Що таке хімічний процес? Процес хімічний: суть і роль в природі

Взаємні перетворення з`єднань, які спостерігаються в живій природі, а також відбуваються в результаті діяльності людини можна розглядати як хімічні процеси. Реагентами в них можуть бути як два, так і більшу кількість речовин, що знаходяться в одному або в різних агрегатних станах. Залежно від цього розрізняють гомогенні або гетерогенні системи. Умови проведення, особливості протікання і роль хімічних процесів у природі будуть розглянуті в даній роботі.

Відео: Хімія 47. Хімічне джерело струму. Електроліз - Академія цікавих наук

Що мають на увазі під хімічною реакцією

Якщо в результаті взаємодії вихідних речовин зміни піддаються складові частини їх молекул, а заряди ядер атомів залишаються тими ж самими, говорять про хімічних реакціях або процесах. Продукти, що утворюються в результаті їх протікання, використовуються людиною в промисловості, сільському господарстві і побуті. Величезна кількість взаємодій між речовинами відбувається, як в живій, так і в неживій природі. Хімічні процеси мають принципову відмінність від фізичних явищ і властивостей радіоактивності. У них утворюються молекули нових речовин, тоді як фізичні процеси не змінюють склад з`єднань, а в ядерних реакціях виникають атоми нових хімічних елементів.

Умови здійснення процесів в хімії

Вони можуть бути різними і залежать, перш за все, 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 з`єднань може здійснюватися під дією каталізаторів (наприклад, виробництво азотної кислоти), температури (отримання аміаку), енергії світла (фотосинтез). За участю ферментів в живій природі широко поширені процеси хімічної реакції бродіння (спиртового, молочнокислого, маслянокислого), використовуваної в харчовій та мікробіологічної промисловості. Для отримання продуктів в промисловості органічного синтезу, одним з головних умов є наявність вільно-радикального механізму хімічного процесу. Прикладом може бути отримання хлорпроізводних метану (дихлорметана, тріхлорметан, чотирихлористого вуглецю, що утворюються в наслідок ланцюгових реакцій.

гомогенний каталіз

Вони являють собою особливі види контакту двох або декількох речовин. Суть хімічних процесів, що протікають в однорідної фазі (наприклад, газ - газ) за участю прискорювачів реакції, полягають в проведенні реакцій у всьому обсязі сумішей. Якщо каталізатор знаходиться в тому ж агрегатному стані, що і реагенти, він утворює рухливі проміжні комплекси з вихідними сполуками.

Відео: Лекція 12: Хімічні процеси

Гомогенний каталіз - це основний хімічний процес, що проводиться, наприклад, при переробці нафти, виробництві бензину, лигроина, газойля, і інших видів палива. У ньому застосовують такі технології, як реформінг, изомеризацию, каталітичний крекінг.

гетерогенний каталіз

У разі гетерогенного каталізу контакт реагуючих речовин відбувається, найчастіше, на твердій поверхні самого каталізатора. На ній формуються так звані активні центри. Це ділянки, на яких взаємодія реагуючих сполук протікає дуже швидко, тобто швидкість реакції висока. Вони видоспецифічність і грають велику роль також в тому випадку, якщо хімічні процеси відбуваються в живих клітинах. Тоді говорять про метаболізм - реакціях обміну речовин. Прикладом гетерогенного каталізу є промислове отримання сульфатної кислоти. У контактному апараті газоподібну суміш двоокису сірки та кисню нагрівають і пропускають через гратчасті полиці, заповнені дисперсним порошком оксиду ванадію або сульфату ванадію VOSO₄. Отриманий продукт - трехокись сірки, потім поглинається концентрованої сірчаної кислотою. Утворюється рідина, звана олеумом. Її можна розбавляти водою, щоб отримати сульфатную кислоту потрібної концентрації.

Особливості термохімічних реакцій

Виділення або поглинання енергії у вигляді тепла має важливе практичне значення. Досить згадати реакції горіння палива: природного газу, кам`яного вугілля, торфу. Вони являють собою фізико-хімічні процеси, важливою характеристикою яких є теплота згоряння. Термічні реакції мають широке поширення як в органічному світі, так і в неживій природі. Наприклад, в процесі травлення відбувається розщеплення білків, ліпідів і вуглеводів під дією біологічно активних речовин - ферментів.

Виділилася енергія акумулюється у вигляді макроергічних зв`язків молекул АТФ. Реакції дисиміляції супроводжуються виділенням енергії, частина якої розсіюється у вигляді тепла. В результаті травлення кожен грам білка дає 17, 2 кДж енергії, крохмалю - 17, 2 кДж, жиру - 38,9 кДж. Хімічні процеси, що йдуть з виділенням енергії, носять назву екзотермічних, а з поглинанням її - ендотермічних. У промисловості органічного синтезу та інших технологіях розраховують теплові ефекти термохімічних реакцій. Це важливо знати, наприклад, для правильного обчислення кількості енергії, що йде для нагрівання реакторів і колон синтезу, в яких відбуваються реакції, що супроводжуються поглинанням теплоти.

Кінетика і її роль в теорії хімічних процесів

Обчислення швидкості реагують частинок (молекул, іонів) - найважливіше завдання, що стоїть перед промисловістю. Її рішення забезпечує економічний ефект і прибутковість технологічних циклів в 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 різкого підвищення температури (оптимальною є температура 450- 550 ° С).

Хімічні процеси, що застосовуються у виробництві сульфатної кислоти, а саме: випалювання колчедану, окислення діоксиду сірки, поглинання трехокиси сірки олеумом проводять в різних умовах. Для цього застосовують Колчедан піч і контактні апарати. У них враховуються концентрації реагуючих речовин, температура і тиск. Всі ці фактори корелюються для проведення 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 в різноманітні типи взаємодії (реакції з`єднання, заміщення, розкладання, обміну). Молекули і атоми хімічних елементів прибувають в безперервному русі. Як встановили вчені, всі перераховані вище типи хімічних реакцій можуть супроводжуватися фізичними явищами: виділенням тепла або його поглинанням, випромінюванням фотонів світла, зміною агрегатного стану. Ці процеси відбуваються в кожній оболонці Землі: літосфері, гідросфері, атмосфері, біосфері. Найбільш значущими з них є кругообіг таких речовин, як кисень, вуглекислий газ і азот. У наступному заголовку ми розглянемо, як відбувається циркуляція азоту в атмосфері, грунті і живих організмах.

Взаємоперетворенням нітрогену та його сполук

Добре відомо, що азот є необхідною складовою частиною білків, а значить, бере участь у формуванні всіх без винятку видів земного життя. Нітроген засвоюється рослинами і тваринами у вигляді іонів: амонію, нітрат-і нітрит іона. Рослини в результаті фотосинтезу утворюють не тільки глюкозу, але також і амінокислоти, гліцерин, жирні кислоти. Всі вище перераховані хімічні сполуки є продуктами реакцій, що відбуваються в циклі Кальвіна. Видатний російський вчений К. Тімірязєв говорив про космічну роль зелених рослин, маючи на увазі, в тому числі, і їх здатність синтезувати білки.

Травоїдні тварини отримують пептиди з рослинної їжі, а м`ясоїдні - з м`яса жертв. Під час гниття залишків рослин і тварин під впливом сапротрофних бактерій грунту відбуваються складні біологічні та хімічні процеси. В їх результаті азот з органічних сполук переходить в неорганічну форму (утворюються аміак, вільний азот, нітрати і нітрити). Повертаючись в атмосферу і грунт всі ці речовини знову засвоюються рослинами. Азот надходить через продихи шкірки листя, а розчини азотної і азотної кислот і їх солей всмоктуються кореневими волосками коренів рослин. Цикл перетворення азоту замикається, щоб повторитися знову. Суть хімічних процесів, що відбуваються з сполуками азоту в природі була детально вивчена на початку 20-го століття російським вченим Д.Н Прянишникова.

порошкова металургія

Сучасні хімічні процеси і технології вносять суттєвий вклад в створення матеріалів з унікальними фізичними та хімічними властивостями. Це особливо важливо, перш за все, для приладів і обладнання нафтопереробних заводів, підприємств, що виробляють неорганічні кислоти, барвники, лаки, пластмаси. У їх виробництві застосовують теплообмінники, контактні апарати, колони синтезу, трубопроводи. Поверхня обладнання стикається з агресивними середовищами, які перебувають під високим тиском. Більш того, практично всі процеси хімічного виробництва проводяться під дією високих температур. Актуальним є отримання матеріалів з високими показниками термо- і кислотоустойчивости, антикорозійними властивостями.

Порошкова металургія включає в себе процеси виробництва металовмісних порошків, спікання і введення до складу сучасних сплавів, використовуваних в реакціях з хімічно агресивними речовинами.

Композити і 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 і їх сплави, кераміку, пластмаси. Як наповнювачі застосовують силікат кальцію, білу глину, ферріди стронцію і барію. Всі вище перераховані речовини надають композиційних матеріалів ударостійкість, тепло- і зносостійкість.

Що таке хімічна технологія

Галузь, науки, що займається вивченням засобів і методів, що застосовуються в реакціях переробки сировини: нафти, природного газу, вугілля, мінералів, назвали хімічною технологією. Іншими словами, це наука хімічних процесах, що відбуваються в результаті діяльності людини. Всю її теоретичну базу складають математика, кібернетика, фізична хімія, промислова економіка. Неважливо, який хімічний процес задіяний в технології (отримання нітратної кислоти, розкладання вапняку, синтез фенолформальдегідних пластмас) - в сучасних умовах він неможливий без автоматизованих систем управління, що полегшують діяльність людини, які виключають забруднення навколишнього середовища, і забезпечують безперервну і безвідходну технологію хімічного виробництва.

У даній роботі ми розглянули приклади хімічних процесів, що протікають, як в живій природі (фотосинтез, дисиміляція, круговорот азоту), так і в промисловості.