Взаємні перетворення сполук, що 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.

Що розуміють 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 у живій, так і неживій природі. Хімічні процеси мають принципову відмінність від фізичних явищ і властивостей радіоактивності. В них утворюються молекули нових речовин, тоді як фізичні процеси, що змінюють склад сполук, а в ядерних реакціях виникають атоми нових хімічних елементів.

Умови здійснення процесів в хімії

Вони можуть бути різними і залежать, насамперед, від природи реагентів, необхідність припливу енергії ззовні, а також агрегатного стану (тверді тіла, розчини, гази), в якому відбувається процес. Хімічний механізм взаємодії між собою двох і більше сполук може здійснюватися під дією каталізаторів (наприклад, виробництво азотної кислоти), температури (одержання аміаку), енергії світла (фотосинтез). За участю ферментів в живій природі широко поширені процеси хімічної реакції бродіння (спиртового, молочнокислого, маслянокислого), що використовується у харчовій та мікробіологічної промисловості. Для отримання продуктів у промисловості органічного синтезу, одним з головних умов є наявність вільно-радикального механізму хімічного процесу. Прикладом може бути отримання хлорпроїзводних метану (дихлорметану, трихлорметана, чотирихлористого вуглецю, що утворюються в наслідок ланцюгових реакцій.

Гомогенний каталіз

Вони являють собою особливі види контакту двох або кількох речовин. Суть хімічних процесів, що протікають в однорідному фазі (наприклад, газ – газ) за участю прискорювачів реакції, полягають у проведенні реакцій у всьому обсязі сумішей. Якщо каталізатор знаходиться в тому ж агрегатному стані, що й реагенти, він утворює рухливі проміжні комплекси з вихідними сполуками. Гомогенний каталіз – це основний хімічний процес, що проводиться, наприклад, при переробці нафти, виробництві бензину, лигроина, газойлю, та інших видів палива. У ньому застосовують такі технології, як реформінг, ізомеризації, 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 видоспецифични і відіграють велику роль також у тому випадку, якщо хімічні процеси відбуваються в живих клітинах. Тоді говорять про метаболізмі – реакціях обміну речовин. Прикладом гетерогенного каталізу є промислове одержання сульфатної кислоти. В контактному апараті газоподібну суміш двоокису сірки і кисню нагрівають і пропускають через решітчасті полиці, заповнені дисперсним порошком оксиду ванадію або сульфату ванадила VOSO 4 . Отриманий продукт – триокис сірки, потім поглинається концентрованою сірчаною кислотою. Утворюється рідина, звана олеумом. Її можна розбавляти водою, щоб отримати сульфатну кислоту потрібної концентрації.

Особливості термохімічних реакцій

Виділення або поглинання енергії в 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 розповсюдження як в органічному світі, так і в неживій природі. Наприклад, у 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 – 389 кДж. Хімічні процеси, що йдуть з виділенням енергії, носять назву екзотермічних, а з поглинанням її – ендотермічних. У промисловості органічного синтезу та інших технології 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 та її роль в теорії хімічних процесів

Обчислення швидкості реагуючих частинок (молекул, іонів) – найважливіше завдання, що стоїть перед промисловістю. Її рішення забезпечує економічний ефект і прибутковість технологічних циклів у 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 колчеданную піч і контактні апарати. У них враховуються концентрації реагуючих речовин, температура та 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, вступають у різноманітні типи взаємодії (реакції сполучення, заміщення, розкладу, обміну). Молекули і атоми хімічних елементів перебувають у 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 кругообіги таких речовин, як кисень, вуглекислий газ і азот. В наступному заголовку ми розглянемо, як відбувається циркуляція азоту в атмосфері, ґрунті та живих організмах.

Взаимопревращение 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 перелічені 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 решток рослин і тварин під впливом сапротрофних бактерій ґрунту відбуваються складні біологічні та хімічні процеси. В їх результаті азот органічних сполук переходить в неорганічну форму (утворюються аміак, вільний азот, нітрати і нітрити). Повертаючись в атмосферу і ґрунт всі ці речовини знову засвоюються рослинами. Азот надходить через продихи шкірки листя, а розчини азотної і азотистої 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 Прянишниковим.

Порошкова металургія

Сучасні хімічні процеси і технології вносять істотний вклад у створення матеріалів з унікальними фізичними і хімічними властивостями. Це особливо важливо, насамперед, для приладів та обладнання нафтопереробних заводів, підприємств, які виробляють неорганічні кислоти, барвники, лаки, пластмаси. У їх виробництві застосовують теплообмінники, контактні апарати, колони синтезу, трубопроводи. Поверхня обладнання, що стикається з агресивними середовищами, що знаходяться під високим тиском. Більше 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, що використовуються в реакціях з хімічно агресивними речовинами.

Композити та їх значення

Серед сучасних технологій, найважливішими хімічними процесами є реакції одержання композиційних матеріалів. До них відносяться піни, кермети, норпапалсти. Як матрицю для виробництва використовують метали і їх сплави, кераміку, пластмаси. В якості наповнювачів застосовують силікат кальцію, білу глину, ферриди стронцію і барію. Всі вище перераховані речовини надають композиційним матеріалам ударостійкість, тепло - і зносостійкість.

Що таке хімічна технологія

Галузь науки, що займається вивченням засобів і методів, застосовуваних в реакціях переробки сировини: нафти, природного газу, вугілля, мінералів, назвали хімічною технологією. Іншими словами, це наука хімічних процесах, які 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) – у сучасних умовах він неможливий без автоматизованих систем управління, що полегшують діяльність людини, що виключають забруднення навколишнього середовища, і забезпечують безперервну і безвідходну технологію хімічного виробництва. У даній роботі ми розглянули приклади хімічних процесів, що протікають, як у живій природі (фотосинтез, дисиміляція, кругообіг азоту), так і в промисловості.