Eluslooduses täheldatud, aga ka inimtegevuse tagajärjel tekkivaid ühendite vastastikuseid muundumisi võib pidada keemilisteks protsessideks. Nendes sisalduvad reaktiivid võivad olla kas kaks või enam ainet, mis on samas või erinevas agregatsiooniolekus. Sõltuv alt sellest eristatakse homogeenseid või heterogeenseid süsteeme. Käesolevas töös käsitletakse läbiviimise tingimusi, kursuse iseärasusi ja keemiliste protsesside rolli looduses.
Mida mõeldakse keemilise reaktsiooni all
Kui algainete vastastikmõju tulemusena toimuvad nende molekulide koostisosad muutused ja aatomite tuumade laengud jäävad samaks, räägitakse keemilistest reaktsioonidest või protsessidest. Nende voolamise tulemusena tekkinud tooteid kasutab inimene tööstuses, põllumajanduses ja igapäevaelus. Suur hulk interaktsiooneainete vahel esineb nii elus kui ka eluta looduses. Keemilised protsessid erinevad põhimõtteliselt radioaktiivsuse füüsikalistest nähtustest ja omadustest. Neis tekivad uute ainete molekulid, samas kui füüsikalised protsessid ei muuda ühendite koostist ning tuumareaktsioonides tekivad uute keemiliste elementide aatomid.
Tingimused protsesside rakendamiseks keemias
Need võivad olla erinevad ja sõltuvad eelkõige reaktiivide olemusest, vajadusest väljastpoolt tuleva energia sissevoolu järele, aga ka agregatsiooni olekust (tahked ained, lahused, gaasid), milles protsess toimub. Kahe või enama ühendi vahelise interaktsiooni keemilist mehhanismi saab läbi viia katalüsaatorite (näiteks lämmastikhappe tootmine), temperatuuri (ammoniaagi saamine), valgusenergia (fotosüntees) toimel. Ensüümide osalusel eluslooduses on toiduainete- ja mikrobioloogiatööstuses kasutatavad fermentatsiooni keemilise reaktsiooni protsessid (alkohol, piimhape, võihape) lai alt levinud. Orgaanilises sünteesitööstuses toodete saamiseks on üheks peamiseks tingimuseks keemilise protsessi vabade radikaalide mehhanismi olemasolu. Näiteks võib tuua metaani kloori derivaatide (diklorometaan, triklorometaan, süsiniktetrakloriid, mis tulenevad ahelreaktsioonidest) tootmine.
Homogeenne katalüüs
Need on eri tüüpi kontaktid kahe või enama aine vahel. Homogeenses faasis (näiteks gaas - gaas) toimuvate keemiliste protsesside olemus kiirendite osaluselreaktsioonid, seisnevad reaktsioonide läbiviimises kogu segude mahus. Kui katalüsaator on reaktiividega samas agregatsiooniseisundis, moodustab see lähteühenditega liikuvaid vahekomplekse.
Homogeenne katalüüs on põhiline keemiline protsess, mida kasutatakse näiteks nafta, bensiini, nafta, gaasiõli ja muude kütuste töötlemisel. See kasutab selliseid tehnoloogiaid nagu reformimine, isomerisatsioon, katalüütiline krakkimine.
Heterogeenne katalüüs
Heterogeense katalüüsi korral toimub reagentide kokkupuude kõige sagedamini katalüsaatori enda tahkel pinnal. Sellel moodustuvad nn aktiivsed keskused. Need on piirkonnad, kus reageerivate ühendite interaktsioon kulgeb väga kiiresti, st reaktsioonikiirus on kõrge. Need on liigispetsiifilised ja mängivad olulist rolli ka siis, kui elusrakkudes toimuvad keemilised protsessid. Siis räägitakse ainevahetusest – ainevahetusreaktsioonidest. Heterogeense katalüüsi näide on sulfaathappe tööstuslik tootmine. Kontaktaparaadis kuumutatakse vääveldioksiidi ja hapniku gaasilist segu ja juhitakse läbi võreriiulid, mis on täidetud vanaadiumoksiidi või vanadüülsulfaadi dispergeeritud pulbriga VOSO4. Saadud saadus, vääveltrioksiid, absorbeeritakse seejärel kontsentreeritud väävelhappega. Tekib vedelik, mida nimetatakse oleumiks. Seda saab lahjendada veega, et saada soovitud sulfaathappe kontsentratsioon.
Termokeemiliste reaktsioonide omadused
Energia vabanemisel või neeldumisel soojuse kujul on suur praktiline tähtsus. Piisab, kui meenutada kütuse põlemisreaktsioone: maagaas, kivisüsi, turvas. Need on füüsikalised ja keemilised protsessid, mille oluliseks tunnuseks on põlemissoojus. Termilised reaktsioonid on lai alt levinud nii orgaanilises maailmas kui ka elutus looduses. Näiteks seedimise käigus lagundatakse bioloogiliselt aktiivsete ainete – ensüümide – toimel valgud, lipiidid ja süsivesikud.
Vabandunud energia koguneb ATP molekulide makroergiliste sidemete kujul. Dissimilatsioonireaktsioonidega kaasneb energia vabanemine, millest osa hajub soojuse kujul. Seedimise tulemusena annab iga gramm valku 17,2 kJ energiat, tärklis - 17,2 kJ, rasv - 38,9 kJ. Keemilisi protsesse, mis vabastavad energiat, nimetatakse eksotermilisteks ja neid, mis seda neelavad, nimetatakse endotermilisteks. Orgaanilise sünteesi tööstuses ja teistes tehnoloogiates arvutatakse termokeemiliste reaktsioonide termilised mõjud. Seda on oluline teada näiteks reaktorite ja sünteesikolonnide, milles toimuvad reaktsioonid, millega kaasneb soojuse neeldumine, soojendamiseks kuluva energiahulga õigeks arvutamiseks.
Kineetika ja selle roll keemiliste protsesside teoorias
Reageerivate osakeste (molekulid, ioonid) kiiruse arvutamine on tööstuse kõige olulisem ülesanne. Selle lahendus tagab keemilise tootmise tehnoloogiliste tsüklite majandusliku efekti ja tasuvuse. Suurendamisekssellise reaktsiooni kiirus, nagu ammoniaagi süntees, on otsustavateks teguriteks rõhu muutus lämmastiku ja vesiniku gaasisegus kuni 30 MPa, samuti temperatuuri järsu tõusu vältimine (temperatuur optimaalne on 450–550 °C).
Sulfaathappe tootmisel kasutatavad keemilised protsessid, nimelt: püriitide põletamine, vääveldioksiidi oksüdatsioon, vääveltrioksiidi imendumine oleumiga, viiakse läbi erinevates tingimustes. Selleks kasutatakse püriitahju ja kontaktseadmeid. Need võtavad arvesse reagentide kontsentratsiooni, temperatuuri ja rõhku. Kõik need tegurid on seotud reaktsiooni läbiviimise suurima kiirusega, mis suurendab sulfaathappe saagist 96-98%.
Ainete tsükkel füüsikaliste ja keemiliste protsessidena looduses
Tuntud ütlust "Liikumine on elu" saab rakendada ka keemiliste elementide kohta, mis astuvad erinevat tüüpi vastasmõjusse (kombinatsiooni-, asendus-, lagunemis-, vahetusreaktsioonid). Keemiliste elementide molekulid ja aatomid on pidevas liikumises. Nagu teadlased on kindlaks teinud, võivad kõigi ül altoodud keemiliste reaktsioonidega kaasneda füüsikalised nähtused: soojuse eraldumine või selle neeldumine, valguse footonite emissioon, agregatsiooniseisundi muutus. Need protsessid toimuvad igas Maa kestas: litosfääris, hüdrosfääris, atmosfääris, biosfääris. Kõige olulisemad neist on ainete, nagu hapnik, süsinikdioksiid ja lämmastik, tsüklid. Järgmises rubriigis vaatleme, kuidas lämmastik ringleb atmosfääris, pinnases jaelusorganismid.
Lämmastiku ja selle ühendite omavaheline muundamine
On hästi teada, et lämmastik on valkude vajalik komponent, mis tähendab, et see osaleb eranditult igat tüüpi maise elu kujunemises. Taimed ja loomad omastavad lämmastikku ioonidena: ammooniumi-, nitraadi- ja nitritioonid. Fotosünteesi tulemusena moodustuvad taimed mitte ainult glükoosi, vaid ka aminohappeid, glütserooli ja rasvhappeid. Kõik ül altoodud keemilised ühendid on Calvini tsüklis toimuvate reaktsioonide produktid. Silmapaistev vene teadlane K. Timirjazev rääkis roheliste taimede kosmilisest rollist, viidates muu hulgas nende võimele sünteesida valke.
Rohutoidulised saavad peptiide taimsest toidust, lihasööjad aga saaklihast. Taimsete ja loomsete jäänuste lagunemisel saprotroofsete mullabakterite mõjul toimuvad keerulised bioloogilised ja keemilised protsessid. Selle tulemusena läheb orgaanilistest ühenditest lämmastik anorgaanilisse vormi (tekivad ammoniaak, vaba lämmastik, nitraadid ja nitritid). Tulles tagasi atmosfääri ja pinnasesse, imenduvad kõik need ained taas taimedesse. Lämmastik siseneb lehtede naha stoomi kaudu ning lämmastik- ja lämmastikhappe lahused ning nende soolad imenduvad taimede juurte juurekarvadesse. Lämmastiku muundamise tsükkel sulgub, et uuesti korduda. Looduses lämmastikuühenditega toimuvate keemiliste protsesside olemust uuris 20. sajandi alguses üksikasjalikult vene teadlane D. N. Prjanišnikov.
Pubermetallurgia
Kaasaegsed keemilised protsessid ja tehnoloogiad annavad olulise panuse ainulaadsete füüsikaliste ja keemiliste omadustega materjalide loomisesse. See on eriti oluline ennekõike naftatöötlemistehaste, anorgaanilisi happeid, värvaineid, lakke ja plastmassi tootvate ettevõtete instrumentide ja seadmete jaoks. Nende tootmisel kasutatakse soojusvahetiid, kontaktseadmeid, sünteesikolonne, torustikke. Seadme pind puutub kokku kõrge rõhu all oleva agressiivse keskkonnaga. Pealegi viiakse peaaegu kõik keemilised tootmisprotsessid läbi kõrgel temperatuuril. Asjakohane on materjalide tootmine, millel on kõrge soojus- ja happekindlus ning korrosioonivastased omadused.
Pulbermetallurgia hõlmab metalli sisaldavate pulbrite tootmist, paagutamist ja lisamist kaasaegsetesse sulamitesse, mida kasutatakse reaktsioonides keemiliselt agressiivsete ainetega.
Komposiidid ja nende tähendus
Kaasaegsete tehnoloogiate seas on kõige olulisemad keemilised protsessid komposiitmaterjalide saamise reaktsioonid. Nende hulka kuuluvad vahud, metallkeraamika, norpapalstid. Tootmise maatriksina kasutatakse metalle ja nende sulameid, keraamikat ja plasti. Täiteainetena kasutatakse k altsiumsilikaati, valget savi, strontsiumi ja baariumferriide. Kõik ül altoodud ained annavad komposiitmaterjalidele löögikindluse, kuuma- ja kulumiskindluse.
Mis on keemiatehnika
Teadusharu, mis uurib toorainete: nafta, maagaasi, kivisöe, mineraalide töötlemise reaktsioonides kasutatavaid vahendeid ja meetodeid, nimetati keemiatehnoloogiaks. Teisisõnu, see on teadus inimtegevuse tulemusena toimuvate keemiliste protsesside kohta. Selle kogu teoreetiline baas koosneb matemaatikast, küberneetikast, füüsikalisest keemiast ja tööstusökonoomikast. Pole vahet, milline keemiline protsess tehnoloogiaga kaasneb (nitraathappe saamine, lubjakivi lagundamine, fenool-formaldehüüdplastide süntees) – tänapäevastes tingimustes on see võimatu ilma automatiseeritud juhtimissüsteemideta, mis hõlbustavad inimtegevust, kõrvaldavad keskkonnareostuse ja tagavad pidev ja jäätmevaba kemikaalide tootmise tehnoloogia.
Selles artiklis käsitlesime näiteid keemilistest protsessidest, mis toimuvad nii eluslooduses (fotosüntees, dissimilatsioon, lämmastikuringe) kui ka tööstuses.
