Повідомлення хімічних процесів. Академія цікавих наук

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Під впливом нових вимог виробництва виникло вчення про хімічні процеси, в якому враховується зміна властивостей речовини під впливом температури, тиску, розчинників та інших факторів. Після цього хімія стає наукою вже не тільки і не стільки про речовини як закінчені предмети, а й наукою про процеси та механізми зміни речовини. Завдяки цьому вона забезпечила створення виробництва синтетичних матеріалів, що замінюють дерево та метал у будівельних роботах, харчову сировину у виробництві оліфи, лаків, миючих засобів та мастильних матеріалів. Виробництво штучних волокон, каучуків, етилового спирту та багатьох розчинників почало базуватися на нафтовій сировині, а виробництво азотних добрив - на основі азоту повітря. З'явилася технологія нафтохімічних виробництв із її потоковими системами, що забезпечують безперервні високопродуктивні процеси. хімічна реакція електрон

Так, ще в 1935 р. такі матеріали, як шкіра, хутра, гума, волокна, миючі засоби, оліфа, лаки, оцтова кислота, етиловий спирт, вироблялися повністю з тваринної та рослинної сировини, у тому числі з харчової. На це витрачалися десятки мільйонів тонн зерна, картоплі, жирів, сирої шкіри тощо. Але вже у 1960-ті роки. 100% технічного спирту, 80% миючих засобів, 90% оліфи та лаків, 40% волокон, 70% каучуку та близько 25% шкіряних матеріалів виготовлялися на основі газової та нафтової сировини. Крім цього, хімія дає щорічно сотні тисяч тонн сечовини та нафтового білка як корм худобі та близько 200 млн. т добрив.

Такі вражаючі успіхи були досягнуті на основі вчення про хімічні процеси - галузі науки, в якій здійснено найглибшу інтеграцію фізики, хімії та біології. В основу цього вчення покладено хімічну термодинаміку і кінетику, тому цей розділ науки однаково належить фізиці та хімії. Однією з основоположників цього наукового напрями став російський хімік М.М. Семенов – лауреат Нобелівської премії, засновник хімічної фізики. Він у своїй Нобелівській лекції 1965 р. заявив, що хімічний процес - це основне явище, яке відрізняє хімію від фізики, робить її складнішою наукою. Хімічний процес стає першим щаблем при сходженні від таких щодо простих фізичних об'єктів, як електрон, протон, атом, молекула, до складних, багаторівневих живих систем. Адже будь-яка клітина живого організму, по суті, є своєрідним складним реактором. Тому хімія стає мостом від об'єктів фізики до об'єктів біології.

Вчення про хімічні процеси базується на ідеї, що здатність до взаємодії різних хімічних реагентів визначається, крім усього іншого, та умовами перебігу хімічних реакцій. Ці умови можуть впливати на характер та результати хімічних реакцій.

Переважна більшість хімічних реакцій перебуває у владі стихії. Звісно, ​​є реакції, які вимагають особливих засобів управління чи особливих умов. Такими є всі відомі реакції кислотно-основної взаємодії (нейтралізації). Однак переважна більшість реакцій є важко контрольованими. Є реакції, які просто не вдається здійснити, хоча вони в принципі здійсненні. Існують реакції, які важко зупинити: горіння та вибухи. І, нарешті, зустрічаються реакції, які важко ввести в одне бажане русло, тому що вони спонтанно створюють десятки непередбачених відгалужень з утворенням сотень побічних продуктів. Тому найважливішим завданням для хіміків стає вміння керувати хімічними процесами, домагаючись необхідних результатів.

Методи керування хімічними процесами

У найзагальнішому вигляді методи управління хімічними процесами можна поділити на термодинамічні та кінетичні.

Термодинамічні методи впливають зміщення хімічного рівноваги реакції. Кінетичні методи впливають швидкість протікання хімічної реакції.

Виділення хімічної термодинаміки в самостійний напрямок зазвичай пов'язують із появою 1884 р. книги голландського хіміка Я. Вант-Гоффа «Нариси з хімічної динаміки». У ній обґрунтовано закони, що встановлюють залежність напряму хімічної реакції від зміни температури та теплового ефекту реакції. Енергетика хімічних процесів тісно пов'язана із законами термодинаміки. Хімічні реакції, що протікають із виділенням енергії, називаються екзотермічними реакціями. Вони енергія вивільняється одночасно із зменшенням внутрішньої енергії системи. Існують також ендотермічні реакції, що протікають із поглинанням енергії. У цих реакціях іде підвищення внутрішньої енергії системи з допомогою припливу тепла. Вимірюючи кількість енергії, що виділяється під час реакції (тепловий ефект хімічної реакції), можна судити про зміну внутрішньої енергії системи.

Тоді ж французький хімік А. Ле-Шательє сформулював свій знаменитий принцип рухомої рівноваги, озброївши хіміків методами усунення рівноваги у бік утворення цільових продуктів. Ці методи керування і отримали назву термодинамічних методів.

Кожна хімічна реакція у принципі оборотна, але практично рівновагу зміщується у той чи інший бік. Це як від природи реагентів, і умов перебігу процесу. Існує багато реакцій, рівновага в яких зміщена у бік утворення кінцевих продуктів: до них відносяться реакція нейтралізації, реакції з видаленням готових продуктів у вигляді газів або опадів.

Однак існує чимало хімічних реакцій, рівновагу в яких зміщено вліво, у бік утворення вихідних речовин. Щоб їх здійснити, потрібні спеціальні термодинамічні важелі - збільшення температури і тиску (якщо реакція відбувається в газовій фазі), а також концентрації речовин, що реагують (якщо реакція протікає в рідкій фазі).

Термодинамічні методи переважно впливають напрям хімічних процесів, а чи не з їхньої швидкість.

Управлінням швидкістю хімічних процесів займається хімічна кінетика, в якій вивчається залежність протікання хімічних процесів від різних структурно-кінетичних факторів - будови вихідних реагентів, їх концентрації, наявності в реакторі каталізаторів та інших добавок, способів змішування реагентів, матеріалу та конструкції реактора і т.п. . Завдання дослідження хімічних реакцій є дуже складним. Адже за її вирішенні необхідно з'ясувати механізм взаємодії не просто двох реагентів, а ще й «третіх тіл», яких може бути кілька. У цьому випадку найбільш доцільним є поетапне рішення, при якому спочатку виділяється найбільш сильна дія якого-небудь одного з «третіх тіл», найчастіше каталізатора.

Крім того, слід зрозуміти, що практично всі хімічні реакції являють собою аж ніяк не просту взаємодію вихідних реагентів, а складні ланцюги послідовних стадій, де реагенти взаємодіють не тільки один з одним, а й зі стінками реактора, що можуть каталізувати (прискорювати), так і інгібувати (сповільнювати) процес.

Також на інтенсивність хімічних процесів впливають випадкові домішки. Речовини різного ступеня чистоти проявляють себе в одних випадках як активніші реагенти, а в інших - як інертні. Домішки можуть надавати як каталітичну, так і інгібуючу дію. Тому для управління хімічним процесом в реагуючі речовини вносяться ті чи інші добавки.

Отже, вплив «третіх тіл» перебіг хімічних реакцій то, можливо зведено до каталізу, тобто. позитивному впливу на хімічний процес, або інгібуванню, що стримує процес.

Як зазначалося вище, здатність хімічних елементів до взаємозв'язку визначається як їх молекулярної структурою, а й умовами, у яких відбувається з'єднання. Ці умови впливають на результат хімічних реакцій. Найбільший вплив відчувають при цьому речовини зі змінним складом, у яких зв'язки між окремими компонентами слабші. Саме на реакцію таких речовин сильно впливають різні каталізатори.

Каталіз - прискорення хімічної реакції у присутності особливих речовин - каталізаторів, які взаємодіють із реагентами, але у реакції не витрачаються і входять до складу кінцевих продуктів. Каталіз було відкрито 1812 р. російським хіміком К.С. Кірхгоф. Каталітичні процеси розрізняються за своєю фізичною та хімічною природою на такі типи:

* гетерогенний каталіз - хімічна реакція взаємодії рідких чи газоподібних реагентів йде поверхні твердого каталізатора;

* гомогенний каталіз - хімічна реакція йде або у газовій суміші, або у рідини, де розчинені як каталізатор, так і реагенти;

* електрокаталіз - реакція йде на поверхні електрода в контакті з розчином та під дією електричного струму;

* фотокаталіз - реакція йде на поверхні твердого тіла або в рідкому розчині та стимулюється енергією поглиненого випромінювання.

Найбільшого поширення має гетерогенний каталіз, - з допомогою здійснюється 80% всіх каталітичних реакцій у сучасної хімії.

Застосування каталізаторів послужило основою корінної ломки всієї хімічної промисловості. Завдяки їм стало можливим використовувати як сировину для органічного синтезу парафіни та циклопарафіни, які досі вважалися «хімічними мерцями». Каталіз необхідний під час виробництва маргарину, багатьох харчових продуктів, і навіть засобів захисту рослин. Майже вся промисловість основної хімії (виробництво неорганічних кислот, основ і солей) та «важкого» органічного синтезу, включаючи отримання паливно-мастильних матеріалів, базується на каталізі. Останнім часом тонкий органічний синтез стає дедалі каталітичним. 60-80% всієї хімії засновано на каталітичних процесах. Хіміки небезпідставно кажуть, що некаталітичних процесів взагалі немає, оскільки вони протікають у реакторах, матеріал стінок яких є своєрідним каталізатором.

Довгий час сам каталіз залишався загадкою природи, викликаючи до життя найрізноманітніші теорії, як чисто хімічні, і фізичні. Ці теорії, навіть помилкові, виявлялися корисними хоча б тому, що наштовхували вчених на нові експерименти. Справа в тому, що для більшості промислово важливих хімічних процесів каталізатори підбиралися шляхом незліченних спроб і помилок. Так, наприклад, для реакції синтезу аміаку в 1913-1914 pp. німецькі хіміки випробували як каталізаторів понад 20 тисяч хімічних сполук, дотримуючись періодичної системи елементів та різноманітно поєднуючи їх.

Сьогодні можна зробити деякі висновки щодо сутності каталізу.

1. Реагуючі речовини вступають у контакт з каталізатором, взаємодіють із ним, у результаті відбувається ослаблення хімічних зв'язків. Якщо реакція відбувається за відсутності каталізатора, то активація молекул реагуючих речовин повинна відбуватися за рахунок подачі в реактор енергії ззовні.

2. У загальному випадку будь-яку каталітичну реакцію можна представити через проміжний комплекс, в якому відбувається перерозподіл ослаблених хімічних зв'язків.

3. У переважній більшості випадків як каталізатори виступають сполуки бертолідного типу зі змінним складом, що відрізняються наявністю ослаблених хімічних зв'язків або навіть вільних валентностей, що надає їм високу хімічну активність. Молекули сполук бертолідного типу містять широкий набір енергетично неоднорідних зв'язків чи навіть вільні атоми лежить на поверхні.

4. Наслідками взаємодії реагентів з каталізатором є хід реакції в заданому напрямку та збільшення швидкості реакції, оскільки на поверхні каталізатора збільшується кількість зустрічей молекул, що реагують. Крім того, каталізатор захоплює деяку частину енергії екзотермічної реакції для енергетичного підживлення нових актів реакції та її загального прискорення.

На етапі свого розвитку хімія відкрила безліч ефективних каталізаторів. Серед них – іоннообмінні смоли, металорганічні сполуки, мембранні каталізатори. Каталітичними властивостями володіють багато хімічних елементів періодичної системи, але найважливішу роль грають метали платинової групи та рідкісноземельні метали.

За участю каталізаторів швидкість деяких реакцій зростає у 10 млрд. разів. Є каталізатори, що дозволяють непросто контролювати склад кінцевого продукту, а й сприяють утворенню молекул певної форми, що дуже впливає фізичні властивості продукту (твердість, пластичність).

Напрямок розвитку вчення про хімічні процеси

У сучасних умовах один із найважливіших напрямів розвитку вчення про хімічні процеси - створення методів управління цими процесами, тому хімічна наука займається розробкою таких проблем, як хімія плазми, радіаційна хімія, хімія високих тисків та температур.

Хімія плазми

Хімія плазми вивчає хімічні процеси в плазмі низькотемпературної при температурах від 1000 до 10 000°С. Такі процеси характеризуються збудженим станом частинок, зіткненням молекул із зарядженими частинками та дуже високими швидкостями протікання хімічних реакцій. У плазмохімічних процесах швидкість перерозподілу хімічних зв'язків дуже висока: тривалість елементарних актів хімічних перетворень становить близько 10-13 с при повній відсутності оборотності реакції. Швидкість аналогічних хімічних процесів у звичайних реакторах через оборотність знижується у тисячі разів. Тому плазмохімічні процеси дуже продуктивні. Наприклад, продуктивність метанового плазмохімічного реактора (його розміри: довжина - 65 см, діаметр - 15 см) становить 75 т ацетилену на добу. У цьому реакторі при температурі 3000-3500°З одну десятитисячну частку секунди близько 80% метану перетворюється на ацетилен.

Плазмова хімія останнім часом все більше впроваджується у промислове виробництво. Вже створено технології виробництва сировини для порошкової металургії, розроблено методи синтезу для цілого ряду хімічних сполук. У 1970-ті роки. були створені плазмові сталеплавильні печі, що дозволяють отримувати найякісніші метали. Розроблено методи іонно-плазмової обробки поверхні інструментів, зносостійкість яких збільшується у кілька разів.

Плазмохімія дозволяє синтезувати раніше невідомі матеріали, такі, як металобетон, в якому як сполучний елемент використовуються різні метали. Металобетон утворюється при сплавленні частинок гірської породи та міцному стисканні їх з металом. За своїми якостями він перевершує звичайний бетон у десятки та сотні разів.

Радіаційна хімія

Одним із наймолодших напрямів у дослідженні хімічних процесів є радіаційна хімія, яка зародилася у другій половині XX ст. Предметом її розробок стали перетворення найрізноманітніших речовин під впливом іонізуючих випромінювань. Джерелами іонізуючого випромінювання є рентгенівські установки, прискорювачі заряджених частинок, ядерні реактори, радіоактивні ізотопи. В результаті радіаційно-хімічних реакцій речовини одержують підвищену термостійкість і твердість.

Найбільш важливими процесами радіаційно-хімічної технології є полімеризація, вулканізація, виробництво композиційних матеріалів, у тому числі отримання полімербетонів шляхом просочення звичайного бетону будь-яким полімером з подальшим опроміненням. Такі бетони мають у чотири рази більш високу міцність, мають водонепроникність і високу корозійну стійкість.

Хімія високих тисків та температур

Принципово новою і виключно важливою областю вчення про хімічні процеси є високотемпературний синтез тугоплавких і керамічних матеріалів, що само поширюється. Зазвичай їх виробництво здійснюється методом порошкової металургії, суть якого полягає в пресуванні та стисканні при високій температурі (1200-2000°С) металевих порошків. Саме синтез, що поширюється, відбувається набагато простіше: він заснований на горінні одного металу в іншому або горінні металу в азоті, вуглеці, кремнії і т.п.

Давно відомо, що процес горіння є сполукою кисню з горючою речовиною, тому горіння - це реакція окислення пального речовини. При цьому відбувається переміщення електронів від атомів речовини, що окислюється, до атомів кисню. З цього погляду горіння можливе у кисні, а й у інших окислювачах. На цьому висновку і заснований високотемпературний синтез, що сам поширюється, - тепловий процес горіння в твердих тілах. Він є, наприклад, горіння порошку титану в порошку бору, або порошку цирконію в порошку кремнію. В результаті такого синтезу виходять сотні тугоплавких сполук найвищої якості.

Дуже важливо, що дана технологія не потребує громіздких процесів, відрізняється високою технологічністю та легко піддається автоматизації.

Хімія високих тисків

Ще одна галузь розвитку вчення про хімічні процеси - хімія високих та надвисоких тисків. Хімічні перетворення речовин при тиску вище 100 атм відносяться до хімії високих тисків, а при тиску вище 1000 атм - до хімії надвисоких тисків. Високі тиски у хімії використовуються з початку XX ст. - аміачне виробництво здійснювалося при тиску 300 атм та температурі 600°С. Але останнім часом використовуються установки, в яких досягається тиск 5000 атм, а випробування проводяться при тиску 600 000 атм, що досягається за рахунок ударної хвилі під час вибуху протягом мільйонної частки секунди. При ядерних вибухах виникають ще більші тиски.

При високому тиску зближуються та деформуються електронні оболонки атомів, що призводить до підвищення реакційної здатності речовин. При тиску 102-103 атм зникає відмінність між рідкою і газовою фазами, а при 103-105 атм - між твердою і рідкою фазами. При високому тиску сильно змінюються фізичні та хімічні властивості речовин. Наприклад, при тиску 20 000 атм метал стає еластичним, як каучук. Звичайна вода при високих температурі та тиску стає хімічно активною. З підвищенням тиску багато речовин переходять у металевий стан. Так було в 1973 р. вчені спостерігали металевий водень при тиску 2,8 млн. атм.

Одним із найважливіших досягнень хімії надвисоких тисків став синтез алмазів. Він йде при тиску 50 000 атм та температурі 2000°С. При цьому графіт кристалізується до алмазів. Також алмази можна синтезувати із застосуванням ударних хвиль. Останнім часом щорічно виробляються тонни синтетичних алмазів, які лише трохи відрізняються від природних за своїми властивостями. Виготовлені алмази використовуються для промислових цілей - в ріжучому та буровому устаткуванні. Вдалося синтезувати чорні алмази - карбонадо, які твердіші за природні алмази. Вони використовуються для обробки самих алмазів.

В даний час налагоджено промислове виробництво не тільки штучних алмазів, але й інших дорогоцінних каменів - корунду (червоного рубіна), смарагду та ін. При високих тисках синтезують інші матеріали, що відрізняються високою термостійкістю. Так, з нітриду бору при тиску 100 000 атм і температурі 2000 ° С синтезований боразон - матеріал, придатний для свердління та шліфування деталей з надзвичайно твердих матеріалів за дуже високих температур.

Енергетика хімічних процесів та систем

Хімічні реакції - взаємодія між атомами та молекулами, що призводить до утворення нових речовин, відмінних від вихідних за хімічним складом або будовою. Хімічні реакції на відміну ядерних не змінюють ні загальної кількості атомів у системі, ні ізотопного складу елементів.

Система – сукупність тіл, виділена з простору. Якщо в системі можливий масо та теплообмін між усіма її складовими частинами, то така система називається термодинамічною. Хімічна система, в якій можливе перебіг реакцій, є окремим випадком термодинамічної. Якщо між системою та навколишнім середовищем відсутній масо та теплообмін, то така система називається ізольованою. Якщо відсутній масообмін, але можливий теплообмін, то система називається закритою. Якщо між системою і довкіллям можливий і масо, і теплообмін, то система відкрита. Система, що складається з декількох фаз, називається гетерогенною, однофазна система – гомогенною.

Стан хімічної системи визначається як: температура, тиск, концентрація, обсяг, енергія.

Реакції, що протікають у гомогенній системі, розвиваються у всьому її обсязі та називаються гомогенними. Реакції, що відбуваються на межі поділу фаз – гетерогенними.

Для термодинамічного опису системи користуються про функціями стану системи - це будь-яка фізична величина, значення якої однозначно визначаються термодинамическими властивостями системи. До найважливіших функцій стану системи належать:

Повна енергія системи (Е);

Внутрішня енергія системи (U);

Ентальпія (або теплозміст) - це міра енергії, що накопичується речовиною при його утворенні (Н):

Ентропія – міра невпорядкованості системи (S);

Енергія Гіббса – міра стійкості системи при постійному тиску (G):

Енергія Гельмгольця – міра стійкості системи при постійному обсязі (F):

Судити про можливість мимовільного перебігу процесу можна за знаком зміни функції вільної енергії Гіббса: якщо?< 0, т.е. в процессе взаимодействия происходит уменьшение свободной энергии, то процесс термодинамически возможен. Если?G >0, то перебіг процесу неможливий. Таким чином, всі процеси можуть спонтанно протікати у бік зменшення вільної енергії.

Хімічна взаємодія, зазвичай, супроводжується тепловим ефектом. Процеси, що протікають із виділенням теплоти, називаються екзотермічними (?Н< 0), а идущие с поглощением теплоты - эндотермическими (?Н > 0).

Тепловий ефект хімічних процесів у ізобарних умовах визначається зміною ентальпії, тобто. різницею ентальпій кінцевого та вихідного станів. Відповідно до закону Лавуазьє-Лапласа: теплота, що виділяється при утворенні речовини, дорівнює теплоті, що поглинається при розкладанні такої ж його кількості на вихідні складові частини.

Глибокі узагальнення термохімічних закономірностей дає закон Гесса: тепловий ефект хімічних реакцій, які протікають або за постійного тиску, або за постійному обсязі, залежить від кількості проміжних стадій, а визначається лише початковим і кінцевим станами системи.

I закон термодинаміки (закон збереження енергії) - енергія не зникає і виникає знову з нічого при протіканні процесу, вона лише може переходити з однієї форми в іншу в строго еквівалентних відносинах.

II закон термодинаміки - при протіканні процесу в ізольованій системі оборотних процесів ентропія залишається незмінною, а за незворотних процесів збільшується. .

Висновок

Хімія – наука соціальна. Її найвища мета - задовольняти потреби кожної людини та всього суспільства. Багато сподівань людства звернені до хімії. Молекулярна біологія, генна інженерія та біотехнологія, наука про матеріали є фундаментально хімічними науками. Прогрес медицини та охорони здоров'я – це проблеми хімії хвороб, ліків, їжі; нейрофізіологія та робота мозку - це, перш за все нейрохімія, хімія, хімія пам'яті. Людство чекає від хімії нових матеріалів з магічними властивостями, нових джерел та акумуляторів енергії, нових чистих та безпечних технологій тощо.

Як фундаментальна наука хімія сформувалася на початку XX століття, разом із новою, квантовою механікою. І це безперечна істина, тому що всі об'єкти хімії - атоми, молекули, іони тощо. – є квантовими об'єктами. Головні події у хімії - хімічні реакції та хімічні процеси тобто. перегрупування атомних ядер та перетворення електронних оболонок, електронних одягів молекул-реагентів на молекули продуктів - також є квантовою подією.

Необхідність хімічних процесів виникає під впливом нових вимог виробництва. Способи вирішення основної проблеми хімії заснованої на вченні про склад і структурні теорії вивчених раніше, був явно недостатній тут і виникає новий рівень - рівень хімічних знань - знань про хімічні процеси. Хімія стає наукою вже не тільки і не стільки речовин, як закінчених предметів, але наукою про процеси і механізми зміни речовини. Завдяки цьому вона забезпечила виробництво синтетичних матеріалів.

У суспільстві вчення про хімічні процеси необхідні знання, оскільки науці треба розвиватися і прагнути нових відкриттям, а цьому може лише людина.

Список використаної літератури

1. Бочкарьов А. І. - Концепції сучасного природознавства: підручник для студентів вузів А. І. Бочкарьов, Т. С. Бочкарьова, С. В. Саксонов; за ред. проф. А. І. Бочкарьова. – Тольятті: ТГУС, 2008. – 386 с. [електронний ресурс] www.tolgas.ru (дата звернення 14.11.2102)

2. Садохін А.П. Концепції сучасного природознавства: підручник для студентів вузів, які навчаються за гуманітарними спеціальностями та спеціальностями економіки та управління / О.П. Садохін. - 2-ге вид., перераб. та дод. - М.: ЮНІТІ-ДАНА, 2006. - 447 с.

Розміщено на Allbest.ru

...

Подібні документи

Визначення біосфери, її еволюція, межі та склад, охорона. Властивості живої речовини. Біогенна міграція атомів. Біомаса, її розподіл планети. Роль рослин, тварин та мікроорганізмів у кругообігу речовин. Біосфера та перетворення енергії.

контрольна робота , доданий 15.09.2013


Порядок, безлад у природі, особливості теплового руху як приклад хаотичного, неорганізованого порядку. Феномен процесу розсіювання енергії. Хімічні процеси та властивості речовин. Якість тіл у ракеті за умов високої швидкості руху.

курсова робота , доданий 11.03.2010


Дослідження теорії самоорганізації. Основний критерій розвитку самоорганізованих систем. Нерівноважні процеси та відкриті системи. Самоорганізація дисипативних структур. Хімічна реакція Білоусова-Жаботинського. Самоорганізація у фізичних явищах.

реферат, доданий 30.09.2010


Вивчення будови ядра як одного із структурних елементів еукаріотичної клітини, що містить генетичну інформацію в молекулах ДНК. Ядерна оболочка, ядра, матрикс як структурні елементи ядра. Характеристика процесів реплікації та транскрипції молекул.

презентація , додано 08.01.2012


Аналіз механізмів проходження речовин через клітинну мембрану. Основні процеси, з допомогою яких речовини проникають через мембрану. Властивості простої та полегшеної дифузії. Типи активного транспорту. Іонні канали, їхня відмінність від пори, градієнт.

презентація , доданий 06.11.2014


Перетворення азотистих речовин у рослинах. Якість рослинних олій в залежності від факторів довкілля. Перетворення речовин при дозріванні насіння олійних культур. Яровізація, її суть та значення. Вплив температури та світла на спокій насіння.

контрольна робота , доданий 05.09.2011


Аналіз можливих шляхів розщеплення глюкози. Визначення складових та принципу функціонування аеробного метаболізму. Процеси утворення органічних кислот та біотрансформації вихідних субстратів, відмінних від вуглеводів за своєю хімічною природою.

реферат, доданий 09.06.2015


Потоки речовини, енергії та деструкційні блоки в екосистемах. Проблеми біологічної продуктивності. Піраміди чисел, біомас та енергії. Процеси трансформації речовини та енергії між біотою та фізичним середовищем. Біохімічний кругообіг речовин.

реферат, доданий 26.06.2010


Закон тяжіння Ньютона. Спеціальна теорія відносності. Другий початок термодинаміки. Уявлення про будову атомів. Методи хімічної кінетики. Поняття рівноваги, рівноважного випромінювання. Реакція синтезу ядер. Особливості біотичного круговороту.

контрольна робота , доданий 16.04.2011


Опис основних функцій, що виконуються процесами виділення речовин у рослин. Поняття алелепатії, екскреції та секреції. Функції спеціалізованих секреторних структур рослин. Групи епідермальних утворень, що у виділенні речовин.

Взаємні перетворення сполук, які у живої природі, і навіть які у результаті діяльності можна розглядати як хімічні процеси. Реагентами в них можуть бути як дві, так і більша кількість речовин, що знаходяться в одному або різних агрегатних станах. Залежно від цього розрізняють гомогенні чи гетерогенні системи. Умови проведення, особливості перебігу та роль хімічних процесів у природі будуть розглянуті у цій роботі.

Що мають на увазі під хімічною реакцією

Якщо в результаті взаємодії вихідних речовин зміни піддаються складові їх молекул, а заряди ядер атомів залишаються тими ж самими, говорять про хімічні реакції або процеси. Продукти, що утворюються в результаті їх протікання, використовуються людиною в промисловості, сільському господарстві та побуті. Величезна кількість взаємодій між речовинами відбувається, як і живої, і у неживої природі. Хімічні процеси мають важливе відмінність від фізичних явищ і властивостей радіоактивності. Вони утворюються молекули нових речовин, тоді як фізичні процеси не змінюють склад сполук, а ядерних реакціях виникають атоми нових хімічних елементів.

Умови здійснення процесів у хімії

Вони можуть бути різними і залежать передусім від природи реагентів, необхідності припливу енергії ззовні, а також агрегатного стану (тверді тіла, розчини, гази), в якому відбувається процес. Хімічний механізм взаємодії між собою двох і більше сполук може здійснюватися під дією каталізаторів (наприклад, виробництво азотної кислоти), температури (одержання аміаку), енергії світла (фотосинтез). За участю ферментів у живій природі широко поширені процеси хімічної реакції бродіння (спиртового, молочнокислого, маслянокислого), що використовується в харчовій та мікробіологічній промисловості. Для отримання продуктів у промисловості органічного синтезу однією з головних умов є наявність вільно-радикального механізму хімічного процесу. Прикладом може бути отримання хлорпохідних метану (дихлорметану, трихлорметану, чотирихлористого вуглецю, що утворюються внаслідок ланцюгових реакцій).

Гомогенний каталіз

Вони є особливими видами контакту двох або декількох речовин. Суть хімічних процесів, які у однорідної фазі (наприклад, газ - газ) з участю прискорювачів реакції, полягають у проведенні реакцій у всьому обсязі сумішей. Якщо каталізатор перебуває у тому агрегатному стані, як і реагенти, він утворює рухливі проміжні комплекси з вихідними сполуками.

Гомогенний каталіз - це основний хімічний процес, що проводиться, наприклад, при переробці нафти, виробництві бензину, лігроїну, газойлю та інших видів палива. У ньому застосовують такі технології як реформінг, ізомеризацію, каталітичний крекінг.

Гетерогенний каталіз

У разі гетерогенного каталізу контакт реагуючих речовин відбувається найчастіше на твердій поверхні самого каталізатора. На ній формуються звані активні центри. Це ділянки, на яких взаємодія реагуючих сполук протікає дуже швидко, тобто є високою. Вони видоспецифічні та відіграють велику роль також у тому випадку, якщо хімічні процеси відбуваються у живих клітинах. Тоді говорять про метаболізм - реакції обміну речовин. Прикладом гетерогенного каталізу є промислове одержання сульфатної кислоти. У контактному апараті газоподібну суміш двоокису сірки та кисню нагрівають і пропускають через решітчасті полиці, заповнені дисперсним порошком оксиду ванадію або сульфату ванадилу VOSO 4 . Отриманий продукт - триокис сірки, потім поглинається концентрованою сірчаною кислотою. Утворюється рідина, яка називається олеумом. Її можна розбавляти водою, щоб одержати сульфатну кислоту потрібної концентрації.

Особливості термохімічних реакцій

Виділення чи поглинання енергії у вигляді тепла має важливе практичне значення. Достатньо згадати реакції горіння палива: природного газу, кам'яного вугілля, торфу. Вони є фізико-хімічними процесами, важливою характеристикою яких є теплота згоряння. Термічні реакції мають поширення як в органічному світі, так і в неживій природі. Наприклад, у процесі травлення відбувається розщеплення білків, ліпідів та вуглеводів під дією біологічно активних речовин – ферментів.

Енергія, що виділилася, акумулюється у вигляді молекул АТФ. Реакції дисиміляції супроводжуються виділенням енергії, частина якої розсіюється як тепла. В результаті травлення кожен грам білка дає 17, 2 кДж енергії, крохмалю – 17, 2 кДж, жиру – 38,9 кДж. Хімічні процеси, які з виділенням енергії, звуться екзотермічних, і з поглинанням її - эндотермических. У промисловості органічного синтезу та інших технологіях розраховують теплові ефекти термохімічних реакцій. Це важливо знати, наприклад, для правильного обчислення кількості енергії, яка йде для нагрівання реакторів і колон синтезу, в яких відбуваються реакції, що супроводжуються поглинанням теплоти.

Кінетика та її роль у теорії хімічних процесів

Обчислення швидкості реагуючих частинок (молекул, іонів) - найважливіше завдання, що стоїть перед промисловістю. Її рішення забезпечує економічний ефект та прибутковість технологічних циклів у хімічному виробництві. Для збільшення швидкості такої реакції, як, наприклад, синтез аміаку вирішальними факторами будуть зміна тиску в газовій суміші азоту і водню до 30 МПа, а також запобігання різкому підвищенню температури (оптимальною є температура 450-550 ° С).

Хімічні процеси, що застосовуються у виробництві сульфатної кислоти, а саме: випалювання колчедану, окислення діоксиду сірки, поглинання триокису сірки олеумом проводять у різних умовах. Для цього застосовують колчеданную піч та контактні апарати. Вони враховуються концентрації реагуючих речовин, температура і тиск. Всі ці фактори корелюються щодо реакції з найбільшою швидкістю, що підвищує вихід сульфатної кислоти до 96-98%.

Кругообіг речовин, як фізико-хімічні процеси в природі

Відомий вислів "Рух - це життя" можна застосувати і до хімічних елементів, що вступають у різноманітні типи взаємодії (реакції з'єднання, заміщення, розкладання, обміну). Молекули та атоми хімічних елементів прибувають у безперервному русі. Як встановили вчені, всі перелічені вище можуть супроводжуватися фізичними явищами: виділенням тепла або його поглинанням, випромінюванням фотонів світла, зміною агрегатного стану. Ці процеси відбуваються у кожній оболонці Землі: літосфері, гідросфері, атмосфері, біосфері. Найбільш значущими є круговороти таких речовин, як кисень, вуглекислий газ і азот. У наступному заголовку ми розглянемо, як відбувається циркуляція азоту в атмосфері, ґрунті та живих організмах.

Взаємоперетворення нітрогену та його сполук

Добре відомо, що азот є необхідною складовою білків, отже, бере участь у формуванні всіх видів земного життя. Нітроген засвоюється рослинами та тваринами у вигляді іонів: амонію, нітрат-і нітрит-іона. Рослини внаслідок фотосинтезу утворюють як глюкозу, а й амінокислоти, гліцерин, жирні кислоти. Усі перераховані вище хімічні сполуки є продуктами реакцій, що відбуваються в циклі Кальвіна. Видатний російський учений К. Тимірязєв ​​говорив про космічну роль зелених рослин, маючи на увазі, в тому числі, і їхню здатність синтезувати білки.

Травоїдні тварини отримують пептиди з рослинної їжі, а м'ясоїдні - з м'яса жертв. Під час гниття залишків рослин та тварин під впливом сапротрофних бактерій ґрунту відбуваються складні біологічні та хімічні процеси. У результаті азот з органічних сполук перетворюється на неорганічну форму (утворюються аміак, вільний азот, нітрати і нітрити). Повертаючись в атмосферу та ґрунт всі ці речовини знову засвоюються рослинами. Азот надходить через продихи шкірки листя, а розчини азотної та їх солей всмоктуються кореневими волосками коренів рослин. Цикл перетворення азоту замикається, щоб знову повторитися. Суть хімічних процесів, що відбуваються в природі, була детально вивчена на початку 20-го століття російським ученим Д.Н Прянішниковим.

Порошкова металургія

Сучасні хімічні процеси та технології вносять відчутний внесок у створення матеріалів з унікальними фізичними та хімічними властивостями. Це особливо важливо насамперед для приладів та обладнання нафтопереробних заводів, підприємств, що виробляють неорганічні кислоти, барвники, лаки, пластмаси. У їхньому виробництві застосовують теплообмінники, контактні апарати, колони синтезу, трубопроводи. Поверхня обладнання торкається агресивних середовищ, що знаходяться під високим тиском. Понад те, майже всі процеси хімічного виробництва проводяться під впливом високих температур. Актуальним є одержання матеріалів з високими показниками термо- та кислотостійкості, антикорозійними властивостями.

Порошкова металургія включає процеси виробництва металовмісних порошків, спікання і введення до складу сучасних сплавів, що використовуються в реакціях з хімічно агресивними речовинами.

Композити та їх значення

Серед сучасних технологій найважливішими хімічними процесами є реакції отримання композиційних матеріалів. До них відносяться піни, кермети, норпапалсти. Як матрицю для виробництва використовують метали та їх сплави, кераміку, пластмаси. Як наповнювачі застосовують силікат кальцію, білу глину, фериди стронцію і барію. Усі вище перелічені речовини надають композиційним матеріалам ударостійкість, тепло- та зносостійкість.

Що таке хімічна технологія

Галузь, науки, що займається вивченням засобів та методів, що застосовуються у реакціях переробки сировини: нафти, природного газу, вугілля, мінералів, назвали хімічною технологією. Іншими словами, це наука про хімічні процеси, що відбуваються в результаті діяльності людини. Всю її теоретичну основу становлять математика, кібернетика, фізична хімія, промислова економіка. Неважливо, який хімічний процес задіяний у технології (отримання нітратної кислоти, розкладання вапняку, синтез фенолформальдегідних пластмас) - у сучасних умовах він неможливий без автоматизованих систем управління, що полегшують діяльність людини, що виключають забруднення навколишнього середовища, та забезпечують безперервну та безвідходну технологію.

У цій роботі ми розглянули приклади хімічних процесів, що протікають, як у живій природі (фотосинтез, дисиміляція, кругообіг азоту), так і в промисловості.

Хіміко-технологічним процесом, як було показано вище, називають поєднання пов'язаних один з одним і проведених у певній послідовності хімічних, фізико-хімічних, фізичних та механічних операцій з метою одержання кінцевого продукту. Власне хімічний процес це друга та головна підсистема ХТС. Ефективність його потребує дотримання деяких умов, зміст яких визначається технологічним режимом.

Технологічний режим– це сукупність параметрів, які забезпечують стійке та максимально ефективне проведення хімічного процесу.

Параметром технологічного процесуназивають величину , що характеризує один із показників режиму роботи апарату. Зазвичай, параметр – це кількісна величина, що дозволяє дати кількісну оцінку роботи апарату. Основними параметрами хімічного процесу є температура, тиск, співвідношення реагентів, їх витрата одиницю часу, час контакту, об'ємна швидкість подачі сировини, активність каталізатора, коефіцієнт рециркуляції, сила струму, напруга тощо. Поєднання оптимальних параметрів дозволяє вести процес з максимально можливим виходом та якістю цільового продукту з високою швидкістю та мінімальною собівартістю.

Як було зазначено вище, хімічний процес становить головну підсистему – хімічного перетворення сировини. Він протікає в одну або кілька хімічних реакцій, що супроводжуються явищами масо- та теплообміну. Якщо процес хімічного перетворення протікає одну стадію відповідно до стехиометрическим рівнянням, його називають простим. Інші реакції є складними. До них можна віднести оборотні, ланцюгові, паралельні, послідовні, сполучені та інші реакції. Хімічні реакції класифікуються за низкою ознак:

за фазового стануреакційної системи ( гомофазнеабо гетерофазне);

За механізмом взаємодії;

За оборотністю ( оборотні та незворотні);

За знаком теплового ефекту [ екзотермічні(+ Н) та ендотермічні (- Н)];

Застосування каталізатора ( каталітичні та некаталітичні);

за температурою ( низькотемпературні та високотемпературні);

По порядку реакції.

Нижче наведено табл. 5.1 технологічну класифікацію хімічних реакцій.

Інтенсифікація гомогенних процесів.Якщо реакція протікає обсягом фази, вона називається гомогенної. До гомогенних реакцій відносять, наприклад, реакції в розчинах . У гомогенних системах реакція протікає у всьому обсязі реактора. Швидкість реакції в таких процесах можна інтенсифікувати зміною складу реакційного середовища, температури та тиску.

Вплив складу реакційного середовищазалежить від величини концентрації реагентів та його фізико-хімічних властивостей.

Відомо, що, згідно із законом діючих мас, для гомогенної реакції типу
aA + bB cC + dD записується так:

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

де ( V A) – швидкість хімічної реакції;

С А, С В– молярні концентрації реагентів А та В;

a, b- порядок реакції по реагентам А та В;

k -константа швидкості реакції.

Таблиця 5.1

Ознака класифікації	Приклади хімічних реакцій
1. Механізм і хімізм реакції: - проста незворотня - проста оборотна - з несприятливою рівновагою - складна незворотня - паралельна до попередньої - послідовна (консекутивна) - складна оборотна	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 С 6 Н 5 СН 3 +О 2 = С 6 Н 5 СН 2 ООН= С 6 Н 5 СНТ +Н 2 О СО + Н 2 О СО 2 + Н 2 СО + Н 2 О СН 3 ВІН
2. Величина та знак теплового ефекту реакції: - сильноекзотермічна - слабоекзотермічна - сильноендотермічна - слабоендотермічна	SO 2 + O 2 + 297 кДж/мольЗ 6 Н 12 = СН 3 (СН 2) 2 СН = СН-СН 3 + 59,9 кДж/мольЗ 6 Н 12 = З 6 Н 6 + 3Н 2 - 221 кДж/моль ROH + R 1 COOH RCOOR 1 + H 2 O – 50 кДж/моль
3. Кінетична модель - порядок реакції: - нульовий - перший - другий - третій - дробовий	Рівняння швидкості реакції: -V A = kC A =k -V A = kC A -V = kC A C B; -V = kC 2 A; -V = kC 2 B -V = kC 2 A C B; -V = k C A C B 2 -V = k C A C D 1,5
4. Спосіб активації системи: вплив температури реакції: - високотемпературна (більше 500 про З) - середньотемпературна (160-500 про З) - низькотемпературна (менше 160 про З) - реакція під тиском - реакції каталітичні, електро-хімічні, фотохімічні та ін.	Піроліз вуглеводневої сировини Окислення парафінів Алкілювання ізобутану олефінами Каталітичний крекінг Каталітичний риформінг, галогенування парафінів

А, В – вихідні реагенти;

V – швидкість реакції;

k – константа швидкості;

С – концентрація.

Таким чином, швидкість реакції пропорційна добутку концентрацій реагентів, взятих у ступенях, що дорівнює порядку реакції, на основі чого слідують висновки:

1) що вище значення концентрацій, то більше вписувалося швидкість реакції;

2) швидкість реакції більшою мірою залежить від реагенту, що входить до рівняння швидкості з більшим ступенем;

3) якщо одночасно протікають реакції з різними порядками, то зміна концентрації сильніше позначиться швидкості реакції з вищим порядком.

Дані закономірності лежать основу технологічного прийому – надлишку однієї з реагентів. При цьому вигідніше надміру брати реагент, що входить в рівняння реакції з більш високим стехіометричним коефіцієнтом. Але є низка причин, через які у багатьох газофазних і жидкофазных процесах реагенти розбавляють розчинником, тобто. знижуючи їхню концентрацію. Тому є кілька причин:

а) можливість перегріву реакційної маси під час проведення сильно екзотермічної реакції з великою швидкістю;

б) використання низьких концентрацій – вимога селективного перебігу складних реакцій, якщо побічна реакція вищого порядку;

в) поліпшення умов протікання фізичних процесів, що супроводжують реакцію, т.к. розведення дозволяє знизити в'язкість, полегшити рівномірне перемішування реакційної маси та її транспорт, забезпечити більш інтенсивний та рівномірний теплообмін.

Вплив температурина швидкість реакції описується рівнянням Арреніуса:

k = A е - E/RT(5.2)

де k- Константа швидкості;

А- Передекспоненційний множник;

Е- Енергія активації, кДж/моль;

R- газова постійна, кДж/моль;

Т- Температура, про До.

З цього рівняння випливає, що, оскільки температура входить у показник ступеня, вона дуже впливає на швидкість реакції. З цієї причини істотно впливає швидкість значення енергії активації, але з іншим знаком.

Діапазон тисків, що застосовується в хімічній технології, дуже широкий. У нафтопереробці у великій частині процесів тиск становить не більше 1-5 МПа, але є процеси з тиском до 32МПа(гідрокрекінг) та у вакуумі (ректифікація мазуту). У нафтохімії відомі процеси при тиску до 100Мпа(Полімеризація етилену). Є кілька причин, через які підвищений тиск, незважаючи на високі енерговитрати, широко застосовується в хімічній технології:

1. Тиск значно підвищує швидкість газофазних процесів, т.к. у разі різко підвищується концентрація реагентів.

2. Тиск впливає на положення хімічної рівноваги для оборотних реакцій, при цьому підвищення тиску зміщує рівновагу у бік прямої реакції, якщо протікає процес зі зменшенням обсягу.

3. Тиск підвищує температури кипіння та плавлення. Цей ефект використовується для проведення процесів рідкої фази для речовин, які при стандартному тиску знаходяться у газоподібному стані.

4. Підвищення тиску у багатьох випадках дозволяє знизити температуру синтезу, що важливо у системах з низькою термостабільністю реагентів або продуктів процесу.

Інтенсифікація гетерогенних процесів. Гетерогенні системи складаються з безперервного (суцільного) середовища та дискретної фази, що включає один або більше компонентів.Приклади таких систем наведено у табл. 5.2.

У гетерогенній системі областю хімічної взаємодії є поверхні поділу фаз.

Швидкість гетерогенної реакції є складною функцією параметрів кількох процесів, що протікають паралельно: масопередачі ззовні у реакційне середовище, власне хімічної реакції та виведення продуктів процесу з реакційного простору.

Елементарні стадії гетерогенної реакції протікають із різною швидкістю. При цьому в умовах стаціонарного процесу швидкості всіх стадій будуть однакові та рівні швидкості найповільнішої стадії. Цю стадію називають лімітує.Тому в гетерогенних процесах їх інтенсифікація пов'язана з прискоренням лімітуючої стадії.

Для вирішення цієї проблеми в теорію гетерогенних процесів запроваджено поняття галузі перебігу реакції. За цією теорією гетерогенна реакція може протікати в кінетичної, дифузійної або перехідної (дифузійно-кінетичної)області. Назва цих областей пов'язана безпосередньо з лімітуючою стадією.

Таблиця 5.2

Типи дисперсних систем

Дисперсна фаза – дисперсне середовище	Тип систем	Приклади
Т-Ж	Золі, суспензії, суспензії	Золі металів, гідроваги
Ж - Ж	Емульсії	Технологічні емульсії, мастила
Г – Ж	Піни, газові емульсії	Піни, барботажний шар, кипляча рідина, що кавітує.
Т – Т	Тверді колоїди	Сплави
Ж - Т	Пористі тіла, капілярні системи	Адсорбенти, вологі тіла, іоніти, шари, що фільтрують.
Г – Т	Пористі та капілярні системи	Силікагель, активне вугілля, цеоліти, каталізатори, мембрани, фільтри
Т - Г	Аерозолі, зависі	Дими, псевдозріджений шар
Ж - Г	Аерозолі	Тумани, крапельні викиди
Г - Г	Неоднорідні гази	Гази, що розшаровуються, флуктуації щільності в газах

Г – газ; Ж – рідина; Т – тверде тіло

Якщо лімітуючою стадією є хімічне перетворення, то кажуть про кінетичну областьпротікання процесу. До числа кінетичних факторіввідносять температуру, тиск, концентрацію реагентів та каталізатора, природу та активність останнього та ін.

Якщо лімітує стадією є швидкість масопередачі, то реакція протікає в дифузійної області. Відомо, що для процесів, що протікають у цій галузі, швидкість пропорційна площі межі розділу фаз і рушійній силі процесу (зміни концентрації), під дією якої відбувається масопередача:

V = k S C , (5.3)

де k- Коефіцієнт пропорційності;

S- Площа поверхні поділу фаз;

C- Зміна концентрації.

З цього рівняння випливає, що швидкість процесу можна підняти, збільшивши площу зіткнення фаз. Ця мета досягається подрібненням твердого каталізатора та розвитку його внутрішньої структури (пористості). У системах з участю рідких продуктів збільшення поверхні контакту застосовують такі прийоми, як використання насадочних пристроїв, барботаж, пінний шар тощо. Значення константи швидкості визначається наступним співвідношенням:

k = D/ (5.4)

де D- Коефіцієнт дифузії;

Товщина дифузійного прикордонного шару.

З підвищенням температури коефіцієнт дифузії зростає, але значно меншою мірою, ніж швидкість хімічної реакції. Тим не менш, температурний фактор часто використовується для підвищення швидкості дифузійних процесів. Більш ефективним є прийом інтенсифікації перемішування контактуючих фаз, що досягається зменшення товщини дифузійного шару, що призводить до різкого збільшення константи швидкості процесу масопередачі.

Для збільшення рушійної сили процесів масопередачі ( З), який є градієнтом концентрацій:

С = С - С * ,

де З і З *- дійсна та рівноважна концентрації компонента у передавальній фазі, використовують наступні прийоми:

1) підвищення концентрації компонентів сировини;

2) видалення продуктів процесу із реакційної зони;

3) усунення рівноваги в напрямку, що підвищує градієнт концентрації З.

Таким чином, до дифузійних факторів, що визначають інтенсивність процесів масопередачі, можна віднести лінійні швидкості руху фаз, число оборотів пристроїв, що перемішують, характеристики межі розділу фаз та ін. Оскільки дифузійні фактори багато в чому визначені гідродинамікою потоків, то їх часто називають гідродинамічними.

Якщо швидкості масопередачі та реакції співмірні, то кажуть, що процес протікає в перехідної області.

Проведення реакції в кінетичній області (відсутнє дифузійне гальмування) найбільш переважно з точки зору кінетики, проте ряд промислових процесів реально здійснюють дифузійної області. Це стосується насамперед високотемпературних процесів, коли важко уникнути дифузійних гальмувань через високі швидкості хімічних реакцій.

Підбиваючи підсумки, можна зробити такі висновки:

Швидкість гетерогенної реакції визначається швидкістю лімітуючої стадії;

Як лімітуючі можуть бути як процеси хімічного перетворення, так і процеси масопередачі;

Для інтенсифікації гетерогенної реакції слід використовувати як кінетичні, і дифузійні чинники;

Для інтенсифікації процесів, що протікають у кінетичній ділянці, слід застосовувати кінетичні фактори, а в дифузійній – дифузійні.

Інтенсифікація процесів, заснованих на необоротних реакціях.До незворотних відносять реакції, що протікають лише у прямому напрямку.При розробці технології проведення такого процесу мають дві основні цілі: підвищення швидкості реакції та виходу цільового продукту. Вихід продукту в таких процесах пропорційний ступеню при розробці технології проведення складної незворотної реакції всю увагу приділяють підвищенню селективності процесу. Ця мета досягається підбором оптимальних концентрацій реагентів та температур, а також підбором найбільш селективних каталізаторів.

Селективність Sреакції можна оцінити співвідношенням швидкостей основної та побічної реакцій:

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

де k = k1/k2.

На основі даного рівняння можна зробити висновки щодо впливу концентрації на селективність:

1) при a > b(порядок цільової реакції вище за побічну) селективність пропорційна максимальному значенню концентрації;

2) при a< b селективність пропорційна мінімальним значенням концентрації;

3) при a = bконцентрація не впливає на селективність: S = kC A0 = k.

Каталіз - найбільш сильний вплив на селективність реакції. Каталіз – це складна система реакцій, внаслідок яких знижуються багато труднощів у перебігу реакції проти некатализируемым процесом. Цей ефект пов'язаний із зниженням енергії активації та/або збільшенням передекспоненційного множника у кінетичному рівнянні реакції.

Інтенсифікація процесів, заснованих на оборотних реакціях.До оборотних відносять реакції, що протікають одночасно в прямому та зворотному напрямках.

У оборотній реакції aA + bB = dDвідповідно до закону діючих мас, швидкості прямої та зворотної реакцій будуть наступні:

V пр = k / C A a C B b ; (5.6)

V про = k // C D d, (5.7)

де З- Концентрація;

k / , k //- константи швидкості прямої та зворотної реакцій;

a, b, d-стехіометричні коефіцієнти (порядки реакції) при учасниках процесу A, B, D.

Сумарна швидкість оборотної реакції дорівнює різниці швидкостей прямої та зворотної реакції: V = V пр - V обрУ момент рівноваги V пр = Vобр

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

де До Р- Константа рівноваги.

Ступінь перетворення, за якої встановлюється рівновага, називають рівноважною. У виробничих умовах систему, зазвичай, не доводять до рівноваги, т.к. у стані рівноваги продуктивність реактора дорівнює нулю. Реактор працює в режимі, віддаленому від стану рівноваги, залежно від вартості витрат на зсув рівноваги у напрямку утворення продуктів реакції.

Існують реакції з рівномірністю, що легко зміщується і з несприятливим положенням рівноваги, для яких прийнятна конверсія може становити 30% і навіть менше.

Зміщення рівноваги при зміні тиску, температури, концентрації підпорядковується принципу Ле-Шательє, яке говорить: зовнішній вплив на систему з рівновагою, що встановився, зміщує його в бік зменшення цього впливу.

Як приклад дії принципу Ле-Шательє розглянемо реакцію синтезу аміаку: 3Н 2 + N 2 2NH 3. Ця реакція - проста оборотна, екзотермічна, що протікає із зменшенням обсягу. Збільшення концентрації однієї з реагентів призведе до зростання швидкості прямої реакції, тобто. у бік утворення цільового продукту. І тут рушійною силою процесу є величина зовнішнього впливу.

Такий ефект можна отримати при збільшенні тиску в системі. Дійсно, підвищуючи тиск, ми збільшуємо концентрацію всіх учасників процесу, але збільшення концентрації реагентів буде більшим, т.к. кількість молей вихідних речовин більша, ніж продуктів реакції. Рушійною силою цього процесу є різниця обсягів кінцевих та вихідних продуктів. Тому, у разі рівності обсягів кінцевих та вихідних продуктів змістити рівновагу шляхом зміни тиску в системі неможливо.

Вплив зміни температури на усунення рівноваги у цій реакції таке. Оскільки екзотермічна реакція, то змістити рівновагу в напрямку утворення аміаку можливо шляхом зниження температури процесу. Рушійною силою у разі є абсолютна величина такого зміни температури.

Принцип Ле-Шательє дозволяє якісно оцінити вплив основних параметрів процесу на напрям протікання оборотної хімічної реакції. Кількісну оцінку на зміщення рівноваги при зміні температури або саму можливість перебігу даної реакції при постійному тиску (а саме при постійному тиску в промислових хіміко-технологічних процесах, як правило, ведуть хімічні реакції) можна, якщо відомий знак і величина зміни в цьому процесі вільної енергії Гіббса:

G = G кін. - G поч . , (5.9)

де G поч.і G кін. – значення вільної енергії Гіббса реагентів та продуктів процесу.

Негативне значення цієї різниці означає важливу можливість перебігу реакції у напрямі. Чим більша абсолютна величина цієї різниці, тим більша рушійна сила процесу.

Як відомо:

G = H - T S, (5.10)

де H = H кін. - H поч. - Зміна ентальпії;

S = S кін. - S поч.- Зміна ентропії;

Н поч. , Н кін. , S поч., S кін. – стани системи, що відповідають початковим та кінцевим значенням ентальпії та ентропії відповідно.

Відповідно до цього рівняння значення та знак G визначається значеннями , S, і T.

Відповідно до 1-го закону термодинаміки:

Н = U- P V, (5.11)

де U- Зміна внутрішньої енергії;

V-Зміна обсягу при Р = соnst.

У цих умовах Ндорівнює за абсолютною величиною, але протилежна за знаком теплового ефекту реакції Q (Q = - H).

Зміна ентропії у першому наближенні можна оцінити, враховуючи, що її можна як міру безладдя системи. Процеси, що протікають з його зростанням (розширення газу, розчинення, випаровування, плавлення, реакції розкладання), які протікають із збільшенням обсягу, характеризуються зростанням ентропії. Процесам, що протікають із зменшенням безладдя (конденсація, кристалізація, реакції приєднання, комплексоутворення) відповідає зменшення ентропії.

При виборі оптимальних параметрів ведення технологічного процесу у разі оборотних реакцій, крім термодинамічних закономірностей, слід враховувати й особливості процесів, пов'язаних з їх кінетикою. Характер впливу температури на швидкість та положення рівноваги для оборотних екзо- та ендотермічних реакцій різний.

Для оборотної екзотермічної реакції при малих ступенях перетворення, коли концентрація вихідних продуктів реакційної масі досить велика і мала концентрація продуктів реакції, оборотна реакція протікає, як незворотна. Тому із підвищенням температури її швидкість зростає. У міру збільшення концентрації кінцевих продуктів і зниження концентрації вихідних, різницю швидкостей між прямою і зворотною реакціями скорочується і настає момент, коли вони порівнюються і настає рівновага, при цьому технологічний процес припиняється. Щоб цього не відбувалося, у безперервних хіміко-технологічних процесах при стаціонарному режимі має місце безперервна подача свіжої сировини та безперервне виведення продуктів процесу.

У оборотній ендотермічній реакції зі збільшенням температури швидкість прямої реакції зростає швидше, ніж зворотної. В результаті цього різниця швидкостей між прямою та зворотною реакціями також зростає.

На основі вищевикладеного можна обґрунтувати вибір температурного режиму хіміко-технологічного процесу для оборотних реакцій таким чином:

1) оскільки у разі оборотної ендотермічної реакції підвищення температури позитивно впливає на обидва критерії оптимізації (на швидкість та на зміщення рівноваги), таку реакцію краще проводити при постійній підвищеній температурі.

2) неоднозначний вплив температури на критерії оптимізації оборотної екзотермічної реакції вимагає використання режиму температури, що знижується: починають процес при вищій температурі, а потім її знижують по лінії оптимальних температур. Такий прийом застосовується для періодичних процесів. У безперервних процесах підтримують постійну температуру, оскільки немає явища накопичення кінцевих продуктів і невідновлюваної витрати вихідної сировини.

Контрольні питання

1. Поясніть поняття «хіміко-технологічний процес».

2. Дайте визначення поняття «технологічний режим». Які його параметри визначають?

3. Подайте класифікацію реакцій, що визначають основу ХТП.

4. Напишіть рівняння закону чинних мас. Поясніть із позиції цього закону вплив концентрації на прийоми інтенсифікації гомогенних процесів.

5. Напишіть рівняння Арреніуса. Поясніть на основі цього рівняння вплив температури та енергії активації на швидкість хімічних процесів.

6. Поясніть вплив тиску на швидкість гомогенних процесів. Які тиски за абсолютною величиною застосовують у хімічній технології? Наведіть приклади.

7. Наведіть класифікацію гетерогенних систем. Наведіть приклади.

8. Назвіть елементарні стадії гетерогенних процесів.

9. Дайте визначення лімітуючої стадії процесу. У яких сферах може протікати гетерогенна реакція?

10. Від яких факторів залежить швидкість гетерогенної реакції, яка протікає у дифузійній ділянці? Дайте відповідне рівняння цієї залежності.

11. Що таке рушійна сила процесу масопередачі? Як вона впливає швидкість гетерогенних процесів? Як можна збільшити градієнт концентрацій?

12. Дайте визначення поняття «хімічна рівновага». Як його можна порушити? Принцип Ле-Шательє.

13. Напишіть рівняння Гіббса. На його основі поясніть принципову можливість протікання хімічної реакції та величину рушійної сили процесу.

ТЕМА 6

ПРОМИСЛОВИЙ КАТАЛІЗ

Сучасну нафтопереробку та нафтохімію нині без застосування каталізаторів уявити неможливо. Близько 90% промислових хіміко-технологічних процесів ведуть із застосуванням каталізаторів як активаторів. Як приклади можна навести технології виробництва аміаку, азотної та сірчаної кислот, метанолу, стиролу, бутадієну, в нафтопереробці – це каталітичний крекінг та риформінг, гідроочищення та гідрокрекінг, алкілування ізобутану та ізомеризація парафінових вуглеводнів, виробництво оксигенатів тощо.

Каталітичні процеси мають ряд важливих переваг, порівняно з некаталітичними. Крім того, що застосування каталізаторів різко прискорює швидкість хімічних реакцій, процеси з їх застосуванням можуть бути організовані як безперервні, безвідходні, менш енергоємні. Вони відрізняються високими техніко-економічними показниками, забезпечують вищий вихід цільових продуктів.

Застосування каталізаторів дозволяє інтенсифікувати хіміко-технологічні процеси, а деяких випадках здійснювати процеси, які практично без застосування каталізаторів неможливо знайти реалізовані. Особливе значення має застосування каталізаторів при оборотних екзотермічних процесах, в яких використання каталізаторів дозволяє суттєво знижувати температуру процесу і досягти прийнятного ступеня перетворення сировини.

Каталіз є найбільш ефективним методом підвищення швидкості та селективності хімічних реакцій. Поняття каталізу включає складну систему реакцій, у яких знижуються енергетичні, стеричні та інші труднощі на реакційному шляху проти процесом без каталізатора. Залежно від фазового стану реагентів та каталізатора розрізняють гомогенний та гетерогенний каталіз.Якщо реагенти і каталізатор перебувають у одній рідкої чи газової фазі, це гомогенний каталіз, якщо – у різних (газ – тверде тіло чи рідина – тверде тіло), це гетерогенний каталіз. Існує і гомогенно-гетерогенний каталіз, коли реакція, що почалася на гетерогенному каталізаторі, продовжується потім в обсязі іншої фази.

Гетерогенний каталіз

Цей вид каталізу найбільш поширений у хімічній технології. Він має низку переваг, наприклад, простота поділу з продуктами процесу, висока термостійкість, порівняльна легкість регенерації.

Каталітичні гетерогенні реакції супроводжуються низкою явищ, пов'язаних із властивостями твердих тіл, неоднорідних за хімічним та фазовим складом. Найважливішу роль грають порушення структури (дефекти) кристалічних ґрат каталізаторів. Ці порушення зумовлюють енергетичну неоднорідність поверхневих атомів та забезпечення певної сорбційної здатності поверхні каталізатора. Загалом ефективність застосування каталізаторів визначається комплексом його хімічних та фізичних властивостей.

Хімічні властивості каталізаторів. До основних властивостей каталізаторів належать активність (А), селективність (S) та продуктивність (П).

Активність ( кг/м 2 год) – загальна швидкість реакції на каталізаторі і може бути розрахована за формулою

А = G п / F, (6.1)

де G п- кількість перетвореного реагенту за час на одиниці поверхні F.

Весь цикл роботи каталізатора можна розділити на три періоди:

1) розробка каталізатора;

2) період постійної активності – термін життя каталізатора;

3) дезактивація каталізатора.

Під терміном «розробка» розуміють мимовільне зростання активності каталізатора під впливом реакційного середовища. Період постійної активності для різних каталізаторів може змінюватися в широких межах: від декількох хвилин до декількох років, вимоги до терміну життя каталізатора визначаються вартістю заміни свіжим каталізатора і можливістю його регенерації. За високої вартості заміни скорочення кількості цих операцій дає дуже відчутний економічний ефект. Явище падіння активності каталізатора називають старінням, втомою чи отруєнням.

Старіння- Це природний процес, при якому активність зменшується по всьому шару каталізатора. Втома –це нерівномірне падіння активності шарі каталізатора – небезпечний процес, т.к. проявляється задовго до закінчення терміну життя каталізатора внаслідок неправильної експлуатації.

Серед основних причин дезактивації каталізатора можна назвати наступні: завуглерожування, синтеринг, отруєння контактними отрутами та мінералізацію.

Завуглецюваннявідбувається у процесах переробки вуглеводневої сировини. Каталізатор покривається вуглецевими відкладеннями (коксом) у формі висококонденсованих ароматичних структур, які утворюються в результаті глибоких хімічних перетворень. Серед подібних процесів можна назвати каталітичний крекінг та риформінг, гідрокрекінг, дегідрування та ізомеризацію. Відкладення коксу блокують поверхню каталізатора, внаслідок чого його активність різко знижується за короткий час, який іноді становить 10-30 хв.

Синтеринг (спікання)зазвичай є результатом окисної регенерації, під час якої температура каталізатора досягає 600 о Зі вище або наслідком високотемпературного процесу з погано організованим тепловідведенням. Спікання скорочує величину активної поверхні в результаті укрупнення кристалітів металевого або оксидного каталізатора та підвищує гідравлічний опір апарату. Тому одним із завдань у вирішенні цієї проблеми є стабілізація структури компонентів каталізатора. Стабілізація здійснюється шляхом структурного промотування. Таким промотором, наприклад, при синтезі аміаку служить оксид алюмінію Al 2 O 3, який, впроваджуючись між кристалами заліза, запобігає їхній агломерації. Аналогічний вплив на нікелевий каталізатор в процесі гідрування вуглеводнів оксид хрому Cr 2 O 3. Не менш важливою є також стабілізація носія, бо забезпечує металевому каталізатору високорозвинену поверхню.

Отруєння– це часткова, чи повна втрата активності каталізатора під впливом речовин, звані контактними отрутами. При отруєнні спостерігається специфічна дія отрути по відношенню і до каталізатора, і до реакції.

Механізм отруєння буває різним. По дії на металеві каталізатори контактні отрути можна поділити на три типи:

1) молекули, що містять неметали N, P, As, O, S, Se, в т.ч. та вільні елементи з цієї групи, крім азоту, що зв'язують метал каталізатора за рахунок неподілених електронних пар (сірководень, тіофен, арсин, фосфін та ін.);

2) від'єднання металів (іони ртуті, свинцю, вісмуту, олова, кадмію, заліза тощо) з утворенням інтерметалевих сполук за участю d-Електронів;

3) молекули, що містять кратні зв'язки ( СО, НСNта ін), з вищими адсорбційними характеристиками, ніж інші речовини реакційної маси.

Захист каталізаторів від контактних отрут ведуть декількома способами:

1) переведенням отрути в неактивний стан;

2) очищенням сировини від контактних отрут на стадії його підготовки;

3) застосуванням каталізаторів, стійких до контактних отрут.

Як приклад застосування першого способу захисту можна навести прийом видалення СО, що міститься в водні, що надходить на синтез аміаку, за допомогою самого водню ( СО– контактна отрута для залізного каталізатора):

СО + 3Н2CH4+H2O.

Отриманий метан - інертна домішка до водню і тому не шкодить каталізатору.

Прикладом другого способу захисту каталізатора є попередня гідроочищення бензинових фракцій від сіро-, азот-і кисневмісних сполук перед направленням їх на риформінг на платиновому каталізаторі:

RSH + H2 = RH + H2S;

RNH 2 + H 2 = RH + NH 3;

ROH + H2 = RH + H2O.

Наведені вище реакції протікають на алюмо-кобальт-молібденовому каталізаторі ( АКМ).

Найбільш цікавим та перспективним напрямком є ​​розробка каталітичних композицій, стійких до отрути.

Зазначені вище способи захисту каталізаторів від отрут не є незалежними один від одного і тому можуть застосовуватися в одному процесі одночасно.

Ще однією причиною падіння активності каталізатора є відкладення з його поверхні мінеральних домішок, які у сировину. Ці домішки хемосорбуються змінюючи хімічний склад поверхні каталізатора.

Селективність (вибірковість)– найважливіший показник якості каталізатора, який полягає у переважному прискоренні цільової реакції порівняно з побічними. Вона вимірюється величиною відносної швидкості утворення цільового продукту:

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

де V А- швидкість утворення цільового продукту, розрахована за реагентом А;

A=R- Загальна швидкість реакції (активність).

Виникнення структурної хімії означало, що з'явилася можливість цілеспрямованого якісного перетворення речовин, створення схеми синтезу будь-яких хімічних сполук, зокрема і раніше невідомих.

Характер будь-якої хімічної сполуки залежить не тільки від якісного та кількісного складу, але й від взаємного впливу атомів та будови молекули.

Структура речовини та її властивості

Речовини, що мають однаковий склад, але різну будову називають ізомерами,а саме явище - ізомерією. Наприклад, формулу З 4 Н 8 O має 21 речовину.

Для опису властивостей речовин потрібно знати як склад, а й структуру з'єднання.Особливу важливість має для органічної хімії. Електрони одного хімічного елемента, взаємодіючи з ядром та електронами іншого хімічного елемента, виявляються строго локалізованими (розміщеними) у просторі. Так як електрон - це електромагнітна хвиля з певною областю поширення, то ця область має напрямок. Тобто хімічний зв'язок утворюється у певному напрямку у просторі та задає просторову орієнтацію атомів.

Структура молекули– просторова та енергетична впорядкованість системи, що складається з атомних ядер та електронів.

З просторовою структурою молекули пов'язане важливе явище в органічній хімії, що називається ізомерією.

Ізоміри- Речовини, що мають однаковий склад, але різну структуру молекули.

Структурна хімія стала вищим рівнем по відношенню до вчення про склад речовини. При цьому хімія з науки переважно аналітичної перетворилася на синтетичну науку. Головним досягненням цього етапу розвитку хімії стало встановлення зв'язку між структурою молекул та реакційною здатністю речовин.

Чотири основні стани речовини - плазмовий, газоподібний, рідкий і твердий (перераховані в порядку існування при зниженні температури), відомі давно, проте на сьогодні вчені виділяють ще два стани - низькотемпературні конденсати. Конденсат - новий стан речовини за наднизьких температур - менше 0.00000001 К (!!!), тобто. при температурах нижче за температуру космічного вакууму (у космосі температура близько 3 К).

Покажемо на прикладі твердого тіла вплив атомної структури на властивості матеріалу. Для цього виберемо простий одноатомний матеріал – вуглець.

У твердому стані вуглець може бути кристалічним та аморфним, і кожен його стан має свою назву.

1. Сажа - аморфний вуглець у вигляді порошку тонкого помелу (до теперішнього часу встановлено, що за своєю структурою в сажі, коксі, склоподібному вуглеці та їм подібних матеріалах вуглець різною мірою наближається до графіту. Говорячи про властивості сажі, можна відзначити, що електропровідність сажі дорівнює нулю, тобто сажа - електричний ізолятор.

2. На початок 1960-х років вважалося, що у природі є лише дві кристалічні форми чистого вуглецю, саме три- і двовимірні полімери, тобто. алмаз та графіт. Структура графіту характеризується шарами; атоми в шарах сильно пов'язані один з одним, тоді як міжшарові взаємодії незначні. Тому графіт легко розщеплюється по шарах, він м'який кристалічний матеріал. На відміну від сажі, графіт – дуже гарний провідник електрики.

3. Алмаз має кубічну кристалічну структуру, побудовану все з тих самих атомів вуглецю. На відміну від графіту, алмаз – твердий кристалічний матеріал (можливо, найтвердіший). Такі властивості пов'язані з його структурою, оскільки всі атоми рівновіддалені один від одного і міцно пов'язані один з одним /

4. У 1985 р. було відкрито велику родину сфероподібних вуглецевих молекул – фулеренів. Фулерени - новий вид вуглецю. Це замкнуті молекули типу 60 , 70 , 74 ..., у яких атоми вуглецю перебувають у “сферичної” поверхні. У структурі фулерену С 60 (діаметр молекули становить близько 1 нм) атоми вуглецю розташовані у вершинах правильних шестикутників або п'ятикутників (у конденсованому (кристалічному) стані фулерени називаються фулеритами). Фуллерени знайшли в деяких природних мінералах, наприклад, в карельському шунгите. На основі фулерену були синтезовані нові класи речовин: наприклад, при взаємодії з металами отримані фулериди.

Цікаві властивості цих матеріалів пов'язані із "захопленням всередину" кулі різних атомів - Na, K. Отримані фулериди мають надпровідність (при температурах 19-55 K), а при використанні металів платинової групи додатково виявляються феромагнітні властивості. Цікавою властивістю фулеренів при низьких температурах та тиску є здатність поглинати водень. У зв'язку з цим можна використовувати фулерени як основу для виробництва акумуляторних батарей. У капсулі фулерену можуть поміщатися лікарські препарати, які вибірково доставлятимуться до пошкодженого органу або тканини/

5. Графітові нанотрубки - новий вид вуглецю, отримані 1991 р. Вуглецева нанотрубка може бути представлена ​​як згорнута як циліндра графітова площина. Трубки можуть бути одностінними та багатостінними, якщо отримані з кількох графітових шарів. Діаметр трубки коливається від одного до кількох десятків нанометрів, а довжина може сягати кількох сантиметрів; зазвичай трубки закінчуються напівсферичною головкою. Вуглецеві нанотрубки мають унікальні механічні (дуже міцні), електричні та термічні властивості (електропровідність і теплопровідність наближалися або перевищували показники металів).

6. Нобелівську премію в галузі фізики 2010 року присуджено вихідцям з Росії, які працюють у Великобританії, Андре Гейму та Костянтину Новосьолову "за новаторські експерименти з дослідження двовимірного матеріалу графена". У 2004 році вони експериментально довели можливість отримання особливої ​​форми вуглецю, що є листом товщиною в один атом, з'єднаних у двовимірні кристалічні грати з правильних шестикутників. Іншими словами, графен – це один окремий шар добре відомого графіту. Графен найтонший і найміцніший з відомих матеріалів, з іншого боку він дуже гнучкий, здатний виявляти властивості як провідника (згадаймо графіт), так і напівпровідника.

Сучасна структурна хімія досягла високих результатів. Синтез нових органічних речовин дозволяє отримати корисні та цінні матеріали, які відсутні в природі. Так, щороку у світі синтезують тисячі кілограмів аскорбінової кислоти (вітаміну С), безліч нових ліків, серед яких – нешкідливі антибіотики, ліки проти гіпертонії, виразкової хвороби та ін.

Найостаннішим досягненням структурної хімії є відкриття абсолютно нового класу металорганічних сполук, які за свою двошарову структуру отримали назву сендвічових сполук. Молекула цієї речовини являє собою дві пластини із сполук водню та вуглецю, між якими знаходиться атом будь-якого металу.

Дослідження в галузі сучасної структурної хімії йдуть за двома перспективними напрямками:

1) синтез кристалів з максимальним наближенням до ідеальних ґрат для отримання матеріалів з високими технічними показниками: максимальною міцністю, термічною стійкістю, довговічністю в експлуатації та ін;

2) створення кристалів із заздалегідь запрограмованими дефектами кристалічних ґрат для виробництва матеріалів із заданими електричними, магнітними та іншими властивостями.

3. Загальна характеристика розчинів

Фізичні властивості води абсолютно аномальні.Найдивовижніше з них – це здатність її за нормальних умов бути рідиною. Молекули схожих на неї хімічних сполук (H 2 S або H 2 Se) набагато важчі за воду, але за цих умов газоподібні.

Потрійна точка води, тобто. рівновагу води, льоду та пари,спостерігається при температурі 0,01 ° С та тиску 611 Па (рис. 8.1). Переохолоджена вода, тобто що залишається в рідкому стані нижче 0 ° С, веде себе дивно: з одного боку, щільність її зменшується при зниженні температури, з іншого - наближається до щільності льоду

Надзвичайно великі межі допустимих значень переохолодження та перегрівуводи: можна протримати її в рідкому стані за температури від -40 до +200 °С.

На відміну більшості інших рідин при підвищенні температури її питомий обсяг зменшується, а щільність збільшується, досягаючи мінімуму (відповідно максимуму) при 4 °С. У звичайних рідинах щільність завжди зменшується із зменшенням температури.

При замерзанні об'єм води збільшується до 10%. Щільність води більша за щільність льоду. При плавленні кристалів, коли регулярність пакування іонів порушується, щільність зменшується на 2-4%. Ця властивість води оберігає водоймища від суцільного промерзання, рятуючи в них життя. Лід – поганий провідник теплоти.

Дуже висока теплоємністьводи- при плавленні льоду вона збільшується більш ніж удвічі. Тому моря та океани є гігантськими термостатами, згладжуючи всі коливання температури повітря. До речі, ці функції може виконувати і водяна пара в атмосфері. Відсутність водяної пари в пустелях призводить до різких коливань нічної та денної температур.

Вода – універсальний розчинник. Правило розчинення – подібне розчиняється у такому.

Головна відмінність води - у водневих зв'язках(Рис. 8.2),

Молекула води є маленький диполь,містить позитивний та негативний заряди на полюсах. Якщо з'єднати прямими лініями епіцентри позитивних та негативних зарядів вийде об'ємна геометрична фігура - правильний тетраедр

Комплекс молекул води існує в газоподібному стані, в рідкій воді та у льоду. Але, як встановив Л. Полінг, крига не є кристалом з повною впорядкованістю навіть при ОК. Структура льоду досить пухка: кожна порожнина оточена шістьма молекулами Н 2 0, а кожна молекула - шістьма порожнинами. Розмір цих порожнин такий, що може розміститися одна молекула, не порушуючи каркасу водневих зв'язків.

Речовина є кислотою, якщо вона дисоціює у воді з утворенням іонів водню, і основою, якщо здатне в розчині приєднувати іони водню або утворювати гідроксид іони ВІН. Кислотність чи лужність розчину характеризується показником рН, шкала якого охоплює значення від 0 до 14. Ця логарифмічна шкала, тобто. на ній відкладено логарифми концентрації водневих іонів. Кислотність розчину з рН 5 в 10 разів більша, ніж з рН 6, і в 100 разів більша, ніж з рН 7. Розчин з рН 6 містить одну мільйонну моля іонів водню на 1 л, нейтральному середовищі відповідає рН 7, нижче йдуть більш кислі середовища, а вище – лужні.

Хімічний процес (від латів. processus - просування) являє собою послідовну зміну станів речовини, що є безперервним, єдиним рухом. Процес перетворення одних речовин на інші речовини називається хімічної реакції.

Вант-гофф, використовуючи термодинамічний підхід, класифікував хімічні реакції, а також сформулював основні положення хімічної кінетики.

У кожній клітині йде близько 10000 хімічних реакцій.

Хімічні процеси поділяються на:гомо- ігетерогенні

(залежно від агрегатного стану реагуючих систем),гомо- ендотермічніекзо-

(залежно від кількості теплоти, що виділяється і поглинається),окисно-відновні

(Залежно від зміни ступеня окислення речовини, пов'язаної з переходом електронів від одних атомів (відновник) до інших атомів (окислювач). Вивченням швидкості та особливостей протікання хімічних реакцій займається

Хімічна кінетика.

1) На швидкість хімічної реакції також впливають такі умови та параметри:природа

2) реагуючих речовин (наприклад, лужні метали розчиняються у воді з утворенням лугів та виділенням водню та реакція протікає за звичайних умов моментально, а цинк, залізо та інші реагують повільно та з утворенням оксидів, а шляхетні метали не реагують взагалі);температура

3) . При підвищенні температури кожні 10 °С швидкість реакції збільшується в 2-4 разу (правило Вант-Гоффа). З багатьма речовинами кисень починає реагувати з помітною швидкістю вже за нормальної температури (повільне окислення). У разі підвищення температури починається бурхлива реакція (горіння);Для речовин у розчиненому стані та газів швидкість хімічних реакцій залежить від концентрації реагуючих речовин. Горіння речовин у чистому кисні відбувається інтенсивніше, ніж у повітрі, де концентрація кисню майже в 5 разів менша. Тут справедливий закон діючих мас: за постійної температури швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрації реагуючих речовин;

4)площу поверхні реагування.Для речовин у твердому стані швидкість прямо пропорційна поверхні реагуючих речовин. Залізо та сірка у твердому стані реагують досить швидко лише при попередньому подрібненні та перемішуванні: горіння хмизу та поліна;

5)каталізатор.Швидкість реакції залежить від каталізаторів, речовин, які прискорюють хімічні реакції, але самі при цьому не витрачаються. Ст.Оствальд, досліджуючи умови хімічної рівноваги, дійшов відкриття явища каталізу. Розкладання бертолетової солі та пероксиду водню прискорюється в присутності оксиду марганцю (IV) та ін.

Каталізатори бувають позитивними, що прискорюють реакцію, і негативними (інгібітори) - її сповільнюють.Каталітичне селективне прискорення хімічної реакції називається каталізом і є прийомом сучасної хімічної технології (виробництво полімерних матеріалів, синтетичного палива та ін.). Вважається, що питома вага каталітичних процесів у хімічній промисловості сягає 80%.

Хімічні реакції відбуваються при змішуванні або фізичному контакті реагентів мимовільно, при нагріванні, участі каталізаторів (каталіз), дії світла (фотохімічні реакції), електричного струму (електродні процеси), іонізуючих випромінювань (радіаційно-хімічні реакції), механічного впливу (механохімічні реакції) в низькотемпературній плазмі (плазмохімічні реакції) і т. п. Мимовільне перетворення речовин здійснюється за умови, що вони мають енергію, достатню для подолання потенційного бар'єру, що розділяє вихідний і кінцевий стан системи (Енергія активації).

Класифікація

Існує велика кількість ознак, якими можна класифікувати хімічні реакції.

За фазовим складом реагуючої системи

• Гомогенні гомофазні реакції.

У реакціях такого типу реакційна суміш є гомогенною, а реагенти та продукти належать одній і тій же фазі. Прикладом таких реакцій можуть бути реакції іонного обміну, наприклад, нейтралізація кислоти та лугу в розчині:

NaOH (р.) + HCl (р.) → NaCl (р.) + H 2 O

• Гетерогенні гетерофазні реакції

У цьому випадку реагенти знаходяться в різному фазовому стані, продукти реакції також можуть перебувати в будь-якому фазовому стані. Реакційний процес протікає межі розділу фаз. Прикладом може бути реакція солей вугільної кислоти (карбонатів) з кислотами Бренстеда:

CaCO 3 (т.) + 2HCl (р.) → CaCl 2 (р.) + CO 2 (р.) + H 2 O(ж.)

• Гетерогенні гомофазні реакції

Такі реакції протікають у межах однієї фази, проте реакційна суміш є гетерогенною. Наприклад, реакція утворення хлориду амонію з газоподібних хлороводню та аміаку:

NH 3 (р.) + HCl (р.) → NH 4 Cl (т.)

• Гомогенні гетерофазні реакції

Реагенти та продукти у такій реакції існують у межах однієї фази, проте реакція протікає на поверхні розділу фаз. Прикладом таких реакцій є деякі гетерогенно-каталітичні реакції, наприклад, реакція синтезу аміаку з водню та азоту:

По зміні ступенів окиснення реагентів

У цьому випадку розрізняють

• Окисно-відновні реакції,

у яких атоми одного елемента (окислювача) відновлюються, тобто знижують свій рівень окислення, А атоми іншого елемента (відновника) окислюються, тобто підвищують свій рівень окислення. Приватним випадком окислювально-відновних реакцій є реакції диспропорціонування, в яких окислювачем і відновником є ​​атоми одного і того ж елемента, що знаходяться в різних ступенях окислення.

Приклад окислювально-відновної реакції - горіння водню (відновник) у кисні (окислювач) з утворенням води:

2H 2 + O 2 = 2H 2 O

Приклад реакції диспропорціонування – реакція розкладання нітрату амонію при нагріванні. Окислювачем у цьому випадку виступає азот (+5) нітрогрупи, а відновником - азот (-3) катіону амонію:

• NH 4 NO 3 = N 2 O + 2H 2 O (до 250 ° C)

Не окислювально-відновні реакції - відповідно реакції, в яких не відбувається зміни ступенів окислення атомів, наприклад, зазначена вище реакція нейтралізації.

По тепловому ефекту реакції

• Усі реакції супроводжуються тепловими ефектами. При розриві хімічних зв'язків у реагентах виділяється енергія, яка переважно йде на утворення нових хімічних зв'язків. У деяких реакціях енергії цих процесів близькі, і в такому разі загальний тепловий ефект реакції наближається до нуля. В інших випадках можна виділити

екзотермічні реакції, які йдуть звиділенням тепла,

• ендотермічні реакції,

під час яких тепло поглинається(Негативний тепловий ефект) з навколишнього середовища.

Тепловий ефект реакції (ентальпію реакції, r H), часто має дуже важливе значення, можна обчислити за законом Гесса, якщо відомі ентальпії утворення реагентів і продуктів. Коли сума ентальпій продутів менша від суми ентальпій реагентів (Δ r H< 0) наблюдается виділення тепла, інакше (Δ r H > 0) - поглинання.

За типом перетворень реагуючих частинок

• з'єднання: 2Cu + O 2 = 2CuO,
• розкладання: 2HgO = 2Hg + O 2 ,
• заміщення: Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu,
• обміну: NaCl + H 2 SO 4 = HCl + NaHSO 4 .

Хімічні реакції завжди супроводжуються фізичними ефектами: поглинанням та виділенням енергії, наприклад у вигляді теплопередачі, зміною агрегатного стану реагентів, зміною забарвлення реакційної суміші та ін. Саме за цими фізичними ефектами часто судять про перебіг хімічних реакцій.

Хімічні процеси, які у речовині, відрізняються і зажадав від фізичних процесів, і зажадав від ядерних перетворень. У фізичних процесах речовини, що беруть участь, зберігають незмінними свої властивості, але можуть змінювати зовнішню форму або агрегатний стан.

У хімічних процесах (хімічних реакціях) утворюються нові речовини з відмінними від реагентів властивостями, але ніколи не утворюються атоми нових елементів. В атомах елементів, що беруть участь у реакції, обов'язково відбуваються видозміни електронної оболонки.

У ядерних реакціях відбуваються зміни в атомних ядрах всіх елементів, що беруть участь, що призводить до утворення атомів нових елементів.

За допомогою хімічних реакцій можна отримувати практично важливі речовини, які в природі знаходяться в обмежених кількостях, наприклад, азотні добрива, або взагалі не зустрічаються з якихось причин, наприклад, сульфаніламіди та інші синтетичні лікарські препарати, поліетилен та інші пластмаси. Хімія дозволяє синтезувати нові, невідомі природі речовини, необхідні життєдіяльності людини . Разом з тим, невміла або безвідповідальна хімічна дія на навколишнє середовище і на природні процеси, що протікають, може призвести до порушення природних хімічних циклів, що робить актуальною екологічну проблему (забруднення навколишнього середовища) і ускладнює завдання раціонального використання природних ресурсів і збереження природного середовища проживання. .

Література

• Хімія: Справ. вид. / Ст Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бібрак та ін: Пер. з ним. - М: Хімія, 1989.