Взаимните трансформации на съединенията, наблюдавани вдивата природа, както и възникналите в резултат на човешката дейност могат да се разглеждат като химически процеси. Реагентите в тях могат да бъдат две или повече вещества, които са в едно и също или в различни състояния на агрегация. В зависимост от това се различават хомогенни или хетерогенни системи. В тази статия ще бъдат разгледани условията, характеристиките на потока и ролята на химичните процеси в природата.
Какво означава химическа реакция
Ако в резултат на взаимодействието на изходните веществасъставните части на техните молекули са обект на промяна и зарядите на атомните ядра остават същите, те говорят за химични реакции или процеси. Продуктите, образувани в резултат на потока им, се използват от хората в промишлеността, селското стопанство и ежедневието. Огромен брой взаимодействия между веществата възникват както в живата, така и в неживата природа. Химическите процеси се различават коренно от физическите явления и свойствата на радиоактивността. В тях се образуват молекули на нови вещества, докато физическите процеси не променят състава на съединенията и атомите на нови химични елементи се появяват в ядрените реакции.
Условия за прилагане на процесите в химията
Те могат да бъдат различни и зависими предивсичко, от естеството на реагентите, необходимостта от енергиен поток отвън, както и от състоянието на агрегация (твърди вещества, разтвори, газове), в които се извършва процесът. Химичният механизъм на взаимодействие между две или повече съединения може да се извърши под действието на катализатори (например, производството на азотна киселина), температура (производство на амоняк), светлинна енергия (фотосинтеза). С участието на ензими в дивата природа, процесите на химичната реакция на ферментация (алкохол, млечна киселина, маслена киселина), използвани в хранителната и микробиологичната промишленост, са широко разпространени. За да се получат продукти в индустрията на органичния синтез, едно от основните условия е наличието на свободен радикален механизъм на химичния процес. Пример за това е производството на хлорни производни на метан (дихлорометан, трихлорметан, въглероден тетрахлорид, резултат от верижна реакция.
Хомогенна катализа
Те представляват специални видове контакт между двамаили няколко вещества. Същността на химичните процеси, протичащи в хомогенна фаза (например газ - газ) с участието на реакционни ускорители, се състои в провеждане на реакции в целия обем смеси. Ако катализаторът е в същото агрегатно състояние като реагентите, той образува подвижни междинни комплекси с изходните съединения.
Хомогенната катализа е основният химикалпроцес, провеждан, например, при рафиниране на нефт, производство на бензин, нафта, газьол и други горива. Той използва технологии като риформинг, изомеризация, каталитичен крекинг.
Хетерогенна катализа
В случай на хетерогенна катализа, свържете сереагентите се появяват най-често върху твърдата повърхност на самия катализатор. Върху него се формират така наречените активни центрове. Това са области, в които взаимодействието на реагиращите съединения протича много бързо, т.е. скоростта на реакцията е висока. Те са специфични за видовете и играят важна роля и ако химичните процеси протичат в живите клетки. Тогава те говорят за метаболизма - метаболитни реакции. Пример за хетерогенна катализа е индустриалното производство на сулфатна киселина. В контактна апаратура газообразната смес от серен диоксид и кислород се нагрява и преминава през решетъчните рафтове, пълни с диспергиран прах от ванадиев оксид или ванадил сулфат VOSO4... Полученият продукт е серен триоксидабсорбира се от концентрирана сярна киселина. Образува се течност, наречена олеум. Може да се разрежда с вода, за да се получи желаната концентрация на сулфатна киселина.
Особености на термохимичните реакции
Освобождаването или усвояването на енергия под формата на топлинае от практическо значение. Достатъчно е да си припомним реакциите на изгаряне на гориво: природен газ, въглища, торф. Те са физични и химични процеси, важна характеристика на които е топлината на горене. Термичните реакции са широко разпространени както в органичния свят, така и в неживата природа. Например, в процеса на храносмилането, протеините, липидите и въглехидратите се разграждат под действието на биологично активни вещества - ензими.
Освободената енергия се натрупва във форматависокоенергийни връзки на молекули АТФ. Реакциите на дисимилация са придружени от отделянето на енергия, част от която се разсейва под формата на топлина. В резултат на храносмилането всеки грам протеин дава 17,2 kJ енергия, нишесте - 17,2 kJ, мазнини - 38,9 kJ. Химичните процеси с освобождаването на енергия се наричат екзотермични, а с усвояването й - ендотермични. В индустрията за органичен синтез и други технологии се изчисляват топлинните ефекти на термохимичните реакции. Това е важно да се знае, например, за правилното изчисляване на количеството енергия, използвано за отопление на реактори и синтез колони, в които протичат реакции, придружени от поглъщане на топлина.
Кинетика и нейната роля в теорията на химичните процеси
Изчисляване на скоростта на реагиращите частици (молекули,йони) е най-важната задача пред индустрията. Неговото решение осигурява икономически ефект и рентабилност на технологичните цикли в химичното производство. За да се увеличи скоростта на такава реакция, като синтеза на амоняк, решаващите фактори ще бъдат изменението на налягането в газовата смес на азот и водород до 30 MPa, както и предотвратяването на рязко повишаване на температурата ( оптималната температура е 450-550 ° C).
Химични процеси, използвани в производствотосулфатна киселина, а именно: изгаряне на пирит, окисляване на серен диоксид, абсорбиране на серен триоксид от олеум се извършват при различни условия. За това се използват пиритна пещ и контактни устройства. Те вземат предвид концентрацията на реагентите, температурата и налягането. Всички тези фактори са свързани, за да се проведе реакцията с най-висока скорост, което увеличава добива на сулфатна киселина до 96-98%.
Цикълът на веществата като физикохимични процеси в природата
Известната поговорка „Движението е живот“ може да бъдесе прилагат за химични елементи, влизащи в различни видове взаимодействия (реакции на съединение, заместване, разлагане, обмен). Молекулите и атомите на химичните елементи пристигат в непрекъснато движение. Както са установили учените, всички горепосочени видове химически реакции могат да бъдат придружени от физични явления: отделяне или поглъщане на топлина, излъчване на светлинни фотони и промяна в състоянието на агрегация. Тези процеси протичат във всяка черупка на Земята: литосфера, хидросфера, атмосфера, биосфера. Най-значимите от тях са циклите на вещества като кислород, въглероден диоксид и азот. В следващото заглавие ще разгледаме как азотът циркулира в атмосферата, почвата и живите организми.
Взаимовръщане на азота и неговите съединения
Добре известно е, че азотът е от съществено значениенеразделна част от протеините, което означава, че той участва във формирането на всички видове сухоземен живот без изключение. Азотът се абсорбира от растенията и животните под формата на йони: амониеви, нитратни и нитритни йони. В резултат на фотосинтезата растенията образуват не само глюкоза, но и аминокиселини, глицерин и мастни киселини. Всички изброени по-горе химични съединения са продукти на реакции, протичащи в цикъла на Калвин. Изключителният руски учен К. Тимирязев говори за космическата роля на зелените растения, имайки предвид, наред с други неща, способността им да синтезират протеини.
Тревопасните животни получават пептиди отрастителна храна, а месоядни - от месото на жертвите. По време на разпадането на останките от растения и животни под въздействието на сапротрофни бактерии в почвата се случват сложни биологични и химични процеси. В резултат на това азотът от органични съединения се превръща в неорганична форма (образуват се амоняк, свободен азот, нитрати и нитрити). Връщайки се в атмосферата и почвата, всички тези вещества отново се усвояват от растенията. Азотът навлиза през устицата на кожата на листата, а разтворите на азотна и азотна киселини и техните соли се абсорбират от кореновите власинки на корените на растенията. Цикълът на преобразуване на азот се затваря за повторение отново. Същността на химичните процеси, протичащи с азотни съединения в природата, е изследвана подробно в началото на 20-ти век от руския учен Д. Н. Прянишников.
Праховата металургия
Съвременни химични процеси и технологиидопринасят осезаемо за създаването на материали с уникални физични и химични свойства. Това е особено важно преди всичко за инструментите и оборудването на петролните рафинерии, предприятията, произвеждащи неорганични киселини, багрила, лакове и пластмаси. При тяхното производство се използват топлообменници, контактни устройства, синтез колони, тръбопроводи. Повърхността на оборудването влиза в контакт с агресивни среди под високо налягане. Освен това почти всички химически производствени процеси се извършват под въздействието на високи температури. Важно е да се получат материали с високи нива на термична и киселинна устойчивост, антикорозионни свойства.
Праховата металургия включва процесите на производство на металосъдържащи прахове, синтероване и въвеждане в състава на съвременните сплави, използвани при реакции с химически агресивни вещества.
Композити и тяхното значение
Сред съвременните технологии най-важнотохимичните процеси са реакциите на получаване на композитни материали. Те включват пяна, металокерамика, норпапалстас. Метали и техните сплави, керамика и пластмаси се използват като матрица за производство. Като пълнители се използват калциев силикат, бяла глина, стронций и бариеви фериди. Всички горепосочени вещества осигуряват устойчивост на удар, топлина и износване на композитни материали.
Какво е химическа технология
Клонът на науката, занимаващ се с изследване на фондовете иметодите, използвани в реакциите на преработка на суровини: нефт, природен газ, въглища, минерали, бяха наречени химическа технология. С други думи, това е наука за химичните процеси, протичащи в резултат на човешката дейност. Цялата му теоретична основа се състои от математика, кибернетика, физическа химия и индустриална икономика. Няма значение кой химичен процес участва в технологията (производство на нитратна киселина, разлагане на варовик, синтез на фенолформалдехидни пластмаси) - в съвременните условия е невъзможно без автоматизирани системи за контрол, които улесняват човешките дейности, изключват замърсяването на околната среда и осигуряват непрекъсната и без отпадъци технология за химическо производство.
В тази работа разгледахме примери за химични процеси, които се случват както в живата природа (фотосинтеза, дисимилация, азотен цикъл), така и в промишлеността.
