Les transformacions mútues de compostos observades a la vida salvatge, així com les que es produeixen com a resultat de l'activitat humana, es poden considerar processos químics. Els reactius en ells poden ser dues o més substàncies que es troben en el mateix estat d'agregació o en diferents estats d'agregació. En funció d'això, es distingeixen sistemes homogenis o heterogenis. En aquest article es consideraran les condicions per a la realització, les característiques del curs i el paper dels processos químics a la natura.
Què s'entén per reacció química
Si com a conseqüència de la interacció de les substàncies inicials, les parts constituents de les seves molècules pateixen canvis, i les càrregues dels nuclis dels àtoms es mantenen iguals, parlen de reaccions o processos químics. Els productes que es formen com a conseqüència del seu flux són utilitzats per l'home en la indústria, l'agricultura i la vida quotidiana. Gran nombre d'interaccionsentre substàncies es produeix, tant en la naturalesa viva com inanimada. Els processos químics tenen una diferència fonamental amb els fenòmens físics i les propietats de la radioactivitat. S'hi formen molècules de noves substàncies, mentre que els processos físics no modifiquen la composició dels compostos i en les reaccions nuclears sorgeixen àtoms de nous elements químics.
Condicions per a la implantació de processos en química
Poden ser diferents i depenen principalment de la naturalesa dels reactius, de la necessitat d'afluència d'energia des de l'exterior, així com de l'estat d'agregació (sòlids, dissolucions, gasos) en què es produeix el procés. El mecanisme químic d'interacció entre dos o més compostos es pot dur a terme sota l'acció de catalitzadors (per exemple, la producció d'àcid nítric), temperatura (obtenció d'amoníac), energia lluminosa (fotosíntesi). Amb la participació d'enzims en la naturalesa viva, els processos de la reacció química de la fermentació (alcohol, àcid làctic, butíric), utilitzats a les indústries alimentàries i microbiològiques, estan molt estesos. Per obtenir productes en la indústria de la síntesi orgànica, una de les condicions principals és la presència d'un mecanisme de radicals lliures del procés químic. Un exemple seria la producció de derivats del clor del metà (diclorometà, triclorometà, tetraclorur de carboni, resultat de reaccions en cadena.
Catàlisi homogènia
Són tipus especials de contacte entre dues o més substàncies. L'essència dels processos químics que tenen lloc en una fase homogènia (per exemple, gas - gas) amb la participació d'acceleradorsreaccions, consisteixen a dur a terme reaccions en tot el volum de mescles. Si el catalitzador es troba en el mateix estat d'agregació que els reactius, forma complexos intermedis mòbils amb els compostos de partida.
La catàlisi homogènia és un procés químic bàsic utilitzat, per exemple, en la refinació de petroli, la gasolina, la nafta, el gasoil i altres combustibles. Utilitza tecnologies com el reformat, la isomerització i el craqueig catalític.
Catàlisi heterogènia
En el cas de catàlisi heterogènia, el contacte dels reactius es produeix, més sovint, a la superfície sòlida del propi catalitzador. S'hi formen els anomenats centres actius. Són zones on la interacció dels compostos que reaccionen es produeix molt ràpidament, és a dir, la velocitat de reacció és alta. Són específiques d'una espècie i tenen un paper important també si es produeixen processos químics a les cèl·lules vives. Després parlen de metabolisme - reaccions metabòliques. Un exemple de catàlisi heterogènia és la producció industrial d'àcid sulfat. A l'aparell de contacte, s'escalfa una barreja gasosa de diòxid de sofre i oxigen i es fa passar a través de prestatgeries de gelosia plenes de pols dispersa d'òxid de vanadi o sulfat de vanadil VOSO4. El producte resultant, el triòxid de sofre, és absorbit per l'àcid sulfúric concentrat. Es forma un líquid anomenat oleum. Es pot diluir amb aigua per obtenir la concentració desitjada d'àcid sulfat.
Característiques de les reaccions termoquímiques
L'alliberament o absorció d'energia en forma de calor és de gran importància pràctica. N'hi ha prou amb recordar les reaccions de combustió del combustible: gas natural, carbó, torba. Són processos físics i químics, una característica important dels quals és la calor de combustió. Les reaccions tèrmiques estan molt esteses tant al món orgànic com a la naturalesa inanimada. Per exemple, en el procés de digestió, les proteïnes, els lípids i els hidrats de carboni es descomponen sota l'acció de substàncies biològicament actives: els enzims.
L'energia alliberada s'acumula en forma d'enllaços macroèrgics de molècules d'ATP. Les reaccions de disimilació van acompanyades de l'alliberament d'energia, part de la qual es dissipa en forma de calor. Com a resultat de la digestió, cada gram de proteïna proporciona 17,2 kJ d'energia, midó - 17,2 kJ, greix - 38,9 kJ. Els processos químics que alliberen energia s'anomenen exotèrmics, i els que l'absorbeixen s'anomenen endotèrmics. A la indústria de la síntesi orgànica i altres tecnologies, es calculen els efectes tèrmics de les reaccions termoquímiques. És important saber-ho, per exemple, per al càlcul correcte de la quantitat d'energia utilitzada per escalfar els reactors i columnes de síntesi en les quals tenen lloc les reaccions, acompanyades de l'absorció de calor.
La cinètica i el seu paper en la teoria dels processos químics
Calcular la velocitat de reacció de les partícules (molècules, ions) és la tasca més important a la qual s'enfronta la indústria. La seva solució garanteix l'efecte econòmic i la rendibilitat dels cicles tecnològics en la producció química. Per augmentarla velocitat d'aquesta reacció, com ara la síntesi d'amoníac, els factors decisius seran un canvi de pressió en una barreja de gasos de nitrogen i hidrogen fins a 30 MPa, així com la prevenció d'un fort augment de la temperatura (la temperatura és de 450-550 °C és òptim).
Els processos químics utilitzats en la producció d'àcid sulfat, és a dir: la crema de pirites, l'oxidació de diòxid de sofre, l'absorció de triòxid de sofre per l'oli, es duen a terme en diverses condicions. Per a això, s'utilitza un forn de pirita i dispositius de contacte. Tenen en compte la concentració de reactius, la temperatura i la pressió. Tots aquests factors es correlacionen per dur a terme la reacció a la velocitat més alta, la qual cosa augmenta el rendiment d'àcid sulfat al 96-98%.
Cicle de substàncies com a processos físics i químics a la natura
La coneguda dita "El moviment és vida" també es pot aplicar als elements químics que entren en diversos tipus d'interacció (reaccions de combinació, substitució, descomposició, intercanvi). Les molècules i els àtoms dels elements químics estan en constant moviment. Tal com han establert els científics, tots els tipus de reaccions químiques anteriors poden anar acompanyats de fenòmens físics: l'alliberament de calor o la seva absorció, l'emissió de fotons de llum, un canvi en l'estat d'agregació. Aquests processos ocorren en totes les closques de la Terra: litosfera, hidrosfera, atmosfera, biosfera. Els més significatius són els cicles de substàncies com l'oxigen, el diòxid de carboni i el nitrogen. En el següent encapçalament, observem com circula el nitrogen per l'atmosfera, el sòl iorganismes vius.
Interconversió del nitrogen i els seus compostos
És ben sabut que el nitrogen és un component necessari de les proteïnes, la qual cosa significa que està implicat en la formació de tot tipus de vida terrestre sense excepció. El nitrogen és absorbit per plantes i animals en forma d'ions: ions amoni, nitrat i nitrit. Com a resultat de la fotosíntesi, les plantes no només formen glucosa, sinó també aminoàcids, glicerol i àcids grassos. Tots els compostos químics anteriors són productes de reaccions que es produeixen en el cicle de Calvin. El destacat científic rus K. Timiryazev va parlar del paper còsmic de les plantes verdes, fent referència, entre altres coses, a la seva capacitat per sintetitzar proteïnes.
Els herbívors obtenen els pèptids dels aliments vegetals, mentre que els carnívors obtenen els pèptids de la carn de les preses. Durant la descomposició de les restes vegetals i animals sota la influència dels bacteris saprotròfics del sòl, es produeixen processos biològics i químics complexos. Com a resultat, el nitrogen dels compostos orgànics passa a una forma inorgànica (es formen amoníac, nitrogen lliure, nitrats i nitrits). Tornant a l'atmosfera i al sòl, totes aquestes substàncies són de nou absorbides per les plantes. El nitrogen entra a través dels estomes de la pell de les fulles, i les solucions d'àcid nítric i nitrós i les seves sals són absorbides pels pèls de les arrels de les plantes. El cicle de transformació del nitrogen es tanca per repetir-se de nou. L'essència dels processos químics que es produeixen amb compostos de nitrogen a la natura va ser estudiada en detall a principis del segle XX pel científic rus D. N. Pryanishnikov.
Metal·lúrgia de pols
Les tecnologies i processos químics moderns contribueixen significativament a la creació de materials amb propietats físiques i químiques úniques. Això és especialment important, en primer lloc, per a instruments i equips de refineries de petroli, empreses productores d'àcids inorgànics, colorants, vernissos i plàstics. En la seva producció, s'utilitzen intercanviadors de calor, dispositius de contacte, columnes de síntesi i canonades. La superfície de l'equip està en contacte amb mitjans agressius a alta pressió. A més, gairebé tots els processos de producció química es porten a terme a altes temperatures. Rellevant és la producció de materials amb alts índexs de resistència tèrmica i àcida, propietats anticorrosives.
La pulvimetal·lúrgia inclou la producció de pols que contenen metalls, la sinterització i la incorporació a aliatges moderns utilitzats en reaccions amb substàncies químicament agressives.
Composites i el seu significat
Entre les tecnologies modernes, els processos químics més importants són les reaccions d'obtenció de materials compostos. Aquests inclouen escumes, cermets, norpapalsts. Com a matriu per a la producció, s'utilitzen metalls i els seus aliatges, ceràmiques i plàstics. Com a farcits s'utilitzen silicat de calci, argila blanca, estronci i ferrids de bari. Totes les substàncies anteriors donen als materials compostos resistència a l'impacte, a la calor i al desgast.
Què és l'enginyeria química
La branca de la ciència que estudia els mitjans i mètodes utilitzats en les reaccions de processament de matèries primeres: petroli, gas natural, carbó, minerals, s'anomenava tecnologia química. En altres paraules, és la ciència dels processos químics que es produeixen com a resultat de l'activitat humana. Tota la seva base teòrica està formada per les matemàtiques, la cibernètica, la química física i l'economia industrial. No importa quin procés químic està implicat en la tecnologia (obtenció d'àcids de nitrat, descomposició de pedra calcària, síntesi de plàstics de fenol-formaldehid) - en condicions modernes és impossible sense sistemes de control automatitzats que facilitin les activitats humanes, eliminen la contaminació ambiental i asseguren tecnologia de producció química contínua i sense residus.
En aquest article, hem considerat exemples de processos químics que es produeixen tant a la vida salvatge (fotosíntesi, dissimilació, cicle del nitrogen) com a la indústria.
