Vzájemné přeměny sloučenin pozorované u volně žijících živočichů a také k nimž dochází v důsledku lidské činnosti lze považovat za chemické procesy. Činidla v nich mohou být buď dvě nebo více látek, které jsou ve stejném nebo v různých stavech agregace. V závislosti na tom se rozlišují homogenní nebo heterogenní systémy. Podmínky pro vedení, rysy kurzu a role chemických procesů v přírodě budou zváženy v tomto dokumentu.
Co znamená chemická reakce
Jestliže v důsledku interakce výchozích látek procházejí základní části jejich molekul změnami a náboje jader atomů zůstávají stejné, hovoří se o chemických reakcích nebo procesech. Produkty vzniklé jejich tokem jsou využívány člověkem v průmyslu, zemědělství a každodenním životě. Obrovské množství interakcímezi látkami se vyskytuje jak v živé, tak v neživé přírodě. Chemické procesy mají zásadní rozdíl od fyzikálních jevů a vlastností radioaktivity. Vznikají v nich molekuly nových látek, přičemž fyzikální procesy nemění složení sloučenin a při jaderných reakcích vznikají atomy nových chemických prvků.
Podmínky pro implementaci procesů v chemii
Mohou být různé a závisejí především na povaze činidel, potřebě přílivu energie zvenčí a také na stavu agregace (pevné látky, roztoky, plyny), ve kterém proces probíhá. Chemický mechanismus interakce mezi dvěma nebo více sloučeninami lze provádět za působení katalyzátorů (například výroba kyseliny dusičné), teploty (získávání amoniaku), světelné energie (fotosyntéza). Za účasti enzymů v živé přírodě jsou rozšířeny procesy chemické reakce fermentace (alkohol, kyselina mléčná, máselná), používané v potravinářském a mikrobiologickém průmyslu. Pro získání produktů v průmyslu organické syntézy je jednou z hlavních podmínek přítomnost mechanismu volných radikálů chemického procesu. Příkladem může být výroba chlorovaných derivátů methanu (dichlormethan, trichlormethan, tetrachlormethan, vznikající při řetězových reakcích.
Homogenní katalýza
Jsou speciální typy kontaktu mezi dvěma nebo více látkami. Podstata chemických procesů probíhajících v homogenní fázi (například plyn - plyn) za účasti urychlovačůreakce, spočívají v provádění reakcí v celém objemu směsí. Pokud je katalyzátor ve stejném stavu agregace jako reaktanty, tvoří mobilní intermediární komplexy s výchozími sloučeninami.
Homogenní katalýza je základní chemický proces používaný například při rafinaci ropy, benzínu, nafty, plynového oleje a dalších paliv. Využívá technologie, jako je reformování, izomerizace, katalytické krakování.
Heterogenní katalýza
V případě heterogenní katalýzy dochází ke kontaktu reaktantů nejčastěji na pevném povrchu samotného katalyzátoru. Vznikají na něm tzv. aktivní centra. To jsou oblasti, kde interakce reagujících sloučenin probíhá velmi rychle, to znamená, že reakční rychlost je vysoká. Jsou druhově specifické a hrají důležitou roli i v případě, že v živých buňkách probíhají chemické procesy. Pak se mluví o metabolismu – metabolických reakcích. Příkladem heterogenní katalýzy je průmyslová výroba síranové kyseliny. V kontaktním zařízení se plynná směs oxidu siřičitého a kyslíku zahřívá a prochází mřížkovými policemi naplněnými dispergovaným práškem oxidu vanadičného nebo síranu vanadylu VOSO4. Výsledný produkt, oxid sírový, je poté absorbován koncentrovanou kyselinou sírovou. Vzniká kapalina zvaná oleum. Může být zředěn vodou, aby se získala požadovaná koncentrace síranové kyseliny.
Funkce termochemických reakcí
Uvolňování nebo vstřebávání energie ve formě tepla má velký praktický význam. Stačí si připomenout spalovací reakce paliva: zemního plynu, uhlí, rašeliny. Jsou to fyzikální a chemické procesy, jejichž důležitou charakteristikou je spalné teplo. Tepelné reakce jsou rozšířené jak v organickém světě, tak v neživé přírodě. Například v procesu trávení dochází k rozkladu bílkovin, lipidů a sacharidů působením biologicky aktivních látek - enzymů.
Uvolněná energie se akumuluje ve formě makroergických vazeb molekul ATP. Disimilační reakce jsou doprovázeny uvolňováním energie, jejíž část se rozptýlí ve formě tepla. V důsledku trávení poskytuje každý gram bílkovin 17,2 kJ energie, škrob - 17,2 kJ, tuk - 38,9 kJ. Chemické procesy, které uvolňují energii, se nazývají exotermické a ty, které ji absorbují, se nazývají endotermické. V průmyslu organické syntézy a dalších technologiích se počítají tepelné účinky termochemických reakcí. Je to důležité vědět například pro správný výpočet množství energie použité k ohřevu reaktorů a syntézních kolon, ve kterých probíhají reakce doprovázené absorpcí tepla.
Kinetika a její role v teorii chemických procesů
Výpočet rychlosti reagujících částic (molekul, iontů) je nejdůležitějším úkolem, kterému průmysl čelí. Jeho řešení zajišťuje ekonomický efekt a rentabilitu technologických cyklů v chemické výrobě. Pro zvýšenírychlost takové reakce, jako je syntéza čpavku, rozhodující bude změna tlaku v plynné směsi dusíku a vodíku do 30 MPa a také zamezení prudkého zvýšení teploty (teplota je optimální 450-550 °C).
Chemické procesy používané při výrobě síranové kyseliny, jmenovitě: spalování pyritů, oxidace oxidu siřičitého, absorpce oxidu sírového oleem, probíhají za různých podmínek. K tomu se používá pyritová pec a kontaktní zařízení. Berou v úvahu koncentraci reaktantů, teplotu a tlak. Všechny tyto faktory korelují tak, aby reakce probíhala nejvyšší rychlostí, což zvyšuje výtěžek síranové kyseliny na 96-98 %.
Cyklus látek jako fyzikální a chemické procesy v přírodě
Známé rčení „Pohyb je život“lze aplikovat i na chemické prvky, které vstupují do různých typů interakcí (kombinační, substituční, rozkladné, výměnné reakce). Molekuly a atomy chemických prvků jsou v neustálém pohybu. Jak vědci zjistili, všechny výše uvedené typy chemických reakcí mohou být doprovázeny fyzikálními jevy: uvolňováním tepla nebo jeho absorpcí, emisí fotonů světla, změnou stavu agregace. Tyto procesy se vyskytují v každém obalu Země: litosféra, hydrosféra, atmosféra, biosféra. Nejvýznamnější z nich jsou cykly látek, jako je kyslík, oxid uhličitý a dusík. V dalším nadpisu se podíváme na to, jak dusík cirkuluje v atmosféře, půdě aživé organismy.
Vzájemná přeměna dusíku a jeho sloučenin
Je dobře známo, že dusík je nezbytnou součástí bílkovin, což znamená, že se podílí na vzniku všech typů pozemského života bez výjimky. Dusík je absorbován rostlinami a živočichy ve formě iontů: amonné, dusičnanové a dusitanové ionty. V důsledku fotosyntézy tvoří rostliny nejen glukózu, ale také aminokyseliny, glycerol a mastné kyseliny. Všechny výše uvedené chemické sloučeniny jsou produkty reakcí probíhajících v Calvinově cyklu. Vynikající ruský vědec K. Timiryazev hovořil o kosmické roli zelených rostlin, mimo jiné odkazoval na jejich schopnost syntetizovat proteiny.
Býložravci získávají peptidy z rostlinné potravy, zatímco masožravci získávají peptidy z masa kořisti. Při rozkladu rostlinných a živočišných zbytků vlivem saprotrofních půdních bakterií dochází ke složitým biologickým a chemickým procesům. V důsledku toho přechází dusík z organických sloučenin do anorganické formy (vzniká amoniak, volný dusík, dusičnany a dusitany). Při návratu do atmosféry a půdy jsou všechny tyto látky opět absorbovány rostlinami. Dusík vstupuje přes průduchy pokožky listů a roztoky kyseliny dusičné a dusité a jejich solí jsou absorbovány kořenovými vlásky kořenů rostlin. Cyklus přeměny dusíku se uzavírá a znovu se opakuje. Podstatu chemických procesů probíhajících se sloučeninami dusíku v přírodě podrobně studoval na začátku 20. století ruský vědec D. N. Pryanishnikov.
Prašková metalurgie
Moderní chemické procesy a technologie významně přispívají k vytváření materiálů s jedinečnými fyzikálními a chemickými vlastnostmi. To je zvláště důležité především pro přístroje a zařízení ropných rafinérií, podniků vyrábějících anorganické kyseliny, barviva, laky a plasty. Při jejich výrobě se používají výměníky tepla, kontaktní zařízení, syntézní kolony, potrubí. Povrch zařízení je v kontaktu s agresivními médii pod vysokým tlakem. Navíc téměř všechny chemické výrobní procesy probíhají při vysokých teplotách. Relevantní je výroba materiálů s vysokou mírou tepelné a kyselinové odolnosti, antikorozní vlastnosti.
Prašková metalurgie zahrnuje výrobu prášků obsahujících kov, slinování a začleňování do moderních slitin používaných při reakcích s chemicky agresivními látkami.
Kompozity a jejich význam
Mezi moderními technologiemi jsou nejdůležitějšími chemickými procesy reakce získávání kompozitních materiálů. Patří sem pěny, cermety, norpapalsty. Jako matrice pro výrobu se používají kovy a jejich slitiny, keramika a plasty. Jako plniva se používá křemičitan vápenatý, bílý jíl, feridy stroncia a barya. Všechny výše uvedené látky poskytují kompozitním materiálům odolnost proti nárazu, teplu a opotřebení.
Co je chemické inženýrství
Vědní obor, který studuje prostředky a metody používané při reakcích zpracování surovin: ropy, zemního plynu, uhlí, nerostů, se nazýval chemická technologie. Jinými slovy, je to věda o chemických procesech, ke kterým dochází v důsledku lidské činnosti. Celý jeho teoretický základ tvoří matematika, kybernetika, fyzikální chemie a průmyslová ekonomika. Nezáleží na tom, jaký chemický proces je součástí technologie (získání dusičnanové kyseliny, rozklad vápence, syntéza fenolformaldehydových plastů) - v moderních podmínkách to nelze bez automatizovaných řídicích systémů, které usnadňují lidské činnosti, eliminují znečištění životního prostředí a zajišťují kontinuální a bezodpadová technologie chemické výroby.
V tomto článku jsme zvažovali příklady chemických procesů probíhajících jak ve volné přírodě (fotosyntéza, disimilace, cyklus dusíku), tak v průmyslu.
