Komunikacja procesów chemicznych. Akademia Nauk Rozrywkowych

Wyślij swoją dobrą pracę do bazy wiedzy jest prosta. Skorzystaj z poniższego formularza

Studenci, doktoranci, młodzi naukowcy, którzy wykorzystują bazę wiedzy w swoich studiach i pracy, będą Państwu bardzo wdzięczni.

Opublikowano na http://www.allbest.ru/

Wstęp

Pod wpływem nowych wymagań produkcyjnych powstała doktryna procesów chemicznych, która uwzględnia zmiany właściwości substancji pod wpływem temperatury, ciśnienia, rozpuszczalników i innych czynników. Od tego momentu chemia staje się nauką nie tylko o substancjach jako o kompletnych przedmiotach, ale także nauką o procesach i mechanizmach zmian w materii. Dzięki temu zapewniła powstanie produkcji materiałów syntetycznych zastępujących drewno i metal w budownictwie, surowców spożywczych w produkcji olejów schnących, lakierów, detergentów i smarów. Produkcja włókien sztucznych, kauczuków, alkoholu etylowego i wielu rozpuszczalników zaczęto opierać się na surowcach naftowych, a produkcję nawozów azotowych na azocie z powietrza. Pojawiła się technologia produkcji petrochemicznej, której systemy przepływowe zapewniają ciągłe procesy o wysokiej wydajności. reakcja chemiczna elektron

I tak już w 1935 roku materiały takie jak skóra, futro, guma, włókna, detergenty, olej suszący, lakiery, kwas octowy, alkohol etylowy były produkowane w całości z surowców zwierzęcych i roślinnych, w tym z żywności. Wydano na to dziesiątki milionów ton zboża, ziemniaków, tłuszczów, surowej skóry itp. Ale już w latach 60. 100% alkoholu technicznego, 80% detergentów, 90% olejów i lakierów schnących, 40% włókien, 70% gumy i około 25% materiałów skórzanych wyprodukowano z surowców gazowych i naftowych. Ponadto chemia produkuje rocznie setki tysięcy ton mocznika i białka naftowego jako paszy dla zwierząt gospodarskich oraz około 200 milionów ton nawozów.

Tak imponujące sukcesy udało się osiągnąć w oparciu o badanie procesów chemicznych – dziedzinę nauki, w której dokonano najgłębszej integracji fizyki, chemii i biologii. Doktryna ta opiera się na termodynamice i kinetyce chemicznej, dlatego ta dziedzina nauki należy w równym stopniu do fizyki, jak i chemii. Jednym z założycieli tego kierunku naukowego był rosyjski chemik N.N. Semenow jest laureatem Nagrody Nobla, twórcą fizyki chemicznej. W swoim wykładzie Nobla w 1965 roku stwierdził, że proces chemiczny jest podstawowym zjawiskiem odróżniającym chemię od fizyki i czyniącym ją nauką bardziej złożoną. Proces chemiczny staje się pierwszym krokiem na drodze od tak stosunkowo prostych obiektów fizycznych, jak elektron, proton, atom, cząsteczka, do złożonych, wielopoziomowych systemów żywych. W końcu każda komórka żywego organizmu jest zasadniczo rodzajem złożonego reaktora. Chemia staje się zatem pomostem łączącym przedmioty fizyki z przedmiotami biologii.

Badanie procesów chemicznych opiera się na założeniu, że zdolność różnych odczynników chemicznych do wzajemnego oddziaływania jest determinowana między innymi warunkami reakcji chemicznych. Warunki te mogą wpływać na charakter i wyniki reakcji chemicznych.

Zdecydowana większość reakcji chemicznych zachodzi na łasce pierwiastków. Oczywiście istnieją reakcje, które nie wymagają specjalnej kontroli ani specjalnych warunków. Są to dobrze znane reakcje interakcji kwas-zasada (neutralizacja). Jednak zdecydowaną większość reakcji trudno kontrolować. Istnieją reakcje, których po prostu nie da się przeprowadzić, choć w zasadzie są one wykonalne. Są reakcje, które trudno zatrzymać: spalanie i eksplozje. I wreszcie istnieją reakcje, które trudno jest skierować w jeden pożądany kierunek, ponieważ spontanicznie tworzą dziesiątki nieprzewidzianych rozgałęzień z utworzeniem setek produktów ubocznych. Dlatego najważniejszym zadaniem chemików jest umiejętność kontrolowania procesów chemicznych, osiągania pożądanych rezultatów.

Metody sterowania procesami chemicznymi

W najbardziej ogólnej formie metody sterowania procesami chemicznymi można podzielić na termodynamiczne i kinetyczne.

Metody termodynamiczne wpływają na zmianę równowagi chemicznej reakcji. Metody kinetyczne wpływają na szybkość reakcji chemicznej.

Pojawienie się termodynamiki chemicznej jako samodzielnego kierunku wiąże się zwykle z pojawieniem się w 1884 roku książki „Eseje o dynamice chemicznej” holenderskiego chemika J. van’t Hoffa. Uzasadnia prawa ustalające zależność kierunku reakcji chemicznej od zmian temperatury i termicznego efektu reakcji. Energia procesów chemicznych jest ściśle powiązana z prawami termodynamiki. Reakcje chemiczne wyzwalające energię nazywane są reakcjami egzotermicznymi. W nich energia jest uwalniana jednocześnie ze spadkiem energii wewnętrznej układu. Istnieją również reakcje endotermiczne, które zachodzą podczas absorpcji energii. W reakcjach tych energia wewnętrzna układu wzrasta w wyniku dopływu ciepła. Mierząc ilość energii uwolnionej podczas reakcji (efekt termiczny reakcji chemicznej), można ocenić zmianę energii wewnętrznej układu.

W tym samym czasie francuski chemik A. Le Chatelier sformułował swoją słynną zasadę równowagi ruchomej, wyposażając chemików w metody przesuwania równowagi w kierunku tworzenia docelowych produktów. Te metody kontroli nazywane są metodami termodynamicznymi.

Każda reakcja chemiczna jest w zasadzie odwracalna, ale w praktyce równowaga przesuwa się w tę czy inną stronę. Zależy to zarówno od charakteru odczynników, jak i warunków procesu. Istnieje wiele reakcji, w których równowaga zostaje przesunięta w stronę powstawania produktów końcowych: są to między innymi reakcja zobojętniania, reakcje z usuwaniem gotowych produktów w postaci gazów czy opadów.

Istnieje jednak wiele reakcji chemicznych, w których równowaga jest przesunięta w lewo, w kierunku tworzenia substancji wyjściowych. Do ich przeprowadzenia wymagane są specjalne dźwignie termodynamiczne - wzrost temperatury i ciśnienia (jeśli reakcja zachodzi w fazie gazowej), a także stężenie reagentów (jeśli reakcja zachodzi w fazie ciekłej).

Metody termodynamiczne wpływają przede wszystkim na kierunek procesów chemicznych, a nie na ich szybkość.

Szybkością procesów chemicznych steruje kinetyka chemiczna, która bada zależność przebiegu procesów chemicznych od różnych czynników strukturalnych i kinetycznych - struktury wyjściowych odczynników, ich stężenia, obecności katalizatorów i innych dodatków w reaktorze, metod mieszania odczynników, materiału i konstrukcji reaktora itp. . Zadanie badania reakcji chemicznych jest bardzo trudne. Przecież przy jego rozwiązywaniu konieczne jest poznanie mechanizmu interakcji nie tylko dwóch odczynników, ale także „ciał trzecich”, których może być kilka. W tym przypadku najwłaściwsze jest rozwiązanie krok po kroku, w którym najpierw wyodrębnia się najpotężniejsze działanie jednego z „trzecich ciał”, najczęściej katalizatora.

Ponadto należy rozumieć, że prawie wszystkie reakcje chemiczne nie są prostą interakcją początkowych odczynników, ale złożonymi łańcuchami kolejnych etapów, w których odczynniki oddziałują nie tylko między sobą, ale także ze ścianami reaktora, co mogą zarówno katalizować (przyspieszać), jak i hamować (spowalniać) proces.

Na intensywność procesów chemicznych wpływają także przypadkowe zanieczyszczenia. Substancje o różnym stopniu czystości objawiają się w niektórych przypadkach jako odczynniki bardziej aktywne, a w innych jako obojętne. Zanieczyszczenia mogą mieć działanie zarówno katalityczne, jak i hamujące. Dlatego, aby kontrolować proces chemiczny, do substancji reagujących dodaje się określone dodatki.

Tym samym wpływ „ciał trzecich” na przebieg reakcji chemicznych można sprowadzić do katalizy, czyli tzw. pozytywny wpływ na proces chemiczny lub hamowanie, które hamuje proces.

Jak zauważono powyżej, zdolność pierwiastków chemicznych do interakcji zależy nie tylko od ich struktury molekularnej, ale także od warunków, w jakich zachodzi połączenie. Warunki te wpływają na wynik reakcji chemicznych. Największy wpływ wywierają substancje o zmiennym składzie, w których połączenia pomiędzy poszczególnymi składnikami są słabsze. Na reakcję takich substancji duży wpływ mają różne katalizatory.

Kataliza to przyspieszenie reakcji chemicznej w obecności specjalnych substancji - katalizatorów, które oddziałują z odczynnikami, ale nie są zużywane w reakcji i nie wchodzą w skład produktów końcowych. Katalizę odkrył w 1812 roku rosyjski chemik K.S. Kirchhoffa. Procesy katalityczne różnią się pod względem fizycznym i chemicznym następującymi typami:

* kataliza heterogeniczna - reakcja chemiczna interakcji odczynników ciekłych lub gazowych zachodzi na powierzchni katalizatora stałego;

* kataliza jednorodna - reakcja chemiczna zachodzi albo w mieszaninie gazów, albo w cieczy, w której rozpuszczony jest zarówno katalizator, jak i odczynniki;

* elektrokataliza - reakcja zachodzi na powierzchni elektrody w kontakcie z roztworem i pod wpływem prądu elektrycznego;

* fotokataliza - reakcja zachodzi na powierzchni ciała stałego lub w roztworze ciekłym i jest stymulowana energią pochłoniętego promieniowania.

Kataliza heterogeniczna jest najbardziej rozpowszechniona, wykorzystuje się ją do przeprowadzenia 80% wszystkich reakcji katalitycznych we współczesnej chemii.

Zastosowanie katalizatorów stało się podstawą radykalnej zmiany w całym przemyśle chemicznym. Dzięki nim możliwe stało się wykorzystanie parafin i cykloparafin, dotychczas uznawanych za „martwe chemicznie”, jako surowców do syntezy organicznej. Kataliza jest niezbędna przy produkcji margaryny, wielu produktów spożywczych i środków ochrony roślin. Niemal cały przemysł chemii podstawowej (produkcja kwasów, zasad i soli nieorganicznych) oraz „ciężkiej” syntezy organicznej, w tym produkcja paliw i smarów, opiera się na katalizie. Ostatnio drobna synteza organiczna staje się coraz bardziej katalityczna. 60-80% całej chemii opiera się na procesach katalitycznych. Chemicy nie bez powodu twierdzą, że procesy niekatalityczne w ogóle nie istnieją, gdyż wszystkie zachodzą w reaktorach, których materiał ścianek pełni rolę swego rodzaju katalizatora.

Sama kataliza przez długi czas pozostawała tajemnicą natury, dając początek szerokiej gamie teorii, zarówno czysto chemicznych, jak i fizycznych. Teorie te, choć błędne, okazały się przydatne choćby dlatego, że skłoniły naukowców do nowych eksperymentów. Rzecz w tym, że do większości ważnych przemysłowo procesów chemicznych, katalizatory dobierano w drodze niezliczonych prób i błędów. Tak na przykład dla reakcji syntezy amoniaku w latach 1913-1914. Niemieccy chemicy wypróbowali ponad 20 tysięcy związków chemicznych jako katalizatorów, kierując się układem okresowym pierwiastków i łącząc je na różne sposoby.

Dziś możemy wyciągnąć pewne wnioski na temat istoty katalizy.

1. Substancje reagujące wchodzą w kontakt z katalizatorem i wchodzą z nim w interakcję, czego skutkiem jest osłabienie wiązań chemicznych. Jeśli reakcja zachodzi bez katalizatora, wówczas musi nastąpić aktywacja cząsteczek reagujących substancji poprzez dostarczenie energii z zewnątrz do reaktora.

2. W ogólnym przypadku każdą reakcję katalityczną można przedstawić jako przechodzącą przez kompleks pośredni, w którym następuje redystrybucja osłabionych wiązań chemicznych.

3. Katalizatorami są w zdecydowanej większości związki typu berthollidu o zmiennym składzie, charakteryzujące się obecnością osłabionych wiązań chemicznych lub nawet wolnych wartościowości, co nadaje im dużą aktywność chemiczną. Cząsteczki związków typu berthollidu zawierają na powierzchni szeroką gamę niejednorodnych energetycznie wiązań, a nawet wolnych atomów.

4. Konsekwencją oddziaływania odczynników z katalizatorem jest postęp reakcji w danym kierunku i wzrost szybkości reakcji, ponieważ wzrasta liczba spotkań reagujących cząsteczek na powierzchni katalizatora. Ponadto katalizator wychwytuje część energii reakcji egzotermicznej, aby energetycznie zasilać wszystkie nowe akty reakcji i jej ogólne przyspieszenie.

Chemia na obecnym etapie swojego rozwoju odkryła wiele skutecznych katalizatorów. Należą do nich żywice jonowymienne, związki metaloorganiczne i katalizatory membranowe. Wiele pierwiastków układu okresowego ma właściwości katalityczne, jednak najważniejszą rolę odgrywają metale z grupy platynowców i metale ziem rzadkich.

Przy udziale katalizatorów szybkość niektórych reakcji wzrasta 10 miliardów razy. Istnieją katalizatory, które nie tylko pozwalają kontrolować skład produktu końcowego, ale także sprzyjają tworzeniu się cząsteczek o określonym kształcie, co znacznie wpływa na właściwości fizyczne produktu (twardość, plastyczność).

Kierunki rozwoju doktryny procesów chemicznych

We współczesnych warunkach jednym z najważniejszych kierunków rozwoju badań procesów chemicznych jest tworzenie metod sterowania tymi procesami, dlatego nauki chemiczne zajmują się rozwojem takich problemów, jak chemia plazmy, chemia radiacyjna, chemia wysokich ciśnienia i temperatury.

Chemia plazmy

Chemia plazmy bada procesy chemiczne zachodzące w plazmie niskotemperaturowej w temperaturach od 1000 do 10 000°C. Procesy takie charakteryzują się stanem wzbudzonym cząstek, zderzeniami cząsteczek z cząstkami naładowanymi i bardzo dużą szybkością reakcji chemicznych. W procesach plazmowo-chemicznych szybkość redystrybucji wiązań chemicznych jest bardzo wysoka: czas trwania elementarnych aktów przemian chemicznych wynosi około 10-13 s przy prawie całkowitym braku odwracalności reakcji. Szybkość podobnych procesów chemicznych w konwencjonalnych reaktorach jest zmniejszona tysiące razy ze względu na ich odwracalność. Dlatego procesy plazmowo-chemiczne są bardzo produktywne. Na przykład wydajność reaktora chemicznego z plazmą metanową (jego wymiary: długość - 65 cm, średnica - 15 cm) wynosi 75 ton acetylenu dziennie. W tym reaktorze w temperaturze 3000-3500°C około 80% metanu ulega przemianie w acetylen w ciągu jednej dziesięciotysięcznej sekundy.

Chemia plazmy jest ostatnio coraz częściej wprowadzana do produkcji przemysłowej. Stworzono już technologie wytwarzania surowców dla metalurgii proszków oraz opracowano metody syntezy szeregu związków chemicznych. W latach siedemdziesiątych Piece do wytapiania stali plazmowej zostały stworzone z myślą o produkcji metali najwyższej jakości. Opracowano metody obróbki jonowo-plazmowej powierzchni narzędzi, których odporność na zużycie wzrasta kilkukrotnie.

Chemia plazmowa umożliwia syntezę nieznanych wcześniej materiałów, takich jak metalobeton, w którym jako element wiążący wykorzystuje się różne metale. Beton metaliczny powstaje w wyniku stapiania cząstek skały i silnego ściskania ich metalem. Jego właściwości są dziesiątki i setki razy lepsze od zwykłego betonu.

Chemia radiacyjna

Jedną z najmłodszych dziedzin badań procesów chemicznych jest chemia radiacyjna, która powstała w drugiej połowie XX wieku. Przedmiotem jej badań była przemiana szerokiej gamy substancji pod wpływem promieniowania jonizującego. Źródła promieniowania jonizującego obejmują urządzenia rentgenowskie, akceleratory cząstek naładowanych, reaktory jądrowe i izotopy radioaktywne. W wyniku reakcji radiacyjno-chemicznych substancje uzyskują zwiększoną odporność cieplną i twardość.

Do najważniejszych procesów technologii radiacyjno-chemicznej zalicza się polimeryzację, wulkanizację, produkcję materiałów kompozytowych, w tym produkcję polimerobetonów poprzez impregnację zwykłego betonu dowolnym polimerem, a następnie jego napromienianie. Takie betony mają czterokrotnie większą wytrzymałość, są wodoodporne i wysoce odporne na korozję.

Chemia wysokich ciśnień i temperatur

Zasadniczo nowym i niezwykle ważnym obszarem badań procesów chemicznych jest samonapędzająca się synteza wysokotemperaturowa materiałów ogniotrwałych i ceramicznych. Zazwyczaj ich produkcja odbywa się metodą metalurgii proszków, której istotą jest prasowanie i prasowanie proszków metali w wysokich temperaturach (1200-2000°C). Sama synteza propagacyjna jest znacznie prostsza: polega na spalaniu jednego metalu w drugim lub spalaniu metalu w azocie, węglu, krzemie itp.

Od dawna wiadomo, że proces spalania to połączenie tlenu z substancją palną, zatem spalanie jest reakcją utleniania substancji palnej. W tym przypadku elektrony przemieszczają się od atomów utlenionej substancji do atomów tlenu. Z tego punktu widzenia spalanie jest możliwe nie tylko w tlenie, ale także w innych środkach utleniających. Na tym wniosku opiera się samorozmnażająca się synteza wysokotemperaturowa, czyli termiczny proces spalania w ciałach stałych. Oznacza to na przykład spalanie proszku tytanu w proszku boru lub proszku cyrkonu w proszku krzemu. W wyniku tej syntezy otrzymuje się setki związków ogniotrwałych najwyższej jakości.

Bardzo ważne jest, aby technologia ta nie wymagała uciążliwych procesów, była wysoce technologiczna i dawała się łatwo zautomatyzować.

Chemia pod wysokim ciśnieniem

Kolejnym obszarem rozwoju badań procesów chemicznych jest chemia wysokich i ultrawysokich ciśnień. Przemiany chemiczne substancji pod ciśnieniem powyżej 100 atm należą do chemii wysokociśnieniowej, a przy ciśnieniu powyżej 1000 atm - do chemii ultrawysokiego ciśnienia. Wysokie ciśnienia są stosowane w chemii od początku XX wieku. -- produkcję amoniaku prowadzono pod ciśnieniem 300 atm i temperaturze 600°C. Ale ostatnio zastosowano instalacje, w których osiąga się ciśnienie 5000 atm, a badania przeprowadza się przy ciśnieniu 600 000 atm, które osiąga się w wyniku fali uderzeniowej eksplozji w ciągu jednej milionowej sekundy. Wybuchy nuklearne wytwarzają jeszcze wyższe ciśnienia.

Pod wysokim ciśnieniem powłoki elektronowe atomów zbliżają się do siebie i ulegają deformacji, co prowadzi do wzrostu reaktywności substancji. Przy ciśnieniu 102-103 atm zanika różnica pomiędzy fazą ciekłą i gazową, a przy 103-105 atm pomiędzy fazą stałą i ciekłą. Pod wysokim ciśnieniem właściwości fizyczne i chemiczne substancji znacznie się zmieniają. Na przykład pod ciśnieniem 20 000 atm metal staje się elastyczny jak guma. Zwykła woda staje się aktywna chemicznie w wysokich temperaturach i ciśnieniach. Wraz ze wzrostem ciśnienia wiele substancji przechodzi w stan metaliczny. I tak w 1973 roku naukowcy zaobserwowali metaliczny wodór pod ciśnieniem 2,8 miliona atm.

Jednym z najważniejszych osiągnięć chemii ultrawysokiego ciśnienia była synteza diamentów. Pracuje pod ciśnieniem 50 000 atm i temperaturą 2000°C. W tym przypadku grafit krystalizuje w diamenty. Diamenty można również syntetyzować za pomocą fal uderzeniowych. Ostatnio rocznie produkuje się tony syntetycznych diamentów, które tylko nieznacznie różnią się od naturalnych właściwościami. Powstałe diamenty wykorzystywane są do celów przemysłowych – w urządzeniach do cięcia i wiercenia. Udało się zsyntetyzować czarne diamenty – carbonados, które są twardsze od diamentów naturalnych. Służą do obróbki samych diamentów.

Obecnie na skalę przemysłową zaczęto produkować nie tylko sztuczne diamenty, ale także inne kamienie szlachetne - korund (czerwony rubin), szmaragd itp. Pod wysokim ciśnieniem syntetyzuje się także inne materiały charakteryzujące się wysoką odpornością na ciepło. W ten sposób azotek boru zsyntetyzowano z azotku boru pod ciśnieniem 100 000 atm i temperaturze 2000°C – materiału nadającego się do wiercenia i szlifowania części wykonanych z wyjątkowo twardych materiałów w bardzo wysokich temperaturach.

Energia procesów i układów chemicznych

Reakcje chemiczne to interakcje pomiędzy atomami i cząsteczkami, prowadzące do powstania nowych substancji, różniących się od pierwotnych składem chemicznym lub strukturą. Reakcje chemiczne, w przeciwieństwie do reakcji jądrowych, nie zmieniają ani całkowitej liczby atomów w układzie, ani składu izotopowego pierwiastków.

System to zbiór ciał odizolowanych od przestrzeni. Jeżeli układ umożliwia wymianę masy i ciepła pomiędzy wszystkimi swoimi elementami, wówczas taki układ nazywa się termodynamicznym. Układ chemiczny, w którym mogą zachodzić reakcje, jest szczególnym przypadkiem układu termodynamicznego. Jeśli między układem a otoczeniem nie ma wymiany masy i ciepła, wówczas taki układ nazywa się izolowanym. Jeśli nie ma wymiany masy, ale możliwa jest wymiana ciepła, wówczas układ nazywa się zamkniętym. Jeśli możliwa jest zarówno wymiana masy, jak i ciepła pomiędzy układem a otoczeniem, wówczas układ jest otwarty. Układ składający się z kilku faz nazywa się heterogenicznym, układ jednofazowy nazywa się jednorodnym.

O stanie układu chemicznego decydują jego właściwości: temperatura, ciśnienie, stężenie, objętość, energia.

Reakcje zachodzące w układzie jednorodnym przebiegają w całej jego objętości i nazywane są jednorodnymi. Reakcje zachodzące na granicy faz są niejednorodne.

Do termodynamicznego opisu układu stosuje się tzw. funkcje stanu układu – jest to dowolna wielkość fizyczna, której wartości są jednoznacznie określone przez właściwości termodynamiczne układu. Do najważniejszych funkcji stanu systemu zalicza się:

Całkowita energia układu (E);

Energia wewnętrzna układu (U);

Entalpia (lub zawartość ciepła) jest miarą energii zgromadzonej przez substancję podczas jej powstawania (H):

Entropia jest miarą nieporządku układu (S);

Energia Gibbsa jest miarą stabilności układu przy stałym ciśnieniu (G):

Energia Helmholtza jest miarą stabilności układu przy stałej objętości (F):

Możliwość zajścia procesu spontanicznego można ocenić po znaku zmiany funkcji energii swobodnej Gibbsa: if?G< 0, т.е. в процессе взаимодействия происходит уменьшение свободной энергии, то процесс термодинамически возможен. Если?G >0, proces nie może być kontynuowany. Zatem wszystkie procesy mogą samoistnie przebiegać w kierunku zmniejszania się energii swobodnej.

Interakcji chemicznej zwykle towarzyszy efekt termiczny. Procesy zachodzące wraz z wydzielaniem ciepła nazywane są egzotermicznymi (?H< 0), а идущие с поглощением теплоты - эндотермическими (?Н > 0).

Efekt cieplny procesów chemicznych w warunkach izobarycznych określa się zmianą entalpii, tj. różnica między entalpią stanu końcowego i początkowego. Zgodnie z prawem Lavoisiera-Laplace'a: ciepło wydzielone podczas tworzenia się substancji jest równe ciepłu pochłoniętemu podczas rozkładu tej samej jej ilości na jej pierwotne składniki.

Głębsze uogólnienia praw termochemicznych podaje prawo Hessa: efekt termiczny reakcji chemicznych zachodzących przy stałym ciśnieniu lub przy stałej objętości nie zależy od liczby etapów pośrednich, ale zależy jedynie od stanu początkowego i końcowego układu.

Pierwsza zasada termodynamiki (prawo zachowania energii) - energia nie znika i nie pojawia się ponownie z niczego w trakcie procesu, może jedynie przechodzić z jednej formy do drugiej w ściśle równoważnych relacjach.

II zasada termodynamiki - gdy proces zachodzi w izolowanym układzie procesów odwracalnych, entropia pozostaje niezmieniona, natomiast podczas procesów nieodwracalnych wzrasta. .

Wniosek

Chemia jest nauką społeczną. Jej najwyższym celem jest zaspokojenie potrzeb każdego człowieka i całego społeczeństwa. Wiele nadziei ludzkości wiąże się z chemią. Biologia molekularna, inżynieria genetyczna i biotechnologia oraz inżynieria materiałowa to zasadniczo nauki chemiczne. Postęp medycyny i opieki zdrowotnej to problemy chemii chorób, leków, żywności; neurofizjologia i funkcjonowanie mózgu to przede wszystkim neurochemia, chemia i chemia pamięci. Ludzkość oczekuje od chemii nowych materiałów o magicznych właściwościach, nowych źródeł energii i baterii, nowych czystych i bezpiecznych technologii itp.

Chemia, jako nauka podstawowa, ukształtowała się na początku XX wieku wraz z nową mechaniką kwantową. I jest to prawda bezdyskusyjna, ponieważ wszystkie przedmioty chemii to atomy, cząsteczki, jony itp. - są obiektami kwantowymi. Głównymi wydarzeniami w chemii są reakcje chemiczne i procesy chemiczne, tj. Przegrupowanie jąder atomowych i transformacja powłok elektronowych, ubrań elektronicznych cząsteczek reagentów w cząsteczki produktu, jest również wydarzeniem kwantowym.

Zapotrzebowanie na procesy chemiczne powstaje pod wpływem nowych wymagań produkcyjnych. Metody rozwiązania głównego problemu chemii oparte na poznanej wcześniej doktrynie składu i teoriach strukturalnych okazały się tu wyraźnie niewystarczające i powstaje nowy poziom – poziom wiedzy chemicznej – wiedza o procesach chemicznych. Chemia staje się nauką nie tylko o substancjach jako o kompletnych przedmiotach, ale nauką o procesach i mechanizmach zmian materii. Dzięki temu zapewniła produkcję materiałów syntetycznych.

We współczesnym społeczeństwie badanie procesów chemicznych jest niezbędną wiedzą, ponieważ nauka musi się rozwijać i dążyć do nowych odkryć, a tylko człowiek może się do tego przyczynić.

Wykaz używanej literatury

1. Bochkarev A. I. - Koncepcje współczesnych nauk przyrodniczych: podręcznik dla studentów A. I. Bochkarev, T. S. Bochkareva, S. V. Saksonov; edytowany przez prof. A. I. Bochkareva. - Togliatti: TGUS, 2008. - 386 s. [zasoby elektroniczne]www.tolgas.ru (data dostępu 14.11.2102)

2. Sadokhin A.P. Koncepcje współczesnych nauk przyrodniczych: podręcznik dla studentów kierunków humanistycznych i specjalności ekonomia i zarządzanie / A.P. Sadochin. — Wydanie drugie, poprawione. i dodatkowe - M.: UNITY-DANA, 2006. - 447 s. [zasoby elektroniczne] http://www.twirpx.com/file/20132/ (data dostępu: 12.10.2102)

Opublikowano na Allbest.ru

...

Podobne dokumenty

Definicja biosfery, jej ewolucja, granice i skład, ochrona. Właściwości materii żywej. Biogenna migracja atomów. Biomasa, jej rozmieszczenie na planecie. Rola roślin, zwierząt i mikroorganizmów w obiegu substancji. Transformacja biosfery i energii.

test, dodano 15.09.2013


Porządek, nieporządek w przyrodzie, cechy ruchu termicznego jako przykład porządku chaotycznego, niezorganizowanego. Zjawisko procesu rozpraszania energii. Procesy chemiczne i właściwości substancji. Jakość korpusów rakiety w warunkach dużych prędkości.

praca na kursie, dodano 11.03.2010


Studium teorii samoorganizacji. Główne kryterium rozwoju systemów samoorganizujących się. Procesy nierównowagowe i układy otwarte. Samoorganizacja struktur rozpraszających. Reakcja chemiczna Biełousowa-Żabotyńskiego. Samoorganizacja w zjawiskach fizycznych.

streszczenie, dodano 30.09.2010


Rozwój jądra jako jednego z elementów strukturalnych komórki eukariotycznej, który zawiera informację genetyczną w cząsteczkach DNA. Otoczka jądrowa, jądro, macierz jako elementy strukturalne jądra. Charakterystyka procesów replikacji i transkrypcji cząsteczek.

prezentacja, dodano 01.08.2012


Analiza mechanizmów przejścia substancji przez błonę komórkową. Główne procesy, w wyniku których substancje przenikają przez membranę. Właściwości dyfuzji prostej i ułatwionej. Rodzaje transportu aktywnego. Kanały jonowe, ich różnica w stosunku do porów, gradient.

prezentacja, dodano 11.06.2014


Transformacja substancji azotowych w roślinach. Jakość olejów roślinnych w zależności od czynników środowiskowych. Przemiany substancji podczas dojrzewania nasion oleistych. Wernalizacja, jej istota i znaczenie. Wpływ temperatury i światła na spoczynek nasion.

test, dodano 05.09.2011


Analiza możliwych dróg rozkładu glukozy. Oznaczanie składników i zasady funkcjonowania metabolizmu tlenowego. Procesy powstawania kwasów organicznych i biotransformacja substratów wyjściowych różniących się charakterem chemicznym od węglowodanów.

streszczenie, dodano 09.06.2015


Przepływy materii, energii i bloki destrukcyjne w ekosystemach. Problemy produktywności biologicznej. Piramidy liczb, biomasy i energii. Procesy przemian materii i energii pomiędzy fauną i środowiskiem fizycznym. Biochemiczny obieg substancji.

streszczenie, dodano 26.06.2010


Prawo grawitacji Newtona. Szczególna teoria względności. Druga zasada termodynamiki. Idee dotyczące budowy atomów. Metody kinetyki chemicznej. Pojęcia równowagi, promieniowanie równowagowe. Reakcje syntezy jądrowej. Cechy cyklu biotycznego.

test, dodano 16.04.2011


Opis głównych funkcji pełnionych przez procesy wydzielania substancji w roślinach. Pojęcie allelopatii, wydalanie i wydzielanie. Funkcje wyspecjalizowanych struktur wydzielniczych u roślin. Grupy formacji naskórka biorących udział w wydzielaniu substancji.

Wzajemne przemiany związków obserwowane w przyrodzie żywej, a także te zachodzące w wyniku działalności człowieka, można uznać za procesy chemiczne. Odczynnikami w nich mogą być dwie lub więcej substancji znajdujących się w tym samym lub różnych stanach skupienia. W zależności od tego wyróżnia się systemy jednorodne lub heterogeniczne. W pracy omówione zostaną warunki, cechy przebiegu i rola procesów chemicznych w przyrodzie.

Co należy rozumieć przez reakcję chemiczną?

Jeżeli w wyniku oddziaływania substancji wyjściowych części składowe ich cząsteczek ulegają zmianom, ale ładunki jąder atomowych pozostają takie same, mówimy o reakcjach lub procesach chemicznych. Produkty powstałe w wyniku ich przepływu wykorzystywane są przez człowieka w przemyśle, rolnictwie i życiu codziennym. Ogromna liczba interakcji między substancjami zachodzi zarówno w przyrodzie ożywionej, jak i nieożywionej. Procesy chemiczne zasadniczo różnią się od zjawisk fizycznych i właściwości radioaktywności. Tworzą się w nich cząsteczki nowych substancji, procesy fizyczne nie zmieniają składu związków, a w reakcjach jądrowych pojawiają się atomy nowych pierwiastków chemicznych.

Warunki prowadzenia procesów w chemii

Mogą być one różne i zależą przede wszystkim od charakteru odczynników, potrzeby dopływu energii z zewnątrz, a także stanu skupienia (ciała stałe, roztwory, gazy), w którym zachodzi proces. Mechanizm chemiczny interakcji między dwoma lub większą liczbą związków można przeprowadzić pod wpływem katalizatorów (na przykład produkcja kwasu azotowego), temperatury (produkcja amoniaku) lub energii świetlnej (fotosynteza). Przy udziale enzymów w przyrodzie ożywionej procesy reakcji fermentacji chemicznej (alkoholowej, mlekowej, masłowej) są szeroko rozpowszechnione, stosowane w przemyśle spożywczym i mikrobiologicznym. Aby uzyskać produkty w przemyśle syntezy organicznej, jednym z głównych warunków jest obecność mechanizmu wolnorodnikowego procesu chemicznego. Przykładem może być produkcja chlorowanych pochodnych metanu (dichlorometan, trichlorometan, czterochlorek węgla, powstających w wyniku reakcji łańcuchowych).

Kataliza homogeniczna

Reprezentują szczególne rodzaje kontaktu pomiędzy dwiema lub większą liczbą substancji. Istotą procesów chemicznych zachodzących w fazie jednorodnej (np. gaz - gaz) z udziałem przyspieszaczy reakcji jest prowadzenie reakcji w całej objętości mieszanin. Jeśli katalizator znajduje się w tym samym stanie skupienia co odczynniki, tworzy mobilne kompleksy pośrednie ze związkami wyjściowymi.

Kataliza homogeniczna jest podstawowym procesem chemicznym przeprowadzanym np. przy rafinacji ropy naftowej, produkcji benzyny, benzyny ciężkiej, oleju napędowego i innych rodzajów paliw. Wykorzystuje technologie takie jak reforming, izomeryzacja i kraking katalityczny.

Kataliza heterogeniczna

W przypadku katalizy heterogenicznej kontakt substancji reagujących następuje najczęściej na stałej powierzchni samego katalizatora. Tworzą się na nim tak zwane centra aktywne. Są to obszary, w których oddziaływanie reagujących związków zachodzi bardzo szybko, czyli jest duże. Są one specyficzne gatunkowo i odgrywają również ważną rolę, jeśli w żywych komórkach zachodzą procesy chemiczne. Następnie mówią o metabolizmie - reakcjach metabolicznych. Przykładem katalizy heterogenicznej jest przemysłowa produkcja kwasu siarczanowego. W aparacie kontaktowym gazowa mieszanina dwutlenku siarki i tlenu jest podgrzewana i przepuszczana przez półki siatkowe wypełnione zdyspergowanym proszkiem tlenku wanadu lub siarczanu wanadylu VOSO 4. Powstały produkt, trójtlenek siarki, jest następnie absorbowany w stężonym kwasie siarkowym. Tworzy się ciecz zwana oleum. Można go rozcieńczać wodą, aby otrzymać kwas siarczanowy o pożądanym stężeniu.

Cechy reakcji termochemicznych

Uwolnienie lub absorpcja energii w postaci ciepła ma ogromne znaczenie praktyczne. Wystarczy przypomnieć reakcje spalania paliw: gazu ziemnego, węgla, torfu. Reprezentują procesy fizyczne i chemiczne, których ważną cechą jest ciepło spalania. Reakcje termiczne są szeroko rozpowszechnione zarówno w świecie organicznym, jak i w przyrodzie nieożywionej. Przykładowo w procesie trawienia białka, lipidy i węglowodany ulegają rozkładowi pod wpływem substancji biologicznie czynnych – enzymów.

Uwolniona energia jest akumulowana w postaci cząsteczek ATP. Reakcjom dysymilacji towarzyszy wydzielanie energii, której część jest rozpraszana w postaci ciepła. W wyniku trawienia każdy gram białka dostarcza 17,2 kJ energii, skrobia – 17,2 kJ, tłuszcz – 38,9 kJ. Procesy chemiczne, w których uwalniana jest energia, nazywane są egzotermicznymi, a te, które ją pochłaniają, nazywane są endotermicznymi. W przemyśle syntezy organicznej i innych technologiach oblicza się skutki termiczne reakcji termochemicznych. Warto to wiedzieć np. aby poprawnie obliczyć ilość energii zużywanej do ogrzewania reaktorów i kolumn syntezowych, w których zachodzą reakcje wymagające absorpcji ciepła.

Kinetyka i jej rola w teorii procesów chemicznych

Obliczanie prędkości reagujących cząstek (cząsteczek, jonów) jest najważniejszym zadaniem stojącym przed przemysłem. Jego rozwiązanie zapewnia efekt ekonomiczny i opłacalność cykli technologicznych w produkcji chemicznej. Aby zwiększyć szybkość takiej reakcji, np. syntezy amoniaku, decydującymi czynnikami będzie zmiana ciśnienia w mieszaninie gazowej azotu i wodoru do 30 MPa, a także zapobieganie gwałtownemu wzrostowi temperatury (optymalna temperatura to 450-550°C).

Procesy chemiczne stosowane przy produkcji kwasu siarczanowego, a mianowicie: spalanie pirytu, utlenianie dwutlenku siarki, absorpcja trójtlenku siarki przez oleum, przeprowadzane są w różnych warunkach. W tym celu stosuje się piec pirytowy i urządzenia kontaktowe. Uwzględniają stężenie substancji reagujących, temperaturę i ciśnienie. Wszystkie te czynniki są skorelowane w celu przeprowadzenia reakcji z największą szybkością, co zwiększa wydajność kwasu siarczanowego do 96-98%.

Cykl substancji jako procesy fizyczne i chemiczne w przyrodzie

Znane powiedzenie „Ruch to życie” można odnieść także do pierwiastków chemicznych wchodzących w różnego rodzaju interakcje (reakcje łączenia, podstawienia, rozkładu, wymiany). Cząsteczki i atomy pierwiastków chemicznych znajdują się w ciągłym ruchu. Jak ustalili naukowcy, wszystkiemu temu mogą towarzyszyć zjawiska fizyczne: wydzielanie ciepła lub jego absorpcja, emisja fotonów światła, zmiana stanu skupienia. Procesy te zachodzą w każdej skorupie Ziemi: litosferze, hydrosferze, atmosferze, biosferze. Najważniejsze z nich to cykle substancji takich jak tlen, dwutlenek węgla i azot. W kolejnym tytule przyjrzymy się, jak azot krąży w atmosferze, glebie i organizmach żywych.

Wzajemna konwersja azotu i jego związków

Powszechnie wiadomo, że azot jest niezbędnym składnikiem białek i dlatego uczestniczy w tworzeniu wszystkich bez wyjątku rodzajów życia lądowego. Azot jest pobierany przez rośliny i zwierzęta w postaci jonów: amonowego, azotanowego i azotynowego. W wyniku fotosyntezy rośliny wytwarzają nie tylko glukozę, ale także aminokwasy, glicerol i kwasy tłuszczowe. Wszystkie powyższe związki chemiczne są produktami reakcji zachodzących w cyklu Calvina. Wybitny rosyjski naukowiec K. Timiryazev mówił o kosmicznej roli roślin zielonych, polegającej m.in. na ich zdolności do syntezy białek.

Roślinożercy pozyskują peptydy z pokarmów roślinnych, natomiast mięsożercy pozyskują peptydy z mięsa ofiar. Podczas rozkładu szczątków roślinnych i zwierzęcych pod wpływem saprotroficznych bakterii glebowych zachodzą złożone procesy biologiczne i chemiczne. W wyniku tego azot ze związków organicznych ulega przemianie do formy nieorganicznej (powstaje amoniak, wolny azot, azotany i azotyny). Wracając do atmosfery i gleby, wszystkie te substancje są ponownie wchłaniane przez rośliny. Azot przedostaje się przez aparaty szparkowe skórki liści, a roztwory azotu i ich soli są wchłaniane przez włośniki korzeni roślin. Cykl konwersji azotu zamyka się i powtarza. Istotę procesów chemicznych zachodzących w przyrodzie szczegółowo zbadał na początku XX wieku rosyjski naukowiec D.N. Pryanishnikov.

Metalurgia proszków

Nowoczesne procesy i technologie chemiczne wnoszą znaczący wkład w tworzenie materiałów o unikalnych właściwościach fizykochemicznych. Jest to szczególnie ważne przede wszystkim w przypadku instrumentów i wyposażenia rafinerii ropy naftowej, przedsiębiorstw produkujących kwasy nieorganiczne, barwniki, lakiery i tworzywa sztuczne. Do ich produkcji wykorzystuje się wymienniki ciepła, urządzenia kontaktowe, kolumny syntezowe i rurociągi. Powierzchnia urządzenia ma kontakt z agresywnymi mediami pod wysokim ciśnieniem. Ponadto prawie wszystkie chemiczne procesy produkcyjne prowadzone są w wysokich temperaturach. Pilnie konieczne jest uzyskanie materiałów o wysokim poziomie odporności na ciepło i kwasy oraz właściwościach antykorozyjnych.

Metalurgia proszków obejmuje procesy wytwarzania proszków zawierających metale, spiekania i wprowadzania do składu nowoczesnych stopów stosowanych w reakcjach z substancjami agresywnymi chemicznie.

Kompozyty i ich znaczenie

Wśród nowoczesnych technologii najważniejszymi procesami chemicznymi są reakcje wytwarzania materiałów kompozytowych. Należą do nich pianki, cermetale i norpapalsty. Jako matrycę do produkcji wykorzystuje się metale i ich stopy, ceramikę i tworzywa sztuczne. Jako wypełniacze stosuje się krzemian wapnia, białą glinkę, żelazoki strontu i baru. Wszystkie powyższe substancje nadają materiałom kompozytowym odporność na uderzenia, odporność na ciepło i odporność na zużycie.

Co to jest technologia chemiczna

Dziedzinę nauki zajmującą się badaniem środków i metod stosowanych w reakcjach przetwarzania surowców: ropy naftowej, gazu ziemnego, węgla, minerałów nazwano technologią chemiczną. Inaczej mówiąc, jest to nauka o procesach chemicznych zachodzących w wyniku działalności człowieka. Cała jego baza teoretyczna składa się z matematyki, cybernetyki, chemii fizycznej i ekonomii przemysłu. Nie ma znaczenia, jaki proces chemiczny obejmuje technologia (produkcja kwasu azotowego, rozkład wapienia, synteza tworzyw fenolowo-formaldehydowych) – w nowoczesnych warunkach nie jest to możliwe bez zautomatyzowanych systemów sterowania, które ułatwiają działalność człowieka, eliminują zanieczyszczenia środowiska, oraz zapewnić ciągłą i bezodpadową technologię produkcji chemicznej.

W tej pracy przyjrzeliśmy się przykładom procesów chemicznych zachodzących zarówno w przyrodzie ożywionej (fotosynteza, dysymilacja, obieg azotu), jak i w przemyśle.

Proces chemiczno-technologiczny, jak pokazano powyżej, to połączenie operacji chemicznych, fizykochemicznych, fizycznych i mechanicznych, połączonych ze sobą i prowadzonych w określonej kolejności, w celu uzyskania produktu końcowego. Sam proces chemiczny jest drugim i głównym podsystemem układu chemicznego. Jego skuteczność wymaga spełnienia określonych warunków, których treść określa reżim technologiczny.

Tryb technologiczny– jest to zbiór parametrów zapewniający stabilny i najbardziej efektywny przebieg procesu chemicznego.

Parametr procesu podaj ilość , charakteryzujący jeden ze wskaźników trybu pracy urządzenia. Z reguły parametr jest wielkością ilościową, która pozwala określić ilościowo działanie urządzenia. Głównymi parametrami procesu chemicznego są temperatura, ciśnienie, stosunek odczynników, ich zużycie w jednostce czasu, czas kontaktu, objętościowa szybkość podawania surowców, aktywność katalizatora, współczynnik recyrkulacji, natężenie prądu, napięcie itp. Połączenie optymalnych parametrów pozwala na prowadzenie procesu z najwyższą możliwą wydajnością i jakością docelowego produktu, przy dużej prędkości i minimalnych kosztach.

Jak wspomniano powyżej, głównym podsystemem jest proces chemiczny - przemiana chemiczna surowców. Zachodzi w wyniku jednej lub kilku reakcji chemicznych, którym towarzyszą zjawiska wymiany masy i ciepła. Jeżeli proces przemiany chemicznej zachodzi jednoetapowo zgodnie z równaniem stechiometrycznym, wówczas nazywa się go prostym. Pozostałe reakcje są złożone. Należą do nich reakcje odwracalne, łańcuchowe, równoległe, sekwencyjne, sprzężone i inne. Reakcje chemiczne są klasyfikowane według szeregu kryteriów:

Przez stan fazowy układ reakcji ( homofazowy Lub heterofazowy);

Zgodnie z mechanizmem interakcji;

Przez odwracalność ( odwracalne i nieodwracalne);

Zgodnie ze znakiem efektu cieplnego [ egzotermiczny(+ N) I endotermiczny (- N)];

W zależności od zastosowania katalizatora ( katalityczne i niekatalityczne);

Według temperatury ( niska temperatura i wysoka temperatura);

W kolejności reakcji.

Poniżej znajduje się tabela. 5.1 Klasyfikacja technologiczna reakcji chemicznych.

Intensyfikacja procesów jednorodnych. Jeśli reakcja zachodzi w większości fazy, nazywa się ją jednorodną. Reakcje jednorodne obejmują na przykład reakcje w roztworach . W układach jednorodnych reakcja zachodzi w całej objętości reaktora. Szybkość reakcji w takich procesach można zintensyfikować zmieniając skład środowiska reakcji, temperaturę i ciśnienie.

Wpływ składu środowiska reakcji zależy od stężenia odczynników oraz ich właściwości fizycznych i chemicznych.

Wiadomo, że zgodnie z prawem działania mas, dla jednorodnej reakcji tego typu
aA + bB cC + dD zapisuje się w następujący sposób:

(- V A) = kC za ZA do b B , (5.1)

Gdzie ( V A) – szybkość reakcji chemicznej;

SA, S. B– stężenia molowe odczynników A i B;

a, b- kolejność reakcji dla odczynników A i B;

k- stała szybkości reakcji.

Tabela 5.1

Znak klasyfikacji	Przykłady reakcji chemicznych
1. Mechanizm i chemia reakcji: - prosta nieodwracalna - prosta odwracalna - z niekorzystną równowagą - złożona nieodwracalna - równoległa do poprzedniej - sekwencyjna (kolejna w kolejności) - złożona odwracalna	2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 SO 2 + 0,5O 2 SO 3 3H 2 + N 2 2NH 3 NH 3 + 1,25 O 2 = NO + 1,5H 2 O NH 3 + 1,5 O 2 = N 2 + 3H 2 O do 6 H 5 CH 3 +O 2 = C 6 H. 5 CH 2 UN= C 6 H. 5 CHO +H 2 O CO + H 2 O CO 2 + H 2 CO + H 2 O CH 3 OH
2. Wielkość i znak efektu termicznego reakcji: - silnie egzotermiczna - słabo egzotermiczna - silnie endotermiczna - słabo endotermiczna	SO2 + O2 + 297 kJ/mol C 6 H 12 = CH 3 (CH 2) 2 CH = CH-CH 3 + 59,9 kJ/mol do 6 H. 12 = do 6 H. 6 + 3 H. 2 – 221 kJ/mol ROH + R 1 COOH RCOOR 1 + H 2 O – 50 kJ/mol
3. Model kinetyczny – rząd reakcji: - zero - pierwszy - drugi - trzeci - ułamkowy	Równanie szybkości reakcji: -V A = kC A =k -V A = kC A -V = kC A C B ; -V = kC2A; -V = kC 2 B -V = kC 2 A C B ; -V = k do za do b 2 -V = kc za do re 1,5
4. Sposób aktywacji układu: wpływ temperatury reakcji: - wysoka temperatura (powyżej 500 o C) - średnia temperatura (160-500 o C) - niska temperatura (poniżej 160 o C) - reakcja pod ciśnieniem - katalityczna, elektrochemiczna, reakcje fotochemiczne itp	Piroliza surowców węglowodorowych Utlenianie parafin Alkilowanie izobutanu olefinami Kraking katalityczny Reforming katalityczny, halogenowanie parafin

A, B – odczynniki początkowe;

V – szybkość reakcji;

k - stała szybkości;

C – koncentracja.

Zatem szybkość reakcji jest proporcjonalna do iloczynu stężeń reagentów, przyjętego w potęgach równych rządowi reakcji, z czego wynikają następujące wnioski:

1) im wyższa wartość stężenia, tym większa szybkość reakcji;

2) szybkość reakcji w większym stopniu zależy od odczynnika uwzględnionego w równaniu szybkości w większym stopniu;

3) jeżeli jednocześnie zachodzą reakcje różnych rzędów, to zmiana stężenia będzie miała silniejszy wpływ na szybkość reakcji wyższego rzędu.

Te wzorce leżą u podstaw techniki technologicznej - nadmiaru jednego z odczynników. W tym przypadku bardziej opłaca się przyjąć w nadmiarze odczynnik zawarty w równaniu reakcji o wyższym współczynniku stechiometrycznym. Istnieje jednak wiele powodów, dla których w wielu procesach prowadzonych w fazie gazowej i ciekłej reagenty rozcieńcza się rozpuszczalnikiem, tj. obniżając ich koncentrację. Istnieje kilka powodów:

a) możliwość przegrzania masy reakcyjnej podczas prowadzenia silnie egzotermicznej reakcji z dużą szybkością;

b) stosowanie niskich stężeń – wymóg selektywnego występowania reakcji złożonych, jeżeli reakcja uboczna jest reakcji wyższej;

c) poprawa warunków zachodzących procesów fizycznych towarzyszących reakcji, ponieważ rozcieńczenie pozwala obniżyć lepkość, ułatwić równomierne wymieszanie masy reakcyjnej i jej transport oraz zapewnić bardziej intensywne i równomierne przekazywanie ciepła.

Wpływ temperatury na szybkość reakcji opisuje równanie Arrheniusa:

k = A mi - E / RT(5.2)

Gdzie k– stała szybkości;

A– czynnik przedwykładniczy;

mi- energia aktywacji, kJ/mol;

R- stała gazowa, kJ/mol;

T– temperatura, o DO.

Z tego równania wynika, że ​​ponieważ temperatura jest zawarta w wykładniku, ma ona bardzo duży wpływ na szybkość reakcji. Z tego samego powodu energia aktywacji ma znaczący wpływ na prędkość, ale z innym znakiem.

Zakres ciśnień stosowanych w technologii chemicznej jest bardzo szeroki. W rafinacji ropy naftowej w większości procesów ciśnienie mieści się w zakresie 1-5 MPa, ale są procesy z ciśnieniem do 32MPa(hydrokraking) i w próżni (rektyfikacja oleju opałowego). W petrochemii znane są procesy przy ciśnieniach do 100 MPa(polimeryzacja etylenu). Istnieje kilka powodów, dla których wysokie ciśnienie, pomimo wysokich kosztów energii, jest szeroko stosowane w technologii chemicznej:

1. Ciśnienie znacznie zwiększa prędkość procesów w fazie gazowej, ponieważ w tym przypadku stężenie odczynników gwałtownie wzrasta.

2. Ciśnienie wpływa na położenie równowagi chemicznej dla reakcji odwracalnych, przy czym wzrost ciśnienia przesuwa równowagę w kierunku reakcji bezpośredniej, jeśli proces przebiega ze zmniejszeniem objętości.

3. Ciśnienie zwiększa temperaturę wrzenia i topnienia. Efekt ten wykorzystuje się do prowadzenia procesów w fazie ciekłej dla substancji znajdujących się w stanie gazowym pod ciśnieniem normalnym.

4. Zwiększenie ciśnienia w wielu przypadkach pozwala na obniżenie temperatury syntezy, co jest istotne w układach o małej stabilności termicznej reagentów lub produktów procesu.

Intensyfikacja procesów heterogenicznych. Układy heterogeniczne składają się z ośrodka ciągłego (ciągłego) i fazy dyskretnej, zawierającej jeden lub więcej składników. Przykłady takich systemów podano w tabeli. 5.2.

W układzie heterogenicznym obszarem interakcji chemicznej jest interfejs fazowy.

Szybkość reakcji heterogenicznej jest złożoną funkcją parametrów kilku procesów zachodzących równolegle: przenoszenia masy z zewnątrz do ośrodka reakcji, samej reakcji chemicznej oraz usuwania produktów procesu z przestrzeni reakcyjnej.

Podstawowe etapy reakcji heterogenicznej zachodzą z różną szybkością. Ponadto w warunkach procesu stacjonarnego prędkości wszystkich etapów będą takie same i równe prędkości najwolniejszego etapu. Ten etap nazywa się ograniczające. Dlatego w procesach heterogenicznych ich nasilenie wiąże się z przyspieszeniem etapu granicznego.

Aby rozwiązać ten problem, do teorii procesów heterogenicznych wprowadzono pojęcie obszaru reakcji. Zgodnie z tą teorią reakcja heterogeniczna może zachodzić w kinetyczny, dyfuzyjny lub przejściowy (dyfuzyjno-kinetyczny) obszary. Nazwa tych obszarów jest bezpośrednio związana z etapem ograniczającym.

Tabela 5.2

Rodzaje układów dyspersyjnych

Faza rozproszona – ośrodek rozproszony	Rodzaj systemów	Przykłady
T-F	Zole, zawiesiny, zawiesiny	Zole metalowe, zawieszenia hydrauliczne
F - F	Emulsje	Emulsje procesowe, smary
G – F	Pianki, emulsje gazowe	Piany, warstwa bulgocząca, wrząca i kawitująca ciecz
T – T	Koloidy stałe	Stopy
F – T	Ciała porowate, układy kapilarne	Adsorbenty, ciała mokre, wymieniacze jonowe, warstwy filtracyjne
G – T	Układy porowate i kapilarne	Żel krzemionkowy, węgle aktywne, zeolity, katalizatory, membrany, filtry
T–G	Aerozole, zawiesiny	Opary, złoże fluidalne
F-G	Aerozole	Mgły, kropelki
G - G	Gazy heterogeniczne	Rozdzielanie gazów, wahania gęstości gazów

G – gaz; F – ciecz; T – solidny

Jeśli etapem ograniczającym jest przemiana chemiczna, to mówią o obszarze kinetycznym postęp procesu. Do numeru czynniki kinetyczne obejmują temperaturę, ciśnienie, stężenie odczynników i katalizatora, charakter i aktywność tego ostatniego itp.

Jeśli etapem ograniczającym jest szybkość przenoszenia masy, reakcja postępuje obszar dyfuzji. Wiadomo, że dla procesów zachodzących w tym obszarze prędkość jest proporcjonalna do powierzchni granicy faz oraz siły napędowej procesu (zmiany stężenia), pod wpływem której następuje przenoszenie masy:

V = k S C , (5.3)

Gdzie k– współczynnik proporcjonalności;

S– obszar interfejsu fazowego;

C– zmiana stężenia.

Z tego równania wynika, że ​​prędkość procesu można zwiększyć zwiększając powierzchnię styku faz. Cel ten osiąga się poprzez rozdrobnienie stałego katalizatora i opracowanie jego struktury wewnętrznej (porowatości). W systemach obejmujących produkty płynne stosuje się techniki takie jak stosowanie urządzeń pakujących, barbotowanie, warstwa pianki itp. w celu zwiększenia powierzchni styku. Wartość stałej szybkości wyznaczana jest z zależności:

k = D/ (5.4)

Gdzie D- współczynnik dyfuzji;

Grubość dyfuzyjnej warstwy granicznej.

Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta współczynnik dyfuzji, ale w znacznie mniejszym stopniu niż szybkość reakcji chemicznej. Jednakże współczynnik temperatury jest często stosowany w celu zwiększenia szybkości procesów dyfuzyjnych. Bardziej skuteczną techniką jest intensyfikacja mieszania stykających się faz, co skutkuje zmniejszeniem grubości warstwy dyfuzyjnej, co prowadzi do gwałtownego wzrostu stałej szybkości procesu przenoszenia masy.

Aby zwiększyć siłę napędową procesów przenoszenia masy ( Z), czyli gradient stężenia:

C = C – C*,

Gdzie C i C*- stężenia rzeczywiste i równowagowe składnika w fazie transmitującej, należy zastosować następujące techniki:

1) zwiększenie koncentracji składników surowca;

2) usuwanie produktów procesu ze strefy reakcji;

3) przesunięcie równowagi w kierunku zwiększającym gradient stężeń Z.

Zatem do czynników dyfuzji decydujących o intensywności procesów przenoszenia masy zaliczają się prędkości liniowe ruchu faz, liczba obrotów urządzeń mieszających, charakterystyka granicy faz itp. Ponieważ współczynniki dyfuzji są w dużej mierze zdeterminowane hydrodynamiką przepływów, często nazywane są hydrodynamicznymi.

Jeżeli szybkości przenoszenia masy i reakcji są porównywalne, wówczas mówimy, że proces przebiega region przejściowy.

Prowadzenie reakcji w obszarze kinetycznym (nie ma hamowania dyfuzji) jest najkorzystniejsze z punktu widzenia kinetyki, ale w obszarze dyfuzji faktycznie prowadzi się wiele procesów przemysłowych. Dotyczy to przede wszystkim procesów wysokotemperaturowych, gdzie trudno jest uniknąć zahamowania dyfuzji ze względu na duże szybkości reakcji chemicznych.

Podsumowując, możemy wyciągnąć następujące wnioski:

Szybkość reakcji heterogenicznej zależy od szybkości etapu ograniczającego szybkość;

Zarówno procesy transformacji chemicznej, jak i procesy przenoszenia masy mogą być ograniczające;

Aby zintensyfikować reakcję heterogeniczną, należy zastosować zarówno czynniki kinetyczne, jak i dyfuzyjne;

Aby zintensyfikować procesy zachodzące w obszarze kinetycznym, należy zastosować czynniki kinetyczne, a w obszarze dyfuzyjnym należy zastosować czynniki dyfuzyjne.

Intensyfikacja procesów opartych na reakcjach nieodwracalnych.Reakcje nieodwracalne obejmują reakcje, które zachodzą tylko w kierunku do przodu. Opracowując technologię przeprowadzenia takiego procesu, stawia się sobie dwa główne cele: zwiększenie szybkości reakcji i wydajności docelowego produktu. Wydajność produktu w takich procesach jest proporcjonalna do stopnia przekształcenia.Przy opracowywaniu technologii przeprowadzenia złożonej reakcji nieodwracalnej całą uwagę zwraca się na zwiększenie selektywności procesu. Cel ten osiąga się poprzez dobór optymalnych stężeń i temperatur odczynników, a także dobór najbardziej selektywnych katalizatorów.

Selektywność S reakcje można oszacować na podstawie stosunku szybkości reakcji głównych i ubocznych:

S = V 1 / V 2 = k 1 do A a / k 2 do a b = k do a a – b, (5.5)

Gdzie k = k 1 / k 2 .

Na podstawie tego równania można wyciągnąć wnioski na temat wpływu stężenia na selektywność:

1) o godz a>b(kolejność reakcji docelowej jest wyższa niż reakcji ubocznej) selektywność jest proporcjonalna do wartości maksymalnego stężenia;

2) kiedy A< b selektywność jest proporcjonalna do minimalnych wartości stężeń;

3) kiedy a = b stężenie nie wpływa na selektywność: S = kC ZA 0 = k.

Kataliza ma największy wpływ na selektywność reakcji. Kataliza to złożony układ reakcji, w wyniku którego wiele trudności w przebiegu reakcji ulega zmniejszeniu w porównaniu z procesem niekatalizowanym. Efekt ten jest związany ze spadkiem energii aktywacji i/lub wzrostem współczynnika przedwykładniczego w równaniu kinetycznym reakcji.

Intensyfikacja procesów opartych na reakcjach odwracalnych.Reakcje odwracalne obejmują reakcje, które zachodzą jednocześnie w kierunku do przodu i do tyłu.

W reakcji odwracalnej aA + bB = dD zgodnie z prawem akcji masowej szybkości reakcji do przodu i do tyłu będą następujące:

V pr = k / C A za C B b ; (5.6)

V obr. = k // C re re, (5.7)

Gdzie Z– koncentracja;

k / , k //- stałe szybkości reakcji w przód i w tył;

a, b, d–współczynniki stechiometryczne (rzędy reakcji) uczestników procesu A, B, D.

Całkowita szybkość reakcji odwracalnej jest równa różnicy między szybkościami reakcji do przodu i do tyłu: V = V pr - V arr W momencie równowagi Vpr = Vbr

do re d / do za a do b b = k / / k // = K r, (5.8)

Gdzie KR- stała równowagi.

Stopień przekształcenia, przy którym ustala się równowaga, nazywa się równowagą. W warunkach produkcyjnych system z reguły nie jest doprowadzany do stanu równowagi, ponieważ w stanie równowagi wydajność reaktora wynosi zero. Reaktor pracuje w trybie odległym od stanu równowagi, w zależności od kosztu przesunięcia równowagi w kierunku tworzenia się produktów reakcji.

Istnieją reakcje z łatwo przesuniętą równowagą i z niekorzystnymi położeniami równowagi, dla których akceptowalna konwersja może wynosić 30% lub nawet mniej.

Przesunięcie równowagi przy zmianie ciśnienia, temperatury czy stężenia podlega zasadzie Le Chateliera, która głosi, że wpływ zewnętrzny na układ o ustalonej równowadze przesuwa go w stronę zmniejszenia tego wpływu.

Jako przykład działania zasady Le Chateliera rozważ reakcję syntezy amoniaku: 3H 2 + N 2 2NH 3. Reakcja ta jest prosta, odwracalna, egzotermiczna, przebiegająca ze spadkiem objętości. Wzrost stężenia jednego z odczynników doprowadzi do wzrostu szybkości reakcji bezpośredniej, tj. w kierunku powstania produktu docelowego. W tym przypadku siłą napędową procesu jest wielkość wpływu zewnętrznego.

Ten sam efekt można uzyskać zwiększając ciśnienie w układzie. Rzeczywiście, zwiększając ciśnienie, zwiększymy stężenie wszystkich uczestników procesu, ale wzrost stężenia odczynników będzie bardziej znaczący, ponieważ liczba moli substancji wyjściowych jest większa niż liczba produktów reakcji. Siłą napędową tego procesu jest różnica w objętości produktów końcowych i wyjściowych. Dlatego w przypadku równych objętości produktów końcowych i początkowych nie jest możliwe przesunięcie równowagi poprzez zmianę ciśnienia w układzie.

Wpływ zmian temperatury na przesunięcie równowagi w tej reakcji jest następujący. Ponieważ reakcja jest egzotermiczna, możliwe jest przesunięcie równowagi w kierunku powstawania amoniaku poprzez obniżenie temperatury procesu. Siłą napędową w tym przypadku jest bezwzględna wielkość tej zmiany temperatury.

Zasada Le Chateliera pozwala jakościowo ocenić wpływ głównych parametrów procesu na kierunek odwracalnej reakcji chemicznej. Ilościowa ocena przesunięcia równowagi wraz ze zmianą temperatury lub samej możliwości wystąpienia danej reakcji przy stałym ciśnieniu (mianowicie przy stałym ciśnieniu w przemysłowych procesach chemiczno-technologicznych z reguły przeprowadzane są reakcje chemiczne) jest możliwe, jeśli znany jest znak i wielkość zmiany energii swobodnej w tym procesie Gibbs:

G = G con. - Start G . , (5.9)

Gdzie Początek G I G kon. – wartości energii swobodnej Gibbsa reagentów i produktów procesu.

Ujemna wartość tej różnicy oznacza, że ​​reakcja może w zasadzie przebiegać w kierunku do przodu. Im większa wartość bezwzględna tej różnicy, tym większa siła napędowa procesu.

Jak wiadomo:

G = H - T S, (5.10)

Gdzie H = H con. - Początek H. – zmiana entalpii;

S = S con. – Błagam.– zmiana entropii;

N. początek , N. con. , S początek, S koniec. – stany układu odpowiadające odpowiednio początkowym i końcowym wartościom entalpii i entropii.

Zgodnie z tym równaniem wartość i znak G są określone przez te wartości , S, I T.

Zgodnie z I zasadą termodynamiki:

N = U-P V, (5.11)

Gdzie U- zmiana energii wewnętrznej;

V– zmiana objętości przy P = const.

W rozważanych warunkach N równe pod względem wartości bezwzględnej, ale o znaku przeciwnym do efektu termicznego reakcji Q (Q = - H).

Zmianę entropii można oszacować w pierwszym przybliżeniu, biorąc pod uwagę, że można ją postrzegać jako miarę nieuporządkowania układu. Procesy zachodzące wraz ze wzrostem objętości (rozprężanie gazu, rozpuszczanie, parowanie, topienie, reakcje rozkładu), które zachodzą wraz ze wzrostem objętości, charakteryzują się wzrostem entropii. Procesy zachodzące wraz ze spadkiem nieporządku (kondensacja, krystalizacja, reakcje addycji, tworzenie kompleksów) odpowiadają spadkowi entropii.

Przy wyborze optymalnych parametrów prowadzenia procesu technologicznego w przypadku reakcji odwracalnych, oprócz praw termodynamicznych, należy wziąć pod uwagę także cechy procesów związane z ich kinetyką. Charakter wpływu temperatury na szybkość i położenie równowagi dla odwracalnych reakcji egzo- i endotermicznych jest inny.

W przypadku odwracalnej reakcji egzotermicznej przy niskich stopniach konwersji, gdy stężenie produktów wyjściowych w masie reakcyjnej jest wystarczająco wysokie, a stężenie produktów reakcji małe, reakcja odwracalna przebiega jako nieodwracalna. Dlatego wraz ze wzrostem temperatury wzrasta jego prędkość. W miarę wzrostu stężenia produktów końcowych i zmniejszania się stężenia produktów początkowych, różnica prędkości pomiędzy reakcjami postępowymi i odwrotnymi maleje i następuje moment ich porównania i osiągnięcia równowagi, a proces technologiczny zostaje zatrzymany. Aby temu zapobiec, w ciągłych chemicznych procesach technologicznych w trybie stacjonarnym następuje ciągły dopływ świeżych surowców i ciągły wyładunek produktów procesu.

W odwracalnej reakcji endotermicznej, wraz ze wzrostem temperatury, szybkość reakcji naprzód wzrasta szybciej niż reakcji odwrotnej. W rezultacie zwiększa się również różnica prędkości pomiędzy reakcjami do przodu i do tyłu.

Na podstawie powyższego wybór reżimu temperaturowego chemicznego procesu technologicznego dla reakcji odwracalnych można uzasadnić następująco:

1) ponieważ w przypadku odwracalnej reakcji endotermicznej wzrost temperatury ma pozytywny wpływ na oba kryteria optymalizacji (szybkość i przesunięcie równowagi), reakcję taką lepiej jest prowadzić w stałej podwyższonej temperaturze.

2) niejednoznaczny wpływ temperatury na kryteria optymalizacji odwracalnej reakcji egzotermicznej wymaga zastosowania trybu obniżającej temperatury: proces rozpoczyna się w wyższej temperaturze, a następnie ulega redukcji wzdłuż linii temperatur optymalnych. Technikę tę można zastosować w procesach okresowych. W procesach ciągłych utrzymywana jest stała temperatura, gdyż nie występuje zjawisko kumulacji produktów końcowych i nieodnawialnego zużycia surowców.

Pytania kontrolne

1. Wyjaśnić pojęcie „chemiczny proces technologiczny”.

2. Zdefiniować pojęcie „trybu technologicznego”. Jakie parametry o tym decydują?

3. Przedstaw klasyfikację reakcji stanowiących podstawę CTP.

4. Napisz równanie prawa działania mas. Z punktu widzenia tego prawa wyjaśnij wpływ koncentracji na metody intensyfikacji procesów jednorodnych.

5. Zapisz równanie Arrheniusa. Na podstawie tego równania wyjaśnij wpływ temperatury i energii aktywacji na szybkość procesów chemicznych.

6. Wyjaśniać wpływ ciśnienia na szybkość procesów jednorodnych. Jakie ciśnienia bezwzględne stosuje się w technologii chemicznej? Daj przykłady.

7. Podaj klasyfikację układów heterogenicznych. Daj przykłady.

8. Nazwij elementarne etapy procesów heterogenicznych.

9. Zdefiniować etap graniczny procesu. W jakich obszarach może zachodzić reakcja heterogeniczna?

10. Od jakich czynników zależy szybkość reakcji heterogenicznej zachodzącej w obszarze dyfuzji? Podaj odpowiednie równanie tej zależności.

11. Co jest siłą napędową procesu przenoszenia masy? Jak wpływa to na szybkość procesów heterogenicznych? Jak zwiększyć gradient stężeń?

12. Zdefiniować pojęcie „równowagi chemicznej”. Jak można to złamać? Zasada Le Chateliera.

13. Napisz równanie Gibbsa. Na tej podstawie wyjaśnić podstawową możliwość zajścia reakcji chemicznej oraz wielkość siły napędowej tego procesu.

TEMAT 6

KATALIZA PRZEMYSŁOWA

Obecnie nie można sobie wyobrazić współczesnej rafinacji ropy naftowej i petrochemii bez zastosowania katalizatorów. Około 90% przemysłowych chemicznych procesów technologicznych realizowanych jest z wykorzystaniem katalizatorów jako aktywatorów. Przykładami są technologie produkcji amoniaku, kwasów azotowego i siarkowego, metanolu, styrenu, butadienu, w rafinacji ropy naftowej - kraking katalityczny i reforming, hydrorafinacja i hydrokraking, alkilowanie izobutanu i izomeryzacja węglowodorów parafinowych, produkcja utleniaczy itp.

Procesy katalityczne mają szereg istotnych zalet w porównaniu z procesami niekatalitycznymi. Oprócz tego, że zastosowanie katalizatorów gwałtownie przyspiesza tempo reakcji chemicznych, procesy z ich wykorzystaniem można organizować jako ciągłe, bezodpadowe i mniej energochłonne. Wyróżniają się wysokimi wskaźnikami technicznymi i ekonomicznymi oraz zapewniają wyższą wydajność docelowych produktów.

Zastosowanie katalizatorów umożliwia intensyfikację chemicznych procesów technologicznych, a w niektórych przypadkach realizację procesów, które w praktyce nie mogą być realizowane bez użycia katalizatorów. Szczególne znaczenie ma zastosowanie katalizatorów w odwracalnych procesach egzotermicznych, w których zastosowanie katalizatorów pozwala na znaczne obniżenie temperatury procesu i osiągnięcie akceptowalnego stopnia konwersji surowców.

Kataliza jest najskuteczniejszą metodą zwiększania szybkości i selektywności reakcji chemicznych. Koncepcja katalizy obejmuje złożony układ reakcji, w wyniku którego zmniejszają się przeszkody energetyczne, steryczne i inne na drodze reakcji w porównaniu do procesu bez katalizatora. W zależności od stanu fazowego odczynników i katalizatora istnieją Kataliza homogeniczna i heterogeniczna. Jeśli odczynniki i katalizator znajdują się w tej samej fazie ciekłej lub gazowej, wówczas jest to kataliza jednorodna, jeśli znajdują się w różnych fazach (gaz – ciało stałe lub ciecz – ciało stałe), wówczas jest to kataliza heterogeniczna. Istnieje również kataliza jednorodno-heterogeniczna, gdy reakcja rozpoczynająca się na katalizatorze heterogenicznym jest następnie kontynuowana w objętości innej fazy.

Kataliza heterogeniczna

Ten rodzaj katalizy jest najbardziej powszechny w technologii chemicznej. Ma szereg zalet, na przykład łatwość oddzielania od produktów procesu, wysoką odporność cieplną i względną łatwość regeneracji.

Katalitycznym reakcjom heterogenicznym towarzyszy szereg zjawisk związanych z właściwościami ciał stałych niejednorodnych pod względem składu chemicznego i fazowego. Najważniejszą rolę odgrywają zaburzenia w strukturze (wady) sieci krystalicznej katalizatorów. Naruszenia te determinują niejednorodność energetyczną atomów powierzchniowych i zapewniają pewną zdolność sorpcyjną powierzchni katalizatora. Ogólnie o efektywności stosowania katalizatorów decyduje zespół jego właściwości chemicznych i fizycznych.

Właściwości chemiczne katalizatorów. Główne właściwości katalizatorów obejmują aktywność (A), selektywność (S) i produktywność (P).

Działalność ( kg/m 2 godz) to całkowita szybkość reakcji na katalizatorze i można ją obliczyć za pomocą wzoru

A = G p / F, (6.1)

Gdzie G str- ilość przereagowanego odczynnika na jednostkę powierzchni w czasie F.

Cały cykl pracy katalizatora można podzielić na trzy okresy:

1) opracowanie katalizatora;

2) okres ciągłej aktywności – czas życia katalizatora;

3) dezaktywacja katalizatora.

Termin „rozwój” odnosi się do samorzutnego wzrostu aktywności katalizatora pod wpływem środowiska reakcji. Okres ciągłej aktywności dla różnych katalizatorów może być bardzo zróżnicowany: od kilku minut do kilku lat, wymagania dotyczące żywotności katalizatora są określone kosztem wymiany zdezaktywowanego katalizatora na nowy i możliwością jego regeneracji. Biorąc pod uwagę wysoki koszt wymiany, zmniejszenie liczby tych operacji daje bardzo zauważalny efekt ekonomiczny. Zjawisko spadku aktywności katalizatora nazywane jest starzeniem, zmęczeniem lub zatruciem.

Starzenie się jest naturalnym procesem, podczas którego aktywność maleje w całej warstwie katalizatora. Zmęczenie - ten nierównomierny spadek aktywności w warstwie katalizatora jest procesem niebezpiecznym, ponieważ objawia się na długo przed upływem żywotności katalizatora na skutek jego nieprawidłowej eksploatacji.

Do głównych przyczyn dezaktywacji katalizatora zalicza się: karbonizację, spiekanie, zatrucie truciznami kontaktowymi oraz mineralizację.

Zwęglenie zachodzi podczas przetwarzania surowców węglowodorowych. Katalizator pokryty jest osadami węglowymi (koksem) w postaci silnie skondensowanych struktur aromatycznych, które powstają w wyniku głębokich przemian chemicznych. Takie procesy obejmują kraking katalityczny i reforming, hydrokraking, odwodornienie i izomeryzację. Osady koksu blokują powierzchnię katalizatora, w wyniku czego jego aktywność gwałtownie spada w krótkim czasie, który czasami wynosi 10-30 min.

Spiekanie (spiekanie) zwykle w wyniku regeneracji oksydacyjnej, podczas której temperatura katalizatora osiąga 600 o Z i wyższych, lub na skutek procesu wysokotemperaturowego ze źle zorganizowanym odprowadzaniem ciepła. Spiekanie zmniejsza wielkość powierzchni czynnej w wyniku powiększenia się krystalitów katalizatora metalicznego lub tlenkowego i zwiększa opór hydrauliczny aparatu. Dlatego jednym z zadań rozwiązania tego problemu jest stabilizacja struktury składników katalizatora. Stabilizacja odbywa się poprzez promocję strukturalną. Takim promotorem np. w syntezie amoniaku jest tlenek glinu Al2O3, który wprowadzony pomiędzy kryształki żelaza zapobiega ich aglomeracji. Tlenek chromu działa podobnie na katalizator niklowy podczas uwodornienia węglowodorów. Cr2O3. Nie mniej ważna jest stabilizacja nośnika, ponieważ zapewnia on katalizatorowi metalicznemu wysoce rozwiniętą powierzchnię.

Zatrucie– jest to częściowa lub całkowita utrata aktywności katalizatora pod wpływem substancji zwanych truciznami kontaktowymi. W przypadku zatrucia obserwuje się specyficzne działanie trucizny zarówno w odniesieniu do katalizatora, jak i samej reakcji.

Mechanizm zatrucia jest różny. W zależności od ich wpływu na katalizatory metalowe trucizny kontaktowe można podzielić na trzy typy:

1) cząsteczki zawierające niemetale N, P, As, O, S, Se, m.in. oraz wolne pierwiastki z tej grupy, z wyjątkiem azotu, które wiążą metal katalizatora na skutek wolnych par elektronów (siarkowodór, tiofen, arsyna, fosfina itp.);

2) odrywanie metali (jonów rtęci, ołowiu, bizmutu, cyny, kadmu, żelaza itp.) z utworzeniem związków międzymetalicznych obejmujących D–elektrony;

3) cząsteczki zawierające wiązania wielokrotne ( CO, HCN itp.), o wyższych właściwościach adsorpcyjnych niż inne substancje w masie reakcyjnej.

Katalizatory są chronione przed truciznami kontaktowymi na kilka sposobów:

1) przeniesienie trucizny do stanu nieaktywnego;

2) oczyszczanie surowców z trucizn kontaktowych na etapie ich przygotowania;

3) zastosowanie katalizatorów odpornych na trucizny kontaktowe.

Przykładem zastosowania pierwszej metody zabezpieczenia jest technika usuwania WSPÓŁ zawarty w wodorze dostarczanym do syntezy amoniaku, za pomocą samego wodoru ( WSPÓŁ– trucizna kontaktowa dla katalizatora żelazowego):

CO + 3H 2CH 4 + H 2O.

Powstały metan jest obojętnym zanieczyszczeniem wodoru i dlatego nie powoduje żadnej szkody dla katalizatora.

Przykładem drugiej metody zabezpieczenia katalizatora jest wstępna hydrorafinacja frakcji benzynowych ze związków zawierających siarkę, azot i tlen przed przesłaniem ich do reformingu na katalizatorze platynowym:

RSH + H2 = RH + H2S;

RNH2 + H2 = RH + NH3;

ROH + H2 = RH + H2O.

Powyższe reakcje zachodzą na katalizatorze glinowo-kobaltowo-molibdenowym ( AKM).

Najciekawszym i najbardziej obiecującym kierunkiem jest rozwój kompozycji katalitycznych odpornych na trucizny.

Powyższe metody ochrony katalizatorów przed truciznami nie są od siebie niezależne i dlatego można je stosować w jednym procesie jednocześnie.

Inną przyczyną spadku aktywności katalizatora jest osadzanie się na jego powierzchni zanieczyszczeń mineralnych zawartych w surowcu. Zanieczyszczenia te ulegają chemisorpcji, zmieniając skład chemiczny powierzchni katalizatora.

Selektywność (selektywność)– najważniejszy wskaźnik jakości katalizatora, polegający na preferencyjnym przyspieszaniu reakcji docelowej w porównaniu z reakcjami ubocznymi. Mierzy się ją względną szybkością tworzenia docelowego produktu:

S = - V A / R = - V A / A. (6.2)

Gdzie V A– szybkość tworzenia docelowego produktu, obliczona na podstawie odczynnika A;

A=R– ogólna szybkość reakcji (aktywność).

Pojawienie się chemii strukturalnej spowodowało, że pojawiła się szansa na ukierunkowane jakościowe przekształcenia substancji, tworząc schemat syntezy dowolnych związków chemicznych, w tym także nieznanych wcześniej.

Charakter każdego związku chemicznego zależy nie tylko od składu jakościowego i ilościowego, ale także od wzajemnego oddziaływania atomów i struktury cząsteczki.

Budowa materii i jej właściwości

Substancje, które mają ten sam skład, ale różną budowę, nazywane są substancjami izomery, i samo zjawisko - izomeria. Na przykład f Wzór C 4 H 8 O zawiera 21 substancji.

Aby opisać właściwości substancji, musisz znać nie tylko skład, ale także struktura połączenia. Ma to szczególne znaczenie w chemii organicznej. Elektrony jednego pierwiastka chemicznego oddziałujące z jądrem i elektrony innego pierwiastka chemicznego okazują się ściśle zlokalizowane (umieszczone) w przestrzeni. Ponieważ elektron jest falą elektromagnetyczną o pewnym obszarze propagacji, obszar ten ma kierunek. Oznacza to, że wiązanie chemiczne powstaje w określonym kierunku w przestrzeni i określa przestrzenną orientację atomów.

Struktura cząsteczki– uporządkowanie przestrzenne i energetyczne układu składającego się z jąder atomowych i elektronów.

Ważne zjawisko w chemii organicznej zwane izomerią jest związane ze strukturą przestrzenną cząsteczki.

Izomery- substancje o tym samym składzie, ale innej strukturze molekularnej.

Chemia strukturalna stała się wyższym poziomem w stosunku do badania składu materii. W tym samym czasie chemia przekształciła się z nauki głównie analitycznej w naukę syntetyczną. Głównym osiągnięciem tego etapu rozwoju chemii było ustalenie związku między strukturą cząsteczek a reaktywnością substancji.

Cztery główne stany materii – plazmowy, gazowy, ciekły i stały (wymienione w kolejności występowania wraz ze spadkiem temperatury) są znane od dawna, ale dziś naukowcy identyfikują jeszcze dwa stany – kondensaty niskotemperaturowe. Kondensat to nowy stan skupienia w ultraniskich temperaturach – poniżej 0,00000001 K (!!!), tj. w temperaturach niższych od temperatury próżni kosmicznej (w kosmosie temperatura wynosi około 3 K).

Posłużmy się konkretnym przykładem bryły, aby pokazać wpływ budowy atomowej na właściwości materiału. Aby to zrobić, wybierzemy prosty materiał jednoatomowy - węgiel.

W stanie stałym węgiel może być krystaliczny lub amorficzny, a każdy z jego stanów ma swoją nazwę.

1. Sadza - węgiel amorficzny w postaci drobno zmielonego proszku (obecnie ustalono, że w swojej strukturze w sadzy, koksie, węglu szklistym i podobnych materiałach węgiel w różnym stopniu zbliża się do grafitu. Mówiąc o właściwościach sadzy, można zauważyć, że przewodność elektryczna sadzy wynosi zero, co oznacza, że ​​sadza jest izolatorem elektrycznym.

2. Do początku lat 60. uważano, że w przyrodzie istnieją tylko dwie formy krystaliczne czystego węgla, a mianowicie polimery trójwymiarowe i dwuwymiarowe, tj. diament i grafit. Strukturę grafitu charakteryzują warstwy; atomy w warstwach są ze sobą silnie związane, a interakcje międzywarstwowe są znikome. Dlatego grafit łatwo dzieli się na warstwy, jest to miękki materiał krystaliczny. W przeciwieństwie do sadzy grafit jest bardzo dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego.

3. Diament ma sześcienną strukturę kryształu zbudowaną z tych samych atomów węgla. W przeciwieństwie do grafitu diament jest twardym materiałem krystalicznym (być może najtwardszym). Takie właściwości są związane z jego budową, gdyż wszystkie atomy są od siebie jednakowo oddalone i ściśle ze sobą „związane”/

4. W 1985 r. odkryto dużą rodzinę sferycznych cząsteczek węgla - fulereny. Fulereny to nowy rodzaj węgla. Są to cząsteczki zamknięte typu C 60, C 70, C 74…, w których wszystkie atomy węgla rozmieszczone są na „kulistej” powierzchni. W strukturze fulerenu C 60 (średnica cząsteczki wynosi około 1 nm) atomy węgla znajdują się na wierzchołkach regularnych sześciokątów lub pięciokątów (w stanie skondensowanym (krystalicznym) fulereny nazywane są fulerytami). Fulereny znaleziono w niektórych naturalnych minerałach, na przykład w szungicie karelskim. Na bazie fulerenów zsyntetyzowano nowe klasy substancji: na przykład fulerydy otrzymywano w wyniku interakcji z metalami.

Ciekawe właściwości tych materiałów związane są z „wychwytywaniem do wnętrza” kulki różnych atomów – Na, K. Powstałe fulerydy wykazują nadprzewodnictwo (w temperaturach 19-55 K), a przy zastosowaniu metali z grupy platynowców wykazują właściwości ferromagnetyczne dodatkowo zamanifestowane. Ciekawą właściwością fulerenów w niskich temperaturach i ciśnieniu jest zdolność do absorpcji wodoru. W związku z tym możliwe jest wykorzystanie fulerenów jako podstawy do produkcji akumulatorów. Kapsułka fulerenowa może zawierać leki, które będą selektywnie dostarczane do uszkodzonego narządu lub tkanki/

5. Nanorurki grafitowe to nowy rodzaj węgla, uzyskany w 1991 roku. Nanorurkę węglową można przedstawić jako płaszczyznę grafitu zwiniętą w cylinder. Rury mogą być jednościenne lub wielościenne, jeśli są wykonane z kilku warstw grafitu. Średnica rurki waha się od jednego do kilkudziesięciu nanometrów, a długość może sięgać kilku centymetrów; zwykle rurki kończą się półkulistą główką. Nanorurki węglowe mają unikalne właściwości mechaniczne (bardzo mocne), elektryczne i termiczne (przewodnictwo elektryczne i cieplne jest zbliżone lub przewyższające metale).

6. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2010 roku przyznano Andre Geimowi i Konstantinowi Nowosełowowi, Rosjanom pracującym w Wielkiej Brytanii, „za pionierskie eksperymenty w badaniu dwuwymiarowego materiału grafenowego”. W 2004 roku udowodnili eksperymentalnie możliwość otrzymania specjalnej formy węgla, jaką jest arkusz o grubości jednego atomu, połączony w dwuwymiarową sieć krystaliczną sześciokątów foremnych. Innymi słowy, grafen jest odrębną warstwą dobrze znanego grafitu. Grafen jest najcieńszym i najmocniejszym znanym materiałem, z drugiej strony jest bardzo elastyczny, może wykazywać właściwości zarówno przewodnika (pamiętajmy o graficie), jak i półprzewodnika.

Nowoczesna chemia strukturalna osiągnęła świetne wyniki. Synteza nowych substancji organicznych pozwala uzyskać użyteczne i cenne materiały, niespotykane w przyrodzie. W ten sposób co roku na całym świecie syntetyzuje się tysiące kilogramów kwasu askorbinowego (witaminy C) i wiele nowych leków, w tym nieszkodliwe antybiotyki, leki na nadciśnienie, wrzody trawienne itp.

Najnowszym osiągnięciem chemii strukturalnej jest odkrycie zupełnie nowej klasy związków metaloorganicznych, które ze względu na swoją dwuwarstwową budowę nazywane są związkami „kanapkowymi”. Cząsteczka tej substancji składa się z dwóch płytek związków wodoru i węgla, pomiędzy którymi znajduje się atom metalu.

Badania z zakresu współczesnej chemii strukturalnej idą w dwóch obiecujących kierunkach:

1) synteza kryształów z maksymalnym przybliżeniem do idealnej sieci w celu uzyskania materiałów o wysokich wskaźnikach technicznych: maksymalnej wytrzymałości, odporności termicznej, trwałości itp.;

2) tworzenie kryształów z zaprogramowanymi defektami sieci krystalicznej do wytwarzania materiałów o określonych właściwościach elektrycznych, magnetycznych i innych.

3. Ogólna charakterystyka rozwiązań

Właściwości fizyczne wody są całkowicie anomalne. Najbardziej niesamowity z nich jest jego zdolność do bycia cieczą w normalnych warunkach. Cząsteczki podobnych związków chemicznych (H 2 S lub H 2 Se) są znacznie cięższe od wody, ale w tych warunkach mają charakter gazowy.

Punkt potrójny wody, tj. bilans wody, lodu i pary, obserwowano w temperaturze 0,01°C i ciśnieniu 611 Pa (rys. 8.1). Woda przechłodzona, czyli pozostająca w stanie ciekłym poniżej 0°C, zachowuje się dziwnie: z jednej strony jej gęstość maleje wraz ze spadkiem temperatury, z drugiej zaś zbliża się do gęstości lodu

Nadzwyczajny granice dopuszczalnych wartości przechłodzenia i przegrzania są duże woda: w stanie ciekłym można ją utrzymywać w temperaturze od -40 do +200°C.

W przeciwieństwie do większości innych cieczy, wraz ze wzrostem temperatury jej objętość właściwa maleje, a gęstość wzrasta, osiągając minimum (odpowiednio maksimum) w temperaturze 4 °C. W zwykłych cieczach gęstość zawsze maleje wraz ze spadkiem temperatury.

Podczas zamrażania objętość wody wzrasta do 10%. Gęstość wody jest większa niż gęstość lodu. Kiedy kryształy się topią, gdy zostaje zakłócona regularność upakowania jonów, gęstość spada o 2-4%. Ta właściwość wody chroni zbiorniki przed całkowitym zamarznięciem, ratując w nich życie. Lód jest złym przewodnikiem ciepła.

Bardzo wysoko pojemność cieplna woda- gdy lód się topi, jego ilość wzrasta ponad dwukrotnie. Dlatego morza i oceany są gigantycznymi termostatami, łagodzącymi wszelkie wahania temperatury powietrza. Nawiasem mówiąc, para wodna w atmosferze może również pełnić te same funkcje. Brak pary wodnej na pustyniach prowadzi do gwałtownych wahań temperatur w dzień i w nocy.

Woda jest uniwersalnym rozpuszczalnikiem. Zasada rozpuszczania jest taka, że ​​podobne rozpuszcza się w podobne.

Główną różnicą między wodą są wiązania wodorowe.(ryc. 8.2),

Cząsteczka wody jest mała dipol, zawierające ładunki dodatnie i ujemne na biegunach. Jeśli połączysz epicentra ładunków dodatnich i ujemnych liniami prostymi, otrzymasz trójwymiarową figurę geometryczną - czworościan foremny

Kompleks cząsteczek wody występuje w stanie gazowym, w wodzie ciekłej i w lodzie. Ale, jak ustalił L. Pauling, lód nie jest kryształem o pełnym uporządkowaniu nawet w O K. Struktura lodu jest dość luźna: każda wnęka jest otoczona sześcioma cząsteczkami H 2 0, a każda cząsteczka jest otoczona sześcioma wnękami . Rozmiar tych wnęk jest taki, że mogą pomieścić jedną cząsteczkę bez zakłócania struktury wiązań wodorowych.

Substancja jest kwasem, jeśli dysocjuje w wodzie, tworząc jony wodorowe, i zasadą, jeśli jest zdolna do dodawania jonów wodorowych w roztworze lub tworzenia jonów wodorotlenkowych OH. Kwasowość lub zasadowość roztworu charakteryzuje się pH, którego skala obejmuje wartości od 0 do 14. Skala ta jest logarytmiczna, tj. Naniesiono na nią logarytmy stężenia jonów wodorowych. Kwasowość roztworu o pH 5 jest 10 razy większa niż przy pH 6 i 100 razy większa niż przy pH 7. Roztwór o pH 6 zawiera jedną milionową mola jonów wodorowych na 1 litr, pH 7 odpowiada odczynowi obojętnemu środowisku, poniżej - środowiska bardziej kwaśne, a powyżej - zasadowe.

Proces chemiczny (od łacińskiego Processus – postęp) to sekwencyjna zmiana stanów materii, reprezentująca ciągły, jednolity ruch. Proces przemiany jednej substancji w inną nazywa się Reakcja chemiczna. Van't Hoff, stosując podejście termodynamiczne, sklasyfikował reakcje chemiczne, a także sformułował podstawowe zasady kinetyki chemicznej.

W każdej komórce zachodzi około 10 000 reakcji chemicznych.

Procesy chemiczne dzielą się na:

homo- I heterogeniczny(w zależności od stanu skupienia reagujących układów),

egzo- I endotermiczny(w zależności od ilości ciepła oddanego i pochłoniętego),

redoks(w zależności od zmiany stopnia utlenienia substancji związanej z przeniesieniem elektronów z niektórych atomów (reduktor) do innych atomów (utleniacz).

Bada szybkość i charakterystykę reakcji chemicznych. Kinetyka chemiczna.

Na szybkość reakcji chemicznej wpływają również następujące warunki i parametry:

1) Natura substancje reagujące (na przykład metale alkaliczne rozpuszczają się w wodzie, tworząc zasady i uwalniając wodór, a reakcja przebiega natychmiast w normalnych warunkach, podczas gdy cynk, żelazo i inne reagują powoli i tworzą tlenki, a metale szlachetne nie reagują w Wszystko);

2) temperatura. Na każde 10°C wzrostu temperatury szybkość reakcji wzrasta 2-4 razy (reguła van't Hoffa). Tlen zaczyna reagować z wieloma substancjami z zauważalną szybkością już w zwykłych temperaturach (powolne utlenianie). Wraz ze wzrostem temperatury rozpoczyna się gwałtowna reakcja (spalanie);

3) stężenie. W przypadku substancji rozpuszczonych i gazów szybkość reakcji chemicznych zależy od stężenia reagujących substancji. Spalanie substancji w czystym tlenie zachodzi intensywniej niż w powietrzu, gdzie stężenie tlenu jest prawie 5 razy mniejsze. Obowiązuje tutaj prawo działania mas: w stałej temperaturze szybkość reakcji chemicznej jest wprost proporcjonalna do iloczynu stężenia reagujących substancji;

4)powierzchnia reakcji. W przypadku substancji w stanie stałym szybkość jest wprost proporcjonalna do pola powierzchni reagujących substancji. Żelazo i siarka w stanie stałym reagują wystarczająco szybko tylko przy wstępnym mieleniu i mieszaniu: spalaniu chrustu i kłód;

5)katalizator. Szybkość reakcji zależy od katalizatorów, czyli substancji, które przyspieszają reakcje chemiczne, nie ulegając zużyciu. W. Ostwald badając warunki równowagi chemicznej doszedł do odkrycia zjawiska katalizy. Rozkład soli bertolletowej i nadtlenku wodoru przyspiesza się w obecności tlenku manganu (IV) itp.

Katalizatory są dodatnie, które przyspieszają reakcję i ujemne (inhibitory), które ją spowalniają. Katalityczne selektywne przyspieszanie reakcji chemicznej nazywane jest katalizą i jest techniką nowoczesnej technologii chemicznej (produkcja materiałów polimerowych, paliw syntetycznych itp.). Uważa się, że udział procesów katalitycznych w przemyśle chemicznym sięga 80%.

Reakcje chemiczne zachodzą podczas samoistnego mieszania lub fizycznego kontaktu odczynników, podczas ogrzewania, przy udziale katalizatorów (kataliza), działaniu światła (reakcje fotochemiczne), prądu elektrycznego (procesy elektrodowe), promieniowaniu jonizującym (reakcje radiacyjno-chemiczne), działaniu mechanicznym (reakcje mechanochemiczne), w plazmie niskotemperaturowej (reakcje plazmochemiczne) itp. Samoistna przemiana substancji zachodzi pod warunkiem, że posiadają one energię wystarczającą do pokonania bariery potencjału oddzielającej stan początkowy i końcowy układu (energia aktywacji).

Klasyfikacja

Istnieje wiele cech, według których można klasyfikować reakcje chemiczne.

Zgodnie ze składem fazowym układu reagującego

• Jednorodne reakcje homofazowe.

W tego typu reakcji mieszanina reakcyjna jest jednorodna, a reagenty i produkty należą do tej samej fazy. Przykładem takich reakcji są reakcje wymiany jonowej, na przykład neutralizacja kwasu i zasady w roztworze:

NaOH (r.) + HCl (r.) → NaCl (r.) + H2O

• Heterogeniczne reakcje heterofazowe

W tym przypadku reagenty znajdują się w różnych stanach fazowych, a produkty reakcji mogą również znajdować się w dowolnym stanie fazowym. Proces reakcji zachodzi na granicy faz. Przykładem jest reakcja soli kwasu węglowego (węglanów) z kwasami Bronsteda:

CaCO 3 (t.) + 2HCl (r.) → CaCl 2 (r.) + CO 2 (g.) + H 2 O (l.)

• Heterogeniczne reakcje homofazowe

Reakcje takie zachodzą w obrębie jednej fazy, ale mieszanina reakcyjna jest niejednorodna. Na przykład reakcja tworzenia chlorku amonu z gazowego chlorowodoru i amoniaku:

NH 3 (g) + HCl (g) → NH 4 Cl (t)

• Jednorodne reakcje heterofazowe

Reagenty i produkty takiej reakcji istnieją w jednej fazie, ale reakcja zachodzi na granicy faz. Przykładem takich reakcji są niektóre heterogeniczne reakcje katalityczne, na przykład reakcja syntezy amoniaku z wodoru i azotu:

Poprzez zmianę stopni utlenienia reagentów

W tym przypadku istnieje rozróżnienie

• Reakcje redoks

w którym atomy jednego pierwiastka (utleniacza) są przywracane, to jest obniżyć stopień utlenienia i atomy innego pierwiastka (reduktor) utleniać, to jest zwiększyć ich stopień utlenienia. Szczególnym przypadkiem reakcji redoks są reakcje dysproporcjonowania, w których środkiem utleniającym i redukującym są atomy tego samego pierwiastka na różnych stopniach utlenienia. Przykładem reakcji utleniania i redukcji jest spalanie wodoru (reduktora) w tlenie (utleniaczu) w celu wytworzenia wody:

2H 2 + O 2 = 2H 2 O

Przykładem reakcji dysproporcjonowania jest reakcja rozkładu azotanu amonu podczas ogrzewania. W tym przypadku utleniaczem jest azot (+5) grupy nitrowej, a reduktorem azot (-3) kationu amonowego:

NH 4NO 3 = N 2 O + 2H 2 O (do 250 °C)

• Reakcje inne niż redoks - odpowiednio reakcje, w których nie następuje zmiana stopni utlenienia atomów, na przykład powyższa reakcja zobojętniania.

Zgodnie z efektem termicznym reakcji

Wszystkim reakcjom towarzyszą efekty termiczne. Kiedy wiązania chemiczne w odczynnikach zostają zerwane, uwalniana jest energia, która jest wykorzystywana głównie do tworzenia nowych wiązań chemicznych. W niektórych reakcjach energie tych procesów są bliskie i w tym przypadku ogólny efekt termiczny reakcji zbliża się do zera. W innych przypadkach można rozróżnić

• reakcje egzotermiczne,

które przychodzą z uwalnianie ciepła,(dodatni efekt termiczny) na przykład powyższe spalanie wodoru

• reakcje endotermiczne,

podczas którego ciepło jest absorbowane(ujemny efekt termiczny) z otoczenia.

Efekt cieplny reakcji (entalpia reakcji, ΔrH), często bardzo istotny, można obliczyć za pomocą prawa Hessa, jeśli znane są entalpie tworzenia reagentów i produktów. Gdy suma entalpii produktów jest mniejsza niż suma entalpii reagentów (Δ r H< 0) наблюдается uwalnianie ciepła, w przeciwnym razie (Δ r H > 0) - wchłanianie.

Według rodzaju transformacji reagujących cząstek

• połączenia: 2Cu + O 2 = 2CuO,
• rozkład: 2HgO = 2Hg + O 2,
• podstawienie: Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu,
• wymiana: NaCl + H 2 SO 4 = HCl + NaHSO 4.

Reakcjom chemicznym zawsze towarzyszą efekty fizyczne: pochłanianie i uwalnianie energii, np. w postaci wymiany ciepła, zmiana stanu skupienia reagentów, zmiana koloru mieszaniny reakcyjnej itp. Jest to na podstawie tych efektów fizycznych często ocenia się postęp reakcji chemicznych.

Procesy chemiczne zachodzące w materii różnią się zarówno od procesów fizycznych, jak i przemian jądrowych. W procesach fizycznych substancje biorące w nich udział zachowują swoje właściwości w niezmienionej formie, ale mogą zmienić swoją formę zewnętrzną lub stan skupienia.

W procesach chemicznych (reakcjach chemicznych) powstają nowe substancje o właściwościach innych niż odczynniki, ale nigdy nie powstają atomy nowych pierwiastków. W atomach pierwiastków biorących udział w reakcji koniecznie zachodzą modyfikacje powłoki elektronowej.

W reakcjach jądrowych zachodzą zmiany w jądrach atomowych wszystkich zaangażowanych pierwiastków, co prowadzi do powstania atomów nowych pierwiastków.

Za pomocą reakcji chemicznych można uzyskać praktycznie ważne substancje, które występują w przyrodzie w ograniczonych ilościach, na przykład nawozy azotowe, lub z jakiegoś powodu nie występują w ogóle, na przykład sulfonamidy i inne leki syntetyczne, polietylen i inne tworzywa sztuczne . Chemia umożliwia syntezę nowych, nieznanych naturze substancji, niezbędnych do życia człowieka. Jednocześnie nieudolne lub nieodpowiedzialne oddziaływanie chemiczne na środowisko i zachodzące procesy naturalne może prowadzić do zakłócenia ustalonych naturalnych cykli chemicznych, co sprawia, że ​​problem środowiskowy (zanieczyszczenie środowiska) staje się pilny i komplikuje zadanie racjonalnego wykorzystania zasobów naturalnych i ich ochrony siedlisk przyrodniczych na Ziemi.

Literatura

• Chemia: Odniesienia. red./ W. Schröter, K.-H. Lautenschläger, H. Bibrak i in.: Trans. z nim. - M.: Chemia, 1989.