنترات والنتريت). بالعودة إلى الغلاف الجوي والتربة ، يتم استيعاب كل هذه المواد مرة أخرى بواسطة النباتات. يدخل النيتروجين من خلال ثغور قشرة الورقة ، ويتم امتصاص محاليل أحماض النيتريك والنيتروز وأملاحها بواسطة شعيرات جذور النبات. يتم إغلاق دورة تحويل النيتروجين للتكرار مرة أخرى. تمت دراسة جوهر العمليات الكيميائية التي تحدث مع مركبات النيتروجين في الطبيعة بالتفصيل في بداية القرن العشرين من قبل العالم الروسي D.N. Pryanishnikov.
مسحوق تعدين
العمليات والتقنيات الكيميائية الحديثةتقديم مساهمة ملموسة في إنشاء مواد ذات خصائص فيزيائية وكيميائية فريدة. هذا مهم بشكل خاص ، أولاً وقبل كل شيء ، لأجهزة ومعدات مصافي النفط والشركات المنتجة للأحماض غير العضوية والأصباغ والورنيش والبلاستيك. في إنتاجها ، يتم استخدام المبادلات الحرارية وأجهزة الاتصال وأعمدة التوليف وخطوط الأنابيب. سطح الجهاز ملامس للوسائط العدوانية تحت ضغط عالٍ. علاوة على ذلك ، تتم جميع عمليات الإنتاج الكيميائي تقريبًا تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة. من المهم الحصول على مواد ذات معدلات عالية من المقاومة الحرارية والحمضية وخصائص مقاومة التآكل.
يشمل تعدين المساحيق عمليات إنتاج المساحيق المحتوية على معادن والتلبيد وإدخالها في تكوين السبائك الحديثة المستخدمة في التفاعلات مع المواد العدوانية كيميائيًا.
المركبات ومعناها
من بين التقنيات الحديثة ، أهمهاالعمليات الكيميائية هي تفاعلات الحصول على المواد المركبة. وتشمل هذه الرغوات ، والسيرمت ، والنوربابالستاس. تُستخدم المعادن وسبائكها والسيراميك والبلاستيك كمصفوفة للإنتاج. تستخدم سيليكات الكالسيوم والطين الأبيض والسترونشيوم وحديد الباريوم كمواد مالئة. جميع المواد المذكورة أعلاه تعطي مقاومة الصدمات والحرارة ومقاومة التآكل للمواد المركبة.
ما هي التكنولوجيا الكيميائية
فرع العلوم المعني بدراسة الأموال والطرق المستخدمة في تفاعلات معالجة المواد الخام: النفط والغاز الطبيعي والفحم والمعادن ، كانت تسمى التكنولوجيا الكيميائية. بمعنى آخر ، إنه علم العمليات الكيميائية التي تحدث نتيجة للنشاط البشري. يتكون أساسها النظري بالكامل من الرياضيات وعلم التحكم الآلي والكيمياء الفيزيائية والاقتصاد الصناعي. لا يهم أي عملية كيميائية متضمنة في التكنولوجيا (إنتاج حمض النترات ، تحلل الحجر الجيري ، تصنيع بلاستيك الفينول فورمالدهايد) - في الظروف الحديثة يكون من المستحيل بدون أنظمة تحكم آلية تسهل الأنشطة البشرية ، وتستبعد التلوث البيئي ، و توفير تكنولوجيا مستمرة وخالية من النفايات للإنتاج الكيميائي.
في هذا العمل ، درسنا أمثلة على العمليات الكيميائية التي تحدث في كل من الطبيعة الحية (التمثيل الضوئي ، التبديد ، دورة النيتروجين) وفي الصناعة.
