Οι αμοιβαίοι μετασχηματισμοί των ενώσεων που παρατηρούνται στην άγρια ζωή, καθώς και ως αποτέλεσμα της ανθρώπινης δραστηριότητας, μπορούν να θεωρηθούν ως χημικές διεργασίες. Τα αντιδραστήρια σε αυτά μπορεί να είναι είτε δύο ή περισσότερες ουσίες που βρίσκονται στην ίδια ή σε διαφορετικές καταστάσεις συσσωμάτωσης. Ανάλογα με αυτό, διακρίνονται ομοιογενή ή ετερογενή συστήματα. Οι συνθήκες διεξαγωγής, τα χαρακτηριστικά του μαθήματος και ο ρόλος των χημικών διεργασιών στη φύση θα εξεταστούν σε αυτό το άρθρο.
Τι σημαίνει μια χημική αντίδραση
Αν, ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης των αρχικών ουσιών, τα συστατικά μέρη των μορίων τους υφίστανται αλλαγές και τα φορτία των πυρήνων των ατόμων παραμένουν ίδια, μιλούν για χημικές αντιδράσεις ή διεργασίες. Τα προϊόντα που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της ροής τους χρησιμοποιούνται από τον άνθρωπο στη βιομηχανία, τη γεωργία και την καθημερινή ζωή. Τεράστιος αριθμός αλληλεπιδράσεωνμεταξύ ουσιών εμφανίζεται, τόσο στη ζωντανή όσο και στην άψυχη φύση. Οι χημικές διεργασίες έχουν θεμελιώδη διαφορά από τα φυσικά φαινόμενα και τις ιδιότητες της ραδιενέργειας. Σε αυτά σχηματίζονται μόρια νέων ουσιών, ενώ οι φυσικές διεργασίες δεν αλλάζουν τη σύνθεση των ενώσεων και τα άτομα νέων χημικών στοιχείων δημιουργούνται σε πυρηνικές αντιδράσεις.
Προϋποθέσεις για την εφαρμογή διεργασιών στη χημεία
Μπορεί να είναι διαφορετικά και εξαρτώνται κυρίως από τη φύση των αντιδραστηρίων, την ανάγκη για εισροή ενέργειας από το εξωτερικό, καθώς και από την κατάσταση συσσωμάτωσης (στερεά, διαλύματα, αέρια) στην οποία λαμβάνει χώρα η διαδικασία. Ο χημικός μηχανισμός αλληλεπίδρασης μεταξύ δύο ή περισσότερων ενώσεων μπορεί να πραγματοποιηθεί υπό τη δράση καταλυτών (για παράδειγμα, παραγωγή νιτρικού οξέος), θερμοκρασίας (λήψη αμμωνίας), φωτεινής ενέργειας (φωτοσύνθεση). Με τη συμμετοχή ενζύμων στη ζωντανή φύση, είναι ευρέως διαδεδομένες οι διεργασίες της χημικής αντίδρασης της ζύμωσης (οινόπνευμα, γαλακτικό οξύ, βουτυρικό), που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία τροφίμων και στη μικροβιολογική βιομηχανία. Για την απόκτηση προϊόντων στη βιομηχανία οργανικής σύνθεσης, μία από τις κύριες προϋποθέσεις είναι η παρουσία ενός μηχανισμού ελεύθερων ριζών της χημικής διαδικασίας. Ένα παράδειγμα θα ήταν η παραγωγή παραγώγων χλωρίου του μεθανίου (διχλωρομεθάνιο, τριχλωρομεθάνιο, τετραχλωράνθρακας, που προκύπτουν από αλυσιδωτές αντιδράσεις.
Ομογενής κατάλυση
Είναι ειδικοί τύποι επαφής μεταξύ δύο ή περισσότερων ουσιών. Η ουσία των χημικών διεργασιών που συμβαίνουν σε μια ομοιογενή φάση (για παράδειγμα, αέριο - αέριο) με τη συμμετοχή επιταχυντώναντιδράσεις, συνίστανται στη διεξαγωγή αντιδράσεων σε ολόκληρο τον όγκο των μειγμάτων. Εάν ο καταλύτης βρίσκεται στην ίδια κατάσταση συσσωμάτωσης με τα αντιδρώντα, σχηματίζει κινητά ενδιάμεσα σύμπλοκα με τις αρχικές ενώσεις.
Η ομοιογενής κατάλυση είναι μια βασική χημική διαδικασία που χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, στη διύλιση πετρελαίου, στη βενζίνη, στη νάφθα, στο πετρέλαιο εσωτερικής καύσης και σε άλλα καύσιμα. Χρησιμοποιεί τεχνολογίες όπως αναμόρφωση, ισομερισμός, καταλυτική πυρόλυση.
Ετερογενής κατάλυση
Στην περίπτωση της ετερογενούς κατάλυσης, η επαφή των αντιδρώντων λαμβάνει χώρα, τις περισσότερες φορές, στη στερεά επιφάνεια του ίδιου του καταλύτη. Πάνω του σχηματίζονται τα λεγόμενα ενεργά κέντρα. Πρόκειται για περιοχές όπου η αλληλεπίδραση των αντιδρώντων ενώσεων προχωρά πολύ γρήγορα, δηλαδή ο ρυθμός αντίδρασης είναι υψηλός. Είναι ειδικά για τα είδη και διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο επίσης εάν συμβαίνουν χημικές διεργασίες σε ζωντανά κύτταρα. Μετά μιλούν για μεταβολισμό - μεταβολικές αντιδράσεις. Ένα παράδειγμα ετερογενούς κατάλυσης είναι η βιομηχανική παραγωγή θειικού οξέος. Στη συσκευή επαφής, ένα αέριο μείγμα διοξειδίου του θείου και οξυγόνου θερμαίνεται και περνά μέσα από δικτυωτά ράφια γεμάτα με διασκορπισμένη σκόνη οξειδίου του βαναδίου ή θειικού βαναδυλίου VOSO4. Το προκύπτον προϊόν, το τριοξείδιο του θείου, στη συνέχεια απορροφάται από πυκνό θειικό οξύ. Σχηματίζεται ένα υγρό που ονομάζεται ελαιόλαδο. Μπορεί να αραιωθεί με νερό για να ληφθεί η επιθυμητή συγκέντρωση θειικού οξέος.
Χαρακτηριστικά των θερμοχημικών αντιδράσεων
Η απελευθέρωση ή η απορρόφηση ενέργειας με τη μορφή θερμότητας έχει μεγάλη πρακτική σημασία. Αρκεί να θυμηθούμε τις αντιδράσεις καύσης του καυσίμου: φυσικό αέριο, άνθρακας, τύρφη. Είναι φυσικές και χημικές διεργασίες, σημαντικό χαρακτηριστικό των οποίων είναι η θερμότητα της καύσης. Οι θερμικές αντιδράσεις είναι ευρέως διαδεδομένες τόσο στον οργανικό κόσμο όσο και στην άψυχη φύση. Για παράδειγμα, κατά τη διαδικασία της πέψης, οι πρωτεΐνες, τα λιπίδια και οι υδατάνθρακες διασπώνται υπό τη δράση βιολογικά δραστικών ουσιών - ενζύμων.
Η ενέργεια που απελευθερώνεται συσσωρεύεται με τη μορφή μακροεργικών δεσμών μορίων ATP. Οι αντιδράσεις αφομοίωσης συνοδεύονται από απελευθέρωση ενέργειας, μέρος της οποίας διαχέεται με τη μορφή θερμότητας. Ως αποτέλεσμα της πέψης, κάθε γραμμάριο πρωτεΐνης παρέχει 17,2 kJ ενέργειας, άμυλο - 17,2 kJ, λίπος - 38,9 kJ. Οι χημικές διεργασίες που απελευθερώνουν ενέργεια ονομάζονται εξώθερμες και αυτές που την απορροφούν ονομάζονται ενδόθερμες. Στη βιομηχανία οργανικής σύνθεσης και σε άλλες τεχνολογίες, υπολογίζονται οι θερμικές επιδράσεις των θερμοχημικών αντιδράσεων. Είναι σημαντικό να το γνωρίζουμε αυτό, για παράδειγμα, για τον σωστό υπολογισμό της ποσότητας ενέργειας που χρησιμοποιείται για τη θέρμανση των αντιδραστήρων και των στηλών σύνθεσης στις οποίες λαμβάνουν χώρα οι αντιδράσεις, συνοδευόμενη από την απορρόφηση θερμότητας.
Κινητική και ο ρόλος της στη θεωρία των χημικών διεργασιών
Ο υπολογισμός της ταχύτητας των σωματιδίων που αντιδρούν (μόρια, ιόντα) είναι το πιο σημαντικό έργο που αντιμετωπίζει η βιομηχανία. Η λύση του διασφαλίζει την οικονομική επίδραση και την κερδοφορία των τεχνολογικών κύκλων στη χημική παραγωγή. Για αύξησηη ταχύτητα μιας τέτοιας αντίδρασης, όπως η σύνθεση αμμωνίας, οι αποφασιστικοί παράγοντες θα είναι η αλλαγή της πίεσης σε ένα μείγμα αερίου αζώτου και υδρογόνου έως και 30 MPa, καθώς και η πρόληψη μιας απότομης αύξησης της θερμοκρασίας (η θερμοκρασία είναι 450-550 °C είναι η βέλτιστη).
Οι χημικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή θειικού οξέος, συγκεκριμένα: καύση πυριτών, οξείδωση διοξειδίου του θείου, απορρόφηση τριοξειδίου του θείου από το ελαιόλαδο, πραγματοποιούνται υπό διάφορες συνθήκες. Για αυτό, χρησιμοποιείται φούρνος πυρίτη και συσκευές επαφής. Λαμβάνουν υπόψη τη συγκέντρωση των αντιδρώντων, τη θερμοκρασία και την πίεση. Όλοι αυτοί οι παράγοντες συσχετίζονται με τη διεξαγωγή της αντίδρασης με τον υψηλότερο ρυθμό, γεγονός που αυξάνει την απόδοση θειικού οξέος σε 96-98%.
Κύκλος ουσιών ως φυσικές και χημικές διεργασίες στη φύση
Το γνωστό ρητό «Η κίνηση είναι ζωή» μπορεί επίσης να εφαρμοστεί σε χημικά στοιχεία που εισέρχονται σε διάφορους τύπους αλληλεπίδρασης (αντιδράσεις συνδυασμού, υποκατάστασης, αποσύνθεσης, ανταλλαγής). Τα μόρια και τα άτομα των χημικών στοιχείων βρίσκονται σε συνεχή κίνηση. Όπως έχουν διαπιστώσει οι επιστήμονες, όλοι οι παραπάνω τύποι χημικών αντιδράσεων μπορούν να συνοδεύονται από φυσικά φαινόμενα: απελευθέρωση θερμότητας ή απορρόφησή της, εκπομπή φωτονίων φωτός, αλλαγή στην κατάσταση συσσωμάτωσης. Αυτές οι διεργασίες συμβαίνουν σε κάθε κέλυφος της Γης: λιθόσφαιρα, υδρόσφαιρα, ατμόσφαιρα, βιόσφαιρα. Οι πιο σημαντικοί από αυτούς είναι οι κύκλοι ουσιών όπως το οξυγόνο, το διοξείδιο του άνθρακα και το άζωτο. Στην επόμενη ενότητα, εξετάζουμε πώς κυκλοφορεί το άζωτο στην ατμόσφαιρα, το έδαφος καιζωντανοί οργανισμοί.
Αλληλομετατροπή του αζώτου και των ενώσεων του
Είναι γνωστό ότι το άζωτο είναι απαραίτητο συστατικό των πρωτεϊνών, πράγμα που σημαίνει ότι συμμετέχει στο σχηματισμό όλων των τύπων της επίγειας ζωής χωρίς εξαίρεση. Το άζωτο απορροφάται από τα φυτά και τα ζώα με τη μορφή ιόντων: αμμωνίου, νιτρικών και νιτρωδών ιόντων. Ως αποτέλεσμα της φωτοσύνθεσης, τα φυτά σχηματίζουν όχι μόνο γλυκόζη, αλλά και αμινοξέα, γλυκερίνη και λιπαρά οξέα. Όλες οι παραπάνω χημικές ενώσεις είναι προϊόντα αντιδράσεων που συμβαίνουν στον κύκλο του Calvin. Ο εξαιρετικός Ρώσος επιστήμονας K. Timiryazev μίλησε για τον κοσμικό ρόλο των πράσινων φυτών, αναφέροντας, μεταξύ άλλων, την ικανότητά τους να συνθέτουν πρωτεΐνες.
Τα φυτοφάγα παίρνουν τα πεπτίδια τους από φυτικές τροφές, ενώ τα σαρκοφάγα τα πεπτίδια τους από το κρέας των θηραμάτων. Κατά τη διάρκεια της αποσύνθεσης των φυτικών και ζωικών υπολειμμάτων υπό την επίδραση σαπροτροφικών βακτηρίων του εδάφους, συμβαίνουν πολύπλοκες βιολογικές και χημικές διεργασίες. Ως αποτέλεσμα, το άζωτο από οργανικές ενώσεις περνά σε ανόργανη μορφή (σχηματίζεται αμμωνία, ελεύθερο άζωτο, νιτρικά και νιτρώδη). Επιστρέφοντας στην ατμόσφαιρα και το έδαφος, όλες αυτές οι ουσίες απορροφώνται και πάλι από τα φυτά. Το άζωτο εισέρχεται μέσω των στομάτων του δέρματος των φύλλων και διαλύματα νιτρικού και νιτρώδους οξέος και τα άλατά τους απορροφώνται από τις τρίχες της ρίζας των ριζών των φυτών. Ο κύκλος του μετασχηματισμού του αζώτου κλείνει για να επαναληφθεί ξανά. Η ουσία των χημικών διεργασιών που συμβαίνουν με ενώσεις αζώτου στη φύση μελετήθηκε λεπτομερώς στις αρχές του 20ου αιώνα από τον Ρώσο επιστήμονα D. N. Pryanishnikov.
Μεταλλουργία Σκόνης
Οι σύγχρονες χημικές διεργασίες και τεχνολογίες συμβάλλουν σημαντικά στη δημιουργία υλικών με μοναδικές φυσικές και χημικές ιδιότητες. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό, πρώτα απ 'όλα, για όργανα και εξοπλισμό διυλιστηρίων πετρελαίου, επιχειρήσεις που παράγουν ανόργανα οξέα, βαφές, βερνίκια και πλαστικά. Στην παραγωγή τους χρησιμοποιούνται εναλλάκτες θερμότητας, συσκευές επαφής, στήλες σύνθεσης, αγωγοί. Η επιφάνεια του εξοπλισμού έρχεται σε επαφή με επιθετικά μέσα υπό υψηλή πίεση. Επιπλέον, σχεδόν όλες οι διαδικασίες χημικής παραγωγής πραγματοποιούνται σε υψηλές θερμοκρασίες. Σχετική είναι η παραγωγή υλικών με υψηλά ποσοστά θερμικής και όξινης αντοχής, αντιδιαβρωτικές ιδιότητες.
Η μεταλλουργία σκόνης περιλαμβάνει την παραγωγή σκονών που περιέχουν μέταλλα, τη σύντηξη και την ενσωμάτωση σε σύγχρονα κράματα που χρησιμοποιούνται σε αντιδράσεις με χημικά επιθετικές ουσίες.
Σύνθετα υλικά και η σημασία τους
Μεταξύ των σύγχρονων τεχνολογιών, οι πιο σημαντικές χημικές διεργασίες είναι οι αντιδράσεις απόκτησης σύνθετων υλικών. Αυτά περιλαμβάνουν αφρούς, κεραμίδια, νορπαπάλστους. Ως μήτρα για την παραγωγή χρησιμοποιούνται μέταλλα και τα κράματά τους, κεραμικά και πλαστικά. Ως πληρωτικά χρησιμοποιούνται πυριτικό ασβέστιο, λευκή άργιλος, στρόντιο και βάριο. Όλες οι παραπάνω ουσίες δίνουν στα σύνθετα υλικά αντοχή σε κρούση, αντοχή στη θερμότητα και στη φθορά.
Τι είναι η χημική μηχανική
Ο κλάδος της επιστήμης που μελετά τα μέσα και τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται στις αντιδράσεις επεξεργασίας πρώτων υλών: πετρέλαιο, φυσικό αέριο, άνθρακας, ορυκτά, ονομάστηκε χημική τεχνολογία. Με άλλα λόγια, είναι η επιστήμη των χημικών διεργασιών που συμβαίνουν ως αποτέλεσμα της ανθρώπινης δραστηριότητας. Ολόκληρη η θεωρητική του βάση αποτελείται από τα μαθηματικά, την κυβερνητική, τη φυσική χημεία και τη βιομηχανική οικονομία. Δεν έχει σημασία ποια χημική διαδικασία εμπλέκεται στην τεχνολογία (λήψη νιτρικού οξέος, αποσύνθεση ασβεστόλιθου, σύνθεση πλαστικών φαινόλης-φορμαλδεΰδης) - στις σύγχρονες συνθήκες είναι αδύνατο χωρίς αυτοματοποιημένα συστήματα ελέγχου που διευκολύνουν τις ανθρώπινες δραστηριότητες, εξαλείφουν τη ρύπανση του περιβάλλοντος και διασφαλίζουν τεχνολογία συνεχούς και χωρίς απόβλητα παραγωγής χημικών προϊόντων.
Σε αυτήν την εργασία, εξετάσαμε παραδείγματα χημικών διεργασιών που συμβαίνουν τόσο στην άγρια ζωή (φωτοσύνθεση, αφομοίωση, κύκλος αζώτου) όσο και στη βιομηχανία.
