Ne jugeons pas trop vite les choses les plus significatives.

Héraclite

Processus chimique(de lat. processus- avancement) est un changement séquentiel des états de la matière, un lien étroit entre les étapes successives de développement, représentant un mouvement continu et unifié. L'étude des processus chimiques est un domaine scientifique dans lequel il existe une interpénétration la plus profonde de la physique, de la chimie et de la biologie. Les processus chimiques sont divisés en : homo- Et hétérogène(en fonction de l'état d'agrégation des systèmes réactifs), exo- Et endothermique(en fonction de la quantité de chaleur dégagée et absorbée), oxydant, réducteur(en fonction du rapport à l'oxygène), etc.

Tous les processus qui se déroulent autour de nous peuvent être regroupés en trois grands groupes.

1. Processus spontanés pouvant être utilisés
pour produire de l’énergie ou faire du travail. Termes
le déroulement de processus spontanés ou les lois de la thermo
les dynamiques qui les caractérisent sont : a) dans un contexte isolé
système, c'est-à-dire dans un système pour lequel toute matière est exclue
échange nal ou énergétique avec l’environnement, montant
tous les types d’énergie sont constants ; b) changer
l'enthalpie (effet thermique du processus, AH) dépend uniquement de
type et état des substances et produits de départ et ne dépend pas
du chemin de transition. C'est ce qu'on appelle la loi de Hess et elle est formulée
fondée par lui en 1840

2. Processus qui nécessitent des coûts
l'énergie ou le travail effectué.

3. Auto-organisation d'un système chimique, c'est-à-dire autoproduction
un processus gratuit qui se déroule sans changer l'énergie
réserve du système, se produit uniquement dans la direction dans laquelle

l'ordre dans le système augmente, c'est-à-dire là où l'entropie diminue.

La capacité de divers réactifs chimiques à interagir est déterminée non seulement par leur structure atomique-moléculaire, mais également par les conditions dans lesquelles les réactions chimiques se produisent. Le processus de conversion d’une substance en une autre s’appelle une réaction chimique. Les conditions d'apparition de processus chimiques comprennent tout d'abord les facteurs thermodynamiques qui caractérisent la dépendance des réactions à la température, à la pression et à certaines autres conditions. La vitesse d'une réaction chimique est également affectée par les conditions et paramètres suivants :

1) nature substances en réaction (par exemple, les métaux alcalins se dissolvent dans l'eau avec formation d'alcalis et libération d'hydrogène, et la réaction se déroule instantanément dans des conditions normales, tandis que le zinc, le fer et d'autres réagissent lentement et forment des oxydes, et les métaux nobles ne réagissent pas à tous);

2) température. Pour chaque augmentation de température de 10 °C, la vitesse de réaction augmente de 2 à 4 fois (règle de Van't Hoff). L'oxygène commence à réagir avec de nombreuses substances à une vitesse notable déjà à des températures ordinaires (oxydation lente). À mesure que la température augmente, une violente réaction (combustion) commence ;

3) concentration. Pour les substances dissoutes et les gaz, la vitesse des réactions chimiques dépend de la concentration des substances en réaction. La combustion de substances dans l'oxygène pur se produit plus intensément que dans l'air, où la concentration en oxygène est presque 5 fois inférieure. La loi de l'action de masse s'applique ici : à température constante, la vitesse d'une réaction chimique est directement proportionnelle au produit de la concentration des substances en réaction ;

4) surface de réaction. Pour les substances à l'état solide, le taux est directement proportionnel à la surface des substances en réaction. Le fer et le soufre à l'état solide ne réagissent assez rapidement qu'avec un broyage et un mélange préalables : combustion de broussailles et de bûches ;

5) catalyseur. La vitesse d'une réaction dépend des catalyseurs, des substances qui accélèrent les réactions chimiques sans être consommées. La décomposition du sel de Berthollet et du peroxyde d'hydrogène est accélérée en présence d'oxyde de manganèse (IV), etc.

Pour entrer dans une réaction chimique, il est nécessaire de franchir une certaine barrière énergétique correspondant à l'énergie d'activation, dont la possibilité d'accumulation dépend fortement de la température. De nombreuses réactions ne peuvent pas prendre fin avant longtemps. Dans ce cas, on dit que la réaction a atteint l’équilibre chimique. Un système chimique est en état d’équilibre si les trois conditions suivantes sont remplies :

1) aucun changement d'énergie ne se produit dans le système (H = 0) ;

2) il n'y a pas de changement dans le degré de désordre (, S = 0) ;

3) le potentiel isobare ne change pas (J = 0).

Van't Toff, utilisant une approche thermodynamique, a classé les réactions chimiques et a également formulé les principes de base de la cinétique chimique. La cinétique chimique étudie les vitesses des réactions chimiques. Le Chatelier a formulé la loi du déplacement de l'équilibre chimique dans les réactions chimiques sous l'influence de facteurs externes - température, pression, etc. Selon le principe de Le Chatelier, si un système en état d'équilibre chimique est soumis à une influence externe (température, la pression ou la concentration change), alors la position d'équilibre de la réaction chimique se déplace dans le sens qui affaiblit cet effet.

Les réactions chimiques sont classées en fonction des changements dans la qualité des substances de départ et des produits de réaction dans les types suivants :

réactions de connexion- des réactions dans lesquelles plusieurs substances forment une substance, plus complexe que celles d'origine ;

réactions de décomposition- les réactions dans lesquelles plusieurs substances sont formées à partir d'une substance complexe ;

réactions de substitution- des réactions dans lesquelles des atomes d'un élément remplacent un atome d'un autre élément dans une substance complexe et en même temps deux nouveaux se forment - simples et complexes ;

échanger des réactions- les réactions dans lesquelles les substances réactives échangent leurs éléments constitutifs, entraînant

à partir de laquelle deux substances complexes se transforment en deux nouvelles substances complexes.

Selon l'effet thermique, les réactions chimiques peuvent être divisées en exothermique- avec dégagement de chaleur et endothermique- avec absorption de chaleur. Compte tenu du phénomène de catalyse, les réactions peuvent être catalytique- en utilisant des catalyseurs et non catalytique- sans utilisation de catalyseurs. Sur la base de la réversibilité, les réactions sont divisées en réversible Et irréversible.

DANS. Ostwald, étudiant les conditions de l'équilibre chimique, découvrit le phénomène de catalyse. Il s'est avéré que la nature et surtout la vitesse des réactions dépendent dans une large mesure des conditions cinétiques, qui sont déterminées par la présence de catalyseurs et d'autres additifs aux réactifs, ainsi que par l'influence des solvants, des parois du réacteur et d'autres conditions. Phénomène catalyse- accélération sélective des processus chimiques en présence de substances (catalyseurs) qui participent aux processus intermédiaires mais sont régénérées à la fin de la réaction, largement utilisée dans l'industrie, par exemple, fixation de l'azote et de l'hydrogène, méthode de contact pour la production de sulfurique acide et bien d'autres. La synthèse de l'ammoniac a été réalisée pour la première fois en 1918 sur la base des travaux de Haber, K. Bosch et A. Mittash en utilisant un catalyseur constitué de fer métallique additionné d'oxydes de potassium et d'aluminium, à une température de 450-550 °C et une pression de 300 à 1000 atmosphères. Actuellement, une grande attention est accordée à l'utilisation de catalyseurs organométalliques et complexes métalliques, caractérisés par une sélectivité et une action sélective élevées. Le même processus de synthèse de l'ammoniac à l'aide d'un catalyseur organométallique a pu être réalisé à température normale (18 °C) et à pression atmosphérique normale, ce qui ouvre de grandes perspectives dans la production d'engrais minéraux azotés. Le rôle de la catalyse est particulièrement important en synthèse organique. Le plus grand succès dans cette direction doit être reconnu comme la production de caoutchouc synthétique artificiel à partir d'alcool éthylique, réalisée par l'académicien soviétique S.V. Lebedev dans les années 20 du 20e siècle.

Les enzymes, ou biocatalyseurs, jouent un rôle exceptionnel dans les processus biologiques et la technologie des substances d'origine végétale et animale, ainsi qu'en médecine. Actuellement, plus de 750 enzymes sont connues et leur nombre augmente chaque année. Les enzymes sont des catalyseurs bifonctionnels et polyfonctionnels, car il existe ici un effet coordonné de deux ou plusieurs groupes de catalyseurs de nature différente dans le centre actif de l'enzyme sur la polarisation de certaines liaisons du substrat. Le même concept sous-tend l'action catalytique de l'enzyme et la théorie de la cinétique de l'action enzymatique. La principale différence entre les enzymes et les autres catalyseurs réside dans leur activité exceptionnellement élevée et leur spécificité prononcée.

L'auto-organisation des systèmes chimiques en systèmes biologiques, leur unité et leur interconnexion confirment la synthèse de composés organiques à partir de composés inorganiques. En 1824, le chimiste allemand F. Wöhler, élève de Berzelius, obtint pour la première fois l'acide oxalique HOOC-COOH, un composé organique, à partir du cyanogène inorganique N-C-C-N en le chauffant avec de l'eau. Une nouvelle substance organique a également été obtenue - l'urée (carbamide) à partir du cyanure d'ammonium. En 1854 en France, M. Berthelot obtenait de la graisse synthétique. Les plus grands succès de la chimie se situent dans les années 50 et 60. XXe siècle fut la première synthèse de protéines simples - l'hormone insuline et l'enzyme ribonucléose.

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Introduction

Sous l'influence de nouvelles exigences de production, la doctrine des processus chimiques est née, qui prend en compte les modifications des propriétés d'une substance sous l'influence de la température, de la pression, des solvants et d'autres facteurs. Après cela, la chimie devient une science non seulement et non pas tant sur les substances que sur les objets complets, mais aussi une science sur les processus et les mécanismes de changement dans la matière. Grâce à cela, elle a assuré la création de la production de matériaux synthétiques qui remplacent le bois et le métal dans les travaux de construction, les matières premières alimentaires dans la production d'huile siccative, de vernis, de détergents et de lubrifiants. La production de fibres artificielles, de caoutchoucs, d'alcool éthylique et de nombreux solvants a commencé à être basée sur des matières premières pétrolières, et la production d'engrais azotés était basée sur l'azote de l'air. La technologie de production pétrochimique a émergé avec ses systèmes de flux offrant des processus continus et performants. électron de réaction chimique

Ainsi, dès 1935, des matériaux tels que le cuir, la fourrure, le caoutchouc, les fibres, les détergents, l'huile siccative, les vernis, l'acide acétique, l'alcool éthylique étaient entièrement produits à partir de matières premières animales et végétales, y compris alimentaires. Des dizaines de millions de tonnes de céréales, de pommes de terre, de graisses, de cuir brut, etc. ont été dépensées à cet effet. Mais déjà dans les années 1960. 100 % d'alcool technique, 80 % de détergents, 90 % d'huiles siccatives et de vernis, 40 % de fibres, 70 % de caoutchouc et environ 25 % de cuir ont été fabriqués à partir de matières premières gazeuses et pétrolières. En outre, l'industrie chimique produit chaque année des centaines de milliers de tonnes d'urée et de protéines pétrolières destinées à l'alimentation du bétail, ainsi qu'environ 200 millions de tonnes d'engrais.

Des succès aussi impressionnants ont été obtenus sur la base de l'étude des processus chimiques - un domaine scientifique dans lequel l'intégration la plus profonde de la physique, de la chimie et de la biologie a été réalisée. Cette doctrine est basée sur la thermodynamique chimique et la cinétique, cette section de la science appartient donc également à la physique et à la chimie. L'un des fondateurs de cette direction scientifique était le chimiste russe N.N. Semenov est lauréat du prix Nobel, fondateur de la physique chimique. Lors de sa conférence Nobel en 1965, il a déclaré que le processus chimique est le phénomène fondamental qui distingue la chimie de la physique et en fait une science plus complexe. Le processus chimique devient la première étape dans l'ascension d'objets physiques relativement simples comme un électron, un proton, un atome, une molécule, vers des systèmes vivants complexes à plusieurs niveaux. Après tout, toute cellule d’un organisme vivant est essentiellement une sorte de réacteur complexe. La chimie devient donc un pont entre les objets de la physique et les objets de la biologie.

L'étude des processus chimiques repose sur l'idée que la capacité d'interagir de divers réactifs chimiques est déterminée, entre autres, par les conditions des réactions chimiques. Ces conditions peuvent affecter la nature et les résultats des réactions chimiques.

La grande majorité des réactions chimiques sont à la merci des éléments. Bien entendu, il existe des réactions qui ne nécessitent pas de contrôles ni de conditions particulières. Ce sont les réactions bien connues d’interaction acido-basique (neutralisation). Cependant, la grande majorité des réactions sont difficiles à contrôler. Il existe des réactions qui ne peuvent tout simplement pas être réalisées, même si elles sont en principe réalisables. Il existe des réactions difficiles à arrêter : les combustions et les explosions. Et enfin, il existe des réactions difficiles à introduire dans une direction souhaitée, car elles créent spontanément des dizaines de branches imprévues avec la formation de centaines de sous-produits. Par conséquent, la tâche la plus importante des chimistes est la capacité de contrôler les processus chimiques et d’obtenir les résultats souhaités.

Méthodes de contrôle des processus chimiques

Dans leur forme la plus générale, les méthodes de contrôle des processus chimiques peuvent être divisées en méthodes thermodynamiques et cinétiques.

Les méthodes thermodynamiques influencent le changement de l'équilibre chimique d'une réaction. Les méthodes cinétiques affectent la vitesse d'une réaction chimique.

L'émergence de la thermodynamique chimique en tant que direction indépendante est généralement associée à la parution en 1884 du livre « Essais sur la dynamique chimique » du chimiste néerlandais J. van't Hoff. Il justifie les lois qui établissent la dépendance de la direction d'une réaction chimique aux changements de température et à l'effet thermique de la réaction. L'énergie des processus chimiques est étroitement liée aux lois de la thermodynamique. Les réactions chimiques qui libèrent de l’énergie sont appelées réactions exothermiques. En eux, l'énergie est libérée simultanément avec une diminution de l'énergie interne du système. Il existe également des réactions endothermiques qui se produisent lors de l’absorption d’énergie. Dans ces réactions, l’énergie interne du système augmente en raison de l’afflux de chaleur. En mesurant la quantité d'énergie libérée lors d'une réaction (l'effet thermique d'une réaction chimique), on peut juger de l'évolution de l'énergie interne du système.

Parallèlement, le chimiste français A. Le Chatelier formule son célèbre principe d'équilibre mobile, dotant les chimistes de méthodes permettant de déplacer l'équilibre vers la formation de produits cibles. Ces méthodes de contrôle sont appelées méthodes thermodynamiques.

Toute réaction chimique est en principe réversible, mais en pratique l’équilibre se déplace dans un sens ou dans l’autre. Cela dépend à la fois de la nature des réactifs et des conditions du procédé. Il existe de nombreuses réactions dans lesquelles l'équilibre se déplace vers la formation de produits finaux : il s'agit notamment de la réaction de neutralisation, des réactions avec élimination des produits finis sous forme de gaz ou de précipitation.

Cependant, il existe de nombreuses réactions chimiques dans lesquelles l'équilibre est déplacé vers la gauche, vers la formation des substances de départ. Pour les réaliser, des leviers thermodynamiques spéciaux sont nécessaires - une augmentation de la température et de la pression (si la réaction se produit en phase gazeuse), ainsi que la concentration des réactifs (si la réaction se produit en phase liquide).

Les méthodes thermodynamiques influencent principalement la direction des processus chimiques plutôt que leur vitesse.

La vitesse des processus chimiques est contrôlée par la cinétique chimique, qui étudie la dépendance du déroulement des processus chimiques à divers facteurs structurels et cinétiques - la structure des réactifs initiaux, leur concentration, la présence de catalyseurs et autres additifs dans le réacteur, méthodes du mélange des réactifs, du matériau et de la conception du réacteur, etc. La tâche d’étudier les réactions chimiques est très difficile. Après tout, pour le résoudre, il est nécessaire de découvrir le mécanisme d'interaction non seulement de deux réactifs, mais également de « tiers corps », qui peuvent être plusieurs. Dans ce cas, une solution étape par étape est la plus appropriée, dans laquelle l'effet le plus puissant de l'un des « tiers corps », le plus souvent un catalyseur, est isolé en premier.

De plus, il faut comprendre que presque toutes les réactions chimiques ne sont en aucun cas une simple interaction de réactifs initiaux, mais des chaînes complexes d'étapes successives, où les réactifs interagissent non seulement entre eux, mais aussi avec les parois du réacteur, qui peut à la fois catalyser (accélérer) et inhiber (ralentir) le processus.

De plus, l'intensité des processus chimiques est influencée par des impuretés aléatoires. Les substances de divers degrés de pureté se manifestent dans certains cas comme des réactifs plus actifs et dans d'autres comme inertes. Les impuretés peuvent avoir des effets à la fois catalytiques et inhibiteurs. Par conséquent, pour contrôler le processus chimique, certains additifs sont ajoutés aux substances en réaction.

Ainsi, l’influence des « corps tiers » sur le déroulement des réactions chimiques peut être réduite à la catalyse, c’est-à-dire un effet positif sur un processus chimique ou une inhibition qui restreint le processus.

Comme indiqué ci-dessus, la capacité des éléments chimiques à interagir est déterminée non seulement par leur structure moléculaire, mais également par les conditions dans lesquelles la connexion se produit. Ces conditions influencent le résultat des réactions chimiques. Le plus grand impact est ressenti par les substances à composition variable, dans lesquelles les connexions entre les composants individuels sont plus faibles. C'est la réaction de ces substances sur laquelle divers catalyseurs ont une forte influence.

La catalyse est l'accélération d'une réaction chimique en présence de substances spéciales - des catalyseurs qui interagissent avec des réactifs, mais ne sont pas consommés dans la réaction et ne font pas partie des produits finaux. La catalyse a été découverte en 1812 par le chimiste russe K.S. Kirchhoff. Les processus catalytiques diffèrent par leur nature physique et chimique selon les types suivants :

* catalyse hétérogène - une réaction chimique d'interaction de réactifs liquides ou gazeux se produit à la surface d'un catalyseur solide ;

* catalyse homogène - une réaction chimique se produit soit dans un mélange gazeux, soit dans un liquide où le catalyseur et les réactifs sont dissous ;

* électrocatalyse - la réaction se produit à la surface de l'électrode en contact avec la solution et sous l'influence du courant électrique ;

* photocatalyse - la réaction se produit à la surface d'un solide ou dans une solution liquide et est stimulée par l'énergie du rayonnement absorbé.

La catalyse hétérogène est la plus répandue ; elle permet de réaliser 80 % de toutes les réactions catalytiques de la chimie moderne.

L’utilisation de catalyseurs a servi de base à un changement radical dans l’ensemble de l’industrie chimique. Grâce à eux, il est devenu possible d'utiliser les paraffines et les cycloparaffines, jusqu'alors considérées comme « chimiques mortes », comme matières premières de synthèse organique. La catalyse est nécessaire dans la production de margarine, de nombreux produits alimentaires et de produits phytopharmaceutiques. La quasi-totalité de l'industrie de la chimie de base (production d'acides, de bases et de sels inorganiques) et de synthèse organique « lourde », y compris la production de carburants et de lubrifiants, repose sur la catalyse. Récemment, la synthèse organique fine est devenue de plus en plus catalytique. 60 à 80 % de toute la chimie est basée sur des processus catalytiques. Les chimistes, non sans raison, disent que les processus non catalytiques n'existent pas du tout, puisqu'ils se déroulent tous dans des réacteurs dont le matériau des parois sert en quelque sorte de catalyseur.

Pendant longtemps, la catalyse elle-même est restée un mystère de la nature, donnant lieu à une grande variété de théories, tant purement chimiques que physiques. Ces théories, même erronées, se sont révélées utiles, ne serait-ce que parce qu’elles ont conduit les scientifiques à de nouvelles expériences. Le fait est que pour la plupart des procédés chimiques importants sur le plan industriel, les catalyseurs ont été sélectionnés au terme d’innombrables essais et erreurs. Ainsi, par exemple, pour la réaction de synthèse de l'ammoniac en 1913-1914. Les chimistes allemands ont essayé plus de 20 000 composés chimiques comme catalyseurs, en suivant le tableau périodique des éléments et en les combinant de diverses manières.

Aujourd'hui, nous pouvons tirer quelques conclusions sur l'essence de la catalyse.

1. Les substances réactives entrent en contact avec le catalyseur et interagissent avec lui, entraînant un affaiblissement des liaisons chimiques. Si une réaction se produit en l'absence de catalyseur, l'activation des molécules des substances en réaction doit alors se produire en fournissant de l'énergie de l'extérieur au réacteur.

2. Dans le cas général, toute réaction catalytique peut être représentée comme passant par un complexe intermédiaire dans lequel se produit la redistribution des liaisons chimiques affaiblies.

3. Dans la grande majorité des cas, les catalyseurs sont des composés de type berthollide à composition variable, caractérisés par la présence de liaisons chimiques affaiblies voire de valences libres, ce qui leur confère une activité chimique élevée. Les molécules de composés de type berthollide contiennent une large gamme de liaisons énergétiquement inhomogènes ou même des atomes libres à la surface.

4. Les conséquences de l'interaction des réactifs avec le catalyseur sont la progression de la réaction dans une direction donnée et une augmentation de la vitesse de réaction, puisque le nombre de rencontres de molécules réactives à la surface du catalyseur augmente. De plus, le catalyseur capte une partie de l’énergie de la réaction exothermique pour alimenter énergétiquement tous les nouveaux actes de la réaction et son accélération globale.

Au stade actuel de son développement, la chimie a découvert de nombreux catalyseurs efficaces. Parmi eux figurent les résines échangeuses d’ions, les composés organométalliques et les catalyseurs membranaires. De nombreux éléments chimiques du tableau périodique ont des propriétés catalytiques, mais le rôle le plus important est joué par les métaux du groupe du platine et les métaux des terres rares.

Avec la participation de catalyseurs, la vitesse de certaines réactions augmente de 10 milliards de fois. Il existe des catalyseurs qui permettent non seulement de contrôler la composition du produit final, mais favorisent également la formation de molécules d'une certaine forme, ce qui affecte grandement les propriétés physiques du produit (dureté, plasticité).

Direction du développement de la doctrine des procédés chimiques

Dans les conditions modernes, l'une des directions les plus importantes dans le développement de l'étude des processus chimiques est la création de méthodes de contrôle de ces processus. C'est pourquoi la science chimique est engagée dans le développement de problèmes tels que la chimie des plasmas, la chimie des rayonnements, la chimie des hautes pressions et températures.

Chimie des plasmas

La chimie des plasmas étudie les processus chimiques dans le plasma à basse température, entre 1 000 et 10 000 °C. De tels processus sont caractérisés par l'état excité des particules, des collisions de molécules avec des particules chargées et des vitesses très élevées de réactions chimiques. Dans les processus plasma-chimiques, le taux de redistribution des liaisons chimiques est très élevé : la durée des actes élémentaires de transformations chimiques est d'environ 10 à 13 s avec une absence presque totale de réversibilité de la réaction. La vitesse de processus chimiques similaires dans les réacteurs conventionnels est réduite des milliers de fois en raison de la réversibilité. Par conséquent, les processus plasmatiques et chimiques sont très productifs. Par exemple, la productivité d'un réacteur chimique à plasma de méthane (ses dimensions : longueur - 65 cm, diamètre - 15 cm) est de 75 tonnes d'acétylène par jour. Dans ce réacteur, à une température de 3 000 à 3 500°C, environ 80 % du méthane est converti en acétylène en un dix millième de seconde.

La chimie du plasma a récemment été de plus en plus introduite dans la production industrielle. Des technologies de production de matières premières pour la métallurgie des poudres ont déjà été créées et des méthodes de synthèse ont été développées pour un certain nombre de composés chimiques. Dans les années 1970 Les fours de fusion d'acier au plasma ont été créés pour produire des métaux de la plus haute qualité. Des méthodes ont été développées pour le traitement par plasma ionique de la surface des outils, dont la résistance à l'usure augmente plusieurs fois.

La chimie du plasma permet de synthétiser des matériaux jusqu'alors inconnus, comme le béton métallique, dans lequel divers métaux sont utilisés comme élément liant. Le béton métallique est formé en fusionnant des particules de roche et en les comprimant fermement avec du métal. Ses qualités sont des dizaines et des centaines de fois supérieures au béton ordinaire.

Chimie des rayonnements

L'un des domaines les plus récents de l'étude des processus chimiques est la chimie des rayonnements, apparue dans la seconde moitié du 20e siècle. Le sujet de ses recherches était la transformation d'une grande variété de substances sous l'influence des rayonnements ionisants. Les sources de rayonnements ionisants comprennent les appareils à rayons X, les accélérateurs de particules chargées, les réacteurs nucléaires et les isotopes radioactifs. À la suite de réactions radiochimiques, les substances acquièrent une résistance thermique et une dureté accrues.

Les processus les plus importants de la technologie radiochimique sont la polymérisation, la vulcanisation, la production de matériaux composites, y compris la production de béton polymère en imprégnant le béton ordinaire avec n'importe quel polymère puis en l'irradiant. Ces bétons ont une résistance quatre fois supérieure, sont imperméables et hautement résistants à la corrosion.

Chimie des hautes pressions et températures

Un domaine fondamentalement nouveau et extrêmement important de l'étude des processus chimiques est la synthèse auto-propagée à haute température de matériaux réfractaires et céramiques. Généralement, leur production est réalisée par la métallurgie des poudres, dont l'essence est le pressage et la compression de poudres métalliques à haute température (1 200-2 000°C). La synthèse propagative elle-même est beaucoup plus simple : elle repose sur la combustion d'un métal dans un autre ou la combustion d'un métal dans l'azote, le carbone, le silicium, etc.

On sait depuis longtemps que le processus de combustion est une combinaison d'oxygène avec une substance combustible. La combustion est donc une réaction d'oxydation d'une substance combustible. Dans ce cas, les électrons se déplacent des atomes de la substance oxydée vers les atomes d'oxygène. De ce point de vue, la combustion est possible non seulement dans l'oxygène, mais aussi dans d'autres agents oxydants. La synthèse auto-propagée à haute température, le processus thermique de combustion dans les solides, est basée sur cette conclusion. Il s'agit par exemple de la combustion de poudre de titane dans de la poudre de bore, ou de poudre de zirconium dans de la poudre de silicium. Grâce à cette synthèse, des centaines de composés réfractaires de la plus haute qualité sont obtenus.

Il est très important que cette technologie ne nécessite pas de processus fastidieux, qu’elle soit hautement technologique et qu’elle puisse être facilement automatisée.

Chimie haute pression

Un autre domaine de développement de l'étude des procédés chimiques est la chimie des hautes et ultra-hautes pressions. Les transformations chimiques de substances à des pressions supérieures à 100 atm appartiennent à la chimie à haute pression et à des pressions supérieures à 1 000 atm à la chimie à ultra haute pression. Les hautes pressions sont utilisées en chimie depuis le début du 20ème siècle. -- la production d'ammoniac a été réalisée à une pression de 300 atm et à une température de 600°C. Mais récemment, des installations ont été utilisées dans lesquelles une pression de 5 000 atm est atteinte, et des tests sont effectués à une pression de 600 000 atm, ce qui est obtenu grâce à l'onde de choc de l'explosion en un millionième de seconde. Les explosions nucléaires produisent des pressions encore plus élevées.

À haute pression, les couches électroniques des atomes se rapprochent et se déforment, ce qui entraîne une augmentation de la réactivité des substances. A une pression de 102-103 atm, la différence entre les phases liquide et gazeuse disparaît, et à 103-105 atm, entre les phases solide et liquide. À haute pression, les propriétés physiques et chimiques des substances changent considérablement. Par exemple, à une pression de 20 000 atm, le métal devient élastique, comme le caoutchouc. L'eau ordinaire devient chimiquement active à des températures et des pressions élevées. Avec l’augmentation de la pression, de nombreuses substances se transforment en un état métallique. Ainsi, en 1973, des scientifiques ont observé de l'hydrogène métallique à une pression de 2,8 millions d'atm.

L’une des réalisations les plus importantes de la chimie à ultra haute pression a été la synthèse des diamants. Il fonctionne à une pression de 50 000 atm et une température de 2 000°C. Dans ce cas, le graphite cristallise en diamants. Les diamants peuvent également être synthétisés à l’aide d’ondes de choc. Récemment, des tonnes de diamants synthétiques sont produites chaque année, dont les propriétés ne diffèrent que légèrement des diamants naturels. Les diamants obtenus sont utilisés à des fins industrielles - dans les équipements de coupe et de forage. Il a été possible de synthétiser des diamants noirs - les carbonados, qui sont plus durs que les diamants naturels. Ils sont utilisés pour traiter eux-mêmes les diamants.

Actuellement, la production industrielle a été établie non seulement de diamants artificiels, mais également d'autres pierres précieuses - corindon (rubis rouge), émeraude, etc. D'autres matériaux très résistants à la chaleur sont également synthétisés à haute pression. Ainsi, le nitrure de bore a été synthétisé à partir du nitrure de bore à une pression de 100 000 atm et à une température de 2 000°C - un matériau adapté au perçage et au meulage de pièces en matériaux extrêmement durs à des températures très élevées.

Énergie des processus et systèmes chimiques

Les réactions chimiques sont des interactions entre atomes et molécules, conduisant à la formation de nouvelles substances qui diffèrent des substances originales par leur composition ou leur structure chimique. Les réactions chimiques, contrairement aux réactions nucléaires, ne modifient ni le nombre total d'atomes du système ni la composition isotopique des éléments.

Un système est un ensemble de corps isolés de l'espace. Si un système permet un échange de masse et de chaleur entre tous ses composants, alors un tel système est appelé thermodynamique. Un système chimique dans lequel des réactions peuvent se produire est un cas particulier de système thermodynamique. S'il n'y a pas de transfert de masse et de chaleur entre le système et l'environnement, alors un tel système est dit isolé. S'il n'y a pas de transfert de masse, mais qu'un échange de chaleur est possible, alors le système est dit fermé. Si les échanges de masse et de chaleur sont possibles entre le système et l’environnement, alors le système est ouvert. Un système constitué de plusieurs phases est dit hétérogène, un système monophasé est dit homogène.

L'état d'un système chimique est déterminé par ses propriétés : température, pression, concentration, volume, énergie.

Les réactions se produisant dans un système homogène se développent dans tout son volume et sont dites homogènes. Les réactions se produisant à l’interface sont hétérogènes.

Pour une description thermodynamique d'un système, les fonctions dites d'état du système sont utilisées - il s'agit de toute grandeur physique dont les valeurs sont uniquement déterminées par les propriétés thermodynamiques du système. Les fonctions les plus importantes de l'état du système comprennent :

Énergie totale du système (E);

Énergie interne du système (U) ;

L'enthalpie (ou contenu calorifique) est une mesure de l'énergie accumulée par une substance lors de sa formation (H) :

L'entropie est une mesure du désordre d'un système (S) ;

L'énergie de Gibbs est une mesure de la stabilité d'un système à pression constante (G) :

L'énergie de Helmholtz est une mesure de la stabilité d'un système à volume constant (F) :

La possibilité d'un processus spontané peut être jugée par le signe du changement de la fonction d'énergie libre de Gibbs : si ?G< 0, т.е. в процессе взаимодействия происходит уменьшение свободной энергии, то процесс термодинамически возможен. Если?G >0, alors le processus est impossible. Ainsi, tous les processus peuvent se dérouler spontanément dans le sens d’une diminution de l’énergie libre.

L'interaction chimique s'accompagne généralement d'un effet thermique. Les processus qui se produisent avec le dégagement de chaleur sont appelés exothermiques (?H< 0), а идущие с поглощением теплоты - эндотермическими (?Н > 0).

L'effet thermique des processus chimiques dans des conditions isobares est déterminé par le changement d'enthalpie, c'est-à-dire la différence entre les enthalpies des états final et initial. Selon la loi de Lavoisier-Laplace : la chaleur dégagée lors de la formation d'une substance est égale à la chaleur absorbée lors de la décomposition de la même quantité de celle-ci en ses composants d'origine.

Des généralisations plus profondes des lois thermochimiques sont données par la loi de Hess : l'effet thermique des réactions chimiques se produisant soit à pression constante, soit à volume constant ne dépend pas du nombre d'étapes intermédiaires, mais est déterminé uniquement par les états initial et final du système.

Première loi de la thermodynamique (loi de conservation de l'énergie) - l'énergie ne disparaît pas et ne réapparaît pas de rien au cours d'un processus, elle ne peut passer d'une forme à une autre que dans des rapports strictement équivalents.

II loi de la thermodynamique - lorsqu'un processus se produit dans un système isolé de processus réversibles, l'entropie reste inchangée, mais lors de processus irréversibles, elle augmente. .

Conclusion

La chimie est une science sociale. Son objectif le plus élevé est de satisfaire les besoins de chaque personne et de la société dans son ensemble. De nombreux espoirs de l’humanité se tournent vers la chimie. La biologie moléculaire, le génie génétique, la biotechnologie et la science des matériaux sont des sciences fondamentalement chimiques. Les progrès de la médecine et des soins de santé concernent les problèmes de la chimie des maladies, des médicaments, des aliments ; La neurophysiologie et la fonction cérébrale sont avant tout la neurochimie, la chimie et la chimie de la mémoire. L’humanité attend de la chimie de nouveaux matériaux aux propriétés magiques, de nouvelles sources d’énergie et batteries, de nouvelles technologies propres et sûres, etc.

En tant que science fondamentale, la chimie est née au début du XXe siècle, en même temps que la nouvelle mécanique quantique. Et c'est une vérité incontestable, car tous les objets de la chimie sont des atomes, des molécules, des ions, etc. - sont des objets quantiques. Les principaux événements de la chimie sont les réactions chimiques et les processus chimiques, c'est-à-dire Le réarrangement des noyaux atomiques et la transformation des couches électroniques, des vêtements électroniques des molécules réactives en molécules de produits est également un événement quantique.

Le besoin de procédés chimiques apparaît sous l'influence de nouvelles exigences de production. Les méthodes pour résoudre le problème principal de la chimie, basées sur la doctrine de la composition et les théories structurales étudiées précédemment, n'étaient clairement pas suffisantes ici et un nouveau niveau apparaît - le niveau de connaissances chimiques - la connaissance des processus chimiques. La chimie est en train de devenir une science non seulement des substances mais plutôt des objets complets, mais une science des processus et des mécanismes de changement dans la matière. Grâce à cela, elle assurait la production de matières synthétiques.

Dans la société moderne, l'étude des processus chimiques est une connaissance nécessaire, car la science doit se développer et s'efforcer de réaliser de nouvelles découvertes, et seul l'homme peut y contribuer.

Liste de la littérature utilisée

1. Bochkarev A. I. - Concepts des sciences naturelles modernes : un manuel pour les étudiants universitaires A. I. Bochkarev, T. S. Bochkareva, S. V. Saksonov ; édité par prof. A. I. Bochkareva. - Togliatti : TGUS, 2008. - 386 p. [ressource électronique]www.tolgas.ru (date d'accès 14/11/2102)

2. Sadokhin A.P. Concepts des sciences naturelles modernes : un manuel pour les étudiants universitaires en sciences humaines et spécialités en économie et gestion / A.P. Sadokhine. -- 2e éd., révisée. et supplémentaire - M. : UNITY-DANA, 2006. - 447 pp. [ressource électronique] http://www.twirpx.com/file/20132/ (date d'accès : 10/12/2102)

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De tels processus de production, au cours desquels la composition chimique du produit traité est modifiée afin d'obtenir une substance ayant des propriétés chimiques différentes. Une modification de la composition chimique d'un produit se produit au cours d'une ou plusieurs réactions chimiques.

Les processus chimiques sont à la base de la production de nombreux composés inorganiques et organiques et occupent une place majeure dans la production de métaux ferreux, non ferreux et rares, de verre, de ciment et d'autres matériaux silicatés, de cellulose, de papier et de plastiques.

Les processus chimiques passent par un certain nombre d’étapes interconnectées :

• 1. fourniture de composants réactifs à la zone de réaction ;
• 2. interaction chimique des composants ;
• 3. séparation des produits de réaction et isolement du produit cible du mélange.

Au stade de l'apport de réactifs à la zone réactionnelle, les substances de départ sont mises en contact les unes avec les autres. Le contact des molécules est obtenu par diffusion de molécules d'une substance dans une autre ou par transfert de masse par convection.

À la suite d’une transformation chimique ou d’une interaction, le produit principal ou cible et parfois un certain nombre de sous-produits sont formés. L'étape d'isolement du produit cible est réalisée à l'aide des procédés de sédimentation, évaporation, rectification, absorption, cristallisation, etc.

Si nécessaire, le processus technologique comprend l'étape de préparation des matières premières, qui comprend les opérations suivantes : broyage, concentration, séchage, purification des gaz des poussières, etc.

Les transformations chimiques des substances au cours du processus technologique sont effectuées dans des dispositifs spéciaux appelés réacteurs. Dans ces appareils, les réactions chimiques sont combinées avec un transfert de masse (diffusion). Par exemple, dans le département des fours d'un atelier d'acide sulfurique, le réacteur est un four de torréfaction de soufre ou de pyrite ; dans le service de contact - appareils de contact, etc.

L'apparition de réactions chimiques aboutissant au produit souhaité se produit sous certains paramètres du processus : température, pression, activité du catalyseur, concentration des substances en interaction, intensité du mélange.

Classification des procédés chimiques

À ce jour, il n'existe pas de classification entièrement établie des procédés de technologie chimique. Il est pratiquement conseillé de les combiner, en fonction des modèles de base caractérisant le déroulement des processus, dans les groupes suivants :

• 1. processus hydrodynamiques ;
• 2. les procédés thermiques ;
• 3. processus de diffusion ;
• 4. procédés de réfrigération ;
• 5. les procédés mécaniques associés au traitement des solides ;
• 6. processus chimiques associés aux transformations chimiques des matériaux transformés.

Également divisé en :

• 1. craquer
• 2. réformer
• 3. Hydrotraitement

Le craquage est l'étape du processus de raffinage du pétrole au cours de laquelle les produits de la première distillation sont traités pour décomposer les grosses molécules.

hydrocarbures en molécules plus petites grâce à un contrôle

chauffage, avec présence de catalyseurs et souvent sous pression.

Le craquage du pétrole produit des huiles lourdes, de l'essence et des gaz tels que l'ÉTHANE, l'ÉTHENE (éthylène) et le PROPÈNE (propylène), qui sont utilisés dans la production de plastiques, de textiles, de détergents et de produits chimiques agricoles. Ainsi, le craquage est une méthode permettant de produire de grandes quantités d'hydrocarbures légers, très demandés, à partir de fractions plus lourdes, elles-mêmes utilisées comme huiles lubrifiantes.

Le reformage est le traitement des fractions d'essence et de naphta du pétrole pour produire de l'essence à moteur, des hydrocarbures aromatiques (le benzène et ses homologues) et du gaz contenant de l'hydrogène. Une distinction est faite entre le reformage thermique et le reformage sous pression en présence d'un catalyseur.

Le reformage thermique était auparavant largement utilisé uniquement pour la production d’essence à indice d’octane élevé. Réaction basée sur : déshydrogénation et déshydroisomérisation des hydrocarbures naphténiques, désalkylation et condensation des hydrocarbures aromatiques. Le traitement des fractions essence-naphta a été effectué dans des fours tubulaires à 530-560°C.

L'inconvénient du procédé réside dans les faibles rendements du produit cible en raison des pertes importantes de matières premières sous forme de gaz et de coke, ainsi que de la teneur relativement élevée en hydrocarbures insaturés dans l'essence, ce qui réduit sa stabilité et son acceptabilité au tétraéthyle et au plomb. .

L'hydrotraitement est un processus de transformation chimique de toute substance sous l'influence de l'hydrogène à haute température et pression.

L’hydrotraitement des fractions pétrolières est nécessaire pour réduire la teneur en composés contenant du soufre dans les produits pétroliers commerciaux. Parallèlement à cela, on observe une diminution des résines et composés contenant de l'oxygène, une saturation des hydrocarbures insaturés et un hydrocraquage des molécules d'hydrocarbures. L'hydrotraitement est le processus de raffinage du pétrole le plus courant et les fractions suivantes y passent : l'essence, le kérosène, les fractions pétrolières, ainsi que le carburant diesel et le gazole sous vide.

L'hydrotraitement des coupes essence de distillation directe est nécessaire pour obtenir des coupes essence déjà hydrotraitées. Les fractions d'essence hydrotraitées sont des matières premières pour l'aromatisation catalytique. Cela se produit en raison de la réaction d’hydrogénolyse et de destruction de molécules dans un gaz contenant de l’hydrogène. Le résultat est des composés organiques d'azote, d'oxygène, de soufre, de chlore et de métaux contenus dans la matière première, devenant l'ammoniac, l'eau, le sulfure d'hydrogène, le chlorure d'hydrogène et les hydrocarbures correspondants. Ce processus se produit à une pression de 1 à 3 MPa et à une température de 370 à 380 degrés Celsius. Le cobalt-molybdène est utilisé comme catalyseur.

Le processus d’hydrotraitement de l’essence de craquage catalytique est utilisé pour réduire les hydrocarbures diènes et le soufre présents dans l’essence commerciale.

L'hydrotraitement des fractions de kérosène est nécessaire pour réduire la quantité de résines et de soufre dans le carburéacteur, qui conduisent à la corrosion de la structure du carburant dans les avions et à la cokéfaction des injecteurs du moteur. Ce processus est effectué à une pression de 1,5 à 2,2 MPa et à une température d'environ 300 à 400 degrés Celsius. Le catalyseur est dans ce cas le même que pour l'hydrotraitement des coupes essence de distillation directe. L'hydrotraitement du carburant diesel est nécessaire pour réduire les hydrocarbures polyaromatiques et le soufre. Lorsqu'il est brûlé, le soufre libère du dioxyde de soufre. Avec l'eau, il forme de l'acide sulfureux, qui est la principale cause des pluies acides. Les hydrocarbures polyaromatiques abaissent l'indice d'octane. Le processus d'hydrotraitement se déroule à une pression de 1,8 à 2 MPa et à une température de 350 à 420 degrés, avec du nickel-molybdène comme catalyseur.

L’hydrotraitement du gazole sous vide est nécessaire de la même manière que lors du nettoyage du gazole pour réduire la quantité de soufre et de polyaromatiques. Le gazole obtenu est utilisé comme matière première pour le craquage catalytique. Dans ce cas, le soufre empoisonne le catalyseur de craquage et nuit à la qualité de l'essence de craquage catalytique. L'hydrotraitement du gazole sous vide est réalisé à une pression de 8-9 MPa et à une température de 370 à 410 degrés, avec un catalyseur nickel-molybdène. L'hydrotraitement des huiles pétrolières est nécessaire à leur clarification, à l'augmentation de leur résistance chimique, à leur respect de l'environnement et à leur anticorrosion, et s'effectue de la même manière que l'hydrotraitement des gazoles sous vide.

Les processus sont également divisés en :

• 1. périodique,
• 2. continu,
• 3. combiné.

Un processus périodique se caractérise par l'unité de localisation de ses différentes étapes et un état instable dans le temps. Les processus par lots sont effectués dans des appareils par lots, à partir desquels le produit final est déchargé en tout ou en partie à certains intervalles. Après avoir déchargé l'appareil, une nouvelle partie des matières premières y est chargée et le cycle de production est répété à nouveau. En raison de l'état instable au cours d'un processus périodique, en tout point de la masse du matériau en cours de traitement ou dans n'importe quelle section de l'appareil, des grandeurs ou paramètres physiques individuels (par exemple, température, pression, concentration, capacité thermique, vitesse, etc. .) caractérisant le processus et l'état des substances traitées change au cours du processus.

Un processus continu se caractérise par l'unité de temps pour toutes ses étapes, un état stable et une sélection continue du produit final. Les processus continus sont réalisés dans des équipements continus. En raison de l'état stable, à tout moment de la masse du matériau traité ou dans n'importe quelle section d'un appareil fonctionnant en continu, les grandeurs ou paramètres physiques restent pratiquement inchangés tout au long du processus.

Un procédé combiné est soit un procédé continu dont les différentes étapes sont réalisées périodiquement, soit un procédé discontinu dont une ou plusieurs étapes sont réalisées en continu. Les processus continus présentent un certain nombre d'avantages significatifs par rapport aux processus périodiques et combinés. Ces avantages comprennent principalement :

• 1. la possibilité d'une mécanisation et d'une automatisation complètes, ce qui permet de réduire au minimum le recours au travail manuel ;
• 2. uniformité des produits obtenus et possibilité d'améliorer leur qualité ;
• 3. compacité des équipements nécessaires à la mise en œuvre du procédé, ce qui permet de réduire à la fois les coûts d'investissement et les coûts de réparation.

C'est pourquoi, à l'heure actuelle, dans toutes les branches technologiques, on s'efforce de passer de processus de production périodiques à des processus de production continus.

La classification des processus chimiques permet d'identifier les caractéristiques des composants du processus, dont la combinaison détermine certaines propriétés du processus chimique dans son ensemble, ses modèles et ses caractéristiques.

Un processus chimique étant un système de phénomènes interdépendants, la classification s'effectue selon divers critères.

D'énormes progrès ont été réalisés dans l'étude de ces processus chimiques, ou en d'autres termes, dans le développement de la technologie chimique de substances et de produits individuels, par exemple l'ammoniac synthétique, les caoutchoucs, les plastiques, les métaux ferreux, non ferreux et rares, le verre. , ciment, etc. Ces succès ont déterminé le progrès technique des industries concernées. Cependant, la classification scientifique des processus chimiques reste l'une des tâches importantes de la technologie chimique en tant que science. Par analogie avec la classification des processus physiques et physico-chimiques en technologie chimique, des tentatives sont faites pour classer les réactions chimiques industrielles selon les processus chimiques de base. Ainsi, la classification suivante des processus chimiques a été proposée : décomposition par échange et formation de sels (engrais et sels minéraux), oxydation (acide sulfurique, acide nitrique, composés organiques oxygénés, etc.), hydrogénation (ammoniac, méthanol et autres alcools, acides aminés aromatiques composés obtenus par hydrogénation de composés nitrés, etc.), amination (urée, composés aminés de la série grasse et aromatique), chloration (produits chimiques phytopharmaceutiques), nitration (explosifs), sulfonation (détergents synthétiques), procédés électrochimiques (électrolyse des solutions aqueuses, électrolyse en milieu fondu, oxydation et réduction électrochimiques), procédés de craquage catalytique et à haute température et de pyrolyse de liquides et de gaz (raffinage du pétrole, production d'oléfines à partir de gaz naturels, etc.), procédés de polymérisation et de polycondensation (production de plastiques, caoutchoucs synthétiques, fibres chimiques), procédés de traitement à haute température des solides (cokéfaction des charbons, production de carbure de calcium, verre, ciment, sulfure de sodium), alkylation et arylation, etc.

Malgré les différences significatives et la spécificité des réacteurs conçus pour réaliser des processus chimiques individuels, il est possible d'identifier des éléments identiques pour tous les réacteurs, sur la base desquels la classification est effectuée. La classification des procédés chimiques selon un certain nombre de caractéristiques s'applique également dans une certaine mesure aux réacteurs, puisque ces caractéristiques influencent de manière significative le type et la conception de l'appareil. Ainsi, l'effet thermique de la réaction nécessite divers dispositifs d'échange de chaleur pour éliminer ou fournir de la chaleur au volume réactionnel. Par conséquent, diviser les processus en exo et endothermique nécessite la sélection d’un réacteur chimique approprié.

Les transformations mutuelles de composés observées dans la nature vivante, ainsi que celles résultant de l'activité humaine, peuvent être considérées comme des processus chimiques. Les réactifs qu'ils contiennent peuvent être deux ou plusieurs substances situées dans le même état d'agrégation ou dans des états d'agrégation différents. En fonction de cela, on distingue des systèmes homogènes ou hétérogènes. Les conditions, les caractéristiques du cours et le rôle des processus chimiques dans la nature seront abordés dans ce travail.

Qu’entend-on par réaction chimique ?

Si, à la suite de l'interaction des substances de départ, les éléments constitutifs de leurs molécules subissent des modifications, mais que les charges des noyaux atomiques restent les mêmes, on parle de réactions ou de processus chimiques. Les produits formés lors de leur écoulement sont utilisés par l'homme dans l'industrie, l'agriculture et la vie quotidienne. Un grand nombre d'interactions entre substances se produisent dans la nature vivante et inanimée. Les processus chimiques sont fondamentalement différents des phénomènes physiques et des propriétés de la radioactivité. Des molécules de nouvelles substances s'y forment, tandis que les processus physiques ne modifient pas la composition des composés et que des atomes de nouveaux éléments chimiques apparaissent dans les réactions nucléaires.

Conditions de réalisation des procédés en chimie

Ils peuvent être différents et dépendent tout d'abord de la nature des réactifs, de la nécessité d'un afflux d'énergie de l'extérieur, ainsi que de l'état d'agrégation (solides, solutions, gaz) dans lequel se déroule le processus. Le mécanisme chimique d'interaction entre deux ou plusieurs composés peut être réalisé sous l'influence de catalyseurs (par exemple, la production d'acide nitrique), de la température (production d'ammoniac) ou de l'énergie lumineuse (photosynthèse). Avec la participation des enzymes de la nature vivante, les processus de réactions de fermentation chimique (acide alcoolique, lactique, acide butyrique) sont très répandus, utilisés dans les industries alimentaires et microbiologiques. Pour obtenir des produits dans l'industrie de la synthèse organique, l'une des conditions principales est la présence d'un mécanisme radicalaire libre du processus chimique. Un exemple serait la production de dérivés chlorés du méthane (dichlorométhane, trichlorométhane, tétrachlorure de carbone, formés à la suite de réactions en chaîne).

Catalyse homogène

Ils représentent des types particuliers de contact entre deux ou plusieurs substances. L'essence des processus chimiques se produisant dans une phase homogène (par exemple, gaz - gaz) avec la participation d'accélérateurs de réaction est d'effectuer des réactions dans tout le volume des mélanges. Si le catalyseur est dans le même état d'agrégation que les réactifs, il forme des complexes intermédiaires mobiles avec les composés de départ.

La catalyse homogène est un processus chimique de base réalisé, par exemple, dans le raffinage du pétrole, la production d'essence, de naphta, de gazole et d'autres types de carburant. Elle utilise des technologies telles que le reformage, l'isomérisation et le craquage catalytique.

Catalyse hétérogène

Dans le cas d'une catalyse hétérogène, le contact des substances en réaction se produit le plus souvent sur la surface solide du catalyseur lui-même. Des centres dits actifs s'y forment. Ce sont des domaines dans lesquels l'interaction des composés en réaction se produit très rapidement, c'est-à-dire qu'elle est élevée. Ils sont spécifiques à une espèce et jouent également un rôle important si des processus chimiques se produisent dans les cellules vivantes. Ensuite, ils parlent de métabolisme – de réactions métaboliques. Un exemple de catalyse hétérogène est la production industrielle d’acide sulfate. Dans un appareil à contact, un mélange gazeux de dioxyde de soufre et d'oxygène est chauffé et passé à travers des grilles remplies de poudre dispersée d'oxyde de vanadium ou de sulfate de vanadyl VOSO 4. Le produit obtenu, le trioxyde de soufre, est ensuite absorbé dans l'acide sulfurique concentré. Un liquide appelé oléum se forme. Il peut être dilué avec de l'eau pour obtenir de l'acide sulfate de la concentration souhaitée.

Caractéristiques des réactions thermochimiques

La libération ou l'absorption d'énergie sous forme de chaleur revêt une grande importance pratique. Il suffit de rappeler les réactions de combustion des combustibles : gaz naturel, charbon, tourbe. Ils représentent des processus physiques et chimiques dont une caractéristique importante est la chaleur de combustion. Les réactions thermiques sont répandues aussi bien dans le monde organique que dans la nature inanimée. Par exemple, au cours du processus de digestion, les protéines, les lipides et les glucides sont décomposés sous l'action de substances biologiquement actives - les enzymes.

L'énergie libérée est accumulée sous forme de molécules d'ATP. Les réactions de dissimilation s'accompagnent d'une libération d'énergie dont une partie est dissipée sous forme de chaleur. À la suite de la digestion, chaque gramme de protéines fournit 17,2 kJ d'énergie, l'amidon - 17,2 kJ et les graisses - 38,9 kJ. Les processus chimiques qui libèrent de l’énergie sont appelés exothermiques et ceux qui absorbent de l’énergie sont appelés endothermiques. Dans l'industrie de la synthèse organique et dans d'autres technologies, les effets thermiques des réactions thermochimiques sont calculés. Il est important de savoir cela, par exemple, pour calculer correctement la quantité d'énergie utilisée pour chauffer les réacteurs et les colonnes de synthèse dans lesquels se produisent des réactions impliquant l'absorption de chaleur.

La cinétique et son rôle dans la théorie des processus chimiques

Le calcul de la vitesse de réaction des particules (molécules, ions) est la tâche la plus importante de l'industrie. Sa solution offre un effet économique et une rentabilité des cycles technologiques dans la production chimique. Pour augmenter la vitesse d'une telle réaction, comme la synthèse de l'ammoniac, les facteurs décisifs seront de modifier la pression dans le mélange gazeux d'azote et d'hydrogène à 30 MPa, ainsi que d'éviter une forte augmentation de la température (la température optimale est 450-550°C).

Les procédés chimiques utilisés dans la production de l'acide sulfate, à savoir : la combustion des pyrites, l'oxydation du dioxyde de soufre, l'absorption du trioxyde de soufre par l'oléum, sont réalisés dans diverses conditions. A cet effet, un four à pyrite et des dispositifs de contact sont utilisés. Ils prennent en compte les concentrations de substances réactives, la température et la pression. Tous ces facteurs sont corrélés pour réaliser la réaction à la vitesse la plus élevée, ce qui augmente le rendement en acide sulfate à 96-98 %.

Le cycle des substances en tant que processus physiques et chimiques dans la nature

Le dicton bien connu « Le mouvement, c'est la vie » peut également s'appliquer aux éléments chimiques qui entrent dans divers types d'interactions (réactions de combinaison, de substitution, de décomposition, d'échange). Les molécules et les atomes des éléments chimiques sont en mouvement continu. Comme les scientifiques l'ont établi, tout ce qui précède peut s'accompagner de phénomènes physiques : dégagement de chaleur ou son absorption, émission de photons de lumière, changement de l'état d'agrégation. Ces processus se produisent dans chaque coquille de la Terre : lithosphère, hydrosphère, atmosphère, biosphère. Les plus importants d'entre eux sont les cycles de substances telles que l'oxygène, le dioxyde de carbone et l'azote. Dans le prochain titre, nous examinerons comment l'azote circule dans l'atmosphère, le sol et les organismes vivants.

Interconversion de l'azote et de ses composés

Il est bien connu que l’azote est un composant nécessaire des protéines, et participe donc à la formation de tous les types de vie terrestre sans exception. L'azote est absorbé par les plantes et les animaux sous forme d'ions : ions ammonium, nitrate et nitrite. Grâce à la photosynthèse, les plantes produisent non seulement du glucose, mais également des acides aminés, du glycérol et des acides gras. Tous les composés chimiques ci-dessus sont des produits de réactions se produisant dans le cycle de Calvin. L'éminent scientifique russe K. Timiryazev a parlé du rôle cosmique des plantes vertes, c'est-à-dire, entre autres, de leur capacité à synthétiser des protéines.

Les herbivores obtiennent des peptides à partir d’aliments végétaux, tandis que les carnivores obtiennent des peptides à partir de la viande de proie. Lors de la décomposition des restes végétaux et animaux sous l'influence des bactéries saprotrophes du sol, des processus biologiques et chimiques complexes se produisent. En conséquence, l'azote des composés organiques est converti en forme inorganique (de l'ammoniac, de l'azote libre, des nitrates et des nitrites se forment). De retour dans l'atmosphère et dans le sol, toutes ces substances sont à nouveau absorbées par les plantes. L'azote pénètre par les stomates de la peau des feuilles et les solutions d'azote et leurs sels sont absorbées par les poils absorbants des racines des plantes. Le cycle de conversion de l'azote se ferme pour se répéter. L'essence des processus chimiques se produisant dans la nature a été étudiée en détail au début du XXe siècle par le scientifique russe D.N. Pryanishnikov.

Métallurgie des poudres

Les procédés et technologies chimiques modernes contribuent de manière significative à la création de matériaux dotés de propriétés physiques et chimiques uniques. Ceci est particulièrement important, en premier lieu, pour les instruments et équipements des raffineries de pétrole, des entreprises produisant des acides inorganiques, des colorants, des vernis et des plastiques. Dans leur production, des échangeurs de chaleur, des dispositifs de contact, des colonnes de synthèse et des pipelines sont utilisés. La surface de l'équipement entre en contact avec des fluides agressifs sous haute pression. De plus, presque tous les processus de production chimique sont réalisés à des températures élevées. Il est urgent d’obtenir des matériaux présentant des niveaux élevés de résistance à la chaleur et aux acides et des propriétés anticorrosion.

La métallurgie des poudres comprend les processus de production de poudres contenant des métaux, de frittage et d'introduction dans la composition d'alliages modernes utilisés dans des réactions avec des substances chimiquement agressives.

Les composites et leur signification

Parmi les technologies modernes, les processus chimiques les plus importants sont les réactions pour la production de matériaux composites. Ceux-ci incluent les mousses, les cermets et les norpapalsts. Les métaux et leurs alliages, les céramiques et les plastiques sont utilisés comme matrice pour la production. Le silicate de calcium, l'argile blanche, les ferrures de strontium et de baryum sont utilisés comme charges. Toutes les substances ci-dessus confèrent aux matériaux composites une résistance aux chocs, à la chaleur et à l'usure.

Qu'est-ce que la technologie chimique

La branche scientifique impliquée dans l'étude des moyens et des méthodes utilisés dans les réactions de traitement des matières premières : pétrole, gaz naturel, charbon, minéraux, était appelée technologie chimique. En d’autres termes, il s’agit de la science des processus chimiques résultant de l’activité humaine. L'ensemble de sa base théorique est constitué de mathématiques, de cybernétique, de chimie physique et d'économie industrielle. Peu importe le processus chimique impliqué dans la technologie (production d'acide nitrate, décomposition du calcaire, synthèse de plastiques phénol-formaldéhyde) - dans les conditions modernes, cela est impossible sans systèmes de contrôle automatisés qui facilitent l'activité humaine, éliminent la pollution de l'environnement, et garantir une technologie de production chimique continue et sans déchets.

Dans ce travail, nous avons examiné des exemples de processus chimiques se produisant à la fois dans la nature vivante (photosynthèse, dissimilation, cycle de l'azote) et dans l'industrie.

Processus chimiques

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Sujet de l'article :	Processus chimiques
Rubrique (catégorie thématique)	Chimie

L'émergence de la chimie structurale signifiait qu'il existait une opportunité de transformation qualitative ciblée des substances, créant un schéma pour la synthèse de tout composé chimique, incl. et jusqu'alors inconnu.

La nature de tout composé chimique dépend non seulement de la composition qualitative et quantitative, mais également de l'influence mutuelle des atomes et de la structure de la molécule.

Structure de la matière et ses propriétés

Les substances qui ont la même composition mais des structures différentes sont appelées les isomères, et le phénomène lui-même - isomérie. Par exemple, f La formule C 4 H 8 O contient 21 substances.

Pour décrire les propriétés des substances, vous devez connaître non seulement la composition, mais aussi structure de connexion. Ceci est particulièrement important pour la chimie organique. Les électrons d'un élément chimique, interagissant avec le noyau et les électrons d'un autre élément chimique, s'avèrent strictement localisés (localisés) dans l'espace. Puisqu'un électron est une onde électromagnétique avec une certaine zone de propagation, cette zone a une direction. Autrement dit, une liaison chimique se forme dans une certaine direction dans l’espace et détermine l’orientation spatiale des atomes.

Structure moléculaire– l'ordre spatial et énergétique d'un système constitué de noyaux atomiques et d'électrons.

Un phénomène important en chimie organique appelé isomérie est associé à la structure spatiale d'une molécule.

Isomères- des substances qui ont la même composition, mais une structure moléculaire différente.

La chimie structurale est devenue un niveau supérieur par rapport à l'étude de la composition de la matière. Dans le même temps, la chimie est passée d’une science à prédominance analytique à une science synthétique. La principale réalisation de cette étape du développement de la chimie fut l'établissement d'un lien entre la structure des molécules et la réactivité des substances.

Les quatre principaux états de la matière - plasma, gazeux, liquide et solide (classés par ordre d'existence à mesure que la température diminue) sont connus depuis longtemps, mais aujourd'hui les scientifiques identifient deux autres états - les condensats à basse température. Le condensat est un nouvel état de la matière à des températures ultra-basses - inférieures à 0,00000001 K (!!!), ᴛ.ᴇ. à des températures inférieures à la température du vide spatial (dans l'espace, la température est d'environ 3 K).

Utilisons un exemple précis de solide pour montrer l’influence de la structure atomique sur les propriétés du matériau. Pour ce faire, nous choisirons un matériau monoatomique simple : le carbone.

A l’état solide, le carbone doit être cristallin et amorphe, et chacun de ses états a son propre nom.

1. Suie - carbone amorphe sous la forme d'une poudre finement broyée (il a maintenant été établi que dans sa structure dans la suie, le coke, le carbone vitreux et les matériaux similaires, le carbone se rapproche à des degrés divers du graphite. Parlant des propriétés de la suie, il on peut noter que la conductivité électrique des suies est nulle, la suie est un isolant électrique.

2. Jusqu'au début des années 60, on croyait qu'il n'existait dans la nature que deux formes cristallines de carbone pur, à savoir les polymères tridimensionnels et bidimensionnels, ᴛ.ᴇ. diamant et graphite. La structure du graphite est caractérisée par des couches ; les atomes des couches sont fortement liés les uns aux autres, tandis que les interactions entre les couches sont négligeables. Pour cette raison, le graphite se divise facilement en couches ; c'est un matériau cristallin mou. Contrairement à la suie, le graphite est un très bon conducteur d’électricité.

3. Le diamant a une structure cristalline cubique, construite à partir des mêmes atomes de carbone. Contrairement au graphite, le diamant est un matériau cristallin dur (peut-être le plus dur). De telles propriétés sont associées à sa structure, puisque tous les atomes sont équidistants les uns des autres et étroitement « liés » les uns aux autres.

4. En 1985 ᴦ. Une grande famille de molécules carbonées sphériques, les fullerènes, a été découverte. Les fullerènes sont un nouveau type de carbone. Ce sont des molécules fermées du type C 60, C 70, C 74..., dans lesquelles tous les atomes de carbone sont situés sur une surface « sphérique ». Dans la structure du fullerène C 60 (le diamètre de la molécule est d'environ 1 nm), les atomes de carbone sont situés aux sommets d'hexagones ou de pentagones réguliers (à l'état condensé (cristallin), les fullerènes sont appelés fullerites). Des fullerènes ont été trouvés dans certains minéraux naturels, par exemple dans la shungite carélienne. De nouvelles classes de substances ont été synthétisées à base de fullerène : par exemple, les fullerides ont été obtenus en interagissant avec des métaux.

Les propriétés intéressantes de ces matériaux sont associées à la "capture à l'intérieur" de la boule de divers atomes - Na, K. Les fullerides résultants ont une supraconductivité (à des températures de 19 à 55 K) et lors de l'utilisation de métaux du groupe du platine, les propriétés ferromagnétiques sont se manifeste en outre. Une propriété intéressante des fullerènes à basses températures et pressions est leur capacité à absorber l’hydrogène. A cet égard, il est possible d'utiliser les fullerènes comme base pour la production de batteries rechargeables. La capsule de fullerène peut contenir des médicaments qui seront administrés sélectivement à l'organe ou au tissu endommagé.

5. Nanotubes de graphite - un nouveau type de carbone, obtenu en 1991. Un nanotube de carbone doit être représenté comme un plan de graphite enroulé dans un cylindre. Les tubes peuvent être à paroi simple ou à parois multiples, s'ils sont constitués de plusieurs couches de graphite. Le diamètre du tube varie de une à plusieurs dizaines de nanomètres, et la longueur peut atteindre plusieurs centimètres ; généralement les tubes se terminent par une tête hémisphérique. Les nanotubes de carbone ont des propriétés mécaniques (très solides), électriques et thermiques uniques (la conductivité électrique et thermique approchait ou dépassait celles des métaux).

6. Le prix Nobel de physique 2010 a été décerné à Andre Geim et Konstantin Novoselov, immigrants russes travaillant au Royaume-Uni, « pour leurs expériences pionnières dans l’étude du graphène, un matériau bidimensionnel ». En 2004, ils ont prouvé expérimentalement la possibilité d'obtenir une forme spéciale de carbone, qui est une feuille d'un atome d'épaisseur, reliée en un réseau cristallin bidimensionnel d'hexagones réguliers. En d’autres termes, le graphène est une couche distincte du graphite bien connu. Le graphène est le matériau connu le plus fin et le plus résistant ; en revanche, il est très flexible, capable de présenter à la fois les propriétés d'un conducteur (rappelez-vous le graphite) et d'un semi-conducteur.

La chimie structurale moderne a obtenu d'excellents résultats. La synthèse de nouvelles substances organiques permet d'obtenir des matières utiles et précieuses introuvables dans la nature. Ainsi, chaque année, des milliers de kilogrammes d'acide ascorbique (vitamine C) et de nombreux nouveaux médicaments sont synthétisés dans le monde, notamment des antibiotiques inoffensifs, des médicaments contre l'hypertension, les ulcères gastroduodénaux, etc.

La réalisation la plus récente en chimie structurale est la découverte d'une toute nouvelle classe de composés organométalliques, qui, en raison de leur structure à deux couches, sont appelés « composés sandwich ». La molécule de cette substance est constituée de deux plaques de composés d'hydrogène et de carbone, entre lesquelles se trouve un atome de métal.

La recherche dans le domaine de la chimie structurale moderne progresse dans deux directions prometteuses :

1) synthèse de cristaux avec une approximation maximale du réseau idéal pour obtenir des matériaux avec des indicateurs techniques élevés : résistance maximale, résistance thermique, durabilité, etc. ;

2) création de cristaux avec des défauts de réseau cristallin préprogrammés pour la production de matériaux ayant des propriétés électriques, magnétiques et autres spécifiées.

3. Caractéristiques générales des solutions

Les propriétés physiques de l'eau sont complètement anormales. Le plus étonnant d'entre eux est sa capacité à être liquide dans des conditions normales. Les molécules de composés chimiques similaires (H 2 S ou H 2 Se) sont beaucoup plus lourdes que l'eau, mais dans ces conditions elles sont gazeuses.

Triple point d'eau, ᴛ.ᴇ. équilibre de l'eau, de la glace et de la vapeur, observé à une température de 0,01 °C et une pression de 611 Pa (Fig. 8.1). L'eau surfondue, c'est-à-dire restant à l'état liquide en dessous de 0°C, se comporte étrangement : d'une part, sa densité diminue avec la température, d'autre part, elle se rapproche de la densité de la glace.

Extraordinaire les limites des valeurs admissibles de sous-refroidissement et de surchauffe sont grandes eau : vous pouvez la conserver à l’état liquide à des températures de -40 à +200 °C.

Contrairement à la plupart des autres liquides, à mesure que la température augmente, son volume spécifique diminue et sa densité augmente, atteignant un minimum (respectivement maximum) à 4 °C. Dans les liquides ordinaires, la densité diminue toujours avec la diminution de la température.

Lors de la congélation, le volume d'eau augmente jusqu'à 10 %. La densité de l'eau est supérieure à la densité de la glace. Lorsque les cristaux fondent, lorsque la régularité de l'empilement des ions est perturbée, la densité diminue de 2 à 4 %. Cette propriété de l'eau protège les réservoirs du gel complet, sauvant ainsi la vie. La glace est un mauvais conducteur de chaleur.

Très haut capacité thermique eau- lorsque la glace fond, elle fait plus que doubler. Pour cette raison, les mers et les océans sont de gigantesques thermostats qui atténuent toutes les fluctuations de la température de l’air. À propos, la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère peut également remplir ces mêmes fonctions. Le manque de vapeur d'eau dans les déserts entraîne de fortes fluctuations des températures nocturnes et diurnes.

L'eau est un solvant universel. La règle de dissolution est que le semblable se dissout dans le semblable.

La principale différence entre l’eau réside dans ses liaisons hydrogène.(Fig. 8.2),

Une molécule d'eau est une petite dipôle, contenant des charges positives et négatives aux pôles. Si vous reliez les épicentres des charges positives et négatives avec des lignes droites, vous obtenez une figure géométrique tridimensionnelle - un tétraèdre régulier

Le complexe de molécules d’eau existe à l’état gazeux, dans l’eau liquide et dans la glace. Mais, comme l'a établi L. Pauling, la glace n'est pas un cristal avec un ordre complet même à O K. La structure de la glace est assez lâche : chaque cavité est entourée de six molécules H 2 0, et chaque molécule est entourée de six cavités . La taille de ces cavités est telle qu’elles peuvent accueillir une molécule sans perturber la structure des liaisons hydrogène.

Une substance est un acide si elle se dissocie dans l'eau pour former des ions hydrogène, et une base si elle est capable d'ajouter des ions hydrogène en solution ou de former des ions hydroxyde OH. L'acidité ou l'alcalinité d'une solution est caractérisée par l'indicateur de pH dont l'échelle couvre les valeurs de 0 à 14. Cette échelle est logarithmique, ᴛ.ᴇ. Les logarithmes de la concentration en ions hydrogène y sont tracés. L'acidité d'une solution à pH 5 est 10 fois supérieure à celle à pH 6, et 100 fois supérieure à celle de pH 7. Une solution à pH 6 contient un millionième de mole d'ions hydrogène pour 1 litre, pH 7 correspond à une solution neutre. environnement, et en dessous se trouvent des environnements plus acides, et au-dessus - alcalins.

Un processus chimique (du latin processus - avancement) est un changement séquentiel d'états de la matière, représentant un mouvement continu et unifié. Le processus de conversion de certaines substances en d’autres substances est généralement appelé réaction chimique. Van't Hoff, en utilisant une approche thermodynamique, a classé les réactions chimiques et a également formulé les principes de base de la cinétique chimique.

Environ 10 000 réactions chimiques ont lieu dans chaque cellule.

Les processus chimiques sont divisés en :

homo- Et hétérogène(en fonction de l'état d'agrégation des systèmes réactifs),

exo- Et endothermique(en fonction de la quantité de chaleur dégagée et absorbée),

rédox(en fonction du changement de l'état d'oxydation d'une substance associé au transfert d'électrons de certains atomes (agent réducteur) vers d'autres atomes (agent oxydant).

Il étudie la vitesse et les caractéristiques des réactions chimiques. cinétique chimique.

La vitesse d'une réaction chimique est également affectée par les conditions et paramètres suivants :

1) nature substances en réaction (par exemple, les métaux alcalins se dissolvent dans l'eau avec formation d'alcalis et libération d'hydrogène, et la réaction se déroule instantanément dans des conditions normales, tandis que le zinc, le fer et d'autres réagissent lentement et forment des oxydes, et les métaux nobles ne réagissent pas à tous);

2) température. Pour chaque augmentation de température de 10 °C, la vitesse de réaction augmente de 2 à 4 fois (règle de Van't Hoff). L'oxygène commence à réagir avec de nombreuses substances à une vitesse notable déjà à des températures ordinaires (oxydation lente). À mesure que la température augmente, une violente réaction (combustion) commence ;

3) concentration. Pour les substances dissoutes et les gaz, la vitesse des réactions chimiques dépend de la concentration des substances en réaction. La combustion de substances dans l'oxygène pur se produit plus intensément que dans l'air, où la concentration en oxygène est presque 5 fois inférieure. La loi de l'action de masse s'applique ici : à température constante, la vitesse d'une réaction chimique est directement proportionnelle au produit de la concentration des substances en réaction ;

4)surface de réaction. Pour les substances à l'état solide, le taux est directement proportionnel à la surface des substances en réaction. Le fer et le soufre à l'état solide ne réagissent assez rapidement qu'avec un broyage et un mélange préalables : combustion de broussailles et de bûches ;

5)catalyseur. La vitesse d'une réaction dépend des catalyseurs, des substances qui accélèrent les réactions chimiques sans être consommées. DANS. Ostwald, étudiant les conditions de l'équilibre chimique, découvrit le phénomène de catalyse. La décomposition du sel de Berthollet et du peroxyde d'hydrogène est accélérée en présence d'oxyde de manganèse (IV), etc.

Les catalyseurs sont positifs, qui accélèrent la réaction, et négatifs (inhibiteurs), qui la ralentissent. L'accélération catalytique sélective d'une réaction chimique est généralement appelée catalyse et constitue une technique de technologie chimique moderne (production de matériaux polymères, de carburants synthétiques, etc.). On estime que la part des procédés catalytiques dans l'industrie chimique atteint 80 %.

Processus chimiques - concept et types. Classement et caractéristiques de la catégorie « Procédés chimiques » 2017, 2018.