Kimyasal süreçlerin iletişimi. Eğlenceli Bilimler Akademisi

İyi çalışmanızı bilgi tabanına göndermek basittir. Aşağıdaki formu kullanın

Bilgi tabanını çalışmalarında ve çalışmalarında kullanan öğrenciler, lisansüstü öğrenciler, genç bilim insanları size çok minnettar olacaklardır.

http://www.allbest.ru/ adresinde yayınlandı

giriiş

Yeni üretim gerekliliklerinin etkisi altında, sıcaklık, basınç, çözücüler ve diğer faktörlerin etkisi altında bir maddenin özelliklerinde meydana gelen değişiklikleri dikkate alan kimyasal süreçler doktrini ortaya çıktı. Bundan sonra kimya, yalnızca tam nesneler olarak maddelerle ilgili bir bilim değil, aynı zamanda maddedeki değişim süreçleri ve mekanizmalarıyla ilgili bir bilim haline gelir. Bu sayede inşaat işlerinde ahşap ve metalin yerini alan sentetik malzemelerin, kurutma yağı üretiminde gıda hammaddelerinin, verniklerin, deterjanların ve yağlayıcıların üretiminin oluşturulmasını sağlamıştır. Suni elyaf, kauçuk, etil alkol ve birçok çözücünün üretimi petrol hammaddelerine, azotlu gübrelerin üretimi ise hava nitrojenine dayanmaya başladı. Petrokimya üretim teknolojisi, sürekli, yüksek performanslı prosesler sağlayan akış sistemleriyle ortaya çıkmıştır. kimyasal reaksiyon elektronu

Böylece 1935 yılında deri, kürk, kauçuk, elyaf, deterjan, kurutma yağı, vernik, asetik asit, etil alkol gibi malzemeler gıda dahil tamamen hayvansal ve bitkisel hammaddelerden üretiliyordu. Bunun için on milyonlarca ton tahıl, patates, yağ, ham deri vb. harcandı. Ama zaten 1960'larda. Gaz ve petrol hammaddelerinden %100 teknik alkol, %80 deterjan, %90 kurutma yağları ve vernikler, %40 elyaf, %70 kauçuk ve %25 civarında deri malzemeler üretildi. Ayrıca kimya, hayvan yemi olarak her yıl yüzbinlerce ton üre ve petrol proteini ile yaklaşık 200 milyon ton gübre üretiyor.

Böylesine etkileyici başarılar, fizik, kimya ve biyolojinin en derin entegrasyonunun gerçekleştirildiği bir bilim alanı olan kimyasal süreçlerin incelenmesi temelinde elde edilmiştir. Bu doktrin kimyasal termodinamik ve kinetiğe dayanmaktadır, bu nedenle bilimin bu bölümü eşit derecede fizik ve kimyaya aittir. Bu bilimsel yönün kurucularından biri Rus kimyager N.N. Semenov, kimyasal fiziğin kurucusu olan Nobel Ödülü sahibidir. 1965 yılında verdiği Nobel dersinde kimyayı fizikten ayıran ve onu daha karmaşık bir bilim haline getiren temel olgunun kimyasal süreç olduğunu belirtmiştir. Kimyasal süreç, elektron, proton, atom, molekül gibi nispeten basit fiziksel nesnelerden karmaşık, çok seviyeli yaşam sistemlerine yükselişin ilk adımı olur. Sonuçta, yaşayan bir organizmanın herhangi bir hücresi esasen bir tür karmaşık reaktördür. Dolayısıyla kimya, fiziğin nesnelerinden biyolojinin nesnelerine doğru bir köprü haline gelir.

Kimyasal süreçlerin incelenmesi, çeşitli kimyasal reaktiflerin etkileşime girme yeteneğinin, diğer şeylerin yanı sıra, kimyasal reaksiyon koşulları tarafından belirlendiği fikrine dayanmaktadır. Bu koşullar kimyasal reaksiyonların doğasını ve sonuçlarını etkileyebilir.

Kimyasal reaksiyonların büyük çoğunluğu elementlerin insafına kalmıştır. Elbette özel kontroller veya özel koşullar gerektirmeyen reaksiyonlar da vardır. Bunlar asit-baz etkileşiminin (nötralizasyon) iyi bilinen reaksiyonlarıdır. Ancak reaksiyonların büyük çoğunluğunun kontrol edilmesi zordur. Prensipte mümkün olmasına rağmen gerçekleştirilemeyen reaksiyonlar vardır. Durdurulması zor reaksiyonlar vardır: yanma ve patlamalar. Ve son olarak, yüzlerce yan ürünün oluşumuyla kendiliğinden düzinelerce öngörülemeyen dallar yarattıklarından, istenen bir yöne getirilmesi zor olan reaksiyonlar vardır. Bu nedenle kimyagerler için en önemli görev, kimyasal süreçleri kontrol ederek istenen sonuçları elde edebilme yeteneğidir.

Kimyasal prosesleri kontrol etme yöntemleri

En genel haliyle, kimyasal prosesleri kontrol etmeye yönelik yöntemler termodinamik ve kinetik olarak ikiye ayrılabilir.

Termodinamik yöntemler bir reaksiyonun kimyasal dengesindeki değişimi etkiler. Kinetik yöntemler kimyasal reaksiyonun hızını etkiler.

Kimyasal termodinamiğin bağımsız bir yön olarak ortaya çıkışı, genellikle Hollandalı kimyager J. van't Hoff'un "Kimyasal Dinamik Üzerine Denemeler" kitabının 1884'te ortaya çıkmasıyla ilişkilendirilir. Kimyasal reaksiyonun yönünün sıcaklıktaki değişikliklere ve reaksiyonun termal etkisine bağımlılığını belirleyen yasaları doğrular. Kimyasal süreçlerin enerjisi termodinamik yasalarıyla yakından ilgilidir. Enerji açığa çıkaran kimyasal reaksiyonlara ekzotermik reaksiyonlar denir. İçlerinde enerji, sistemin iç enerjisindeki bir azalmayla aynı anda serbest bırakılır. Enerjinin emilmesiyle ortaya çıkan endotermik reaksiyonlar da vardır. Bu reaksiyonlarda ısı akışı nedeniyle sistemin iç enerjisi artar. Bir reaksiyon sırasında açığa çıkan enerji miktarının (kimyasal reaksiyonun termal etkisi) ölçülmesiyle sistemin iç enerjisindeki değişiklik değerlendirilebilir.

Aynı zamanda Fransız kimyager A. Le Chatelier, kimyagerleri dengeyi hedef ürünlerin oluşumuna doğru kaydırma yöntemleriyle donatarak ünlü mobil denge ilkesini formüle etti. Bu kontrol yöntemlerine termodinamik yöntemler denir.

Her kimyasal reaksiyon prensipte geri dönüşümlüdür ancak pratikte denge şu ya da bu yönde değişir. Bu hem reaktiflerin doğasına hem de proses koşullarına bağlıdır. Dengenin nihai ürünlerin oluşumuna doğru kaydırıldığı birçok reaksiyon vardır: bunlar nötrleştirme reaksiyonunu, bitmiş ürünlerin gaz veya çökelme formunda uzaklaştırılmasıyla ilgili reaksiyonları içerir.

Ancak dengenin sola, başlangıç ​​maddelerinin oluşumuna doğru kaydığı birçok kimyasal reaksiyon vardır. Bunları gerçekleştirmek için özel termodinamik kaldıraçlar gereklidir - sıcaklık ve basınçta bir artış (reaksiyon gaz fazında meydana gelirse) ve ayrıca reaktanların konsantrasyonu (reaksiyon sıvı fazda meydana gelirse).

Termodinamik yöntemler öncelikle kimyasal süreçlerin hızlarından ziyade yönünü etkiler.

Kimyasal süreçlerin hızı, kimyasal süreçlerin seyrinin çeşitli yapısal ve kinetik faktörlere (ilk reaktiflerin yapısı, konsantrasyonları, katalizörlerin ve reaktördeki diğer katkı maddelerinin varlığı, yöntemler) bağımlılığını inceleyen kimyasal kinetik tarafından kontrol edilir. reaktiflerin karıştırılması, reaktörün malzemesi ve tasarımı vb. Kimyasal reaksiyonları inceleme görevi çok zordur. Sonuçta, bunu çözerken, sadece iki reaktifin değil, aynı zamanda birkaç tane olabilecek "üçüncü cisimlerin" etkileşim mekanizmasını da bulmak gerekir. Bu durumda, "üçüncü cisimlerden" birinin, çoğunlukla bir katalizörün en güçlü etkisinin ilk önce izole edildiği adım adım bir çözüm en uygunudur.

Ek olarak, neredeyse tüm kimyasal reaksiyonların hiçbir şekilde başlangıç ​​​​reaktiflerinin basit bir etkileşimi olmadığı, reaktiflerin yalnızca birbirleriyle değil aynı zamanda reaktörün duvarlarıyla da etkileşime girdiği ardışık aşamalardan oluşan karmaşık zincirler olduğu anlaşılmalıdır. süreci hem katalize edebilir (hızlandırabilir) hem de engelleyebilir (yavaşlatabilir).

Ayrıca kimyasal süreçlerin yoğunluğu rastgele yabancı maddelerden etkilenir. Değişen saflık derecelerine sahip maddeler, bazı durumlarda kendilerini daha aktif reaktifler olarak, diğerlerinde ise inert olarak gösterirler. Safsızlıkların hem katalitik hem de inhibitör etkileri olabilir. Bu nedenle kimyasal prosesi kontrol etmek için reaksiyona giren maddelere bazı katkı maddeleri eklenir.

Böylece, "üçüncü cisimlerin" kimyasal reaksiyonların seyri üzerindeki etkisi katalize indirgenebilir, yani. kimyasal bir süreç üzerinde olumlu bir etki veya süreci kısıtlayan engelleme.

Yukarıda belirtildiği gibi, kimyasal elementlerin etkileşime girme yeteneği yalnızca moleküler yapılarıyla değil, aynı zamanda bağlantının oluştuğu koşullarla da belirlenir. Bu koşullar kimyasal reaksiyonların sonucunu etkiler. En büyük etki, bireysel bileşenler arasındaki bağlantıların daha zayıf olduğu, değişken bileşime sahip maddeler tarafından yaşanmaktadır. Çeşitli katalizörlerin güçlü bir etkiye sahip olduğu bu tür maddelerin reaksiyonudur.

Kataliz, özel maddelerin (reaktiflerle etkileşime giren, ancak reaksiyonda tüketilmeyen ve nihai ürünlerin bir parçası olmayan katalizörler) varlığında kimyasal reaksiyonun hızlandırılmasıdır. Kataliz, 1812'de Rus kimyager K.S. tarafından keşfedildi. Kirchhoff. Katalitik süreçler fiziksel ve kimyasal yapıları bakımından aşağıdaki türlere göre farklılık gösterir:

* heterojen kataliz - katı bir katalizörün yüzeyinde sıvı veya gaz halindeki reaktifler arasındaki etkileşimin kimyasal bir reaksiyonu meydana gelir;

* homojen kataliz - hem katalizörün hem de reaktiflerin çözündüğü bir gaz karışımında veya bir sıvıda kimyasal bir reaksiyon meydana gelir;

* elektrokataliz - reaksiyon, çözeltiyle temas halinde ve elektrik akımının etkisi altında elektrotun yüzeyinde meydana gelir;

* fotokataliz - reaksiyon, bir katının yüzeyinde veya bir sıvı çözeltide meydana gelir ve emilen radyasyonun enerjisi ile uyarılır.

Heterojen kataliz en yaygın olanıdır; modern kimyadaki tüm katalitik reaksiyonların %80'ini gerçekleştirmek için kullanılır.

Katalizörlerin kullanımı tüm kimya endüstrisinde radikal bir değişimin temelini oluşturdu. Onlar sayesinde, şimdiye kadar "kimyasal ölü" olarak kabul edilen parafinlerin ve sikloparafinlerin organik sentez için hammadde olarak kullanılması mümkün hale geldi. Margarin, birçok gıda ürünü ve bitki koruma ürünlerinin üretiminde kataliz gereklidir. Yakıt ve yağlayıcıların üretimi de dahil olmak üzere temel kimya endüstrisinin (inorganik asitlerin, bazların ve tuzların üretimi) ve "ağır" organik sentezlerin neredeyse tamamı katalize dayanmaktadır. Son zamanlarda ince organik sentez giderek katalitik hale geldi. Tüm kimyanın %60-80'i katalitik işlemlere dayanmaktadır. Kimyagerler, katalitik olmayan süreçlerin hiç var olmadığını, çünkü bunların hepsinin duvarlarının malzemesi bir tür katalizör görevi gören reaktörlerde gerçekleştiğini söylüyorlar.

Uzun bir süre boyunca katalizin kendisi doğanın bir gizemi olarak kaldı ve hem tamamen kimyasal hem de fiziksel olmak üzere çok çeşitli teorilerin ortaya çıkmasına neden oldu. Bu teoriler hatalı olsa bile, bilim adamlarını yeni deneylere yönlendirdiği için de olsa yararlı olduğu ortaya çıktı. Mesele şu ki, endüstriyel açıdan önemli kimyasal süreçlerin çoğu için, katalizörler sayısız deneme yanılma yoluyla seçilmiştir. Örneğin, 1913-1914'te amonyak sentezinin reaksiyonu için. Alman kimyacılar, elementlerin periyodik tablosunu takip ederek ve bunları çeşitli şekillerde birleştirerek 20 binden fazla kimyasal bileşiği katalizör olarak denediler.

Bugün katalizin özü hakkında bazı sonuçlar çıkarabiliriz.

1. Reaksiyona giren maddeler katalizörle temas eder ve onunla etkileşime girer, bu da kimyasal bağların zayıflamasına neden olur. Katalizör yokluğunda bir reaksiyon meydana gelirse, reaksiyona giren maddelerin moleküllerinin aktivasyonu, dışarıdan reaktöre enerji sağlanarak gerçekleşmelidir.

2. Genel durumda, herhangi bir katalitik reaksiyon, zayıflamış kimyasal bağların yeniden dağılımının meydana geldiği bir ara kompleksten geçiyor olarak temsil edilebilir.

3. Vakaların büyük çoğunluğunda, katalizörler, zayıflamış kimyasal bağların ve hatta serbest değerliklerin varlığı ile karakterize edilen, onlara yüksek kimyasal aktivite sağlayan, değişken bileşime sahip bertollid tipi bileşiklerdir. Bertollid tipi bileşiklerin molekülleri, yüzeyde geniş bir yelpazede enerji açısından homojen olmayan bağlar ve hatta serbest atomlar içerir.

4. Reaktiflerin katalizör ile etkileşiminin sonuçları, reaksiyonun belirli bir yönde ilerlemesi ve reaksiyon hızının artmasıdır, çünkü reaksiyona giren moleküllerin katalizör yüzeyinde buluşma sayısı artar. Ek olarak, katalizör, reaksiyonun tüm yeni eylemlerini ve genel ivmesini enerjik olarak beslemek için ekzotermik reaksiyonun enerjisinin bir kısmını yakalar.

Gelişiminin şu andaki aşamasında kimya birçok etkili katalizör keşfetti. Bunlar arasında iyon değiştirme reçineleri, organometalik bileşikler ve membran katalizörleri bulunur. Periyodik tablonun birçok kimyasal elementi katalitik özelliklere sahiptir, ancak en önemli rolü platin grubu metaller ve nadir toprak metalleri oynar.

Katalizörlerin katılımıyla bazı reaksiyonların hızı 10 milyar kat artar. Yalnızca nihai ürünün bileşimini kontrol etmenize izin vermekle kalmayıp, aynı zamanda ürünün fiziksel özelliklerini (sertlik, esneklik) büyük ölçüde etkileyen belirli bir şekle sahip moleküllerin oluşumunu da destekleyen katalizörler vardır.

Kimyasal süreçler doktrininin gelişim yönü

Modern koşullarda, kimyasal süreçlerin incelenmesinin geliştirilmesindeki en önemli yönlerden biri, bu süreçleri kontrol etmek için yöntemlerin oluşturulmasıdır, bu nedenle kimya bilimi, plazma kimyası, radyasyon kimyası, yüksek kimya gibi problemlerin geliştirilmesiyle ilgilenmektedir. basınçlar ve sıcaklıklar.

Plazma kimyası

Plazma kimyası, 1000 ila 10.000°C arasındaki sıcaklıklarda düşük sıcaklıktaki plazmadaki kimyasal süreçleri inceler. Bu tür süreçler, parçacıkların uyarılmış durumu, moleküllerin yüklü parçacıklarla çarpışması ve çok yüksek oranlarda kimyasal reaksiyonlarla karakterize edilir. Plazma-kimyasal işlemlerde, kimyasal bağların yeniden dağıtılma hızı çok yüksektir: kimyasal dönüşümlerin temel eylemlerinin süresi yaklaşık 10-13 saniyedir ve reaksiyonun neredeyse tamamen tersine çevrilebilirliği yoktur. Geleneksel reaktörlerdeki benzer kimyasal proseslerin hızı, tersinirlik nedeniyle binlerce kez azalır. Bu nedenle plazma-kimyasal süreçler çok verimlidir. Örneğin, bir metan plazma-kimyasal reaktörünün verimliliği (boyutları: uzunluk - 65 cm, çap - 15 cm) günde 75 ton asetilendir. Bu reaktörde, 3000-3500°C sıcaklıkta, metanın yaklaşık %80'i saniyenin on binde biri kadar bir sürede asetilene dönüştürülür.

Plazma kimyası son zamanlarda endüstriyel üretime giderek daha fazla dahil edilmektedir. Toz metalurjisi için hammadde üretimine yönelik teknolojiler halihazırda oluşturulmuş ve bir dizi kimyasal bileşik için sentez yöntemleri geliştirilmiştir. 1970 lerde Plazma çelik eritme fırınları en yüksek kalitede metalleri üretmek için yaratıldı. Aşınma direnci birkaç kat artan takımların yüzeyinin iyon-plazma işlemine tabi tutulması için yöntemler geliştirilmiştir.

Plazma kimyası, çeşitli metallerin bağlayıcı eleman olarak kullanıldığı metal beton gibi önceden bilinmeyen malzemelerin sentezlenmesini mümkün kılar. Metal beton, kaya parçacıklarının eritilip metalle sıkıca sıkıştırılmasıyla oluşturulur. Nitelikleri sıradan betondan onlarca ve yüzlerce kat daha üstündür.

Radyasyon kimyası

Kimyasal süreçlerin incelenmesindeki en genç alanlardan biri, 20. yüzyılın ikinci yarısında ortaya çıkan radyasyon kimyasıdır. Araştırmasının konusu, iyonlaştırıcı radyasyonun etkisi altında çok çeşitli maddelerin dönüşümüydü. İyonlaştırıcı radyasyon kaynakları arasında X-ışını makineleri, yüklü parçacık hızlandırıcıları, nükleer reaktörler ve radyoaktif izotoplar bulunur. Radyasyon-kimyasal reaksiyonlar sonucunda maddeler artan ısı direnci ve sertlik kazanır.

Radyasyon-kimyasal teknolojisinin en önemli süreçleri polimerizasyon, vulkanizasyon, kompozit malzemelerin üretimi, sıradan betonun herhangi bir polimerle emprenye edilmesi ve daha sonra ışınlanması yoluyla polimer beton üretimi dahil. Bu tür betonlar dört kat daha fazla dayanıma sahiptir, su geçirmezdir ve korozyona karşı oldukça dayanıklıdır.

Yüksek basınç ve sıcaklıkların kimyası

Kimyasal proseslerin incelenmesinde temelde yeni ve son derece önemli bir alan, refrakter ve seramik malzemelerin kendiliğinden yayılan yüksek sıcaklıkta sentezidir. Tipik olarak üretimleri, özü metal tozlarının yüksek sıcaklıklarda (1200-2000°C) preslenmesi ve sıkıştırılması olan toz metalurjisi yöntemiyle gerçekleştirilir. Yayılan sentezin kendisi çok daha basittir: bir metalin diğerinde yanmasına veya bir metalin nitrojen, karbon, silikon vb. içinde yanmasına dayanır.

Yanma işleminin, oksijenin yanıcı bir madde ile birleşimi olduğu uzun zamandır bilinmektedir, bu nedenle yanma, yanıcı bir maddenin oksidasyon reaksiyonudur. Bu durumda elektronlar oksitlenen maddenin atomlarından oksijen atomlarına doğru hareket eder. Bu açıdan bakıldığında yanma sadece oksijende değil diğer oksitleyici maddelerde de mümkündür. Kendiliğinden yayılan yüksek sıcaklıkta sentez, yani katılarda termal yanma süreci bu sonuca dayanmaktadır. Örneğin titanyum tozunun bor tozu içinde veya zirkonyum tozunun silikon tozu içinde yanmasını temsil eder. Bu sentez sonucunda en kaliteli yüzlerce refrakter bileşik elde edilir.

Bu teknolojinin hantal süreçler gerektirmemesi, son derece teknolojik olması ve kolaylıkla otomasyona alınabilmesi çok önemlidir.

Yüksek basınç kimyası

Kimyasal proseslerin incelenmesinin bir başka gelişme alanı da yüksek ve ultra yüksek basınçların kimyasıdır. Maddelerin 100 atm'nin üzerindeki basınçlarda kimyasal dönüşümleri yüksek basınç kimyasına ve 1000 atm'nin üzerindeki basınçlarda ultra yüksek basınç kimyasına aittir. Yüksek basınçlar kimyada 20. yüzyılın başından beri kullanılmaktadır. -- amonyak üretimi 300 atm basınçta ve 600°C sıcaklıkta gerçekleştirildi. Ancak son zamanlarda 5000 atm basınca ulaşılan tesisler kullanılmakta ve saniyenin milyonda biri kadar bir sürede patlamanın şok dalgası nedeniyle elde edilen 600.000 atm basınçta testler yapılmaktadır. Nükleer patlamalar daha da yüksek basınçlar üretir.

Yüksek basınçta atomların elektronik kabukları birbirine yaklaşır ve deforme olur, bu da maddelerin reaktivitesinin artmasına neden olur. 102-103 atm basınçta, sıvı ve gaz fazlar arasındaki fark, 103-105 atm'de ise katı ve sıvı fazlar arasındaki fark kaybolur. Yüksek basınçta maddelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri büyük ölçüde değişir. Örneğin 20.000 atm basınçta metal, kauçuk gibi elastik hale gelir. Sıradan su, yüksek sıcaklık ve basınçta kimyasal olarak aktif hale gelir. Artan basınçla birçok madde metalik duruma dönüşür. Böylece, 1973 yılında bilim adamları 2,8 milyon atm basıncında metalik hidrojeni gözlemlediler.

Ultra yüksek basınç kimyasının en önemli başarılarından biri elmasların senteziydi. 50.000 atm basınçta ve 2000°C sıcaklıkta çalışır. Bu durumda grafit kristalleşerek elmasa dönüşür. Elmaslar şok dalgaları kullanılarak da sentezlenebilir. Son zamanlarda, özellikleri bakımından doğal olanlardan sadece biraz farklı olan, her yıl tonlarca sentetik elmas üretiliyor. Ortaya çıkan elmaslar endüstriyel amaçlar için kesme ve delme ekipmanlarında kullanılır. Doğal elmaslardan daha sert olan karbonadolar olan siyah elmasları sentezlemek mümkün oldu. Elmasları kendileri işlemek için kullanılırlar.

Şu anda, yalnızca yapay elmaslardan değil, aynı zamanda diğer değerli taşlardan da (korindon (kırmızı yakut), zümrüt vb.) endüstriyel üretim yapılmaktadır. Isıya oldukça dayanıklı diğer malzemeler de yüksek basınçlarda sentezlenmektedir. Böylece, 100.000 atm basınçta ve 2000°C sıcaklıkta bor nitrürden bor nitrür sentezlendi; bu malzeme, son derece sert malzemelerden yapılmış parçaların çok yüksek sıcaklıklarda delinmesi ve taşlanması için uygun bir malzemedir.

Kimyasal süreç ve sistemlerin enerjisi

Kimyasal reaksiyonlar, atomlar ve moleküller arasındaki etkileşimlerdir ve kimyasal bileşim veya yapı bakımından orijinallerinden farklı yeni maddelerin oluşumuna yol açar. Kimyasal reaksiyonlar, nükleer reaksiyonlardan farklı olarak sistemdeki toplam atom sayısını veya elementlerin izotopik kompozisyonunu değiştirmez.

Sistem, uzaydan izole edilmiş cisimlerin bir koleksiyonudur. Bir sistem tüm bileşenleri arasında kütle ve ısı alışverişine izin veriyorsa böyle bir sisteme termodinamik denir. Reaksiyonların meydana gelebildiği bir kimyasal sistem, termodinamik sistemin özel bir durumudur. Sistem ile çevre arasında kütle ve ısı transferi yoksa böyle bir sisteme izole sistem denir. Kütle transferi yoksa ancak ısı değişimi mümkünse sistem kapalı olarak adlandırılır. Sistem ile çevre arasında hem kütle hem de ısı alışverişi mümkünse sistem açıktır. Birkaç fazdan oluşan bir sisteme heterojen, tek fazlı bir sisteme ise homojen denir.

Bir kimyasal sistemin durumu, özelliklerine göre belirlenir: sıcaklık, basınç, konsantrasyon, hacim, enerji.

Homojen bir sistemde meydana gelen reaksiyonlar tüm hacmi boyunca gelişir ve homojen olarak adlandırılır. Arayüzde meydana gelen reaksiyonlar heterojendir.

Bir sistemin termodinamik açıklaması için, sistem durumu fonksiyonları adı verilen fonksiyonlar kullanılır - bu, değerleri sistemin termodinamik özellikleri tarafından benzersiz bir şekilde belirlenen herhangi bir fiziksel miktardır. Sistem durumunun en önemli işlevleri şunları içerir:

Sistemin toplam enerjisi (E);

Sistemin iç enerjisi (U);

Entalpi (veya ısı içeriği), bir maddenin oluşumu sırasında biriktirdiği enerjinin (H) bir ölçüsüdür:

Entropi, bir sistemin (S) düzensizliğinin bir ölçüsüdür;

Gibbs enerjisi, bir sistemin sabit basınçtaki (G) kararlılığının bir ölçüsüdür:

Helmholtz enerjisi, bir sistemin sabit hacimdeki (F) kararlılığının bir ölçüsüdür:

Kendiliğinden bir sürecin olasılığı, Gibbs serbest enerji fonksiyonundaki değişimin işaretiyle değerlendirilebilir: if?G< 0, т.е. в процессе взаимодействия происходит уменьшение свободной энергии, то процесс термодинамически возможен. Если?G >0 ise işlem devam edemez. Böylece tüm süreçler kendiliğinden serbest enerjinin azalması yönünde ilerleyebilir.

Kimyasal etkileşime genellikle termal bir etki eşlik eder. Isının açığa çıkmasıyla meydana gelen işlemlere ekzotermik (?H) denir.< 0), а идущие с поглощением теплоты - эндотермическими (?Н > 0).

İzobarik koşullar altında kimyasal işlemlerin termal etkisi, entalpideki değişiklikle belirlenir; son ve başlangıç ​​durumlarının entalpileri arasındaki fark. Lavoisier-Laplace yasasına göre: Bir maddenin oluşumu sırasında açığa çıkan ısı, aynı miktarda maddenin orijinal bileşenlerine ayrışması sırasında emilen ısıya eşittir.

Termokimyasal yasaların daha derin genellemeleri Hess yasası tarafından verilmektedir: Sabit basınçta veya sabit hacimde meydana gelen kimyasal reaksiyonların termal etkisi, ara aşamaların sayısına bağlı değildir, yalnızca sistemin başlangıç ​​ve son durumları tarafından belirlenir.

Termodinamiğin birinci yasası (enerjinin korunumu yasası) - enerji bir süreç sırasında ortadan kaybolmaz ve yeniden ortaya çıkmaz, yalnızca bir formdan diğerine tamamen eşdeğer ilişkilerle geçebilir.

Termodinamiğin II yasası - tersinir süreçlerin izole edilmiş bir sisteminde bir süreç meydana geldiğinde, entropi değişmeden kalır, ancak geri dönüşü olmayan süreçler sırasında artar. .

Çözüm

Kimya sosyal bir bilimdir. En yüksek hedefi, her bireyin ve tüm toplumun ihtiyaçlarını karşılamaktır. İnsanlığın umutlarının çoğu kimyaya yöneliyor. Moleküler biyoloji, genetik mühendisliği ve biyoteknoloji ve malzeme bilimi temel olarak kimya bilimleridir. Tıbbın ve sağlık hizmetlerinin ilerlemesi, hastalıkların, ilaçların, yiyeceklerin kimyasındaki sorunlardır; Nörofizyoloji ve beyin fonksiyonu her şeyden önce nörokimya, kimya ve hafızanın kimyasıdır. İnsanlık kimyadan sihirli özelliklere sahip yeni malzemeler, yeni enerji kaynakları ve piller, yeni temiz ve güvenli teknolojiler vb. beklemektedir.

Temel bir bilim olarak kimya, 20. yüzyılın başında yeni kuantum mekaniğiyle birlikte oluşmuştur. Ve bu tartışılmaz bir gerçektir, çünkü kimyanın tüm nesneleri atomlar, moleküller, iyonlar vb.'dir. - kuantum nesnelerdir. Kimyadaki ana olaylar kimyasal reaksiyonlar ve kimyasal süreçlerdir; Atom çekirdeğinin yeniden düzenlenmesi ve elektron kabuklarının, reaktant moleküllerin elektronik giysilerinin ürün moleküllerine dönüşmesi de bir kuantum olayıdır.

Yeni üretim gereksinimlerinin etkisi altında kimyasal işlemlere duyulan ihtiyaç ortaya çıkmaktadır. Daha önce çalışılan bileşim doktrini ve yapısal teorilere dayanan kimyanın ana problemini çözme yöntemleri burada açıkça yeterli değildi ve yeni bir seviye ortaya çıkıyor - kimyasal bilgi seviyesi - kimyasal süreçler hakkında bilgi. Kimya, yalnızca maddelerin tam nesneler olarak değil, aynı zamanda süreçlerin ve maddedeki değişim mekanizmalarının da bilimi haline geliyor. Bu sayede sentetik malzemelerin üretimini sağlamıştır.

Modern toplumda, bilimin yeni keşifler geliştirmesi ve çabalaması gerektiğinden, kimyasal süreçlerin incelenmesi gerekli bir bilgidir ve buna yalnızca insan katkıda bulunabilir.

Kullanılmış literatür listesi

1. Bochkarev A. I. - Modern doğa biliminin kavramları: üniversite öğrencileri için bir ders kitabı A. I. Bochkarev, T. S. Bochkareva, S. V. Saksonov; tarafından düzenlendi prof. A. I. Bochkareva. - Tolyatti: TGUS, 2008. - 386 s. [elektronik kaynak]www.tolgas.ru (erişim tarihi 14/11/2102)

2. Sadokhin A.P. Modern doğa bilimi kavramları: beşeri bilimler ve ekonomi ve yönetim uzmanlık alanlarında okuyan üniversite öğrencileri için bir ders kitabı / A.P. Sadokhin. -- 2. baskı, revize edildi. ve ek - M.: UNITY-DANA, 2006. - 447 s. [elektronik kaynak] http://www.twirpx.com/file/20132/ (erişim tarihi: 12/10/2102)

Allbest.ru'da yayınlandı

...

Benzer belgeler

Biyosferin tanımı, evrimi, sınırları ve bileşimi, korunması. Canlı maddenin özellikleri. Atomların biyojenik göçü. Biyokütle, gezegendeki dağılımı. Maddelerin döngüsünde bitki, hayvan ve mikroorganizmaların rolü. Biyosfer ve enerji dönüşümü.

test, 15.09.2013 eklendi


Kaotik, düzensiz düzene örnek olarak düzen, doğadaki düzensizlik, termal hareketin özellikleri. Enerji yayılım süreci olgusu. Kimyasal işlemler ve maddelerin özellikleri. Yüksek hız koşullarında bir roketteki gövdelerin kalitesi.

kurs çalışması, eklendi 03/11/2010


Kendi kendini örgütleme teorisinin incelenmesi. Kendi kendini organize eden sistemlerin geliştirilmesinde ana kriter. Dengesiz süreçler ve açık sistemler. Enerji tüketen yapıların kendi kendine organizasyonu. Belousov-Zhabotinsky'nin kimyasal reaksiyonu. Fiziksel olaylarda kendi kendine organizasyon.

özet, 30.09.2010 eklendi


DNA moleküllerinde genetik bilgi içeren ökaryotik bir hücrenin yapısal unsurlarından biri olarak çekirdeğin gelişimi. Çekirdeğin yapısal elemanları olarak nükleer zarf, çekirdek, matris. Moleküllerin replikasyon ve transkripsiyon işlemlerinin özellikleri.

sunum, 01/08/2012 eklendi


Maddelerin hücre zarından geçiş mekanizmalarının analizi. Maddelerin zara nüfuz ettiği ana süreçler. Basit ve kolaylaştırılmış difüzyonun özellikleri. Aktif taşıma türleri. İyon kanalları, gözeneklerden farkı, gradyanı.

sunum, 11/06/2014 eklendi


Azotlu maddelerin bitkilerde dönüşümü. Bitkisel yağların kalitesi çevresel faktörlere bağlıdır. Yağlı tohum tohumlarının olgunlaşması sırasında maddelerin dönüşümü. Vernalizasyon, özü ve önemi. Sıcaklık ve ışığın tohum dinlenmesi üzerindeki etkisi.

test, eklendi: 09/05/2011


Glikoz parçalanmasının olası yollarının analizi. Aerobik metabolizmanın bileşenlerinin ve çalışma prensibinin belirlenmesi. Organik asitlerin oluşumu ve kimyasal yapıları bakımından karbonhidratlardan farklı olan başlangıç ​​substratlarının biyotransformasyonu süreçleri.

özet, 06/09/2015 eklendi


Ekosistemlerdeki madde akışı, enerji ve yıkıcı blokajlar. Biyolojik üretkenlik sorunları. Sayılar, biyokütle ve enerji piramitleri. Biyota ve fiziksel çevre arasındaki madde ve enerjinin dönüşüm süreçleri. Maddelerin biyokimyasal dolaşımı.

özet, 26.06.2010 eklendi


Newton'un yerçekimi kanunu. Özel görelilik teorisi. Termodinamiğin ikinci yasası. Atomun yapısı hakkında fikirler. Kimyasal kinetik yöntemleri. Denge kavramları, denge radyasyonu. Nükleer füzyon reaksiyonları. Biyotik döngünün özellikleri.

test, 16.04.2011 eklendi


Bitkilerde maddelerin salgılanma süreçlerinin gerçekleştirdiği ana fonksiyonların tanımı. Allelopati, boşaltım ve sekresyon kavramı. Bitkilerde özelleşmiş salgı yapılarının işlevleri. Maddelerin salgılanmasında rol oynayan epidermal oluşum grupları.

Canlı doğada gözlemlenen bileşiklerin karşılıklı dönüşümleri ve insan faaliyetleri sonucu meydana gelenler kimyasal süreçler olarak değerlendirilebilir. İçlerindeki reaktifler aynı veya farklı toplanma durumlarında olan iki veya daha fazla madde olabilir. Buna bağlı olarak homojen veya heterojen sistemler ayırt edilir. Bu çalışmada dersin koşulları, özellikleri ve doğadaki kimyasal süreçlerin rolü tartışılacaktır.

Kimyasal tepkime ne anlama geliyor?

Başlangıç ​​​​maddelerinin etkileşimi sonucunda moleküllerinin kurucu kısımları değişir, ancak atom çekirdeğinin yükleri aynı kalırsa, kimyasal reaksiyonlardan veya işlemlerden söz ederiz. Akıntıları sonucu oluşan ürünler insanlar tarafından sanayide, tarımda ve günlük yaşamda kullanılmaktadır. Hem canlı hem de cansız doğada maddeler arasında çok sayıda etkileşim meydana gelir. Kimyasal süreçler temel olarak fiziksel olaylardan ve radyoaktivitenin özelliklerinden farklıdır. İçlerinde yeni madde molekülleri oluşurken, fiziksel süreçler bileşiklerin bileşimini değiştirmez ve nükleer reaksiyonlarda yeni kimyasal elementlerin atomları ortaya çıkar.

Kimyada işlemleri gerçekleştirme koşulları

Farklı olabilirler ve her şeyden önce reaktiflerin doğasına, dışarıdan enerji akışı ihtiyacına ve ayrıca işlemin meydana geldiği toplanma durumuna (katılar, çözeltiler, gazlar) bağlı olabilirler. İki veya daha fazla bileşik arasındaki etkileşimin kimyasal mekanizması, katalizörlerin (örneğin nitrik asit üretimi), sıcaklığın (amonyak üretimi) veya ışık enerjisinin (fotosentez) etkisi altında gerçekleştirilebilir. Enzimlerin canlı doğaya katılımıyla, gıda ve mikrobiyoloji endüstrilerinde kullanılan kimyasal fermantasyon reaksiyonlarının (alkolik, laktik asit, bütirik asit) süreçleri yaygındır. Organik sentez endüstrisinde ürün elde etmek için ana koşullardan biri, kimyasal sürecin serbest radikal mekanizmasının varlığıdır. Bir örnek, zincirleme reaksiyonların bir sonucu olarak oluşan klorlu metan türevlerinin (diklorometan, triklorometan, karbon tetraklorür) üretimi olabilir.

Homojen kataliz

İki veya daha fazla madde arasındaki özel temas türlerini temsil ederler. Reaksiyon hızlandırıcıların katılımıyla homojen bir fazda (örneğin gaz - gaz) meydana gelen kimyasal işlemlerin özü, tüm karışım hacminde reaksiyonların gerçekleştirilmesidir. Katalizör, reaktiflerle aynı toplanma durumundaysa, başlangıç ​​bileşikleri ile hareketli ara kompleksler oluşturur.

Homojen kataliz, örneğin petrol rafinasyonunda, benzin, nafta, gaz yağı ve diğer yakıt türlerinin üretiminde gerçekleştirilen temel bir kimyasal işlemdir. Reforming, izomerizasyon ve katalitik kırma gibi teknolojileri kullanır.

Heterojen kataliz

Heterojen kataliz durumunda, reaksiyona giren maddelerin teması çoğunlukla katalizörün kendisinin katı yüzeyinde meydana gelir. Üzerinde sözde aktif merkezler oluşuyor. Bunlar reaksiyona giren bileşiklerin etkileşiminin çok hızlı gerçekleştiği yani yüksek olduğu alanlardır. Bunlar türe özgüdür ve canlı hücrelerde kimyasal süreçlerin meydana gelmesi durumunda da önemli bir rol oynarlar. Sonra metabolizmadan, metabolik reaksiyonlardan bahsediyorlar. Heterojen katalizin bir örneği, sülfat asidinin endüstriyel üretimidir. Bir kontak aparatında, gaz halindeki bir kükürt dioksit ve oksijen karışımı ısıtılır ve dağılmış vanadyum oksit veya vanadil sülfat VOSO 4 tozu ile doldurulmuş ızgara raflarından geçirilir. Ortaya çıkan ürün olan kükürt trioksit daha sonra konsantre sülfürik asit içerisine emilir. Oleum adı verilen bir sıvı oluşur. İstenilen konsantrasyonda sülfat asidi elde etmek için su ile seyreltilebilir.

Termokimyasal reaksiyonların özellikleri

Enerjinin ısı biçiminde salınması veya emilmesi büyük pratik öneme sahiptir. Yakıtların yanma reaksiyonlarını hatırlamak yeterlidir: doğal gaz, kömür, turba. Önemli bir özelliği yanma ısısı olan fiziksel ve kimyasal süreçleri temsil ederler. Termal reaksiyonlar hem organik dünyada hem de cansız doğada yaygındır. Örneğin, sindirim sürecinde proteinler, lipitler ve karbonhidratlar biyolojik olarak aktif maddelerin - enzimlerin etkisi altında parçalanır.

Açığa çıkan enerji ATP molekülleri şeklinde birikir. Disimilasyon reaksiyonlarına, bir kısmı ısı şeklinde dağıtılan enerjinin salınması eşlik eder. Sindirim sonucunda her gram protein 17,2 kJ enerji, nişasta - 17,2 kJ, yağ - 38,9 kJ sağlar. Enerji açığa çıkaran kimyasal işlemlere ekzotermik, enerjiyi emen kimyasal işlemlere ise endotermik denir. Organik sentez endüstrisinde ve diğer teknolojilerde termokimyasal reaksiyonların termal etkileri hesaplanır. Örneğin, ısı emilimini içeren reaksiyonların meydana geldiği reaktörleri ve sentez kolonlarını ısıtmak için kullanılan enerji miktarını doğru hesaplamak için bunu bilmek önemlidir.

Kinetik ve kimyasal süreçler teorisindeki rolü

Reaksiyona giren parçacıkların (moleküller, iyonlar) hızını hesaplamak endüstrinin karşı karşıya olduğu en önemli görevdir. Çözümü, kimyasal üretiminde teknolojik döngülerin ekonomik etkisini ve karlılığını sağlar. Amonyak sentezi gibi böyle bir reaksiyonun hızını arttırmak için belirleyici faktörler, nitrojen ve hidrojen gaz karışımındaki basıncın 30 MPa'ya değiştirilmesinin yanı sıra sıcaklıkta keskin bir artışın önlenmesi olacaktır (optimum sıcaklık 450-550°C).

Sülfat asidi üretiminde kullanılan kimyasal işlemler, yani piritlerin yakılması, kükürt dioksitin oksidasyonu, kükürt trioksitin oleum tarafından emilmesi çeşitli koşullar altında gerçekleştirilir. Bu amaçla pirit fırını ve kontak cihazları kullanılmaktadır. Reaksiyona giren maddelerin konsantrasyonlarını, sıcaklığı ve basıncı dikkate alırlar. Tüm bu faktörler, reaksiyonun en yüksek hızda gerçekleştirilmesiyle ilişkilidir, bu da sülfat asit verimini %96-98'e çıkarır.

Doğadaki fiziksel ve kimyasal süreçler olarak maddelerin döngüsü

Ünlü "Hareket hayattır" sözü, çeşitli etkileşim türlerine (kombinasyon, ikame, ayrışma, değişim reaksiyonları) giren kimyasal elementler için de uygulanabilir. Kimyasal elementlerin molekülleri ve atomları sürekli hareket halindedir. Bilim adamlarının tespit ettiği gibi, yukarıdakilerin hepsine fiziksel olaylar eşlik edebilir: ısının salınması veya emilmesi, ışık fotonlarının yayılması, toplanma durumundaki bir değişiklik. Bu süreçler Dünya'nın her kabuğunda meydana gelir: litosfer, hidrosfer, atmosfer, biyosfer. Bunlardan en önemlileri oksijen, karbondioksit ve nitrojen gibi maddelerin döngüleridir. Bir sonraki başlıkta nitrojenin atmosferde, toprakta ve canlı organizmalarda nasıl dolaştığına bakacağız.

Azot ve bileşiklerinin birbirine dönüşümü

Azotun proteinlerin gerekli bir bileşeni olduğu ve bu nedenle istisnasız her türlü karasal yaşamın oluşumuna katıldığı iyi bilinmektedir. Azot, bitkiler ve hayvanlar tarafından iyonlar halinde emilir: amonyum, nitrat ve nitrit iyonları. Bitkiler fotosentez sonucunda sadece glikoz değil aynı zamanda amino asitler, gliserol ve yağ asitleri de üretirler. Yukarıdaki kimyasal bileşiklerin tümü Calvin döngüsünde meydana gelen reaksiyonların ürünleridir. Seçkin Rus bilim adamı K. Timiryazev, yeşil bitkilerin kozmik rolünden, yani diğer şeylerin yanı sıra protein sentezleme yeteneklerinden bahsetti.

Otçullar peptitleri bitki besinlerinden alırken, etoburlar peptitleri av etinden alırlar. Saprotrofik toprak bakterilerinin etkisi altındaki bitki ve hayvan kalıntılarının çürümesi sırasında karmaşık biyolojik ve kimyasal süreçler meydana gelir. Sonuç olarak, organik bileşiklerden gelen azot inorganik forma dönüştürülür (amonyak, serbest azot, nitratlar ve nitritler oluşur). Atmosfere ve toprağa dönen tüm bu maddeler yine bitkiler tarafından emilir. Azot, yaprak derisinin stomalarından girer ve azot çözeltileri ve tuzları, bitki köklerinin kök kılları tarafından emilir. Nitrojen dönüşüm döngüsü kendini tekrarlamak üzere kapanır. Doğada meydana gelen kimyasal süreçlerin özü, 20. yüzyılın başında Rus bilim adamı D.N. Pryanishnikov tarafından ayrıntılı olarak incelenmiştir.

Toz metalurjisi

Modern kimyasal işlemler ve teknolojiler, benzersiz fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip malzemelerin oluşturulmasına önemli katkı sağlar. Bu, her şeyden önce petrol rafinerilerinin, inorganik asitler, boyalar, vernikler ve plastik üreten işletmelerin alet ve ekipmanları için özellikle önemlidir. Üretimlerinde ısı eşanjörleri, kontak cihazları, sentez kolonları ve boru hatları kullanılmaktadır. Ekipmanın yüzeyi yüksek basınç altında agresif ortamlarla temas eder. Üstelik hemen hemen tüm kimyasal üretim süreçleri yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirilmektedir. Isı ve asit direnci yüksek, korozyon önleyici özelliklere sahip malzemelerin elde edilmesi acildir.

Toz metalurjisi, metal içeren tozların üretilmesi, sinterlenmesi ve kimyasal olarak agresif maddelerle reaksiyonlarda kullanılan modern alaşımların bileşime dahil edilmesi işlemlerini içerir.

Kompozitler ve anlamları

Modern teknolojiler arasında en önemli kimyasal prosesler kompozit malzemelerin üretimine yönelik reaksiyonlardır. Bunlara köpükler, sermetler ve norpapalstlar dahildir. Üretimde matris olarak metaller ve alaşımları, seramikler ve plastikler kullanılır. Dolgu maddesi olarak kalsiyum silikat, beyaz kil, stronsiyum ve baryum ferritler kullanılır. Yukarıdaki maddelerin tümü kompozit malzemelere darbe direnci, ısı direnci ve aşınma direnci kazandırır.

Kimyasal teknoloji nedir

Hammaddelerin (petrol, doğal gaz, kömür, mineraller) işlenmesi reaksiyonlarında kullanılan araç ve yöntemleri inceleyen bilim dalına kimyasal teknoloji denir. Başka bir deyişle insan faaliyeti sonucu meydana gelen kimyasal süreçlerin bilimidir. Teorik tabanının tamamı matematik, sibernetik, fiziksel kimya ve endüstriyel ekonomiden oluşur. Teknolojide hangi kimyasal prosesin yer aldığı önemli değildir (nitrat asit üretimi, kireçtaşının ayrışması, fenol-formaldehit plastiklerinin sentezi) - modern koşullarda insan faaliyetini kolaylaştıran, çevre kirliliğini ortadan kaldıran otomatik kontrol sistemleri olmadan imkansızdır. sürekli ve atıksız kimyasal üretim teknolojisini sağlamak.

Bu çalışmada hem canlı doğada (fotosentez, disimilasyon, nitrojen döngüsü) hem de endüstride meydana gelen kimyasal süreçlerin örneklerine baktık.

Yukarıda gösterildiği gibi kimyasal-teknolojik bir süreç, nihai ürünü elde etmek için birbiriyle bağlantılı ve belirli bir sırayla gerçekleştirilen kimyasal, fiziksel-kimyasal, fiziksel ve mekanik işlemlerin birleşimidir. Kimyasal sürecin kendisi kimyasal sistemin ikinci ve ana alt sistemidir. Etkinliği, içeriği teknolojik rejim tarafından belirlenen belirli koşullara uyumu gerektirir.

Teknolojik mod– bu, kimyasal prosesin istikrarlı ve en verimli şekilde yürütülmesini sağlayan bir dizi parametredir.

Süreç parametresi miktarı adlandırın , cihazın çalışma modunun göstergelerinden birini karakterize etmek. Kural olarak bir parametre, cihazın çalışmasının ölçülmesine olanak sağlayan niceliksel bir değerdir. Kimyasal prosesin ana parametreleri sıcaklık, basınç, reaktiflerin oranı, birim zaman başına tüketimi, temas süresi, ham maddelerin hacimsel besleme hızı, katalizör aktivitesi, devridaim katsayısı, akım gücü, voltaj vb.'dir. Optimum parametrelerin kombinasyonu, prosesin hedef üründen mümkün olan en yüksek verim ve kalitede, yüksek hızda ve minimum maliyetle gerçekleştirilmesine olanak tanır.

Yukarıda belirtildiği gibi, kimyasal süreç ana alt sistemi (hammaddelerin kimyasal dönüşümü) oluşturur. Kütle ve ısı transferi olaylarının eşlik ettiği bir veya daha fazla kimyasal reaksiyonla ilerler. Stokiyometrik denkleme göre bir aşamada kimyasal bir dönüşüm süreci meydana gelirse buna basit denir. Geri kalan reaksiyonlar karmaşıktır. Bunlar tersinir, zincirleme, paralel, sıralı, konjuge ve diğer reaksiyonları içerir. Kimyasal reaksiyonlar bir dizi kritere göre sınıflandırılır:

İle faz durumu reaksiyon sistemi ( homofazik veya heterofazik);

Etkileşim mekanizmasına göre;

Tersine çevrilebilirlik yoluyla ( geri döndürülebilir ve geri döndürülemez);

Termal etkinin işaretine göre [ ekzotermik(+ N) Ve endotermik (- N)];

Katalizör kullanımına göre ( katalitik ve katalitik olmayan);

Sıcaklığa göre ( düşük sıcaklık ve yüksek sıcaklık);

Tepki sırasına göre.

Aşağıda tablo var. 5.1 Kimyasal reaksiyonların teknolojik sınıflandırması.

Homojen süreçlerin yoğunlaştırılması. Reaksiyon fazın büyük kısmında meydana gelirse buna homojen denir. Homojen reaksiyonlar örneğin çözeltilerdeki reaksiyonları içerir. . Homojen sistemlerde reaksiyon reaktörün tüm hacmi boyunca meydana gelir. Bu tür işlemlerde reaksiyon hızı, reaksiyon ortamının bileşimi, sıcaklık ve basınç değiştirilerek yoğunlaştırılabilir.

Reaksiyon ortamının bileşiminin etkisi reaktiflerin konsantrasyonuna ve fiziksel ve kimyasal özelliklerine bağlıdır.

Kütle eylem yasasına göre, türde homojen bir reaksiyon için olduğu bilinmektedir.
aA + bB cC + dD şu şekilde yazılır:

(- V A) = kC a A C b B , (5.1)

Nerede ( V A) – kimyasal reaksiyon hızı;

S A, S B– A ve B reaktiflerinin molar konsantrasyonları;

a, b- A ve B reaktifleri için reaksiyon sırası;

k- reaksiyon hızı sabiti.

Tablo 5.1

Sınıflandırma işareti	Kimyasal reaksiyon örnekleri
1. Reaksiyonun mekanizması ve kimyası: - basit geri döndürülemez - basit geri döndürülebilir - elverişsiz denge ile - karmaşık geri döndürülemez - bir öncekine paralel - sıralı (ardışık) - karmaşık tersinir	2KClO3 = 2KCl + 3O2 SO2 + 0,5O2 SO3 3H2 + N2 2NH3 NH3 + 1,25 O2 = NO + 1,5H2 Ö NH3 + 1,5 O2 = N2 + 3H20C6H 5 CH3 +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. Reaksiyonun termal etkisinin büyüklüğü ve işareti: - kuvvetli ekzotermik - zayıf ekzotermik - kuvvetli endotermik - zayıf endotermik	SO2 + Ç2 + 297 kJ/mol C6H12 = CH3(CH2)2CH = CH-CH3 + 59,9 kJ/mol C 6 H 12 = C 6 H 6 + 3 H 2 – 221 kJ/mol ROH + R 1 COOH RCOOR 1 + H 2 O – 50 kJ/mol
3. Kinetik model—reaksiyon sırası: - sıfır - birinci - ikinci - üçüncü - kesirli	Reaksiyon hızı denklemi: -VA = kC A =k -VA = kC A -V = kC A C B ; -V = kC2A; -V = kC2B -V = kC2ACB; -V = k C A C B 2 -V = kC A C D 1,5
4. Sistem aktivasyon yöntemi: reaksiyon sıcaklığının etkisi: - yüksek sıcaklık (500 o C'den fazla) - orta sıcaklık (160-500 o C) - düşük sıcaklık (160 o C'den az) - basınç altında reaksiyon - katalitik, elektrokimyasal, fotokimyasal vb. reaksiyonlar	Hidrokarbon besleme stoklarının pirolizi Parafinlerin oksidasyonu İzobütanın olefinlerle alkilasyonu Katalitik parçalama Katalitik reformasyon, parafinlerin halojenasyonu

A, B – başlangıç ​​reaktifleri;

V – reaksiyon hızı;

k - hız sabiti;

C – konsantrasyon.

Bu nedenle, reaksiyon hızı, reaksiyonun sırasına eşit güçlerde alınan reaktanların konsantrasyonlarının çarpımı ile orantılıdır ve buna göre aşağıdaki sonuçlara dayanmaktadır:

1) Konsantrasyon değeri ne kadar yüksek olursa reaksiyon hızı da o kadar yüksek olur;

2) reaksiyon hızı, hız denkleminde yer alan reaktife daha yüksek derecede bağlıdır;

3) Farklı mertebelerdeki reaksiyonlar aynı anda meydana gelirse, konsantrasyondaki bir değişiklik, daha yüksek mertebedeki reaksiyonun hızı üzerinde daha güçlü bir etkiye sahip olacaktır.

Bu modeller teknolojik tekniğin temelini oluşturur - reaktiflerden birinin fazlalığı. Bu durumda, daha yüksek stokiyometrik katsayıya sahip reaksiyon denkleminde yer alan reaktifin fazla alınması daha karlı olur. Ancak birçok gaz fazı ve sıvı fazı prosesinde reaktanların bir solvent ile seyreltilmesinin çeşitli nedenleri vardır; konsantrasyonlarını düşürürler. Bunun birkaç nedeni var:

a) yüksek hızda yüksek derecede ekzotermik bir reaksiyon gerçekleştirirken reaksiyon kütlesinin aşırı ısınma olasılığı;

b) düşük konsantrasyonların kullanılması - eğer yan reaksiyon daha yüksek düzeyde ise, karmaşık reaksiyonların seçici olarak ortaya çıkması gerekliliği;

c) reaksiyona eşlik eden fiziksel süreçlerin ortaya çıkması için koşulların iyileştirilmesi, çünkü seyreltme, viskoziteyi düşürmenize, reaksiyon kütlesinin ve taşınmasının eşit şekilde karıştırılmasını kolaylaştırmanıza ve daha yoğun ve eşit ısı transferi sağlamanıza olanak tanır.

Sıcaklığın etkisi Reaksiyon hızı Arrhenius denklemiyle tanımlanır:

k = A e - E / RT(5.2)

Nerede k– hız sabiti;

A– üstel öncesi faktör;

e- aktivasyon enerjisi, kJ/mol;

R- Gaz sabiti, kJ/mol;

T– sıcaklık, o İLE.

Bu denklemden, sıcaklığın üsse dahil edilmesi nedeniyle reaksiyon hızı üzerinde çok büyük bir etkiye sahip olduğu anlaşılmaktadır. Aynı sebepten dolayı, aktivasyon enerjisinin hız üzerinde önemli bir etkisi vardır, ancak farklı bir işaretle.

Kimyasal teknolojide kullanılan basınç aralığı çok geniştir. Petrol rafinasyonunda çoğu proseste basınç 1-5 aralığındadır. MPa, ancak baskıya kadar olan süreçler var 32 MPa(hidrokraking) ve vakumda (akaryakıtın rektifiye edilmesi). Petrokimyada prosesler, 100Mpa(etilenin polimerizasyonu). Yüksek enerji maliyetlerine rağmen yüksek basıncın kimya teknolojisinde yaygın olarak kullanılmasının birkaç nedeni vardır:

1. Basınç, gaz fazı işlemlerinin hızını önemli ölçüde artırır çünkü bu durumda reaktiflerin konsantrasyonu keskin bir şekilde artar.

2. Basınç, tersinir reaksiyonlar için kimyasal dengenin konumunu etkiler; işlem hacimde bir azalma ile ilerlerse, basınçtaki bir artış dengeyi doğrudan reaksiyona doğru kaydırır.

3. Basınç kaynama ve erime noktalarını artırır. Bu etki, standart basınçta gaz halindeki maddeler için sıvı faz işlemlerinin gerçekleştirilmesinde kullanılır.

4. Birçok durumda basıncın arttırılması, reaktiflerin veya proses ürünlerinin termal stabilitesinin düşük olduğu sistemlerde önemli olan sentez sıcaklığının azaltılmasını mümkün kılar.

Heterojen süreçlerin yoğunlaşması. Heterojen sistemler sürekli (sürekli) bir ortam ve bir veya daha fazla bileşen içeren ayrı bir fazdan oluşur. Bu tür sistemlerin örnekleri tabloda verilmiştir. 5.2.

Heterojen bir sistemde kimyasal etkileşim alanı faz arayüzüdür.

Heterojen bir reaksiyonun hızı, paralel olarak meydana gelen çeşitli proseslerin parametrelerinin karmaşık bir fonksiyonudur: dışarıdan reaksiyon ortamına kütle transferi, kimyasal reaksiyonun kendisi ve proses ürünlerinin reaksiyon alanından uzaklaştırılması.

Heterojen bir reaksiyonun temel aşamaları farklı oranlarda meydana gelir. Üstelik durağan bir süreç koşullarında tüm kademelerin hızları aynı ve en yavaş kademenin hızına eşit olacaktır. Bu aşama denir sınırlayıcı. Bu nedenle, heterojen süreçlerde yoğunlaşmaları, sınırlama aşamasının hızlanmasıyla ilişkilidir.

Bu sorunu çözmek için heterojen süreçler teorisine reaksiyon bölgesi kavramı dahil edildi. Bu teoriye göre heterojen bir reaksiyon meydana gelebilir. kinetik, difüzyon veya geçiş (difüzyon-kinetik) alanlar. Bu alanların adı doğrudan sınırlama aşamasıyla ilgilidir.

Tablo 5.2

Dispers sistem türleri

Dağınık faz – dağılmış ortam	Sistem türü	Örnekler
T-F	Soller, süspansiyonlar, süspansiyonlar	Metal sollar, hidrolik süspansiyonlar
F-F	Emülsiyonlar	Proses emülsiyonları, yağlayıcılar
G-F	Köpükler, gaz emülsiyonları	Köpükler, köpüren tabaka, kaynayan ve kavitasyona uğrayan sıvı
T – T	Katı kolloidler	Alaşımlar
F – T	Gözenekli cisimler, kılcal sistemler	Adsorbanlar, ıslak cisimler, iyon değiştiriciler, filtre katmanları
G – T	Gözenekli ve kılcal sistemler	Silika jel, aktif karbonlar, zeolitler, katalizörler, membranlar, filtreler
T-G	Aerosoller, süspansiyonlar	Dumanlar, akışkan yatak
F-G	Aerosoller	Sisler, damlacıklar
İYİ OYUN	Heterojen gazlar	Gazların ayrılması, gazlarda yoğunluk dalgalanmaları

G – gaz; F – sıvı; T – katı

Sınırlayıcı aşama kimyasal bir dönüşümse, o zaman derler ki kinetik bölge hakkında sürecin ilerlemesi. Numaraya kinetik faktörler sıcaklık, basınç, reaktiflerin ve katalizörün konsantrasyonu, ikincisinin doğası ve aktivitesi vb. içerir.

Hızı sınırlayan aşama kütle aktarım hızı ise reaksiyon şu şekilde ilerler: difüzyon bölgesi. Bu bölgede meydana gelen işlemler için hızın, kütle transferinin meydana geldiği etkisi altında, arayüzün alanı ve işlemin itici gücü (konsantrasyondaki değişiklik) ile orantılı olduğu bilinmektedir:

V = k SC , (5.3)

Nerede k– orantılılık katsayısı;

S– faz arayüzünün alanı;

C– konsantrasyonda değişiklik.

Bu denklemden, fazların temas alanı arttırılarak proses hızının artırılabileceği anlaşılmaktadır. Bu amaca, katı katalizörün öğütülmesi ve iç yapısının (gözeneklilik) geliştirilmesiyle ulaşılır. Sıvı ürünleri içeren sistemlerde temas yüzeyini arttırmak için paketleme cihazlarının kullanımı, kabarcıklandırma, köpük tabakası vb. teknikler kullanılır. Hız sabitinin değeri aşağıdaki ilişkiyle belirlenir:

k = D/ (5.4)

Nerede D- difüzyon katsayısı;

Difüzyon sınır tabakasının kalınlığı.

Artan sıcaklıkla birlikte difüzyon katsayısı da artar, ancak bu, kimyasal reaksiyonun hızından çok daha az olur. Ancak sıcaklık faktörü sıklıkla difüzyon işlemlerinin hızını arttırmak için kullanılır. Daha etkili bir teknik, difüzyon katmanının kalınlığında bir azalma sağlayan, kütle transfer işleminin hız sabitinde keskin bir artışa yol açan temas eden fazların karışımını yoğunlaştırmaktır.

Kütle transfer işlemlerinin itici gücünü arttırmak ( İLE), konsantrasyon gradyanı:

C = C – C*,

Nerede C ve C*- iletim aşamasında bileşenin gerçek ve denge konsantrasyonları için aşağıdaki teknikleri kullanın:

1) hammadde bileşenlerinin konsantrasyonunun arttırılması;

2) proses ürünlerinin reaksiyon bölgesinden uzaklaştırılması;

3) dengenin konsantrasyon gradyanını arttıran yönde kayması İLE.

Bu nedenle, kütle transfer işlemlerinin yoğunluğunu belirleyen difüzyon faktörleri arasında faz hareketinin doğrusal hızları, karıştırma cihazlarının devir sayısı, faz arayüzünün özellikleri vb. yer alır. Difüzyon faktörleri büyük ölçüde akışların hidrodinamiği tarafından belirlendiğinden, bunlara genellikle hidrodinamik denir.

Kütle aktarımı ve reaksiyon hızları karşılaştırılabilirse, sürecin devam ettiği söylenir. geçiş bölgesi.

Reaksiyonun kinetik bölgede gerçekleştirilmesi (difüzyon inhibisyonu yoktur), kinetik açıdan en çok tercih edilen yöntemdir, ancak aslında bir dizi endüstriyel proses, difüzyon bölgesinde gerçekleştirilir. Bu, öncelikle yüksek kimyasal reaksiyon oranlarından dolayı difüzyonun engellenmesinden kaçınmanın zor olduğu yüksek sıcaklıktaki prosesler için geçerlidir.

Özetlemek gerekirse şu sonuçları çıkarabiliriz:

Heterojen bir reaksiyonun hızı, hız sınırlayıcı aşamanın hızıyla belirlenir;

Hem kimyasal dönüşüm süreçleri hem de kütle aktarım süreçleri sınırlayıcı olabilir;

Heterojen bir reaksiyonu yoğunlaştırmak için hem kinetik hem de difüzyon faktörleri kullanılmalıdır;

Kinetik bölgede meydana gelen süreçleri yoğunlaştırmak için kinetik faktörler, difüzyon bölgesinde ise difüzyon faktörleri kullanılmalıdır.

Geri dönüşü olmayan reaksiyonlara dayalı süreçlerin yoğunlaştırılması.Geri dönüşü olmayan reaksiyonlar yalnızca ileri yönde meydana gelen reaksiyonları içerir. Böyle bir işlemi gerçekleştirmek için teknoloji geliştirilirken iki temel amaç gözetilir: reaksiyon hızının arttırılması ve hedef ürünün verimi. Bu tür işlemlerde ürünün verimi, dönüşümün derecesi ile orantılıdır. Karmaşık, geri dönüşü olmayan bir reaksiyonun gerçekleştirilmesine yönelik teknoloji geliştirilirken, işlemin seçiciliğinin arttırılmasına tüm dikkat gösterilir. Bu amaca, en seçici katalizörlerin seçilmesinin yanı sıra optimum reaktif konsantrasyonlarının ve sıcaklıklarının seçilmesiyle ulaşılır.

Seçicilik S reaksiyonlar, ana ve yan reaksiyonların oranlarının oranıyla tahmin edilebilir:

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

Nerede k = k 1 / k 2 .

Bu denkleme dayanarak konsantrasyonun seçicilik üzerindeki etkisi hakkında sonuçlar çıkarılabilir:

1) en a>b(hedef reaksiyonun sırası yan reaksiyondan daha yüksektir) seçicilik maksimum konsantrasyon değeriyle orantılıdır;

2) ne zaman A< b seçicilik minimum konsantrasyon değerleriyle orantılıdır;

3) ne zaman a = b konsantrasyon seçiciliği etkilemez: S = kC Bir 0 = k.

Kataliz, reaksiyon seçiciliği üzerinde en güçlü etkiye sahiptir. Kataliz karmaşık bir reaksiyon sistemidir ve bunun sonucunda reaksiyon sürecindeki birçok zorluk, katalize edilmemiş bir prosese kıyasla azaltılır. Bu etki, aktivasyon enerjisindeki bir azalma ve/veya reaksiyonun kinetik denklemindeki üstel öncesi faktördeki bir artışla ilişkilidir.

Tersine çevrilebilir reaksiyonlara dayalı süreçlerin yoğunlaştırılması.Tersinir reaksiyonlar, ileri ve geri yönlerde aynı anda meydana gelen reaksiyonları içerir.

Geri dönüşümlü bir reaksiyonda aA + bB = dD Kütle etki yasasına göre ileri ve geri reaksiyonların oranları aşağıdaki gibi olacaktır:

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

V devir = k // C D d, (5.7)

Nerede İLE– konsantrasyon;

k / , k //- ileri ve geri reaksiyonların hız sabitleri;

a, b, d–süreç katılımcıları için stokiyometrik katsayılar (reaksiyon emirleri) A, B, D.

Tersinir bir reaksiyonun toplam hızı, ileri ve geri reaksiyonların hızları arasındaki farka eşittir: V = V pr - V arr Denge anında Vpr = Vbr

C D d / C A a C B b = k / / k // = K r, (5.8)

Nerede KR- denge sabiti.

Dengenin kurulduğu dönüşüm derecesine denge denir. Üretim koşullarında, sistem kural olarak denge durumuna getirilmez, çünkü denge durumunda reaktör verimliliği sıfırdır. Reaktör, dengeyi reaksiyon ürünlerinin oluşumu yönünde kaydırmanın maliyetine bağlı olarak denge durumundan uzak bir modda çalışır.

Dengesi kolaylıkla değişen ve uygun olmayan denge konumlarına sahip, kabul edilebilir dönüşümün %30 veya daha az olabileceği reaksiyonlar vardır.

Basınç, sıcaklık veya konsantrasyon değiştiğinde dengede meydana gelen kayma, Le Chatelier ilkesine tabidir; bu ilke şunu belirtir: Dengesi kurulmuş bir sistem üzerindeki dış etki, sistemi bu etkinin azalmasına doğru kaydırır.

Le Chatelier ilkesinin etkisine bir örnek olarak, amonyak sentezi reaksiyonunu düşünün: 3H2 + N22NH3. Bu reaksiyon basit, geri dönüşümlü, ekzotermiktir ve hacimde bir azalma ile devam eder. Reaktiflerden birinin konsantrasyonundaki bir artış, doğrudan reaksiyon oranında bir artışa yol açacaktır; Hedef ürünün oluşumuna doğru. Bu durumda sürecin itici gücü dış etkinin büyüklüğüdür.

Aynı etki sistemdeki basıncın arttırılmasıyla da elde edilebilir. Aslında, baskıyı artırarak süreçteki tüm katılımcıların konsantrasyonunu artırıyoruz, ancak reaktiflerin konsantrasyonundaki artış daha önemli olacaktır çünkü Başlangıç ​​maddelerinin mol sayısı reaksiyon ürünlerinin sayısından daha fazladır. Bu sürecin itici gücü, nihai ve ilk ürünlerin hacimlerindeki farktır. Bu nedenle, son ve başlangıç ​​ürünlerinin hacimlerinin eşit olması durumunda sistemdeki basıncı değiştirerek dengeyi değiştirmek mümkün değildir.

Bu reaksiyonda sıcaklık değişikliklerinin denge kaymasına etkisi aşağıdaki gibidir. Reaksiyon ekzotermik olduğundan, prosesin sıcaklığının düşürülmesiyle dengenin amonyak oluşumu yönünde kaydırılması mümkündür. Bu durumda itici güç, bu sıcaklık değişiminin mutlak büyüklüğüdür.

Le Chatelier ilkesi, ana proses parametrelerinin tersinir bir kimyasal reaksiyonun yönü üzerindeki etkisini niteliksel olarak değerlendirmemize olanak tanır. Sıcaklıktaki bir değişiklikle dengedeki değişimin veya belirli bir reaksiyonun sabit bir basınçta meydana gelme olasılığının niceliksel bir değerlendirmesi (yani, endüstriyel kimyasal-teknolojik işlemlerde sabit bir basınçta, kural olarak kimyasal reaksiyonlar gerçekleştirilir) Bu süreçteki serbest enerjideki değişimin işareti ve büyüklüğü biliniyorsa mümkündür Gibbs:

G = G con. -G başlangıç . , (5.9)

Nerede G başlangıç Ve G con. – prosesin reaktanlarının ve ürünlerinin Gibbs serbest enerjisinin değerleri.

Bu farkın negatif değeri, reaksiyonun prensipte ileri yönde ilerleyebileceği anlamına gelir. Bu farkın mutlak değeri ne kadar büyük olursa, sürecin itici gücü de o kadar büyük olur.

Bilindiği gibi:

G = H - T S, (5.10)

Nerede H = H kon. - H başlangıç. – entalpi değişimi;

S = S con. – Yalvarırım.– entropi değişimi;

N başlangıç , N con. , S başlangıç, S bitiş. – sırasıyla entalpi ve entropinin başlangıç ​​ve son değerlerine karşılık gelen sistemin durumları.

Bu denkleme göre G'nin değeri ve işareti aşağıdaki değerlerle belirlenir: , S, Ve T.

Termodinamiğin 1. kanununa göre:

N = sen-P V, (5.11)

Nerede sen- iç enerjideki değişim;

V– P'deki hacim değişikliği = sabit.

Göz önünde bulundurulan koşullar altında N Mutlak değere eşit, ancak reaksiyonun termal etkisinin işareti ters Q (Q = - H).

Entropideki değişim, sistemin düzensizliğinin bir ölçüsü olarak görülebileceği dikkate alınarak ilk yaklaşımla tahmin edilebilir. Hacmin artmasıyla ortaya çıkan, artmasıyla (gaz genleşmesi, çözünmesi, buharlaşması, erimesi, ayrışma reaksiyonları) meydana gelen süreçler, entropinin artmasıyla karakterize edilir. Düzensizliğin azalmasıyla ortaya çıkan süreçler (yoğunlaşma, kristalleşme, katılma reaksiyonları, kompleks oluşumu) entropinin azalmasına karşılık gelir.

Tersine çevrilebilir reaksiyonlar durumunda teknolojik bir süreci yürütmek için en uygun parametreleri seçerken, termodinamik yasalara ek olarak, süreçlerin kinetikleriyle ilişkili özellikleri de dikkate alınmalıdır. Tersinir ekso ve endotermik reaksiyonlar için sıcaklığın denge hızı ve konumu üzerindeki etkisinin doğası farklıdır.

Düşük dönüşüm derecelerinde tersinir bir ekzotermik reaksiyon için, reaksiyon kütlesindeki başlangıç ​​ürünlerinin konsantrasyonu yeterince yüksek olduğunda ve reaksiyon ürünlerinin konsantrasyonu düşük olduğunda, tersinir reaksiyon, geri dönüşü olmayan bir reaksiyon olarak ilerler. Bu nedenle sıcaklık arttıkça hızı da artar. Nihai ürünlerin konsantrasyonu arttıkça ve başlangıç ​​ürünlerinin konsantrasyonu azaldıkça ileri ve geri reaksiyonlar arasındaki hız farkı azalır ve bir an gelir ki bunlar karşılaştırılıp denge oluşur ve teknolojik süreç durur. Bunun olmasını önlemek için, sabit modda sürekli kimyasal teknolojik süreçlerde sürekli taze hammadde tedariği ve sürekli proses ürünleri çıkışı vardır.

Tersinir bir endotermik reaksiyonda sıcaklık arttıkça ileri reaksiyonun hızı, ters reaksiyona göre daha hızlı artar. Bunun sonucunda ileri ve geri reaksiyonlar arasındaki hız farkı da artar.

Yukarıdakilere dayanarak, tersinir reaksiyonlar için kimyasal teknolojik sürecin sıcaklık rejiminin seçimini aşağıdaki şekilde haklı çıkarmak mümkündür:

1) Tersinir bir endotermik reaksiyon durumunda, sıcaklıktaki bir artışın her iki optimizasyon kriteri (hız ve denge değişimi) üzerinde olumlu bir etkisi olduğundan, böyle bir reaksiyonun sabit bir yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilmesi daha iyidir.

2) Tersine çevrilebilir bir ekzotermik reaksiyonun optimizasyon kriterleri üzerindeki sıcaklığın belirsiz etkisi, azalan bir sıcaklık modunun kullanılmasını gerektirir: işlem daha yüksek bir sıcaklıkta başlar ve daha sonra optimum sıcaklık çizgisi boyunca azaltılır. Bu teknik periyodik işlemler için geçerlidir. Sürekli işlemlerde, nihai ürünlerin birikmesi ve yenilenemeyen hammadde tüketimi olgusu olmadığından sabit bir sıcaklık korunur.

Kontrol soruları

1. “Kimyasal teknolojik süreç” kavramını açıklayabilecektir.

2. “Teknolojik mod” kavramını tanımlayın. Hangi parametreler bunu belirliyor?

3. CTP'nin temelini belirleyen reaksiyonların sınıflandırılmasını sunabilecektir.

4. Kütle eylemi yasasının denklemini yazın. Bu yasanın perspektifinden, yoğunlaşmanın homojen süreçleri yoğunlaştırma yöntemleri üzerindeki etkisini açıklayın.

5. Arrhenius denklemini yazın. Bu denkleme dayanarak sıcaklığın ve aktivasyon enerjisinin kimyasal süreçlerin hızına etkisini açıklayınız.

6.Basıncın homojen süreçlerin hızına etkisini açıklayınız. Kimyasal teknolojide hangi mutlak basınçlar kullanılıyor? Örnekler ver.

7. Heterojen sistemlerin bir sınıflandırmasını verin. Örnekler ver.

8. Heterojen süreçlerin temel aşamalarını adlandırın.

9. Sürecin sınırlayıcı aşamasını tanımlayın. Hangi alanlarda heterojen bir reaksiyon meydana gelebilir?

10. Difüzyon bölgesinde meydana gelen heterojen reaksiyonun hızı hangi faktörlere bağlıdır? Bu ilişkiye karşılık gelen denklemi verin.

11. Kütle transfer sürecinin itici gücü nedir? Heterojen süreçlerin hızını nasıl etkiler? Konsantrasyon gradyanı nasıl arttırılabilir?

12. “Kimyasal denge” kavramını tanımlayın. Nasıl kırılabilir? Le Chatelier ilkesi.

13. Gibbs denklemini yazın. Buna dayanarak, bir kimyasal reaksiyonun meydana gelme olasılığını ve prosesin itici gücünün büyüklüğünü açıklayın.

KONU 6

ENDÜSTRİYEL KATALİZ

Günümüzde modern petrol rafinerisini ve petrokimyayı katalizör kullanılmadan hayal etmek imkansızdır. Endüstriyel kimyasal teknolojik süreçlerin yaklaşık %90'ı aktivatör olarak katalizörler kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Örnekler arasında, petrol rafinasyonunda amonyak, nitrik ve sülfürik asitler, metanol, stiren, bütadien üretimine yönelik teknolojiler yer alır - katalitik parçalama ve yeniden biçimlendirme, hidro-işleme ve hidro parçalama, parafin hidrokarbonların izobütan alkilasyonu ve izomerizasyonu, oksijenatların üretimi vb.

Katalitik proseslerin, katalitik olmayan proseslere göre bir takım önemli avantajları vardır. Katalizör kullanımının kimyasal reaksiyonların hızını keskin bir şekilde hızlandırmasının yanı sıra, bunları kullanan prosesler sürekli, atıksız ve daha az enerji yoğun olarak organize edilebilir. Yüksek teknik ve ekonomik göstergelerle ayırt edilirler ve daha yüksek hedef ürün verimi sağlarlar.

Katalizörlerin kullanılması, kimyasal teknolojik süreçlerin yoğunlaştırılmasını ve bazı durumlarda pratikte katalizör kullanılmadan gerçekleştirilemeyen süreçlerin gerçekleştirilmesini mümkün kılar. Katalizörlerin kullanımının proses sıcaklığını önemli ölçüde düşürmeyi ve ham maddelerin kabul edilebilir bir dönüşüm derecesine ulaşmayı mümkün kıldığı geri dönüşümlü ekzotermik proseslerde katalizörlerin kullanılması özellikle önemlidir.

Kataliz, kimyasal reaksiyonların hızını ve seçiciliğini arttırmada en etkili yöntemdir. Kataliz kavramı, katalizörsüz bir işleme kıyasla reaksiyon yolundaki enerjik, sterik ve diğer engellerin azaltılmasının bir sonucu olarak karmaşık bir reaksiyon sistemi içerir. Reaktiflerin ve katalizörün faz durumuna bağlı olarak, homojen ve heterojen kataliz. Reaktifler ve katalizör aynı sıvı veya gaz fazındaysa bu homojen katalizdir, farklı fazlardaysa (gaz - katı veya sıvı - katı), o zaman bu heterojen katalizdir. Heterojen bir katalizörde başlayan bir reaksiyonun daha sonra başka bir fazın hacminde devam etmesi durumunda homojen-heterojen kataliz de vardır.

Heterojen kataliz

Bu tür kataliz, kimyasal teknolojide en yaygın olanıdır. Proses ürünlerinden ayrılma kolaylığı, yüksek ısı direnci ve karşılaştırmalı rejenerasyon kolaylığı gibi birçok avantajı vardır.

Katalitik heterojen reaksiyonlara, kimyasal ve faz bileşimi bakımından heterojen olan katıların özellikleriyle ilişkili bir dizi olay eşlik eder. En önemli rol, katalizörlerin kristal kafesinin yapısındaki (kusurlar) bozukluklar tarafından oynanır. Bu ihlaller, yüzey atomlarının enerji heterojenliğini belirler ve katalizör yüzeyinin belirli bir emme kapasitesi sağlar. Genel olarak katalizör kullanmanın etkinliği, kimyasal ve fiziksel özelliklerinin kompleksi tarafından belirlenir.

Katalizörlerin kimyasal özellikleri. Katalizörlerin temel özellikleri şunlardır: aktivite (A), seçicilik (S) ve üretkenlik (P).

Aktivite ( kg/m 2 saat) katalizör üzerindeki genel reaksiyon hızıdır ve aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:

bir = G p / F, (6.1)

Nerede G p- zaman başına birim yüzey alanı başına dönüştürülen reaktif miktarı F.

Katalizörün çalışma döngüsünün tamamı üç döneme ayrılabilir:

1) bir katalizörün geliştirilmesi;

2) sürekli aktivite süresi - katalizörün ömrü;

3) katalizörün devre dışı bırakılması.

"Gelişme" terimi, reaksiyon ortamının etkisi altında katalizör aktivitesindeki kendiliğinden artışı ifade eder. Farklı katalizörler için sürekli aktivite süresi büyük ölçüde değişebilir: birkaç dakikadan birkaç yıla kadar; katalizörün ömrüne ilişkin gereksinimler, devre dışı bırakılmış bir katalizörün yenisiyle değiştirilmesinin maliyeti ve yenilenme olasılığı ile belirlenir. Değiştirme maliyetinin yüksek olduğu göz önüne alındığında, bu operasyonların sayısının azaltılması çok belirgin bir ekonomik etki sağlar. Katalizör aktivitesinde azalma olgusuna yaşlanma, yorgunluk veya zehirlenme denir.

Yaşlanma aktivitenin katalizör tabakası boyunca azaldığı doğal bir süreçtir. Tükenmişlik - Katalizör katmanındaki bu eşit olmayan aktivite düşüşü tehlikeli bir süreçtir çünkü uygunsuz çalışması sonucunda katalizörün ömrünün dolmasından çok önce kendini gösterir.

Katalizörün devre dışı bırakılmasının ana nedenleri arasında şunlar yer alır: karbonizasyon, sinterleme, temas zehirleriyle zehirlenme ve mineralizasyon.

Kömürleşme Hidrokarbon hammaddelerinin işlenmesi sırasında meydana gelir. Katalizör, derin kimyasal dönüşümler sonucu oluşan, yüksek oranda yoğunlaşmış aromatik yapılar formundaki karbon birikintileri (kok) ile kaplanmıştır. Bu tür işlemler arasında katalitik kırma ve yeniden biçimlendirme, hidrokraking, dehidrojenasyon ve izomerizasyon yer alır. Kok birikintileri katalizörün yüzeyini bloke eder, bunun sonucunda aktivitesi kısa sürede keskin bir şekilde azalır, bu bazen 10-30'a kadar çıkar. dk..

Sinterleme (sinterleme) genellikle katalizör sıcaklığının 600 o C'ye ulaştığı oksidatif rejenerasyonun sonucudur. İLE ve daha yüksek veya kötü organize edilmiş ısı giderme ile yüksek sıcaklık işleminin bir sonucu. Sinterleme, metal veya oksit katalizörün kristalitlerinin genişlemesi sonucu aktif yüzeyin boyutunu azaltır ve aparatın hidrolik direncini arttırır. Bu nedenle bu sorunun çözümündeki görevlerden biri katalizör bileşenlerinin yapısını stabilize etmektir. İstikrar yapısal terfi yoluyla gerçekleştirilir. Örneğin amonyak sentezinde böyle bir destekleyici alüminyum oksittir Al2O3 demir kristalleri arasına sokularak bunların topaklanmasını önler. Krom oksit, hidrokarbonların hidrojenasyonu sırasında nikel katalizörü üzerinde benzer bir etkiye sahiptir. Cr2O3. Desteğin stabilizasyonu da daha az önemli değildir, çünkü metal katalizöre oldukça gelişmiş bir yüzey sağlar.

Zehirlenme– bu, temas zehirleri adı verilen maddelerin etkisi altında katalizör aktivitesinin kısmen veya tamamen kaybıdır. Zehirlenme durumunda hem katalizöre hem de reaksiyonun kendisine bağlı olarak zehirin spesifik bir etkisi gözlenir.

Zehirlenmenin mekanizması farklılık göstermektedir. Metal katalizörler üzerindeki etkilerine göre temas zehirleri üç türe ayrılabilir:

1) metal olmayan moleküller içeren moleküller N, P, As, O, S, Se, dahil. ve yalnız elektron çiftleri (hidrojen sülfit, tiyofen, arsin, fosfin, vb.) nedeniyle katalizör metalini bağlayan nitrojen hariç bu gruptan serbest elementler;

2) metaller arası bileşiklerin oluşumu ile metallerin (cıva, kurşun, bizmut, kalay, kadmiyum, demir vb. iyonları) ayrılması D–elektronlar;

3) çoklu bağ içeren moleküller ( CO, HCN vb.), reaksiyon kütlesindeki diğer maddelere göre daha yüksek adsorpsiyon özelliklerine sahiptir.

Katalizörler temas zehirlerinden çeşitli yollarla korunur:

1) zehrin aktif olmayan bir duruma aktarılması;

2) hammaddelerin hazırlanma aşamasında temas zehirlerinden arındırılması;

3) Temas zehirlerine dayanıklı katalizörlerin kullanılması.

İlk koruma yönteminin kullanımına bir örnek, silme yöntemidir. CO Hidrojenin kendisinin yardımıyla amonyak sentezine sağlanan hidrojende bulunur ( CO– demir katalizörü için temas zehiri):

CO + 3H2CH4 + H20.

Ortaya çıkan metan, hidrojene karşı inert bir yabancı maddedir ve bu nedenle katalizöre herhangi bir zarar vermez.

Katalizörü korumanın ikinci yöntemine bir örnek, benzin fraksiyonlarının kükürt, nitrojen ve oksijen içeren bileşiklerden bir platin katalizör üzerinde yeniden biçimlendirilmek üzere gönderilmeden önce ön hidro-işleminden geçirilmesidir:

RSH + H2 = RH + H2S;

RNH2 + H2 = RH + NH3;

ROH + H2 = RH + H20.

Yukarıdaki reaksiyonlar bir alüminyum-kobalt-molibden katalizörü üzerinde gerçekleşir ( AKM).

En ilginç ve umut verici yön, zehirlere dayanıklı katalitik bileşimlerin geliştirilmesidir.

Katalizörleri zehirlerden korumaya yönelik yukarıdaki yöntemler birbirinden bağımsız değildir ve bu nedenle aynı anda tek bir işlemde kullanılabilir.

Katalizör aktivitesindeki azalmanın bir diğer nedeni, ham maddede bulunan mineral yabancı maddelerin yüzeyinde birikmesidir. Bu safsızlıklar kimyasal olarak emilerek katalizör yüzeyinin kimyasal bileşimini değiştirir.

Seçicilik (seçicilik)– Katalizörün kalitesinin en önemli göstergesi olup, yan reaksiyonlarla karşılaştırıldığında hedef reaksiyonun tercihli hızlanmasından oluşur. Hedef ürünün göreceli oluşum hızıyla ölçülür:

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

Nerede VA– reaktiften hesaplanan hedef ürünün oluşum hızı A;

A=R– genel reaksiyon hızı (aktivite).

Yapısal kimyanın ortaya çıkışı, daha önce bilinmeyenler de dahil olmak üzere herhangi bir kimyasal bileşiğin sentezi için bir şema oluşturarak, maddelerin hedeflenen niteliksel dönüşümü için bir fırsat olduğu anlamına geliyordu.

Herhangi bir kimyasal bileşiğin doğası yalnızca niteliksel ve niceliksel bileşime değil aynı zamanda atomların karşılıklı etkisine ve molekülün yapısına da bağlıdır.

Maddenin yapısı ve özellikleri

Bileşimi aynı fakat yapıları farklı olan maddelere denir izomerler, ve olayın kendisi - izomerizm. Örneğin, f C 4 H 8 O formülünde 21 madde vardır.

Maddelerin özelliklerini tanımlamak için yalnızca bileşimini değil aynı zamanda bağlantı yapısı. Bu organik kimya için özellikle önemlidir. Bir kimyasal elementin elektronları, başka bir kimyasal elementin çekirdeği ve elektronları ile etkileşime girerek, uzayda kesinlikle lokalize (yerleşmiş) olarak ortaya çıkar. Elektron belirli bir yayılma alanına sahip bir elektromanyetik dalga olduğundan bu alanın bir yönü vardır. Yani uzayda belirli bir yönde kimyasal bir bağ oluşur ve atomların uzaysal yönelimini belirler.

Molekül yapısı– atom çekirdeği ve elektronlardan oluşan bir sistemin uzaysal ve enerji düzenliliği.

Organik kimyada izomerizm adı verilen önemli bir olgu, bir molekülün uzaysal yapısıyla ilişkilidir.

İzomerler- Aynı bileşime sahip ancak farklı moleküler yapıya sahip maddeler.

Yapısal kimya, maddenin bileşiminin incelenmesiyle ilgili olarak daha yüksek bir seviye haline geldi. Aynı zamanda kimya, ağırlıklı olarak analitik bir bilimden sentetik bir bilime dönüştü. Kimyanın gelişiminde bu aşamanın ana başarısı, moleküllerin yapısı ile maddelerin reaktivitesi arasında bir bağlantı kurulmasıydı.

Maddenin dört ana durumu - plazma, gaz, sıvı ve katı (sıcaklık düştükçe varoluş sırasına göre listelenmiştir) uzun zamandır bilinmektedir, ancak bugün bilim adamları iki durumu daha tanımlamaktadır - düşük sıcaklıktaki yoğunlaşmalar. Yoğuşma, maddenin ultra düşük sıcaklıklardaki yeni bir halidir - 0,00000001 K'den (!!!) az, yani. uzay boşluğunun sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda (uzayda sıcaklık yaklaşık 3 K'dir).

Atomik yapının malzemenin özellikleri üzerindeki etkisini göstermek için belirli bir katı örneği kullanalım. Bunu yapmak için basit bir tek atomlu malzeme olan karbon seçeceğiz.

Katı halde karbon kristal veya amorf olabilir ve her durumunun kendi adı vardır.

1. Kurum - ince öğütülmüş bir toz formundaki amorf karbon (artık kurum, kok, camsı karbon ve benzeri malzemelerdeki yapısında, karbonun değişen derecelerde grafite yaklaştığı tespit edilmiştir. Kurumun özellikleri hakkında konuşursak, kurumun elektriksel iletkenliğinin sıfır olduğu, yani kurumun bir elektrik yalıtkanı olduğu belirtilebilir.

2. 60'lı yılların başına kadar, doğada saf karbonun yalnızca iki kristalli formunun, yani üç ve iki boyutlu polimerlerin var olduğuna inanılıyordu; elmas ve grafit. Grafitin yapısı katmanlarla karakterize edilir; Katmanlardaki atomlar birbirine güçlü bir şekilde bağlanırken, katmanlar arası etkileşimler ihmal edilebilir düzeydedir. Bu nedenle grafit kolayca katmanlara ayrılır; yumuşak kristalli bir malzemedir. Kurumun aksine grafit çok iyi bir elektrik iletkenidir.

3. Elmas, aynı karbon atomlarından oluşan kübik bir kristal yapıya sahiptir. Grafitin aksine elmas sert kristalli bir malzemedir (belki de en sertidir). Bu tür özellikler yapısıyla ilişkilidir, çünkü tüm atomlar birbirinden eşit uzaklıkta ve birbirine sıkı bir şekilde "bağlıdır".

4. 1985 yılında geniş bir küresel karbon molekülü ailesi (fullerenler) keşfedildi. Fullerenler yeni bir karbon türüdür. Bunlar, tüm karbon atomlarının “küresel” bir yüzeye yerleştirildiği C 60, C 70, C 74 ... tipi kapalı moleküllerdir. Fulleren C 60'ın yapısında (molekülün çapı yaklaşık 1 nm'dir), karbon atomları düzenli altıgenlerin veya beşgenlerin köşelerinde bulunur (yoğunlaştırılmış (kristalin) durumda, fullerenler fulleritler olarak adlandırılır). Fullerenler bazı doğal minerallerde, örneğin Karelya şungitinde bulunmuştur. Fullerene dayalı yeni madde sınıfları sentezlendi: örneğin, metallerle etkileşime girerek fulleritler elde edildi.

Bu malzemelerin ilginç özellikleri, çeşitli atomlardan (Na, K) oluşan topun "içeride yakalanması" ile ilişkilidir. Ortaya çıkan fulleritler süperiletkenliğe sahiptir (19-55 K sıcaklıklarda) ve platin grubu metaller kullanıldığında ferromanyetik özellikler ayrıca tezahür etti. Fullerenlerin düşük sıcaklıklarda ve basınçta ilginç bir özelliği, hidrojeni absorbe edebilmeleridir. Bu bakımdan fullerenlerin şarj edilebilir pil üretiminde temel olarak kullanılması mümkündür. Fulleren kapsül, hasarlı organ veya dokuya seçici olarak iletilecek ilaçları içerebilir.

5. Grafit nanotüpler, 1991'de elde edilen yeni bir karbon türüdür. Bir karbon nanotüp, bir silindire sarılmış bir grafit düzlemi olarak temsil edilebilir. Tüpler, birkaç grafit katmanından yapılmışsa, tek duvarlı veya çok duvarlı olabilir. Tüpün çapı bir ila birkaç on nanometre arasında değişir ve uzunluk birkaç santimetreye ulaşabilir; genellikle tüpler yarım küre şeklinde bir kafayla biter. Karbon nanotüpler benzersiz mekanik (çok güçlü), elektriksel ve termal özelliklere sahiptir (elektriksel ve termal iletkenlik metallerinkine yaklaşır veya onu aşar).

6. 2010 Nobel Fizik Ödülü, Birleşik Krallık'ta çalışan Rus Andre Geim ve Konstantin Novoselov'a, "iki boyutlu malzeme grafeninin incelenmesindeki öncü deneylerinden dolayı" verildi. 2004 yılında, düzenli altıgenlerden oluşan iki boyutlu bir kristal kafese bağlanan, bir atom kalınlığında bir tabaka olan özel bir karbon formu elde etme olasılığını deneysel olarak kanıtladılar. Başka bir deyişle grafen, iyi bilinen grafitin ayrı bir katmanıdır. Grafen bilinen en ince ve en güçlü malzemedir; öte yandan çok esnektir, hem iletken (grafiti hatırlayın) hem de yarı iletken özelliklerini sergileyebilir.

Modern yapısal kimya harika sonuçlar elde etti. Yeni organik maddelerin sentezi, doğada bulunmayan faydalı ve değerli maddelerin elde edilmesini mümkün kılmaktadır. Böylece, her yıl binlerce kilogram askorbik asit (C vitamini) ve zararsız antibiyotikler, hipertansiyona karşı ilaçlar, peptik ülserler vb. dahil olmak üzere dünya çapında birçok yeni ilaç sentezlenmektedir.

Yapısal kimyadaki en son başarı, iki katmanlı yapıları nedeniyle "sandviç" bileşikler olarak adlandırılan tamamen yeni bir organometalik bileşik sınıfının keşfidir. Bu maddenin molekülü, aralarında bir metal atomunun bulunduğu iki plaka hidrojen ve karbon bileşiğinden oluşur.

Modern yapısal kimya alanındaki araştırmalar umut verici iki yönde ilerlemektedir:

1) yüksek teknik göstergelere sahip malzemeler elde etmek için ideal kafese maksimum yaklaşımla kristallerin sentezi: maksimum güç, termal direnç, dayanıklılık vb.;

2) belirli elektriksel, manyetik ve diğer özelliklere sahip malzemelerin üretimi için önceden programlanmış kristal kafes kusurlarına sahip kristallerin oluşturulması.

3. Çözümlerin genel özellikleri

Suyun fiziksel özellikleri tamamen anormaldir. Bunlardan en şaşırtıcı olanı normal koşullar altında sıvı olma yeteneği. Benzer kimyasal bileşiklerin (H2S veya H2Se) molekülleri sudan çok daha ağırdır ancak bu koşullar altında gaz halindedirler.

Suyun üçlü noktası, yani. su, buz ve buhar dengesi, 0,01 °C sıcaklıkta ve 611 Pa basınçta gözlemlendi (Şekil 8.1). Aşırı soğutulmuş su, yani 0°C'nin altında sıvı halde kalması garip davranır: bir yandan sıcaklığın azalmasıyla yoğunluğu azalır, diğer yandan buzun yoğunluğuna yaklaşır.

Olağanüstü izin verilen aşırı soğutma ve aşırı ısınma değerlerinin sınırları büyüktür su: -40 ila +200 °C arasındaki sıcaklıklarda sıvı halde tutabilirsiniz.

Diğer sıvıların çoğundan farklı olarak sıcaklık arttıkça özgül hacmi azalır ve yoğunluğu artar, 4 °C'de minimuma (sırasıyla maksimuma) ulaşır. Sıradan sıvılarda sıcaklık azaldıkça yoğunluk her zaman azalır.

Dondurulduğunda suyun hacmi% 10'a kadar artar. Suyun yoğunluğu buzun yoğunluğundan daha fazladır. Kristaller eridiğinde, iyon paketlenmesinin düzeni bozulduğunda yoğunluk %2-4 oranında azalır. Suyun bu özelliği rezervuarları tamamen donmaya karşı koruyarak hayat kurtarır. Buz zayıf bir ısı iletkenidir.

Çok yüksek ısı kapasitesi su- buz eridiğinde iki katından fazla artar. Bu nedenle denizler ve okyanuslar, hava sıcaklığındaki tüm dalgalanmaları yumuşatan dev termostatlardır. Bu arada atmosferdeki su buharı da aynı işlevleri yerine getirebilir. Çöllerde su buharının bulunmaması gece ve gündüz sıcaklıklarında keskin dalgalanmalara neden olur.

Su evrensel bir çözücüdür. Çözünmenin kuralı benzerin benzere dönüşmesidir.

Su arasındaki temel fark hidrojen bağlarıdır(Şekil 8.2),

Su molekülü küçük bir dipol, Kutuplarda pozitif ve negatif yükler bulunur. Pozitif ve negatif yüklerin merkez üslerini düz çizgilerle bağlarsanız, üç boyutlu bir geometrik şekil elde edersiniz - normal bir tetrahedron

Su moleküllerinin kompleksi gaz halinde, sıvı suda ve buzda bulunur. Ancak L. Pauling'in belirttiği gibi buz, O K'de bile tam bir düzene sahip bir kristal değildir. Buzun yapısı oldukça gevşektir: her boşluk altı H 2 0 molekülüyle çevrilidir ve her molekül altı boşlukla çevrilidir. . Bu boşlukların boyutu, hidrojen bağı çerçevesini bozmadan bir molekülü barındırabilecek şekildedir.

Bir madde suda hidrojen iyonları oluşturacak şekilde ayrışıyorsa asit, çözeltiye hidrojen iyonları ekleyebiliyorsa veya hidroksit iyonları (OH) oluşturabiliyorsa bazdır. Bir çözeltinin asitliği veya alkaliliği, ölçeği 0'dan 14'e kadar olan değerleri kapsayan pH ile karakterize edilir. Bu ölçek logaritmiktir, yani. Hidrojen iyonlarının konsantrasyonunun logaritmaları üzerine çizilmiştir. pH 5'e sahip bir çözeltinin asitliği, pH 6'ya göre 10 kat ve pH 7'ye göre 100 kat daha fazladır. pH'ı 6 olan bir çözelti, 1 litre başına milyonda bir mol hidrojen iyonu içerir, pH 7, nötre karşılık gelir ortam ve daha asidik olanlar aşağıya ve yukarıya - alkalin gelir.

Kimyasal bir süreç (Latince prosesus - ilerlemeden gelir), sürekli, birleşik bir hareketi temsil eden, maddenin durumlarının sıralı bir değişimidir. Bir maddenin başka bir maddeye dönüşmesine ne denir Kimyasal reaksiyon. Van't Hoff, termodinamik bir yaklaşım kullanarak kimyasal reaksiyonları sınıflandırdı ve aynı zamanda kimyasal kinetiğin temel prensiplerini formüle etti.

Her hücrede yaklaşık 10.000 kimyasal reaksiyon meydana gelir.

Kimyasal işlemler ikiye ayrılır:

homo- Ve heterojen(reaksiyona giren sistemlerin toplanma durumuna bağlı olarak),

ekzo Ve endotermik(salınan ve emilen ısı miktarına bağlı olarak),

redoks(elektronların bazı atomlardan (indirgeyici madde) diğer atomlara (oksitleyici madde) aktarılmasıyla ilişkili bir maddenin oksidasyon durumundaki değişikliğe bağlı olarak.

Kimyasal reaksiyonların hızını ve özelliklerini inceliyor. kimyasal kinetik.

Kimyasal reaksiyonun hızı ayrıca aşağıdaki koşullar ve parametrelerden de etkilenir:

1) doğa reaksiyona giren maddeler (örneğin, alkali metaller suda alkali oluşumu ve hidrojen salınımı ile çözünür ve reaksiyon normal koşullar altında anında ilerler, çinko, demir ve diğerleri yavaş reaksiyona girer ve oksitler oluşturur ve soy metaller reaksiyona girmez) Tümü);

2) sıcaklık. Sıcaklıktaki her 10 °C'lik artış için reaksiyon hızı 2-4 kat artar (van't Hoff kuralı). Oksijen, zaten normal sıcaklıklarda (yavaş oksidasyon) birçok maddeyle gözle görülür bir hızda reaksiyona girmeye başlar. Sıcaklık arttıkça şiddetli bir reaksiyon (yanma) başlar;

3) konsantrasyon.Çözünmüş maddeler ve gazlar için kimyasal reaksiyonların hızı, reaksiyona giren maddelerin konsantrasyonuna bağlıdır. Maddelerin saf oksijende yanması, oksijen konsantrasyonunun neredeyse 5 kat daha az olduğu havaya göre daha yoğun gerçekleşir. Kütle etkisi yasası burada geçerlidir: sabit bir sıcaklıkta, kimyasal reaksiyonun hızı, reaksiyona giren maddelerin konsantrasyonunun çarpımı ile doğru orantılıdır;

4)reaksiyon yüzey alanı. Katı haldeki maddeler için hız, reaksiyona giren maddelerin yüzey alanıyla doğru orantılıdır. Katı haldeki demir ve kükürt, yalnızca ön öğütme ve karıştırma ile yeterince hızlı reaksiyona girer: çalı çırpı ve kütüklerin yakılması;

5)katalizör. Bir reaksiyonun hızı, kimyasal reaksiyonları tüketilmeden hızlandıran maddeler olan katalizörlere bağlıdır. İÇİNDE. Kimyasal denge koşullarını inceleyen Ostwald, kataliz olgusunu keşfetti. Bertolet tuzunun ve hidrojen peroksitin ayrışması, manganez (IV) oksit vb. varlığında hızlandırılır.

Katalizörler reaksiyonu hızlandıran pozitif, yavaşlatan negatif (inhibitör) maddelerdir. Bir kimyasal reaksiyonun katalitik seçici hızlandırılması, kataliz olarak adlandırılır ve modern kimyasal teknolojinin bir tekniğidir (polimer malzemelerin, sentetik yakıtların üretimi vb.). Kimya endüstrisinde katalitik proseslerin payının %80'e ulaştığı düşünülmektedir.

Reaktiflerin kendiliğinden karıştırılması veya fiziksel teması, ısıtma, katalizörlerin katılımı (kataliz), ışığın etkisi (fotokimyasal reaksiyonlar), elektrik akımı (elektrot işlemleri), iyonlaştırıcı radyasyon (radyasyon-kimyasal reaksiyonlar), mekanik etki ile kimyasal reaksiyonlar meydana gelir. (mekanokimyasal reaksiyonlar), düşük sıcaklıktaki plazmada (plazma-kimyasal reaksiyonlar), vb. Sistemin başlangıç ​​ve son durumlarını ayıran potansiyel bariyeri (Aktivasyon enerjisi) aşmak için yeterli enerjiye sahip olmaları koşuluyla, maddelerin kendiliğinden dönüşümü meydana gelir.

sınıflandırma

Kimyasal reaksiyonların sınıflandırılabileceği çok sayıda özellik vardır.

Reaksiyona giren sistemin faz bileşimine göre

• Homojen homofazik reaksiyonlar.

Bu tip reaksiyonda reaksiyon karışımı homojen olup reaktanlar ve ürünler aynı faza aittir. Bu tür reaksiyonların bir örneği iyon değişim reaksiyonlarıdır, örneğin bir çözeltideki bir asit ve alkalinin nötrleştirilmesi:

NaOH (r.) + HCl (r.) → NaCl (r.) + H20

• Heterojen heterofazik reaksiyonlar

Bu durumda reaktanlar farklı faz durumlarındadır ve reaksiyon ürünleri de herhangi bir faz durumunda olabilir. Reaksiyon süreci faz sınırında meydana gelir. Bir örnek, karbonik asit tuzlarının (karbonatlar) Bronsted asitleriyle reaksiyonudur:

CaCO3 (t.) + 2HCl (r.) → CaCl2 (r.) + C02 (g.) + H20 (l.)

• Heterojen homofazik reaksiyonlar

Bu tür reaksiyonlar bir fazda meydana gelir, ancak reaksiyon karışımı heterojendir. Örneğin, gaz halindeki hidrojen klorür ve amonyaktan amonyum klorür oluşumunun reaksiyonu:

NH3 (g) + HCl (g) → NH4Cl (t)

• Homojen heterofazik reaksiyonlar

Böyle bir reaksiyonda reaktanlar ve ürünler bir fazda bulunur, ancak reaksiyon arayüzeyde meydana gelir. Bu tür reaksiyonların bir örneği, bazı heterojen katalitik reaksiyonlardır, örneğin, amonyak sentezinin hidrojen ve nitrojenden reaksiyonu:

Reaktanların oksidasyon durumlarını değiştirerek

Bu durumda bir ayrım söz konusudur

• Redoks reaksiyonları

burada bir elementin atomları (oksitleyici madde) restore ediliyor, yani Oksidasyon durumlarını düşürün ve başka bir elementin atomları (indirgeyici ajan) oksitlemek, yani oksidasyon durumlarını arttırın. Redoks reaksiyonlarının özel bir durumu, oksitleyici ve indirgeyici maddelerin, aynı elementin farklı oksidasyon durumlarındaki atomları olduğu orantısızlık reaksiyonlarıdır. Oksidasyon-indirgeme reaksiyonunun bir örneği, hidrojenin (indirgeyici ajan) oksijen (oksitleyici ajan) içinde su oluşturmak üzere yanmasıdır:

2H2 + Ö2 = 2H2Ö

Orantısızlık reaksiyonunun bir örneği, amonyum nitratın ısıtıldığında ayrışma reaksiyonudur. Bu durumda, oksitleyici ajan, nitro grubunun nitrojenidir (+5) ve indirgeyici ajan, amonyum katyonunun nitrojenidir (-3):

NH4NO3 = N2O + 2H2O (250 °C'ye kadar)

• Redoks olmayan reaksiyonlar - sırasıyla atomların oksidasyon durumlarında herhangi bir değişiklik olmayan reaksiyonlar, örneğin yukarıdaki nötrleştirme reaksiyonu.

Reaksiyonun termal etkisine göre

Tüm reaksiyonlara termal etkiler eşlik eder. Reaktiflerdeki kimyasal bağlar kırıldığında enerji açığa çıkar ve bu enerji esas olarak yeni kimyasal bağlar oluşturmak için kullanılır. Bazı reaksiyonlarda bu süreçlerin enerjileri birbirine yakındır ve bu durumda reaksiyonun genel termal etkisi sıfıra yaklaşır. Diğer durumlarda, ayırt edilebilir

• ekzotermik reaksiyonlar,

birlikte gelen ısı salınımı,(pozitif termal etki) örneğin hidrojenin yukarıdaki yanması

• endotermik reaksiyonlar,

bu sırada ısı emilir(negatif termal etki) ortamdan.

Bir reaksiyonun termal etkisi (reaksiyon entalpisi, ΔrH), genellikle büyük öneme sahiptir, eğer reaktanların ve ürünlerin oluşum entalpileri biliniyorsa, Hess yasası kullanılarak hesaplanabilir. Ürünlerin entalpilerinin toplamı, reaktanların entalpilerinin toplamından küçük olduğunda (Δ r H< 0) наблюдается ısı salınımı, aksi takdirde (Δ r H > 0) - emilim.

Reaksiyona giren parçacıkların dönüşüm türüne göre

• bağlantılar: 2Cu + O 2 = 2CuO,
• ayrışma: 2HgO = 2Hg + O2,
• ikame: Fe + CuS04 = FeS04 + Cu,
• değişimi: NaCl + H2S04 = HCl + NaHSO 4.

Kimyasal reaksiyonlara her zaman fiziksel etkiler eşlik eder: örneğin ısı transferi biçiminde enerjinin emilmesi ve salınması, reaktiflerin toplanma durumunda bir değişiklik, reaksiyon karışımının renginde bir değişiklik vb. Kimyasal reaksiyonların ilerleyişi sıklıkla bu fiziksel etkilerle değerlendirilir.

Maddede meydana gelen kimyasal süreçler hem fiziksel süreçlerden hem de nükleer dönüşümlerden farklıdır. Fiziksel süreçlerde, ilgili maddeler özelliklerini değişmeden korurlar ancak dış biçimlerini veya toplanma durumlarını değiştirebilirler.

Kimyasal işlemlerde (kimyasal reaksiyonlar), reaktiflerden farklı özelliklere sahip yeni maddeler elde edilir, ancak hiçbir zaman yeni elementlerin atomları oluşmaz. Reaksiyona katılan elementlerin atomlarında mutlaka elektron kabuğunda değişiklikler meydana gelir.

Nükleer reaksiyonlarda, ilgili tüm elementlerin atom çekirdeklerinde değişiklikler meydana gelir ve bu da yeni elementlerin atomlarının oluşmasına yol açar.

Kimyasal reaksiyonlar kullanarak, doğada sınırlı miktarlarda bulunan, örneğin azotlu gübreler veya herhangi bir nedenden dolayı hiç bulunmayan, örneğin sülfonamidler ve diğer sentetik ilaçlar, polietilen ve diğer plastikler gibi pratik olarak önemli maddeleri elde etmek mümkündür. . Kimya, insan yaşamı için gerekli olan, doğada bilinmeyen yeni maddelerin sentezlenmesini mümkün kılar. Aynı zamanda, çevre ve devam eden doğal süreçler üzerindeki beceriksiz veya sorumsuz kimyasal etki, yerleşik doğal kimyasal döngülerin bozulmasına yol açabilir, bu da çevre sorununu (çevre kirliliği) acil hale getirir ve doğal kaynakların rasyonel kullanımı ve korunması görevini karmaşık hale getirir. Dünyadaki doğal yaşam alanlarının.

Edebiyat

• Kimya: Referans. ed./ W. Schröter, K.-H. Lautenschläger, H. Bibrak ve diğerleri: Çev. onunla. - M.: Kimya, 1989.