Взаимните трансформации на съединения, наблюдавани в дивата природа, както и възникващи в резултат на човешка дейност, могат да се разглеждат като химични процеси. Реагентите в тях могат да бъдат две или повече вещества, които са в едно и също или в различни агрегатни състояния. В зависимост от това се разграничават хомогенни или хетерогенни системи. Условията за провеждане, особеностите на протичането и ролята на химичните процеси в природата ще бъдат разгледани в тази статия.
Какво се разбира под химическа реакция
Ако в резултат на взаимодействието на изходните вещества съставните части на техните молекули се променят, а зарядите на ядрата на атомите остават същите, те говорят за химични реакции или процеси. Образуваните в резултат на техния поток продукти се използват от човека в индустрията, селското стопанство и бита. Огромен брой взаимодействиямежду веществата, както в живата, така и в неживата природа. Химичните процеси имат фундаментална разлика от физичните явления и свойства на радиоактивността. В тях се образуват молекули на нови вещества, докато физическите процеси не променят състава на съединенията, а атомите на нови химични елементи възникват при ядрени реакции.
Условия за прилагане на процеси в химията
Могат да бъдат различни и зависят преди всичко от естеството на реагентите, необходимостта от приток на енергия отвън, както и агрегатното състояние (твърди вещества, разтвори, газове), в което протича процесът. Химическият механизъм на взаимодействие между две или повече съединения може да се осъществи под действието на катализатори (например производството на азотна киселина), температура (получаване на амоняк), светлинна енергия (фотосинтеза). С участието на ензимите в живата природа са широко разпространени процесите на химичната реакция на ферментация (алкохол, млечна киселина, маслена), използвани в хранителната и микробиологичната промишленост. За получаване на продукти в индустрията за органичен синтез, едно от основните условия е наличието на свободно-радикален механизъм на химичния процес. Пример би било производството на хлорни производни на метан (дихлорометан, трихлорометан, въглероден тетрахлорид, в резултат на верижни реакции.
Хомогенна катализа
Те са специални видове контакт между две или повече вещества. Същността на химичните процеси, протичащи в хомогенна фаза (например газ - газ) с участието на ускорителиреакции, се състоят в провеждане на реакции в целия обем на смесите. Ако катализаторът е в същото агрегатно състояние като реагентите, той образува подвижни междинни комплекси с изходните съединения.
Хомогенната катализа е основен химичен процес, използван например в рафинирането на петрол, бензин, нафта, газьол и други горива. Той използва технологии като реформиране, изомеризация, каталитичен крекинг.
Хетерогенна катализа
В случай на хетерогенна катализа, контактът на реагентите се случва най-често върху твърдата повърхност на самия катализатор. Върху него се образуват така наречените активни центрове. Това са области, където взаимодействието на реагиращите съединения протича много бързо, тоест скоростта на реакцията е висока. Те са видоспецифични и играят важна роля и ако в живите клетки протичат химични процеси. Тогава те говорят за метаболизъм – метаболитни реакции. Пример за хетерогенна катализа е промишленото производство на сулфатна киселина. В контактния апарат газообразна смес от серен диоксид и кислород се нагрява и преминава през решетъчни рафтове, пълни с диспергиран прах от ванадиев оксид или ванадилов сулфат VOSO4. Полученият продукт, серен триоксид, след това се абсорбира от концентрирана сярна киселина. Образува се течност, наречена олеум. Може да се разреди с вода, за да се получи желаната концентрация на сулфатна киселина.
Характеристики на термохимичните реакции
Освобождаването или усвояването на енергия под формата на топлина е от голямо практическо значение. Достатъчно е да си припомним реакциите на горене на гориво: природен газ, въглища, торф. Те са физични и химични процеси, важна характеристика на които е топлината на горене. Топлинните реакции са широко разпространени както в органичния свят, така и в неживата природа. Например, в процеса на храносмилане, протеините, липидите и въглехидратите се разграждат под действието на биологично активни вещества - ензими.
Освободената енергия се натрупва под формата на макроергични връзки на АТФ молекули. Реакциите на дисимилация са придружени от освобождаване на енергия, част от която се разсейва под формата на топлина. В резултат на храносмилането всеки грам протеин осигурява 17,2 kJ енергия, нишесте - 17,2 kJ, мазнини - 38,9 kJ. Химичните процеси, които отделят енергия, се наричат екзотермични, а тези, които я поглъщат, се наричат ендотермични. В индустрията за органичен синтез и други технологии се изчисляват топлинните ефекти на термохимичните реакции. Важно е да се знае това, например, за правилното изчисляване на количеството енергия, използвано за нагряване на реакторите и синтезните колони, в които протичат реакции, придружени от поглъщане на топлина.
Кинетиката и нейната роля в теорията на химичните процеси
Изчисляването на скоростта на реагиращите частици (молекули, йони) е най-важната задача пред индустрията. Неговото решение осигурява икономически ефект и рентабилност на технологичните цикли в химическото производство. За увеличениескоростта на такава реакция, като синтеза на амоняк, решаващи фактори ще бъдат промяната в налягането в газова смес от азот и водород до 30 MPa, както и предотвратяването на рязко повишаване на температурата (температурата е 450-550 °C е оптимално).
Химическите процеси, използвани при производството на сулфатна киселина, а именно: изгаряне на пирити, окисление на серен диоксид, абсорбция на серен триоксид от олеум, се извършват при различни условия. За това се използват пиритна пещ и контактни устройства. Те отчитат концентрацията на реагентите, температурата и налягането. Всички тези фактори корелират за осъществяване на реакцията с най-висока скорост, което увеличава добива на сулфатна киселина до 96-98%.
Цикъл на веществата като физични и химични процеси в природата
Добре познатата поговорка "Движението е живот" може да се приложи и към химични елементи, които влизат в различни видове взаимодействия (реакции на комбиниране, заместване, разлагане, обмен). Молекулите и атомите на химичните елементи са в постоянно движение. Както са установили учените, всички горепосочени видове химични реакции могат да бъдат придружени от физически явления: отделяне на топлина или нейното поглъщане, излъчване на фотони на светлината, промяна в агрегатното състояние. Тези процеси протичат във всяка обвивка на Земята: литосфера, хидросфера, атмосфера, биосфера. Най-значимите от тях са циклите на вещества като кислород, въглероден диоксид и азот. В следващото заглавие разглеждаме как азотът циркулира в атмосферата, почвата иживи организми.
Взаимно преобразуване на азота и неговите съединения
Общоизвестно е, че азотът е необходим компонент на протеините, което означава, че участва във формирането на всички видове земен живот без изключение. Азотът се абсорбира от растенията и животните под формата на йони: амониеви, нитратни и нитритни йони. В резултат на фотосинтезата растенията образуват не само глюкоза, но и аминокиселини, глицерол и мастни киселини. Всички горепосочени химични съединения са продукти на реакции, протичащи в цикъла на Калвин. Изключителният руски учен К. Тимирязев говори за космическата роля на зелените растения, визирайки, наред с други неща, способността им да синтезират протеини.
Трвопасните получават своите пептиди от растителна храна, докато месоядните получават своите пептиди от месото на плячката. При разпадането на растителни и животински останки под въздействието на сапротрофни почвени бактерии протичат сложни биологични и химични процеси. В резултат на това азотът от органичните съединения преминава в неорганична форма (образуват се амоняк, свободен азот, нитрати и нитрити). Връщайки се в атмосферата и почвата, всички тези вещества отново се абсорбират от растенията. Азотът навлиза през устицата на кожата на листата, а разтворите на азотна и азотна киселини и техните соли се абсорбират от кореновите косми на корените на растенията. Цикълът на азотна трансформация се затваря, за да се повтори отново. Същността на химичните процеси, протичащи с азотните съединения в природата, е изследвана подробно в началото на 20 век от руския учен Д. Н. Прянишников.
Прахова металургия
Съвременните химични процеси и технологии имат значителен принос за създаването на материали с уникални физични и химични свойства. Това е особено важно преди всичко за инструментите и оборудването на петролните рафинерии, предприятията, произвеждащи неорганични киселини, багрила, лакове и пластмаси. При тяхното производство се използват топлообменници, контактни устройства, синтезни колони, тръбопроводи. Повърхността на оборудването е в контакт с агресивни среди под високо налягане. Освен това почти всички химически производствени процеси се извършват при високи температури. Уместно е производството на материали с високи нива на термична и киселинна устойчивост, антикорозионни свойства.
Праховата металургия включва производството на металосъдържащи прахове, синтероване и вграждане в съвременни сплави, използвани при реакции с химически агресивни вещества.
Композити и тяхното значение
Сред съвременните технологии най-важните химични процеси са реакциите на получаване на композитни материали. Те включват пенопласт, металокерамика, норпапалст. Като матрица за производство се използват метали и техните сплави, керамика и пластмаси. Като пълнители се използват калциев силикат, бяла глина, стронций и бариеви фериди. Всички горепосочени вещества придават на композитните материали устойчивост на удар, топлина и устойчивост на износване.
Какво е химическо инженерство
Клонът на науката, който изучава средствата и методите, използвани в реакциите на преработката на суровини: нефт, природен газ, въглища, минерали, се нарича химическа технология. С други думи, това е наука за химичните процеси, протичащи в резултат на човешката дейност. Цялата му теоретична база се състои от математика, кибернетика, физическа химия и индустриална икономика. Няма значение какъв химичен процес е включен в технологията (получаване на нитратна киселина, разлагане на варовик, синтез на фенол-формалдехидни пластмаси) - в съвременните условия е невъзможно без автоматизирани системи за управление, които улесняват човешката дейност, премахват замърсяването на околната среда и осигуряват непрекъсната и безотпадна технология за производство на химикали.
В тази статия разгледахме примери за химически процеси, протичащи както в дивата природа (фотосинтеза, дисимилация, азотен цикъл), така и в индустрията.
