Про значні речі не судитимемо надто швидко.

Геракліт

Хімічний процес(Від лат. processus- Просування) являє собою послідовну зміну станів речовини, тісний зв'язок наступних один за одним стадій розвитку, що представляє безперервний, єдиний рух. Вчення про хімічні процеси - це сфера науки, в якій існує найбільш глибоке взаємопроникнення фізики, хімії та біології. Хімічні процеси поділяються на: гомо-і гетерогенні(залежно від агрегатного стану реагуючих систем), екзо-і ендотермічні(залежно від кількості теплоти, що виділяється і поглинається), окислювальні, відновлювальні(залежно від ставлення до кисню) та ін.

Всі процеси, що протікають навколо нас, можна об'єднати у три великі групи.

1. Мимовільні процеси, які можна використовувати
вати для отримання енергії або виконання роботи. умовами
протікання мимовільних процесів або законами термо
динаміки, що характеризуються їх, є: а) в ізольованій
системі, тобто в системі, для якої виключено будь-який матеріал
ний або енергетичний обмін з навколишнім середовищем, сума
всіх видів енергії є постійна величина; б) зміна
ентальпії (тепловий ефект процесу, АН) залежить тільки від
виду та стану вихідних речовин і продуктів і не залежить
від шляху переходу. Він носить назву закону Гесса та сформулі
ним у 1840 р.

2. Процеси, для здійснення яких потрібна витрата
енергії чи здійснення роботи.

3. Самоорганізація хімічної системи, тобто самовиробництво
вільний процес, що проходить без зміни енергетичного
запасу системи здійснюється тільки у напрямку, при якому

порядок у системі збільшується, тобто де ентропія зменшується.

Здатність взаємодії різних хімічних реагентів визначається як їх атомно-молекулярной структурою, а й умовами протікання хімічних реакцій. Процес перетворення одних речовин на інші називається хімічною реакцією. До умов протікання хімічних процесів належать передусім термодинамічні чинники, що характеризують залежність реакцій від температури, тиску та інших умов. На швидкість хімічної реакції також впливають такі умови та параметри:

1) природареагуючих 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);

2) температура. 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);

3) Концентрація.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. Розкладання бертолетової солі та пероксиду водню прискорюється в присутності оксиду марганцю (IV) та ін.

Для вступу в хімічну реакцію необхідно подолати певний енергетичний бар'єр, який відповідає енергії активації, можливість накопичення якої залежить від температури. Багато реакцій довгий час не можуть закінчитися. У такому разі кажуть, що реакція досягла хімічної рівноваги. Хімічна система перебуває у стані рівноваги, якщо виконуються такі умови:

1) у системі не відбувається енергетичних змін (Н = 0);

2) немає змін ступеня безладу (, S = 0);

3) не змінюється ізобарний потенціал (J = 0).

Вант-Тофф, використовуючи термодинамічний підхід, класифікував хімічні реакції, а також сформулював основні положення хімічної кінетики. Хімічна кінетика вивчає швидкість протікання хімічних реакцій. Ле Шательє сформулював закон зміщення хімічної рівноваги в хімічних реакціях під впливом зовнішніх факторів - температури, тиску та ін. рівноваги хімічної реакції зміщується в той бік, який послаблює цей вплив.

Хімічні реакції класифікують щодо зміни якості вихідних речовин та продуктів реакції на такі види:

реакції з'єднання- Реакції, при яких з декількох речовин утворюється одна речовина, складніша, ніж вихідні;

реакції розкладання- Реакції, при яких з однієї складної речовини утворюється кілька речовин;

реакції заміщення- Реакції, при яких атоми одного елемента заміщають атом іншого елемента в складній речовині і при цьому утворюються два нових - просте і складне;

реакції обміну- Реакції, при яких реагуючі речовини обмінюються своїми складовими частинами, в результаті

чого з двох складних речовин утворюються дві нові складні речовини.

По тепловому ефекту хімічні реакції можна поділити на екзотермічні- з виділенням теплоти та ендотермічні- З поглинанням теплоти. З урахуванням явища каталізу реакції можуть бути каталітичні- із застосуванням каталізаторів та некаталітичні- Без застосування каталізаторів. За ознакою оборотності реакції поділяють на оборотніі незворотні.

Ст.Оствальд, досліджуючи умови хімічної рівноваги, дійшов відкриття явища каталізу. Виявилося, що великою мірою характер і особливо швидкість реакцій залежить від кінетичних умов, які визначаються наявністю каталізаторів та інших добавок до реагентів, і навіть впливом розчинників, стінок реактора та інших умов. Явище каталізу- селективного прискорення хімічних процесів у присутності речовин (каталізаторів), які беруть участь у проміжних процесах, але регенеруються в кінці реакції, широко використовується в промисловості, наприклад фіксація азоту та водню, контактний спосіб виробництва сірчаної кислоти та багато інших. Вперше синтез аміаку був здійснений у 1918 р. на основі робіт Габера, К. Боша та А. Мітташа за допомогою каталізатора, що представляє собою металеве залізо з добавками оксидів калію та алюмінію, при температурі 450-550 °С тиску 300-1000 атмосфер. В даний час велику увагу приділяють застосуванню металоорганічних та металокомплексних каталізаторів, що відрізняються високими селективністю та вибірковістю дії. Той самий процес синтезу аміаку при використанні металоорганічного каталізатора вдалося здійснити при звичайній температурі (18 ° С) і нормальному атмосферному тиску, що відкриває великі перспективи у виробництві мінеральних азотних добрив. Особливо велика роль каталізу в органічному синтезі. Найбільшим успіхом у цьому напрямі слід визнати отримання штучного синтетичного каучуку з етилового спирту, здійснене радянським академіком С. В. Лебедєвим у 20-х роках XX століття.

Ферменти, або біокаталізатори, відіграють виняткову роль у біологічних процесах та технології речовин рослинного та тваринного походження, а також у медицині. В даний час відомо понад 750 ферментів, та їх кількість щорічно збільшується. Ферменти є біфункціональними та поліфункціональними каталізаторами, оскільки тут має місце узгоджений вплив двох або кількох груп каталізаторів різної природи у складі активного центру ферменту на поляризацію певних зв'язків субстрату. Ця ж концепція лежить в основі каталітичної дії ферменту та теорії кінетики дії ферментів. Головна відмінність ферментів від інших каталізаторів полягає у виключно високій активності та яскраво вираженій специфічності.

Самоорганізація хімічних систем у біологічні, їх єдність та взаємозв'язок підтверджує синтез органічних сполук з неорганічних. У 1824 р. німецький хімік Ф. Велер, учень Берцеліуса, вперше отримав із неорганічного диціана N-C-C-N при нагріванні його з водою щавлеву кислоту НООС-СООН - органічну сполуку. Також було отримано нову органічну речовину – сечовину (карбамід) з ціаністого амонію. У 1854 р. у Франції М. Бертло синтетичним шляхом отримав жир. Найбільшим успіхом хімії 50-60-х років. XX ст. з'явився перший синтез простих білків - гормону інсуліну та ферменту рибонуклерози.

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 від умов протікання 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. Найбільше вплив відчувають у своїй речовини зі змінним складом, які мають зв'язок між окремими компонентами слабше. 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 стало підставою 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 ця технологія не вимагає громіздких процесів, відрізняється високою технологічністю і 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 властивості: 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. Садохіна. - 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 оболонка, 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 алеропатії, екскреції та секреції. Функції спеціалізованих секреторних структур рослин. Групи епідермальних утворень, що у виділенні речовин.

Такі виробничі процеси, при здійсненні яких змінюють хімічний склад продукту, що переробляється з метою отримання речовини з іншими хімічними властивостями. Зміна хімічного складу продукту відбувається під час проведення однієї чи кількох хімічних реакцій.

Хімічні процеси лежать в основі виробництва багатьох неорганічних та органічних сполук, займають основне місце у виробництві чорних, кольорових та рідкісних металів, скла, цементу та інших силікатних матеріалів, целюлози, паперу та пластмас.

Хімічні процеси проходять ряд взаємозалежних стадій:

• 1. підведення реагуючих компонентів у зону реакції;
• 2. хімічна взаємодія компонентів;
• 3. поділ продуктів реакції та виділення цільового продукту із суміші.

На стадії підведення реагентів в зону реакції вихідні речовини наводяться на контакт один з одним. Контактування молекул досягається дифузією молекул однієї речовини в іншу чи конвективним перенесенням маси.

В результаті хімічного перетворення, або взаємодії, утворюється основний, або цільовий продукт і іноді ряд побічних продуктів. Стадія виділення цільового продукту здійснюється із застосуванням процесів відстоювання, випарювання, ректифікації, абсорбції, кристалізації та ін.

При необхідності технологічний процес входить стадія підготовки сировини, що включає такі операції: подрібнення, концентрування, сушіння, очищення газу від пилу та ін.

Хімічні перетворення речовин у технологічному процесі здійснюються у спеціальних апаратах, які називають реакторами. У цих апаратах хімічні реакції поєднуються з масопереносом (дифузією). Наприклад, у пічному відділенні сірчанокислотного цеху реактором є піч випалу сірки або колчедану; у контактному відділенні – контактний апарат тощо.

Перебіг хімічних реакцій, у яких виходить цільової продукт, відбувається за певних параметрах процесу: температурі, тиску, активності каталізатора, концентрації взаємодіючих речовин, інтенсивності перемішування.

Класифікація хімічних процесів

До теперішнього часу немає ще якоїсь цілком усталеної класифікації процесів хімічної технології. Практично доцільно поєднувати їх залежно від основних закономірностей, що характеризують перебіг процесів, у такі групи:

• 1. гідродинамічні процеси;
• 2. теплові процеси;
• 3. дифузійні процеси;
• 4. холодильні процеси;
• 5. механічні процеси, пов'язані з обробкою твердих тіл;
• 6. хімічні процеси, пов'язані з хімічними перетвореннями оброблюваних матеріалів.

Також поділяється на:

• 1. крекінг
• 2. риформінг
• 3. гідроочищення

Крекінг - стадія процесу очищення нафти, де продукти першої дистиляції обробляються з метою розщеплення великих молекул

вуглеводнів на менші молекули за допомогою регульованого

нагрівання, з присутністю каталізатора часто під тиском.

При крекінгу нафти отримують важкі олії, бензин і гази, такі як ЕТАН, ЕТЕН (етилен) та ПРОПЕН (пропілен), які використовуються при виробництві пластмас, тканин, миючих засобів та сільськогосподарських хімікатів. Таким чином, крекінг - це спосіб отримання великих кількостей легких вуглеводнів, на які є великий попит, з більш важких фракцій, які самі по собі використовуються як мастила.

Риформінг - переробка бензинових та лігроїнових фракцій нафти для отримання автомобільних бензинів, ароматичних вуглеводнів (бензолу та його гомологів) та водневмісного газу. Розрізняють риформінг термічний та під тиском у присутності каталізатора.

Термічний риформінг широко застосовували лише для виробництва високооктанових бензинів. Заснований на реакції: дегідрогенізація та дегідроізомеризація нафтенових вуглеводнів, деалкілування та конденсація ароматичних вуглеводнів. Переробку бензино-лігроїнових фракцій проводили трубчастих печах при 530-560°С.

Недолік процесу - невисокі виходи цільового продукту внаслідок великих втрат сировини у вигляді газу та коксу, а також порівняно високий вміст ненасичених вуглеводнів у бензині, що знижує його стабільність та прийомистість до тетраетилу та свинцю.

Гідроочищення - це процес хімічного перетворення будь-яких речовин під впливом на них при високій температурі і тиск воднем.

Гідроочищення фракцій нафти необхідне зменшення в товарних нафтопродуктах вмісту сполук, які включають сірку. Паралельно з цим відбувається зменшення смол і сполук, що містять кисень, насичення ненасичених вуглеводнів і гідрокрекінг молекул вуглеводню. Гідроочищення - це найчастіший процес переробки нафти і через неї проходять наступні її фракції: бензинові, гасові, фракції масел, а також дизельне паливо та вакуумний газойль.

Гідроочищення прямогонних бензинових фракцій необхідне отримання вже гідроочищених бензинових фракцій. Гідроочищені бензинові фракції є сировиною для каталітичної ароматизації. Вона відбувається за рахунок реакції гідрогенолізу та деструкції молекул у водневмісному газу. На виході органічні сполуки азоту, кисню, сірки, хлору та металів, які містяться у сировині стають аміаком, водою, сірководнем, хлороводнем та відповідними вуглеводнями. Цей процес відбувається при тиску від 1 до 3 МПа та температурі від 370 до 380 градусів за Цельсієм. Як каталізатор використовується кобальт-молібденовий.

Процес гідроочищення бензину каталітичного крекінгу йде зменшення в товарних бензинах дієнових вуглеводнів і сірки.

Гідроочищення гасових фракцій необхідне зменшення в реактивному паливі кількості смол і сірки, які призводять до корозії в літальних машинах паливної конструкції і закоксовують форсунки в двигуні. Цей процес здійснюють при тиску від 1,5 до 2,2 МПа та температурі близько 300-400 градусів за Цельсієм. Каталізатор у разі той самий, як і при гидроочистке прямогонних бензинових фракцій. Гідроочищення дизельного палива необхідне зменшення поліароматичних вуглеводнів і сірки. Сірка при горінні виділяє сірчистий газ. З водою він утворює сірчисту кислоту, яка є основною причиною кислотних дощів. Поліароматичні вуглеводні знижують октанове число. Процес гідроочищення відбувається при тиску від 1,8 до 2 МПа та температурі від 350 до 420 градусів, з нікелем-молібденовим як каталізатор.

Гідроочищення вакуумного газойлю потрібне також як і при очищенні дизельного палива для зменшення кількості сірки та поліароматики. Отриманий газойль йде як сировина для каталітичного крекінгу. Сірка у разі отруює каталізатор крекінгу і несприятливо впливає якість бензину каталітичного крекінгу. Гідроочищення вакуумного газойлю здійснюється при тиску 8-9 МПа та температурі від 370 до 410 градусів з каталізатором у вигляді нікель-молібденовий. Гідроочищення нафтових масел потрібне для їх освітлення, підвищення хімічної стійкості, екологічності, антикорозійності, і проходить так само, як і гідроочищення вакуумних газойлів.

Процеси поділяються також на:

• 1. періодичні,
• 2. безперервні,
• 3. комбіновані.

Періодичний процес характеризується єдністю місця перебігу окремих його стадій і станом, що не встановився в часі. p align="justify"> Періодичні процеси здійснюють в апаратах періодичної дії, з яких кінцевий продукт вивантажується повністю або частково через певні проміжки часу. Після розвантаження апарата в нього завантажують нову порцію вихідних матеріалів, і цикл повторюється знову. Внаслідок неусталеного стану при періодичному процесі в будь-якій точці маси оброблюваного матеріалу або в будь-якому перерізі апарату окремі фізичні величини або параметри (наприклад, температура, тиск, концентрація, теплоємність, швидкість та ін), що характеризують процес і стан речовин, що піддаються обробці, змінюються в час перебігу процесу.

Безперервний процес характеризується єдністю часу перебігу всіх його стадій, станом і безперервним відбором кінцевого продукту. Безперервні процеси здійснюють в апаратах безперервної дії. Внаслідок стану в будь-якій точці маси оброблюваного матеріалу або в будь-якому перерізі безперервно діючого апарату фізичні величини або параметри протягом всього часу протікання процесу залишаються практично незмінними.

Комбінований процес є або безперервний процес, окремі стадії якого проводяться періодично, або такий періодичний процес, одна або кілька стадій, якого проводяться безперервно. Безперервні процеси мають ряд істотних переваг у порівнянні з періодичними та комбінованими. До таких переваг насамперед належать:

• 1. можливість здійснення повної механізації та автоматизації, що дозволяє скоротити до мінімуму застосування ручної праці;
• 2. однорідність одержуваних продуктів та можливість підвищення їх якості;
• 3. компактність обладнання, необхідного для здійснення процесу, що дозволяє скоротити як капітальні витрати, так і витрати на ремонт.

Тому в даний час у всіх галузях техніки прагнуть перейти від періодичних до безперервних виробничих процесів.

Класифікація хімічних процесів допомагає виділити такі характеристики складових процесу, комбінація яких визначає ті чи інші властивості хімічного процесу в цілому, його закономірності та особливості.

Оскільки хімічний процес - це система взаємозалежних явищ, то класифікацію проводять за різними ознаками.

У вивченні цих хімічних процесів або іншими словами, у розвитку хімічної технології окремих речовин і продуктів, наприклад, синтетичного аміаку, каучуків, пластичних мас, чорних, кольорових та рідкісних металів, скла, цементу тощо досягнуто величезних успіхів. Ці успіхи зумовили технічний прогрес відповідних галузей промисловості. Проте наукова класифікація хімічних процесів продовжує залишатися одним із важливих завдань хімічної технології як науки. За аналогією з класифікацією фізичних та фізикохімічних процесів хімічної технології робляться спроби класифікувати промислові хімічні реакції з основних хімічних процесів. Так, пропонувалася наступна класифікація хімічних процесів обмінне розкладання та солеутворення (мінеральні добрива та солі), окислення (сірчана кислота, азотна кислота, органічні кисневі сполуки та ін.), гідрування (аміак, метанол та інші спирти, аміносполуки ароматичного ряду, одержувані гідруванням) , і т.п.), амінування (сечовина, аміносполуки жирного та ароматичного рядів), хлорування (хімічні засоби захисту рослин), нітрування (вибухові речовини), сульфування (синтетичні миючі речовини), електрохімічні процеси (електроліз водних розчинів, електроліз у розплавлених) середовищах, електрохімічне окислення та відновлення), процеси високотемпературного та каталітичного крекінгу та піролізу рідин та газів (нафтопереробка, отримання олефінів з природних газів та ін.), процеси полімеризації та поліконденсації (отримання пластичних мас, синтетичних каучуків, хімічних волокон), процеси високотемператур твердих тіл (коксування вугілля, виробництво карбіду кальцію, скла, цементу, сірчистого натрію), алкілування та арілювання тощо.

Незважаючи на значні відмінності та специфічність реакторів, призначених для здійснення окремих хімічних процесів, можна виділити однакові для всіх реакторів елементи, на основі яких проводиться класифікація. Класифікація хімічних процесів за низкою ознак певною мірою відноситься і до реакторів, оскільки ці ознаки істотно впливають на тип н конструкцію апарату. Так, тепловий ефект реакції вимагає різних теплообмінних пристроїв для відведення або підведення теплоти в реакційний об'єм. Тому поділ процесів на екзо та ендотермічні потребує вибору та відповідного хімічного реактора.

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. Досить згадати реакції горіння палива: 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.

Хімічні процеси

Найменування параметра	Значення
Тема статті:	Хімічні процеси
Рубрика (тематична категорія)	Хімія

Виникнення структурної хімії означало, що з'явилася можливість для цілеспрямованого якісного перетворення речовин, створення схеми синтезу будь-яких хімічних з'єднань, у т.ч. та раніше невідомих.

Характер будь-якого хімічного з'єднання залежить не тільки від якісного та кількісного складу, а 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 в 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 при наднизьких температурах - менше 0.00000001 К(!!!), тобто. при температурах нижче температури 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 має 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. З цієї причини 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 велике сімейство сфероподібних вуглецевих молекул - фулеренів. Фулерени - новий вид вуглецю. Це замкнуті молекули типу З 60 , З 70 , З 74 ..., в яких всі атоми вуглецю знаходяться на "сферичній" 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 були знайдені в деяких природних мінералах, наприклад, у карельському шунгіті. 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 року. Вуглецева нанотрубка має бути представлена ​​як згорнута у вигляді циліндра графітова площина. Трубки бувають одностінними та багатостінними, якщо отримані з декількох 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. Нобелівська премія в галузі фізики 2010 року присуджена вихідцям з Росії, які працюють у Великій Британії, 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 представляє собою лист товщиною в один атом, з'єднаних у двовимірну кристалічну решітку 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 з'єднань, які за свою двошарову структуру отримали назву «сендвічових» з'єднань. Молекула цієї речовини являє собою дві пластини зі з'єднань водню і 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 з'єднань (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. З цієї причини 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 і 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 здатна в розчині приєднувати іони водню або утворювати гідроксид іони ВІН. Кислотність або 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 прийнято називати 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-і гетерогенні(залежно від агрегатного стану реагуючих систем),

екзо-і ендотермічні(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.

На швидкість хімічної реакції також впливають такі умови та параметри:

1) природареагуючих речовин (наприклад, лужні метали розчиняються у воді з утворенням лугів і виділенням водню і реакція протікає при звичайних умовах моментально, а цинк, залізо та інші реагують повільно і з утворенням оксидів, а шляхетні метали не реагують взагалі);

2) температура. 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);

3) Концентрація.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 прийнято називати 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 процеси - поняття та види. Класифікація та особливості категорії "Хімічні процеси" 2017, 2018.