A vadon élő állatokban megfigyelt, valamint az emberi tevékenység eredményeként fellépő vegyületek kölcsönös átalakulása kémiai folyamatnak tekinthető. A bennük lévő reagensek lehetnek két vagy több anyag, amelyek azonos vagy eltérő aggregációs állapotban vannak. Ettől függően homogén vagy heterogén rendszereket különböztetnek meg. A lebonyolítás feltételeivel, a kurzus jellemzőivel és a kémiai folyamatok természetben betöltött szerepével foglalkozunk ebben a cikkben.
Mit értünk kémiai reakció alatt?
Ha a kiindulási anyagok kölcsönhatása következtében molekuláik alkotórészei változáson mennek keresztül, és az atommagok töltései változatlanok maradnak, akkor kémiai reakciókról vagy folyamatokról beszélnek. Az áramlásuk eredményeként keletkező termékeket az ember az iparban, a mezőgazdaságban és a mindennapi életben hasznosítja. Óriási számú interakciószubsztanciák között előfordul, mind az élő, mind az élettelen természetben. A kémiai folyamatok alapvetően különböznek a radioaktivitás fizikai jelenségeitől és tulajdonságaitól. Új anyagok molekulái képződnek bennük, miközben a fizikai folyamatok nem változtatják meg a vegyületek összetételét, a magreakciók során pedig új kémiai elemek atomjai keletkeznek.
A folyamatok megvalósításának feltételei a kémiában
Különbözőek lehetnek, és elsősorban a reagensek természetétől, a kívülről beáramló energiaigénytől, valamint az aggregáció állapotától (szilárd anyagok, oldatok, gázok) függenek, amelyben a folyamat végbemegy. Két vagy több vegyület közötti kölcsönhatás kémiai mechanizmusa végrehajtható katalizátorok (például salétromsav előállítása), hőmérséklet (ammónia kinyerése), fényenergia (fotoszintézis) hatására. Az élőtermészetben enzimek részvételével elterjedtek az erjedés (alkohol, tejsav, vajsav) kémiai reakcióinak folyamatai, amelyeket az élelmiszeriparban és a mikrobiológiai iparban alkalmaznak. A szerves szintézis iparban történő termékek előállításához az egyik fő feltétel a kémiai folyamat szabad gyökös mechanizmusának jelenléte. Példa erre a metán klórszármazékainak (diklór-metán, triklór-metán, szén-tetraklorid) előállítása, amelyek láncreakciókból származnak.
Hogén katalízis
Két vagy több anyag közötti érintkezés speciális típusai. A homogén fázisban (például gáz - gáz) lejátszódó kémiai folyamatok lényege gyorsítók részvételévelreakciók, a reakciók a keverék teljes térfogatában történő végrehajtásából állnak. Ha a katalizátor ugyanolyan aggregált állapotban van, mint a reaktánsok, akkor mobil intermedier komplexeket képez a kiindulási vegyületekkel.
A homogén katalízis egy alapvető kémiai folyamat, amelyet például olajfinomításnál, benzinnél, benzinnél, gázolajnál és más üzemanyagoknál használnak. Olyan technológiákat használ, mint a reformálás, izomerizálás, katalitikus krakkolás.
Heterogén katalízis
Heterogén katalízis esetén a reagensek érintkezése leggyakrabban magának a katalizátornak a szilárd felületén történik. Úgynevezett aktív központok képződnek rajta. Ezek olyan területek, ahol a reagáló vegyületek kölcsönhatása nagyon gyorsan megy végbe, vagyis nagy a reakciósebesség. Fajspecifikusak, és akkor is fontos szerepet játszanak, ha élő sejtekben kémiai folyamatok mennek végbe. Aztán az anyagcseréről – anyagcsere-reakciókról – beszélnek. A heterogén katalízisre példa a szulfátsav ipari előállítása. Az érintkező berendezésben kén-dioxid és oxigén gázhalmazállapotú keverékét melegítik, és rácsos polcokon vezetik át, amelyek VOSO4 vanádium-oxid vagy vanadil-szulfát diszpergált porával vannak megtöltve. A kapott terméket, a kén-trioxidot ezután tömény kénsav abszorbeálja. Egy óleum nevű folyadék keletkezik. Vízzel hígítható a kívánt szulfátsav-koncentráció eléréséhez.
A termokémiai reakciók jellemzői
Az energia hő formájában történő felszabadulása vagy elnyelése nagy gyakorlati jelentőséggel bír. Elég csak felidézni az üzemanyagok égési reakcióit: földgáz, szén, tőzeg. Ezek fizikai és kémiai folyamatok, amelyek fontos jellemzője az égéshő. A termikus reakciók mind a szerves világban, mind az élettelen természetben elterjedtek. Például az emésztés során a fehérjék, lipidek és szénhidrátok biológiailag aktív anyagok – enzimek – hatására lebomlanak.
A felszabaduló energia ATP-molekulák makroerg kötései formájában halmozódik fel. A disszimilációs reakciók energia felszabadulásával járnak, melynek egy része hő formájában disszipálódik. Az emésztés eredményeként minden gramm fehérje 17,2 kJ energiát biztosít, a keményítő - 17,2 kJ, a zsír - 38,9 kJ. Az energiát felszabadító kémiai folyamatokat exotermnek, az energiát elnyelő kémiai folyamatokat endotermnek nevezzük. A szerves szintézis iparban és más technológiákban a termokémiai reakciók termikus hatásait számítják ki. Ezt fontos tudni például a reaktorok és szintézisoszlopok felfűtéséhez felhasznált energia mennyiségének helyes kiszámításához, amelyekben a reakciók végbemennek, és ezt a hőfelvétel kíséri.
Kinetika és szerepe a kémiai folyamatok elméletében
A részecskék (molekulák, ionok) reakciósebességének kiszámítása az iparág előtt álló legfontosabb feladat. Megoldása biztosítja a vegyipari gyártás technológiai ciklusainak gazdaságosságát és jövedelmezőségét. A növelésértegy ilyen reakció sebessége, mint például az ammónia szintézise, a döntő tényezők a nyomás változása nitrogén és hidrogén gázelegyben 30 MPa-ig, valamint a hőmérséklet hirtelen emelkedésének megakadályozása (a hőmérséklet 450-550 °C az optimális).
A szulfátsav előállításához használt kémiai eljárások, nevezetesen: piritégetés, kén-dioxid oxidáció, kén-trioxid óleum általi abszorpciója, különféle körülmények között zajlanak. Ehhez piritkemencét és érintkezőeszközöket használnak. Figyelembe veszik a reagensek koncentrációját, a hőmérsékletet és a nyomást. Mindezek a tényezők összefüggenek azzal, hogy a reakció a legnagyobb sebességgel megy végbe, ami 96-98%-ra növeli a szulfátsav hozamát.
Az anyagok körforgása mint fizikai és kémiai folyamatok a természetben
A jól ismert mondás: „A mozgás az élet” olyan kémiai elemekre is alkalmazható, amelyek különféle kölcsönhatásba lépnek (kombinációs, helyettesítési, bomlási, cserereakciók). A kémiai elemek molekulái és atomjai állandó mozgásban vannak. Amint azt a tudósok megállapították, az összes fenti típusú kémiai reakciót fizikai jelenségek kísérhetik: hő felszabadulása vagy abszorpciója, fényfotonok kibocsátása, az aggregációs állapot megváltozása. Ezek a folyamatok a Föld minden héjában előfordulnak: litoszférában, hidroszférában, légkörben, bioszférában. Ezek közül a legjelentősebbek az olyan anyagok körforgása, mint az oxigén, a szén-dioxid és a nitrogén. A következő címsorban azt nézzük meg, hogyan kering a nitrogén a légkörben, a talajban ésélő szervezetek.
A nitrogén és vegyületeinek interkonverziója
Köztudott, hogy a nitrogén a fehérjék szükséges összetevője, ami azt jelenti, hogy kivétel nélkül részt vesz a földi élet minden fajtájának kialakulásában. A nitrogént a növények és állatok ionok formájában szívják fel: ammónium-, nitrát- és nitrit-ionok. A fotoszintézis eredményeként a növények nemcsak glükózt, hanem aminosavakat, glicerint és zsírsavakat is képeznek. A fenti kémiai vegyületek mindegyike a Calvin-ciklusban végbemenő reakciók terméke. A kiváló orosz tudós, K. Timirjazev a zöld növények kozmikus szerepéről beszélt, többek között fehérjeszintetizáló képességükre utalva.
A növényevők növényi élelmiszerekből, míg a húsevők zsákmányhúsból szerzik be peptideiket. A szaprotróf talajbaktériumok hatására a növényi és állati maradványok bomlása során összetett biológiai és kémiai folyamatok mennek végbe. Ennek eredményeként a szerves vegyületek nitrogénje szervetlen formába megy át (ammónia, szabad nitrogén, nitrátok és nitritek képződnek). Visszatérve a légkörre és a talajra, ezeket az anyagokat ismét felszívják a növények. A nitrogén a levelek bőrének sztómáin keresztül jut be, a salétromsav és a salétromsav oldatait és sóit pedig a növények gyökereinek gyökérszőrei szívják fel. A nitrogén átalakulás ciklusa bezárul, hogy ismét megismétlődjön. A természetben a nitrogénvegyületekkel végbemenő kémiai folyamatok lényegét a 20. század elején részletesen tanulmányozta D. N. Prjanisnyikov orosz tudós.
Porkohászat
A modern kémiai eljárások és technológiák jelentősen hozzájárulnak az egyedi fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkező anyagok létrehozásához. Ez elsősorban az olajfinomítók, a szervetlen savakat, színezékeket, lakkokat és műanyagokat gyártó vállalkozások műszerei és berendezései számára fontos. Gyártásukban hőcserélőket, érintkező eszközöket, szintézis oszlopokat, csővezetékeket használnak. A berendezés felülete nagy nyomású agresszív közeggel érintkezik. Ezenkívül szinte minden vegyi gyártási folyamatot magas hőmérsékleten hajtanak végre. Lényeges a magas hő- és savállóságú, korróziógátló tulajdonságú anyagok gyártása.
A porkohászat magában foglalja a fémtartalmú porok előállítását, a szinterezést és a kémiailag agresszív anyagokkal való reakciókban használt modern ötvözetekbe való bedolgozást.
Kompozitok és jelentésük
A modern technológiák közül a legfontosabb kémiai folyamatok a kompozit anyagok előállításának reakciói. Ide tartoznak a habok, cermetek, norpapalsták. A gyártás mátrixaként fémeket és ötvözeteiket, kerámiákat és műanyagokat használnak. Töltőanyagként kalcium-szilikátot, fehér agyagot, stronciumot és bárium-ferridet használnak. A fenti anyagok mindegyike ütésállóságot, hő- és kopásállóságot biztosít a kompozit anyagoknak.
Mi az a vegyészmérnöki
Azt a tudományágat, amely a nyersanyagok: olaj, földgáz, szén, ásványok feldolgozásának reakcióiban alkalmazott eszközöket és módszereket vizsgálja, vegyi technológiának nevezték. Más szóval, ez az emberi tevékenység eredményeként fellépő kémiai folyamatok tudománya. Teljes elméleti alapját a matematika, a kibernetika, a fizikai kémia és az ipari közgazdaságtan alkotja. Nem mindegy, hogy milyen kémiai folyamat zajlik a technológiában (nitrátsav kinyerése, mészkő lebontása, fenol-formaldehid műanyagok szintézise) - modern körülmények között lehetetlen az emberi tevékenységet elősegítő, a környezetszennyezést kiküszöbölő, a környezetszennyezést kiküszöbölő automatizált vezérlőrendszerek nélkül. folyamatos és hulladékmentes vegyszergyártás technológia.
Ebben a cikkben példákat vettünk figyelembe a vadon élő állatokban (fotoszintézis, disszimiláció, nitrogénkörforgás) és az iparban előforduló kémiai folyamatokra.
