Взаимные превращения соединений, наблюдаемые в живой природе, а также происходящие в результате деятельности человека можно рассматривать как химические процессы. Реагентами в них могут быть как два, так и большее количество веществ, находящихся в одном или в различных агрегатных состояниях. В зависимости от этого различают гомогенные или гетерогенные системы. Условия проведения, особенности протекания и роль химических процессов в природе будут рассмотрены в данной работе.
Что подразумевают под химической реакцией
Если в результате взаимодействия исходных веществ изменению подвергаются составные части их молекул, а заряды ядер атомов остаются теми же самыми, говорят о химических реакциях или процессах. Продукты, образующиеся в результате их протекания, используются человеком в промышленности, сельском хозяйстве и быту. Огромное количество взаимодействий между веществами происходит, как в живой, так и в неживой природе. Химические процессы имеют принципиальное отличие от физических явлений и свойств радиоактивности. В них образуются молекулы новых веществ, тогда как физические процессы не изменяют состав соединений, а в ядерных реакциях возникают атомы новых химических элементов.
Условия осуществления процессов в химии
Они могут быть различными и зависят, прежде всего, от природы реагентов, необходимости притока энергии извне, а также агрегатного состояния (твердые тела, растворы, газы), в котором происходит процесс. Химический механизм взаимодействия между собой двух и более соединений может осуществляться под действием катализаторов (например, производство азотной кислоты), температуры (получения аммиака), энергии света (фотосинтез). При участии ферментов в живой природе широко распространены процессы химической реакции брожения (спиртового, молочнокислого, маслянокислого), используемой в пищевой и микробиологической промышленности. Для получения продуктов в промышленности органического синтеза, одним из главных условий является наличие свободно-радикального механизма химического процесса. Примером может быть получение хлорпроизводных метана (дихлорметана, трихлорметана, четырёххлористого углерода, образующихся в следствие цепных реакций.
Гомогенный катализ
Они представляют собой особые виды контакта двух или нескольких веществ. Суть химических процессов, протекающих в однородной фазе (например, газ – газ) с участием ускорителей реакции, заключаются в проведении реакций во всем объеме смесей. Если катализатор находится в том же агрегатном состоянии, что и реагенты, он образует подвижные промежуточные комплексы с исходными соединениями.
Гомогенный катализ – это основной химический процесс, проводимый, например, при переработке нефти, производстве бензина, лигроина, газойля, и других видов топлива. В нем применяют такие технологии, как реформинг, изомеризацию, каталитический крекинг.
Гетерогенный катализ
В случае гетерогенного катализа контакт реагирующих веществ происходит, чаще всего, на твердой поверхности самого катализатора. На ней формируются так называемые активные центры. Это участки, на которых взаимодействие реагирующих соединений протекает очень быстро, то есть скорость реакции высока. Они видоспецифичны и играют большую роль также в том случае, если химические процессы происходят в живых клетках. Тогда говорят о метаболизме – реакциях обмена веществ. Примером гетерогенного катализа является промышленное получение сульфатной кислоты. В контактном аппарате газообразную смесь двуокиси серы и кислорода нагревают и пропускают через решетчатые полки, заполненные дисперсным порошком оксида ванадия или сульфата ванадила VOSO4. Полученный продукт – трехокись серы, затем поглощается концентрированной серной кислотой. Образуется жидкость, называемая олеумом. Её можно разбавлять водой, чтобы получить сульфатную кислоту нужной концентрации.
Особенности термохимических реакций
Выделение или поглощение энергии в виде тепла имеет важное практическое значение. Достаточно вспомнить реакции горения топлива: природного газа, каменного угля, торфа. Они представляют собой физико-химические процессы, важной характеристикой которых является теплота сгорания. Термические реакции имеют широкое распространение как в органическом мире, так и в неживой природе. Например, в процессе пищеварения происходит расщепление белков, липидов и углеводов под действием биологически активных веществ – ферментов.
Выделившаяся энергия аккумулируется в виде макроэргических связей молекул АТФ. Реакции диссимиляции сопровождаются выделением энергии, часть которой рассеивается в виде тепла. В результате пищеварения каждый грамм белка дает 17, 2 кДж энергии, крахмала – 17, 2 кДж, жира – 38,9 кДж. Химические процессы, идущие с выделением энергии, носят название экзотермических, а с поглощением её – эндотермических. В промышленности органического синтеза и других технологиях рассчитывают тепловые эффекты термохимических реакций. Это важно знать, например, для правильного вычисления количества энергии, идущей для нагревания реакторов и колонн синтеза, в которых происходят реакции, сопровождающиеся поглощением теплоты.
Кинетика и её роль в теории химических процессов
Вычисление скорости реагирующих частиц (молекул, ионов) – важнейшая задача, стоящая перед промышленностью. Её решение обеспечивает экономический эффект и прибыльность технологических циклов в химическом производстве. Для увеличения скорости такой реакции, как например, синтез аммиака решающими факторами будут изменение давления в газовой смеси азота и водорода до 30 МПа, а также предотвращение резкого повышения температуры (оптимальной является температура 450- 550 °С).
Химические процессы, применяемые в производстве сульфатной кислоты, а именно: выжигание колчедана, окисление диоксида серы, поглощение трехокиси серы олеумом проводят в различных условиях. Для этого применяют колчеданную печь и контактные аппараты. В них учитываются концентрации реагирующих веществ, температура и давление. Все эти факторы коррелируются для проведения реакции с наибольшей скоростью, что повышает выход сульфатной кислоты до 96-98%.
Круговорот веществ, как физико-химические процессы в природе
Известное изречение «Движение – это жизнь» можно применить и к химическим элементам, вступающих в разнообразные типы взаимодействия (реакции соединения, замещения, разложения, обмена). Молекулы и атомы химических элементов прибывают в непрерывном движении. Как установили ученые, все вышеперечисленные типы химических реакций могут сопровождаться физическими явлениями: выделением тепла или его поглощением, излучением фотонов света, изменением агрегатного состояния. Эти процессы происходят в каждой оболочке Земли: литосфере, гидросфере, атмосфере, биосфере. Наиболее значимыми из них являются круговороты таких веществ, как кислород, углекислый газ и азот. В следующем заголовке мы рассмотрим, как происходит циркуляция азота в атмосфере, почве и живых организмах.
Взаимопревращение нитрогена и его соединений
Хорошо известно, что азот является необходимой составной частью белков, а значит, участвует в формировании всех без исключения видов земной жизни. Нитроген усваивается растениями и животными в виде ионов: аммония, нитрат- и нитрит- иона. Растения в результате фотосинтеза образуют не только глюкозу, но также и аминокислоты, глицерин, жирные кислоты. Все выше перечисленные химические соединения являются продуктами реакций, происходящих в цикле Кальвина. Выдающийся русский ученый К. Тимирязев говорил о космической роли зеленых растений, имея ввиду, в том числе, и их способность синтезировать белки.
Травоядные животные получают пептиды из растительной пищи, а плотоядные - из мяса жертв. Во время гниения остатков растений и животных под воздействием сапротрофных бактерий почвы происходят сложные биологические и химические процессы. В их результате азот из органических соединений переходит в неорганическую форму (образуются аммиак, свободный азот, нитраты и нитриты). Возвращаясь в атмосферу и почву все эти вещества вновь усваиваются растениями. Азот поступает через устьица кожицы листьев, а растворы азотной и азотистой кислот и их солей всасываются корневыми волосками корней растений. Цикл превращения азота замыкается, чтобы повториться снова. Суть химических процессов, происходящих с соединениями азота в природе была детально изучена в начале 20-го века российским ученым Д.Н Прянишниковым.
Порошковая металлургия
Современные химические процессы и технологии вносят ощутимый вклад в создание материалов с уникальными физическими и химическими свойствами. Это особенно важно, прежде всего, для приборов и оборудования нефтеперерабатывающих заводов, предприятий, производящих неорганические кислоты, красители, лаки, пластмассы. В их производстве применяют теплообменники, контактные аппараты, колонны синтеза, трубопроводы. Поверхность оборудования соприкасается с агрессивными средами, находящимися под высоким давлением. Более того, практически все процессы химического производства проводятся под действием высоких температур. Актуальным является получение материалов с высокими показателями термо- и кислотоустойчивости, антикоррозионными свойствами.
Порошковая металлургия включает в себя процессы производства металлосодержащих порошков, спекания и введения в состав современных сплавов, используемых в реакциях с химически агрессивными веществами.
Композиты и их значение
Среди современных технологий, важнейшими химическими процессами являются реакции получения композиционных материалов. К ним относятся пены, керметы, норпапалсты. Как матрицу для производства используют металлы и их сплавы, керамику, пластмассы. В качестве наполнителей применяют силикат кальция, белую глину, ферриды стронция и бария. Все выше перечисленные вещества придают композиционным материалам ударопрочность, тепло- и износостойкость.
Что такое химическая технология
Отрасль, науки, занимающаяся изучением средств и методов, применяемых в реакциях переработки сырья: нефти, природного газа, угля, минералов, назвали химической технологией. Иными словами, это наука химических процессах, происходящих в результате деятельности человека. Всю её теоретическую базу составляют математика, кибернетика, физическая химия, промышленная экономика. Неважно, какой химический процесс задействован в технологии (получение нитратной кислоты, разложение известняка, синтез фенолформальдегидных пластмасс) – в современных условиях он невозможен без автоматизированных систем управления, облегчающих деятельность человека, исключающих загрязнение окружающей среды, и обеспечивающих непрерывную и безотходную технологию химического производства.
В данной работе мы рассмотрели примеры химических процессов, протекающих, как в живой природе (фотосинтез, диссимиляция, круговорот азота), так и в промышленности.
