Savstarpējās savienojumu pārvērtības, kas novērotas savvaļā, kā arī notiek cilvēka darbības rezultātā, var uzskatīt par ķīmiskiem procesiem. Tajos esošie reaģenti var būt vai nu divas vai vairākas vielas, kas atrodas vienā vai dažādos agregācijas stāvokļos. Atkarībā no tā izšķir viendabīgas vai neviendabīgas sistēmas. Šajā darbā tiks aplūkoti vadīšanas nosacījumi, kursa īpatnības un ķīmisko procesu nozīme dabā.
Ko nozīmē ķīmiska reakcija
Ja sākotnējo vielu mijiedarbības rezultātā mainās to molekulu sastāvdaļas un atomu kodolu lādiņi paliek nemainīgi, tie runā par ķīmiskām reakcijām vai procesiem. Produktus, kas veidojas to plūsmas rezultātā, cilvēks izmanto rūpniecībā, lauksaimniecībā un sadzīvē. Milzīgs mijiedarbību skaitsstarp vielām notiek gan dzīvajā, gan nedzīvajā dabā. Ķīmiskajiem procesiem ir būtiska atšķirība no radioaktivitātes fizikālajām parādībām un īpašībām. Tajās veidojas jaunu vielu molekulas, savukārt fizikālie procesi neizmaina savienojumu sastāvu, un kodolreakcijās rodas jaunu ķīmisko elementu atomi.
Nosacījumi procesu ieviešanai ķīmijā
Tie var būt dažādi un galvenokārt ir atkarīgi no reaģentu īpašībām, nepieciešamības pēc enerģijas pieplūduma no ārpuses, kā arī no agregācijas stāvokļa (cietās vielas, šķīdumi, gāzes), kurā notiek process. Mijiedarbības ķīmisko mehānismu starp diviem vai vairākiem savienojumiem var veikt katalizatoru (piemēram, slāpekļskābes ražošana), temperatūras (amonjaka iegūšanas), gaismas enerģijas (fotosintēzes) iedarbībā. Dzīvajā dabā piedaloties fermentiem, plaši tiek izplatīti fermentācijas ķīmiskās reakcijas procesi (spirts, pienskābe, sviestskābe), ko izmanto pārtikas un mikrobioloģiskajā rūpniecībā. Lai iegūtu produktus organiskās sintēzes rūpniecībā, viens no galvenajiem nosacījumiem ir ķīmiskā procesa brīvo radikāļu mehānisma klātbūtne. Piemērs varētu būt metāna hlora atvasinājumu (dihlormetāna, trihlormetāna, oglekļa tetrahlorīda) ražošana, kas rodas ķēdes reakciju rezultātā.
Viendabīga katalīze
Tie ir īpaši kontakta veidi starp divām vai vairākām vielām. Ķīmisko procesu būtība, kas notiek homogēnā fāzē (piemēram, gāze - gāze), piedaloties paātrinātājiemreakcijas, kas sastāv no reakciju veikšanas visā maisījumu tilpumā. Ja katalizators ir tādā pašā agregācijas stāvoklī kā reaģenti, tas veido kustīgus starpkompleksus ar izejas savienojumiem.
Viendabīgā katalīze ir ķīmiskais pamatprocess, ko izmanto, piemēram, naftas pārstrādē, benzīnā, ligroīnā, gāzeļļā un citās kurināmās. Tajā tiek izmantotas tādas tehnoloģijas kā reformēšana, izomerizācija, katalītiskā krekings.
Heterogēnā katalīze
Neviendabīgas katalīzes gadījumā reaģentu saskare visbiežāk notiek uz paša katalizatora cietās virsmas. Uz tā veidojas tā sauktie aktīvie centri. Tās ir jomas, kurās reaģējošo savienojumu mijiedarbība norit ļoti ātri, tas ir, reakcijas ātrums ir augsts. Tie ir specifiski sugai un tiem ir svarīga loma arī tad, ja dzīvās šūnās notiek ķīmiski procesi. Tad viņi runā par vielmaiņu – vielmaiņas reakcijām. Neviendabīgas katalīzes piemērs ir sulfātskābes rūpnieciskā ražošana. Kontaktaparātā sēra dioksīda un skābekļa gāzveida maisījums tiek uzkarsēts un izvadīts caur režģa plauktiem, kas piepildīti ar izkliedētu vanādija oksīda vai vanadilsulfāta pulveri VOSO4. Iegūto produktu, sēra trioksīdu, pēc tam absorbē koncentrēta sērskābe. Veidojas šķidrums, ko sauc par oleumu. To var atšķaidīt ar ūdeni, lai iegūtu vēlamo sulfātskābes koncentrāciju.
Termoķīmisko reakciju pazīmes
Enerģijas izdalīšanai vai absorbcijai siltuma veidā ir liela praktiska nozīme. Pietiek atgādināt degvielas sadegšanas reakcijas: dabasgāze, ogles, kūdra. Tie ir fizikāli un ķīmiski procesi, kuru svarīga īpašība ir sadegšanas siltums. Termiskās reakcijas ir plaši izplatītas gan organiskajā pasaulē, gan nedzīvajā dabā. Piemēram, gremošanas procesā olb altumvielas, lipīdi un ogļhidrāti tiek sadalīti bioloģiski aktīvo vielu - enzīmu iedarbībā.
Atbrīvotā enerģija tiek uzkrāta ATP molekulu makroerģisko saišu veidā. Disimilācijas reakcijas pavada enerģijas izdalīšanās, kuras daļa tiek izkliedēta siltuma veidā. Gremošanas rezultātā katrs proteīna grams nodrošina 17,2 kJ enerģijas, ciete - 17,2 kJ, tauki - 38,9 kJ. Ķīmiskos procesus, kas atbrīvo enerģiju, sauc par eksotermiskiem, bet tos, kas to absorbē, sauc par endotermiskiem. Organiskās sintēzes rūpniecībā un citās tehnoloģijās aprēķina termoķīmisko reakciju termiskos efektus. To ir svarīgi zināt, piemēram, lai pareizi aprēķinātu enerģijas daudzumu, ko izmanto reaktoru un sintēzes kolonnu, kurās notiek reakcijas, ko pavada siltuma absorbcija, sildīšanai.
Kinētika un tās loma ķīmisko procesu teorijā
Daļiņu (molekulu, jonu) reakcijas ātruma aprēķināšana ir vissvarīgākais nozares uzdevums. Tā risinājums nodrošina ķīmiskās ražošanas tehnoloģisko ciklu ekonomisko efektu un rentabilitāti. Lai palielinātušādas reakcijas ātrums, piemēram, amonjaka sintēze, izšķirošie faktori būs spiediena izmaiņas slāpekļa un ūdeņraža gāzu maisījumā līdz 30 MPa, kā arī straujas temperatūras (temperatūras) paaugstināšanās novēršana. ir 450-550 °C ir optimāls).
Sulfātskābes ražošanā izmantotie ķīmiskie procesi, proti: pirītu dedzināšana, sēra dioksīda oksidēšana, sēra trioksīda absorbcija oleumā, tiek veikti dažādos apstākļos. Šim nolūkam tiek izmantota pirīta krāsns un kontaktierīces. Tie ņem vērā reaģentu koncentrāciju, temperatūru un spiedienu. Visi šie faktori korelē reakcijas veikšanai ar vislielāko ātrumu, kas palielina sulfātskābes iznākumu līdz 96-98%.
Vielu cikls kā fizikāli ķīmiski procesi dabā
Plaši zināmo teicienu "Kustība ir dzīvība" var attiecināt arī uz ķīmiskajiem elementiem, kas nonāk dažāda veida mijiedarbībā (kombinācijas, aizstāšanas, sadalīšanās, apmaiņas reakcijas). Ķīmisko elementu molekulas un atomi atrodas pastāvīgā kustībā. Kā noskaidrojuši zinātnieki, visus iepriekš minētos ķīmisko reakciju veidus var pavadīt fiziskas parādības: siltuma izdalīšanās vai tā absorbcija, gaismas fotonu emisija, agregācijas stāvokļa izmaiņas. Šie procesi notiek katrā Zemes apvalkā: litosfērā, hidrosfērā, atmosfērā, biosfērā. Nozīmīgākie no tiem ir tādu vielu cikli kā skābeklis, oglekļa dioksīds un slāpeklis. Nākamajā virsrakstā aplūkosim, kā slāpeklis cirkulē atmosfērā, augsnē undzīvi organismi.
Slāpekļa un tā savienojumu savstarpēja konversija
Ir labi zināms, ka slāpeklis ir nepieciešama olb altumvielu sastāvdaļa, kas nozīmē, ka tas ir iesaistīts visu veidu zemes dzīvības veidošanā bez izņēmuma. Slāpekli augi un dzīvnieki absorbē jonu veidā: amonija, nitrātu un nitrītu jonu veidā. Fotosintēzes rezultātā augi veido ne tikai glikozi, bet arī aminoskābes, glicerīnu un taukskābes. Visi iepriekš minētie ķīmiskie savienojumi ir reakciju produkti, kas notiek Kalvina ciklā. Izcilais krievu zinātnieks K. Timirjazevs runāja par zaļo augu kosmisko lomu, cita starpā atsaucoties uz to spēju sintezēt olb altumvielas.
Zālēdāji iegūst peptīdus no augu pārtikas, savukārt plēsēji iegūst peptīdus no laupījuma gaļas. Augu un dzīvnieku atlieku trūdēšanas laikā saprotrofu augsnes baktēriju ietekmē notiek sarežģīti bioloģiskie un ķīmiskie procesi. Tā rezultātā slāpeklis no organiskajiem savienojumiem pāriet neorganiskā formā (veidojas amonjaks, brīvais slāpeklis, nitrāti un nitrīti). Atgriežoties atmosfērā un augsnē, visas šīs vielas atkal absorbē augi. Slāpeklis iekļūst caur lapu ādas stomām, slāpekļskābes un slāpekļskābes šķīdumus un to sāļus absorbē augu sakņu matiņi. Slāpekļa transformācijas cikls noslēdzas, lai atkārtoties. Ar slāpekļa savienojumiem dabā notiekošo ķīmisko procesu būtību 20. gadsimta sākumā detalizēti pētīja krievu zinātnieks D. N. Prjaņišņikovs.
Pulvermetalurģija
Mūsdienu ķīmiskie procesi un tehnoloģijas sniedz būtisku ieguldījumu tādu materiālu radīšanā, kuriem ir unikālas fizikālās un ķīmiskās īpašības. Tas ir īpaši svarīgi, pirmkārt, naftas pārstrādes rūpnīcu instrumentiem un iekārtām, uzņēmumiem, kas ražo neorganiskās skābes, krāsvielas, lakas un plastmasu. To ražošanā tiek izmantoti siltummaiņi, kontaktierīces, sintēzes kolonnas, cauruļvadi. Iekārtas virsma ir saskarē ar agresīvu vidi zem augsta spiediena. Turklāt gandrīz visi ķīmiskās ražošanas procesi tiek veikti augstā temperatūrā. Svarīga ir tādu materiālu ražošana, kuriem ir augsta termiskā un skābes izturība, pretkorozijas īpašības.
Pulvermetalurģija ietver metālu saturošu pulveru ražošanu, saķepināšanu un iekļaušanu modernos sakausējumos, ko izmanto reakcijās ar ķīmiski agresīvām vielām.
Kompozīti un to nozīme
Mūsdienu tehnoloģiju vidū svarīgākie ķīmiskie procesi ir kompozītmateriālu iegūšanas reakcijas. Tajos ietilpst putas, metālkeramika, norpapalsts. Kā ražošanas matrica tiek izmantoti metāli un to sakausējumi, keramika un plastmasa. Kā pildvielas izmanto kalcija silikātu, b alto mālu, stroncija un bārija ferīdus. Visas iepriekš minētās vielas nodrošina kompozītmateriālu triecienizturību, karstumu un nodilumizturību.
Kas ir ķīmijas inženierija
Zinātnes nozari, kas pēta izejvielu: naftas, dabasgāzes, ogļu, derīgo izrakteņu pārstrādes reakcijās izmantotos līdzekļus un metodes, sauca par ķīmisko tehnoloģiju. Citiem vārdiem sakot, tā ir zinātne par ķīmiskajiem procesiem, kas notiek cilvēka darbības rezultātā. Visa tās teorētiskā bāze sastāv no matemātikas, kibernētikas, fizikālās ķīmijas un rūpnieciskās ekonomikas. Nav svarīgi, kāds ķīmiskais process ir iesaistīts tehnoloģijā (nitrātskābes iegūšana, kaļķakmens sadalīšana, fenola-formaldehīda plastmasu sintēze) - mūsdienu apstākļos tas nav iespējams bez automatizētām vadības sistēmām, kas atvieglo cilvēka darbību, novērš vides piesārņojumu un nodrošina nepārtrauktas un bez atkritumiem ķīmiskās ražošanas tehnoloģija.
Šajā rakstā mēs aplūkojām piemērus ķīmiskiem procesiem, kas notiek gan savvaļas dzīvniekiem (fotosintēze, disimilācija, slāpekļa cikls), gan rūpniecībā.
