Wzajemne przemiany związków obserwowane u dzikich zwierząt, a także zachodzące w wyniku działalności człowieka, można uznać za procesy chemiczne. Odczynnikami w nich mogą być dwie lub więcej substancji znajdujących się w tym samym lub w różnych stanach skupienia. W zależności od tego rozróżnia się systemy jednorodne lub niejednorodne. W artykule zostaną omówione warunki prowadzenia, cechy przebiegu oraz rola procesów chemicznych w przyrodzie.
Co to znaczy reakcja chemiczna
Jeśli w wyniku interakcji substancji wyjściowych części składowe ich cząsteczek ulegają zmianom, a ładunki jąder atomów pozostają takie same, mówi się o reakcjach lub procesach chemicznych. Produkty powstałe w wyniku ich przepływu są wykorzystywane przez człowieka w przemyśle, rolnictwie i życiu codziennym. Ogromna liczba interakcjimiędzy substancjami występuje zarówno w przyrodzie żywej, jak i nieożywionej. Procesy chemiczne zasadniczo różnią się od zjawisk fizycznych i właściwości radioaktywności. Tworzą się w nich cząsteczki nowych substancji, podczas gdy procesy fizyczne nie zmieniają składu związków, a atomy nowych pierwiastków chemicznych powstają w reakcjach jądrowych.
Warunki realizacji procesów w chemii
Mogą być różne i zależą przede wszystkim od charakteru odczynników, potrzeby dopływu energii z zewnątrz, a także stanu skupienia (ciała stałe, roztwory, gazy), w którym zachodzi proces. Mechanizm chemiczny interakcji między dwoma lub więcej związkami może odbywać się pod wpływem katalizatorów (na przykład produkcja kwasu azotowego), temperatury (otrzymywanie amoniaku), energii świetlnej (fotosynteza). Przy udziale enzymów w przyrodzie żywej szeroko rozpowszechnione są procesy chemicznej reakcji fermentacji (alkohol, kwas mlekowy, masłowy), stosowane w przemyśle spożywczym i mikrobiologicznym. Jednym z podstawowych warunków uzyskania produktów w przemyśle syntezy organicznej jest obecność mechanizmu rodnikowego procesu chemicznego. Przykładem może być produkcja chloropochodnych metanu (dichlorometan, trichlorometan, czterochlorek węgla, powstające w wyniku reakcji łańcuchowych.
Kataliza jednorodna
Są to specjalne rodzaje kontaktu między dwiema lub więcej substancjami. Istota procesów chemicznych zachodzących w fazie jednorodnej (np. gaz – gaz) z udziałem akceleratorówreakcje, polegają na prowadzeniu reakcji w całej objętości mieszanin. Jeśli katalizator znajduje się w tym samym stanie skupienia co reagenty, tworzy ruchome kompleksy pośrednie ze związkami wyjściowymi.
Kataliza homogeniczna jest podstawowym procesem chemicznym stosowanym na przykład w rafinacji ropy naftowej, benzynie, benzynie ciężkiej, oleju napędowym i innych paliwach. Wykorzystuje technologie takie jak reforming, izomeryzacja, kraking katalityczny.
Kataliza heterogeniczna
W przypadku katalizy heterogenicznej kontakt reagentów następuje najczęściej na stałej powierzchni samego katalizatora. Tworzą się na nim tak zwane centra aktywne. Są to obszary, w których oddziaływanie reagujących związków przebiega bardzo szybko, czyli szybkość reakcji jest wysoka. Są one specyficzne gatunkowo i odgrywają ważną rolę również wtedy, gdy w żywych komórkach zachodzą procesy chemiczne. Następnie rozmawiają o metabolizmie – reakcjach metabolicznych. Przykładem katalizy heterogenicznej jest przemysłowa produkcja kwasu siarczanowego. W aparacie kontaktowym, gazowa mieszanina dwutlenku siarki i tlenu jest podgrzewana i przepuszczana przez półki kratowe wypełnione rozproszonym proszkiem tlenku wanadu lub siarczanu wanadylu VOSO4. Powstały produkt, trójtlenek siarki, jest następnie absorbowany przez stężony kwas siarkowy. Powstaje ciecz zwana oleum. Można go rozcieńczać wodą w celu uzyskania pożądanego stężenia kwasu siarczanowego.
Cechy reakcji termochemicznych
Uwalnianie lub pochłanianie energii w postaci ciepła ma ogromne znaczenie praktyczne. Wystarczy przypomnieć reakcje spalania paliwa: gazu ziemnego, węgla, torfu. Są to procesy fizyczne i chemiczne, których ważną cechą jest ciepło spalania. Reakcje termiczne są szeroko rozpowszechnione zarówno w świecie organicznym, jak iw przyrodzie nieożywionej. Na przykład w procesie trawienia białka, lipidy i węglowodany ulegają rozkładowi pod wpływem substancji biologicznie czynnych - enzymów.
Uwolniona energia jest akumulowana w postaci makroergicznych wiązań cząsteczek ATP. Reakcjom dysymilacji towarzyszy wydzielanie energii, której część ulega rozproszeniu w postaci ciepła. W wyniku trawienia każdy gram białka dostarcza 17,2 kJ energii, skrobi – 17,2 kJ, tłuszczu – 38,9 kJ. Procesy chemiczne, które uwalniają energię, nazywane są egzotermicznymi, a te, które ją pochłaniają, nazywane są endotermicznymi. W przemyśle syntezy organicznej i innych technologiach obliczane są efekty cieplne reakcji termochemicznych. Warto to wiedzieć na przykład do prawidłowego obliczenia ilości energii użytej do nagrzania reaktorów i kolumn syntezowych, w których zachodzą reakcje, którym towarzyszy pochłanianie ciepła.
Kinetyka i jej rola w teorii procesów chemicznych
Obliczanie prędkości reagujących cząstek (cząsteczek, jonów) to najważniejsze zadanie stojące przed branżą. Jego rozwiązanie zapewnia efekt ekonomiczny i opłacalność cykli technologicznych w produkcji chemicznej. Dla zwiększeniaszybkość takiej reakcji, jak synteza amoniaku, decydującymi czynnikami będzie zmiana ciśnienia w mieszaninie gazowej azotu i wodoru do 30 MPa, a także zapobieżenie gwałtownemu wzrostowi temperatury (temperatura wynosi 450-550 °C jest optymalna).
Procesy chemiczne stosowane przy produkcji kwasu siarczanowego, a mianowicie: spalanie pirytów, utlenianie dwutlenku siarki, absorpcja trójtlenku siarki przez oleum, przebiegają w różnych warunkach. W tym celu stosuje się piec pirytowy i urządzenia kontaktowe. Uwzględniają stężenie reagentów, temperaturę i ciśnienie. Wszystkie te czynniki korelują z przeprowadzeniem reakcji z największą szybkością, co zwiększa wydajność kwasu siarczanowego do 96-98%.
Cykl substancji jako procesy fizyczne i chemiczne w przyrodzie
Dobrze znane powiedzenie „Ruch to życie” można również odnieść do pierwiastków chemicznych wchodzących w różnego rodzaju interakcje (reakcje łączenia, podstawienia, rozkładu, wymiany). Cząsteczki i atomy pierwiastków chemicznych są w ciągłym ruchu. Jak ustalili naukowcy, wszystkim powyższym typom reakcji chemicznych mogą towarzyszyć zjawiska fizyczne: wydzielanie ciepła lub jego pochłanianie, emisja fotonów światła, zmiana stanu skupienia. Procesy te zachodzą w każdej powłoce Ziemi: litosferze, hydrosferze, atmosferze, biosferze. Najważniejsze z nich to cykle substancji takich jak tlen, dwutlenek węgla i azot. W następnym nagłówku przyjrzymy się, jak azot krąży w atmosferze, glebie iżywe organizmy.
Wzajemna konwersja azotu i jego związków
Dobrze wiadomo, że azot jest niezbędnym składnikiem białek, co oznacza, że bierze udział w tworzeniu wszystkich bez wyjątku rodzajów ziemskiego życia. Azot jest wchłaniany przez rośliny i zwierzęta w postaci jonów: amonowych, azotanowych i azotynowych. W wyniku fotosyntezy rośliny wytwarzają nie tylko glukozę, ale także aminokwasy, glicerol i kwasy tłuszczowe. Wszystkie powyższe związki chemiczne są produktami reakcji zachodzących w cyklu Calvina. Wybitny rosyjski naukowiec K. Timiryazev mówił o kosmicznej roli roślin zielonych, odnosząc się między innymi do ich zdolności do syntezy białek.
Roślinożercy czerpią peptydy z pokarmów roślinnych, podczas gdy mięsożercy czerpią peptydy z mięsa ofiar. Podczas rozkładu szczątków roślinnych i zwierzęcych pod wpływem saprotroficznych bakterii glebowych zachodzą złożone procesy biologiczne i chemiczne. W efekcie azot ze związków organicznych przechodzi do postaci nieorganicznej (powstaje amoniak, wolny azot, azotany i azotyny). Wracając do atmosfery i gleby, wszystkie te substancje są ponownie wchłaniane przez rośliny. Azot przedostaje się przez aparaty szparkowe skóry liści, a roztwory kwasu azotowego i azotawego oraz ich sole są wchłaniane przez włośniki korzeni roślin. Cykl przemian azotu ponownie się zamyka. Istotę procesów chemicznych zachodzących w przyrodzie ze związkami azotu szczegółowo zbadał na początku XX wieku rosyjski naukowiec D. N. Pryanisznikow.
Hutnictwo proszków
Nowoczesne procesy i technologie chemiczne wnoszą znaczący wkład w tworzenie materiałów o unikalnych właściwościach fizycznych i chemicznych. Jest to szczególnie ważne przede wszystkim w przypadku aparatury i wyposażenia rafinerii ropy naftowej, przedsiębiorstw produkujących kwasy nieorganiczne, barwniki, lakiery i tworzywa sztuczne. Do ich produkcji wykorzystywane są wymienniki ciepła, urządzenia kontaktowe, kolumny syntezowe, rurociągi. Powierzchnia urządzenia styka się z agresywnymi mediami pod wysokim ciśnieniem. Ponadto prawie wszystkie chemiczne procesy produkcyjne odbywają się w wysokich temperaturach. Istotna jest produkcja materiałów o wysokich wskaźnikach odporności termicznej i kwasowej, właściwościach antykorozyjnych.
Hutnictwo proszków obejmuje produkcję proszków zawierających metal, spiekanie i wbudowywanie w nowoczesne stopy stosowane w reakcjach z chemicznie agresywnymi substancjami.
Kompozyty i ich znaczenie
Wśród nowoczesnych technologii najważniejszymi procesami chemicznymi są reakcje otrzymywania materiałów kompozytowych. Należą do nich pianki, cermety, norpapalsty. Jako matrycę do produkcji stosuje się metale i ich stopy, ceramikę i tworzywa sztuczne. Jako wypełniacze stosuje się krzemian wapnia, białą glinkę, żelazo strontu i baru. Wszystkie powyższe substancje zapewniają materiałom kompozytowym odporność na uderzenia, ciepło i zużycie.
Co to jest inżynieria chemiczna
Dziedzina nauki badająca środki i metody stosowane w reakcjach przetwarzania surowców: ropy naftowej, gazu ziemnego, węgla, minerałów została nazwana technologią chemiczną. Innymi słowy jest to nauka o procesach chemicznych zachodzących w wyniku działalności człowieka. Całą jego podstawę teoretyczną tworzą matematyka, cybernetyka, chemia fizyczna i ekonomia przemysłowa. Nie ma znaczenia, jaki proces chemiczny jest zaangażowany w technologię (otrzymywanie kwasu azotanowego, rozkład kamienia wapiennego, synteza tworzyw fenolowo-formaldehydowych) – w nowoczesnych warunkach nie jest to możliwe bez zautomatyzowanych systemów sterowania ułatwiających działalność człowieka, eliminujących zanieczyszczenia środowiska i zapewniających ciągła i bezodpadowa technologia produkcji chemicznej.
W niniejszym artykule rozważyliśmy przykłady procesów chemicznych zachodzących zarówno w dzikiej przyrodzie (fotosynteza, dyssymilacja, cykl azotowy), jak i w przemyśle.
