Химическая реакция - это превращение одного или нескольких исходных веществ в отличающиеся от них по химическому составу или строению вещества. Исходные вещества, всупающие в химическую реакцию, называютсяреагентами . Вещества, образующиеся при взаимодействии реагентов называютсяпродуктами реакции . В отличие от ядерных реакций, при химических реакциях не изменяется ни общее число атомов в реагирующей системе, ни изотопный состав химических элементов. Это связано с тем, что химические процессы не затрагивают ядер атомов, входящих в состав молекул реагентов. Эти процессы осуществляются за счет взаимодействия валентных электронов и сопровождаются изменением строения внешних электронных оболочек атомов реагентов.

По числу и составу исходных веществ и продуктов реакции выделяют четыре основных типа химических реакций:

 c оединения – из нескольких простых или сложных веществ образуется одно сложное: 2Cu + O 2 = 2CuO;

 разложения – из сложного вещества образуется несколько простых или сложных веществ: 2H 2 O = 2H g + O 2 ;

 замещения –атом простого вещества замещает один из атомов сложного:

Fe+CuSO 4 =FeSO 4 +Cu;

 обмен а – сложные вещества обмениваются своими составными частями:

NaCl+H 2 SO 4 = НСl+NaHSO 4 .

По изменению степени окисления атомов выделяют:

 реакции без изменения степени окисления (например, реакции ионного обмена) :

NaOH+HCl=NaCl+H 2 O;

 реакции с изменением степени окисления (окислительно-восстановительные реакции ): H 2 + Cl 2 = 2HCl.

По тепловому эффекту выделяют реакции:

 экзотермические – реакции, протекающие с выделением энергии:

4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 + Q;

 эндотермические – реакции, сопровождающиеся поглощением энергии:

СаСО 3 = СаО + СО 2 – Q.

По необходимости присутствия других веществ выделяют реакции:

 каталитические – идущие только с участием катализаторов:SO 2 + O 2 SO 3 ;

 некаталитические – идущие без участия катализаторов:2NO + O 2 = 2NO 2 .

По обратимости выделяют реакции:

 необратимые – протекающие до полного превращения исходных веществ в продукты, при необратимой реакции в растворе образуется малодиссоциирующее вещество – осадок, газ, вода:BaCl 2 +H 2 SO 4 =BaSO 4 ↓ + 2HCl;

 обратимые – протекающие как в сторону получения продуктов реакции, так и в сторону получения исходных веществ:N 2 + 3H 2 ↔2CO 2 .

Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомарно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К ним относятся термодинамические факторы (температура, давление и др.) и кинетические (все, что связано с переносом веществ, образованием их промежуточных форм). Их влияние на химические реакции вскрывается на концептуальном уровне химии, который обобщенно называют учением о химических процессах .

Учение о химических процессах является областью глубокого взаимопроникновения физики, химии и биологии. Действительно, в основе этого учения лежатхимическая термодинамика икинетика , которые в равной степени относятся и к химии, и к физике. А живая клетка, исследуемая биологической наукой, представляет собой в то же время микроскопический химический реактор, в котором происходят превращения, многие из которых химия изучает и пытается реализовать в макроскопическом масштабе. Таким образом, человек вскрывает глубокую связь, существующую между физическими, химическими и биологическими явлениями, и одновременно перенимает у живой природы опыт, необходимый ему для получения новых веществ и материалов.

Большинство современных химических технологий реализуется с использованием катализаторов – веществ, которые увеличивают скорость реакции, не расходуясь в ней.

В современной химии также получило развитие направление, принципом которого является энергетическая активация реагента (то есть подача энергии извне) до состояния полного разрыва исходных связей. В данном случае речь идет о больших энергиях. Это так называемаяхимия экстремальных состояний , использующая высокие температуры, большие давления, излучение с большой величиной энергии кванта (ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение). К этой области относятсяплазмохимия (химия на основе плазменного состояния реагентов), а также технологии, в которых активация процесса достигается за счет направленных электронных или ионных пучков(элионные технологии).

Химия экстремальных состояний позволяет получать вещества и материалы, уникальные по своим свойствам: композитные материалы, высокотемпературные сплавы и металлические порошки, нитриды, силициды и карбиды тугоплавких металлов, разнообразные по своим свойствам покрытия.

При решении разнообразных термодинамических задач используют особые функции – термодинамические потенциалы. Зная выражение термодинамических потенциалов, через независимые параметры системы можно вычислить и другие характеристики процессов. Приведем некоторые из них.

Подставив в выражение для первого начала термодинамики dQ = dU + dA формулы для работыdA = pdV и количества теплоты в обратимом процессеdQ = TdS , получимdU = TdS – pdV (1).

Это выражение, объединяющее первое и второе начала термодинамики, является полнымдифференциалом внутренней энергии, а общее уравнение для полного дифференциала таково:

Сопоставив его с выражением (1), получим:

Итак, частная производная от внутренней энергии по энтропии равна температуре, взятая с обратным знаком производная по объему равна давлению, а сама внутренняя энергия является термодинамическим потенциалом. Другой термодинамический потенциал ввел Г. Гельмгольц (1877). Он показал, что функция F = U – TS , называемая свободной энергией, может быть критерием термодинамического равновесия.

Найдем полный дифференциал свободной энергии: dF = dU – TdS – SdT , тогда, используя выражение (1), можно записать:dF = TdS – pdV – TdS – SdT = – SdT – pdV . Учитывая (как и ранее), чтоdF является полным дифференциалом от переменныхT иV , получаем:

.

Физический смысл свободной энергии F ясен из выражения дляdF . ПриT = constdT = 0, тогдаdF = – pdV = – dA , то есть уменьшение свободной энергии равно работе, совершаемой системой в изотермическом процессе. Сохранение постоянной температуры тела у живых организмов позволяет считать, что производимая ими работа совершается за счет уменьшения свободной энергии.

Важным для химических процессов является и термодинамический потенциал, так называемая функция Гиббса (G ): G = F + pV = U – TS + pV . Продифференцировав, получим:dG = dU – TdS – SdT + pdV + VdP . С учетом уравнения (1) последнее уравнение можно переписать так:dG = TdS – pdV – TdS – SdT + pdV + Vdp = – SdT + Vdp . Сравнивая полученное уравнение с выражением для полного дифференциала, запишем:

.

Потенциал Гиббса используют при расчетах энтропии и объема в изобарно-изотермических процессах. При стремлении системы к равновесию в необратимом изобарно-изотермическом процессе dQ TdS , и для дифференциала Гиббса используют уже вместо написанного выше равенства следующее: dG –SdT + VdP . Но поскольку в этом процессеdT = 0,dp = 0, то иdG 0. И это будет выполняться до установления равновесного состояния, когда иdG станет равно нулю. Можно сказать, что в неравновесных изобарно-изотермических процессах функция Гиббса убывает до минимума в состоянии равновесия. В изотермических процессах, происходящих без изменения объема, убывает также потенциал Гельмгольца – свободная энергия.

При изменении числа частиц в системе вводят так называемый химический потенциал (). Тогда вместо уравнения (1) следует писать: dU = TdS – pdV + dN . ЗдесьdN – изменение числа частиц в системе. Соответственно изменятся и выражения для других потенциалов:dF = – SdT – pdV + dN ,dG = – SdT + Vdp + dN . Тогда для химического потенциала при постоянных парах соответствующих параметров (S ,V ), (T ,V ), (T ,p ) можно записать:

.

Итак, термодинамический потенциал равен изменению потенциала, приходящегося на одну частицу в соответствующем процессе. И реакция возможна, если она сопровождается уменьшением величины потенциала. Когда камень падает в поле тяготения, уменьшается его потенциальная энергия. Подобный процесс наблюдается и в химической реакции: когда она идет, ее свободная энергия переходит на более низкий уровень. В этих примерах аналогия полная, поскольку нет изменения энтропии. Но в химических реакциях изменение энтропии необходимо учитывать, и возможность реакции еще не означает, что она пойдет самопроизвольно. Термодинамика объясняет: реакция пойдет только при уменьшении энергии веществ и увеличении энтропии. Энтропия растет, так как в малой молекуле расположение атомов менее упорядочено, чем в большой.

Но реальные процессы и состояния чаще всего являются неравновесными, а системы –открытыми. Такие процессы рассматриваются внеравновесной термодинамике.

7.Принцип квантовой механики: Дискретность энергии, корпускулярно-волновой дуализм, принципы неопределенности Гейзенберга.

13. Периодический закон д.И. Менделеева. Периодичность в изменении различных свойств элементов (потенциал ионизации, сродство к электрону, атомные радиусы и т.Д.)

14. Сходство и различие химических свойств элементов главных и побочных подгрупп в связи с электронным строением атома.

15. Химическая связь. Виды химической связи. Энергетические и геометрические характеристики связи

16. Природа химической связи. Энергетические эффекты в процессе образования химической связи

17. Основные положения метода вс. Обменный и донорно- акцепторный механизмы образования ковалентной связи

18. Валентные возможности атомов элементов в основном и в возбужденном состоянии

20. Насыщаемость ковалентной связи. Понятие валентности.

21. Полярность ковалентной связи. Теория гибридизации. Виды гибридизации. Примеры.

22. Полярность ковалентной связи. Дипольный момент.

23. Достоинства и недостатки метода вс.

24. Метод молекулярных орбиталей. Основные понятия.

26. Ионная связь как предельный случай ковалентной полярной связи. Свойства ионной связи. Основные виды кристаллических решеток для соединений с ионной связью.

27. Металлическая связь. Особенности. Элементы зонной теории для объяснения особенностей металлической связи.

28. Межмолекулярное взаимодействие. Ориентационный, индукционный и дисперсионный эффекты.

29. Водородная связь.

30. Основные типы кристаллических решеток. Особенности каждого типа.

31. Законы термохимии. Следствия из законов Гесса.

32. Понятие о внутренней энергии системы, энтальпии и энтропии

33. Энергия Гиббса, ее взаимосвязь с энтальпией и энтропией. Изменение энергии Гиббса в самопроизвольно протекающих процессах.

34. Скорость химических реакций. Закон действия масс для гомогенных и гетерогенных реакций. Сущность константы скорости. Порядок и молекулярность реакции.

35. Факторы, влияющие на скорость химической реакции

36. Влияние температуры на скорость химических реакций. Правило Вант- Гоффа. Энергия активации. Уравнение Аррениуса.

37. Особенности протекания гетерогенных реакций. Влияние диффузии и степень дискретности вещества.

38. Влияние катализатора на скорость химических реакций. Причины влияния катализатора.

39. Обратимые процессы. Химическое равновесие. Константа равновесия.

41. Определение раствора. Физико-химические процессы при образовании растворов. Изменение энтальпии и энтропии при растворении.

42. Способы выражения концентрации растворов.

43. Закон Рауля

44. Осмос. Осмотическое давление. Закон Вант-Гоффа.

45. Растворы электролитов. Сильные и слабые электролиты. Степень электролитической диссоциации. Изотонический коэффициент.

47. Реакция в растворах электролитов, их направленность. Смещение ионных равновесий.

48. Ионное произведение воды. Водородный показатель как химическая характеристика раствора.

49. Гетерогенные равновесия в растворах электролитов. Произведение растворимости

50. Гидролиз солей, его зависимость от температуры, разбавления и природы солей (три типичных случая). Константа гидролиза. Практическое значение в процессах коррозии металла.

51. Химическое равновесие на границе металл-раствор. Двойной электрический слой. Скачок потенциала. Водородный электрод сравнения. Ряд стандартных электродных потенциалов.

52. Зависимость электродного потенциала от природы веществ, температуры и концентрации раствора. Формула Нернста.

53. Гальванические элементы. Процессы на электродах. Эдс гальванического элемента.

56. Электролиз растворов и расплавов. Последовательность электродных процессов. Перенапряжение и поляризация.

57. Взаимодействие металлов с кислотами и щелочами.

58. Коррозия металлов в растворах солей.

59. Применение электролиза в промышленности.

61. Методы борьбы с коррозией.

41. Определение раствора. Физико-химические процессы при образовании растворов. Изменение энтальпии и энтропии при растворении.

Раствор – гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов (составных частей), относительные количества которых могут изменяться в широких пределах. Всякий раствор состоит из растворенных веществ и растворителя, т.е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде молекул или ионов. Обычно растворителем считают тот компонент, который в чистом виде существует в том же агрегатном состоянии, что и полученный раствор. Если же оба компонента до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии, то растворителем считается компонент, находящийся в большем количестве. Раствор, находящийся в равновесии с растворяющимся веществом, называется насыщенным раствором. Ненасыщенные растворы с низким содержанием растворимого вещества – разбавленные; с высоким – концентрированные.

1. Тепловой эффект растворения. В зависимости от природы веществ растворение сопровождается выделением (KOH) или поглощением (NH4NO3) теплоты. 2. Изменение объема 3. Изменение цвета раствора

Изменение энтальпии и энтропии при растворении: растворение рассматривается как совокупность физических и химических явлений, выделяя при этом 3 основных процесса: 1. Разрушение химических и межмолекулярных связей в растворяющихся веществах, требующее затрат энергии (энтальпия растет). 2. Химическое взаимодействие растворителя с растворяющимся веществом, выделение энергии (энтальпия уменьшается). 3. Самопроизвольное перемешивание раствора, связанное с диффузией и требующее затраты энергии. При растворении жидких и твердых веществ энтропия системы обычно возрастает, так как растворяемые вещества из более упорядоченного состояния переходят в менее упорядоченное. При растворении газов в жидкостях энтропия уменьшается, так как растворимое вещество переходит из большего объема в меньший.

42. Способы выражения концентрации растворов.

Концентрация – количество вещества на единицу массы объема раствора или растворителя.

Массовая доля – отношение массы растворенного вещества к массе раствора. w=(mb/m)*100%

Объемная доля – отношение объема вещества к объему всего раствора

Молярная доля – отношение количества растворенного вещества к сумме количеств всех веществ, составляющих раствор. w=nb/(na+nb) nb=mb/µb

Молярная концентрация (молярность) – отношение количества растворенного вещества к объему раствора. w=nb/V

Моляльная концентрация (моляльность) – отношение количества растворенного вещества к массе растворителя. w=nb/ma

Молярная концентрация эквивалентов – отношение числа эквивалентов растворенного вещества к объему раствора. w=nэ/V

43. Закон Рауля

При данной температуре давление насыщенного пара над каждой жидкостью – величина постоянная. Опыт показывает, что при растворении в жидкости какого-либо вещества давление насыщенного пара этой жидкости понижается. Таким образом, давление насыщенного пара растворителя над раствором всегда ниже, чем над чистым растворителем при той же температуре. Разность между этими величинами принято называть понижением давления пара над раствором. Отношение величины этого понижения к давлению насыщенного пара над чистым растворителем называется относительным понижением давления пара над раствором. Закон Рауля: Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно молярной доле растворенного вещества. Явление понижения давления насыщенного пара над раствором вытекает из принципа Ле-Шателье. Изначально жидкость и пар находятся в равновесии. При растворении в жидкости какого-либо вещества концентрация молекул растворителя уменьшается. Система стремится компенсировать это воздействие. Начинается конденсация пара и новое равновесие устанавливается при более низком давлении насыщенного пара.

Химические реакции происходят при смешении или физическом контакте реагентов самопроизвольно, при нагревании, участии катализаторов (катализ), действии света (фотохимические реакции), электрического тока (электродные процессы), ионизирующих излучений (радиационно-химические реакции), механического воздействия (механохимические реакции), в низкотемпературной плазме (плазмохимические реакции) и т. п. Самопроизвольное превращение веществ осуществляется при условии, что они обладают энергией , достаточной для преодоления потенциального барьера, разделяющего исходное и конечное состояния системы (Энергия активации).

Классификация

Существует большое количество признаков, по которым можно классифицировать химические реакции.

По фазовому составу реагирующей системы

• Гомогенные гомофазные реакции.

В реакциях такого типа реакционная смесь является гомогенной, а реагенты и продукты принадлежат одной и той же фазе. Примером таких реакций могут служить реакции ионного обмена, например, нейтрализация кислоты и щелочи в растворе:

NaOH (р.) + HCl (р.) → NaCl (р.) + H 2 O

• Гетерогенные гетерофазные реакции

В этом случае реагенты находятся в разном фазовом состоянии, продукты реакции также могут находится в любом фазовом состоянии. Реакционный процесс протекает на границе раздела фаз. Примером может служить реакция солей угольной кислоты (карбонатов) с кислотами Бренстеда:

CaCO 3 (т.) + 2HCl (р.) → CaCl 2 (р.) + CO 2 (г.) + H 2 O(ж.)

• Гетерогенные гомофазные реакции

Такие реакции протекают в пределах одной фазы, однако реакционная смесь является гетерогенной. Например, реакция образования хлорида аммония из газообразных хлороводорода и аммиака:

NH 3 (г.) + HCl (г.) → NH 4 Cl (т.)

• Гомогенные гетерофазные реакции

Реагенты и продукты в такой реакции существуют в пределах одной фазы, однако реакция протекает на поверхности раздела фаз. Примером таких реакций являются некоторые гетерогенно-каталитические реакции, например, реакция синтеза аммиака из водорода и азота :

По изменению степеней окисления реагентов

В данном случае различают

• Окислительно-восстановительные реакции,

в которых атомы одного элемента (окислителя) восстанавливаются , то есть понижают свою степень окисления , а атомы другого элемента (восстановителя) окисляются , то есть повышают свою степень окисления . Частным случаем окислительно-восстановительных реакция являются реакции диспропорционирования, в которых окислителем и восстановителем являются атомы одного и того же элемента, находящиеся в разных степенях окисления. Пример окислитильно-восстановительной реакции - горение водорода (восстановитель) в кислороде (окислитель) с образованием воды :

2H 2 + O 2 = 2H 2 O

Пример реакции диспропорционирования - реакция разложения нитрата аммония при нагревании. Окислителем в данном случае выступает азот (+5) нитрогруппы, а восстановителем - азот (-3) катиона аммония:

NH 4 NO 3 = N 2 O + 2H 2 O (до 250 °C)

• Не окислительно-восстановительные реакции - соответственно, реакции, в которых не происходит изменения степеней окисления атомов, например, указанная выше реакция нейтрализации.

По тепловому эффекту реакции

Все реакции сопровождаются тепловыми эффектами. При разрыве химических связей в реагентах выделяется энергия, которая, в основном, идет на образование новых химических связей. В некоторых реакциях энергии этих процессов близки, и в таком случае общий тепловой эффект реакции приближается к нулю. В остальных случаях можно выделить

• экзотермические реакции,

которые идут с выделением тепла, (положительный тепловой эффект) например, указанное выше горение водорода

• эндотермические реакции,

в ходе которых тепло поглощается (отрицательный тепловой эффект) из окружающей среды.

Тепловой эффект реакции (энтальпию реакции, Δ r H), часто имеющий очень важное значение, можно вычислить по закону Гесса , если известны энтальпии образования реагентов и продуктов. Когда сумма энтальпий продутов меньше суммы энтальпий реагентов (Δ r H < 0) наблюдается выделение тепла , в противном случае (Δ r H > 0) - поглощение .

По типу превращений реагирующих частиц

• соединения: 2Cu + O 2 = 2CuO,
• разложения: 2HgO = 2Hg + O 2 ,
• замещения: Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu,
• обмена: NaCl + H 2 SO 4 = HCl + NaHSO 4 .

Химические реакции всегда сопровождаются физическими эффектами: поглощением и выделением энергии, например в виде теплопередачи, изменением агрегатного состояния реагентов, изменением окраски реакционной смеси и др. Именно по этим физическим эффектам часто судят о протекании химических реакций.

Химические процессы, протекающие в веществе, отличаются и от физических процессов, и от ядерных превращений. В физических процессах участвующие вещества сохраняют неизменными свои свойства, но могут изменять внешнюю форму или агрегатное состояние.

В химических процессах (химических реакциях) получаются новые вещества с отличными от реагентов свойствами, но никогда не образуются атомы новых элементов. В атомах же участвующих в реакции элементов обязательно происходят видоизменения электронной оболочки.

В ядерных реакциях происходят изменения в атомных ядрах всех участвующих элементов, что приводит к образованию атомов новых элементов.

С помощью химических реакций можно получать практически важные вещества, которые в природе находятся в ограниченных количествах, например азотные удобрения, либо вообще не встречаются по каким-либо причинам, например сульфаниламиды и другие синтетические лекарственные препараты, полиэтилен и другие пластмассы. Химия позволяет синтезировать новые, неизвестные природе вещества, необходимые для жизнедеятельности человека . Вместе с тем, неумелое или безответственное химическое воздействие на окружающую среду и на протекающие природные процессы может привести к нарушению установившихся естественных химических циклов, что делает актуальной экологическую проблему (загрязнение окружающей среды) и усложняет задачу рационального использования природных ресурсов и сохранения естественной среды обитания на Земле .

Литература

• Химия: Справ. изд./ В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.: Пер. с нем. - М.: Химия, 1989.

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 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 VOSO 4 . 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 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 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 и их солей всасываются корневыми волосками корней растений. Цикл превращения азота замыкается, чтобы повториться снова. Суть химических процессов, происходящих с 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.

Такие производственные процессы, при осуществлении которых изменяют химический состав перерабатываемого продукта с целью получения вещества с другими химическими свойствами. Изменение химического состава продукта происходит при проведении одной или нескольких химических реакций.

Химические процессы лежат в основе производства многих неорганических и органических соединений, занимают основное место в производстве черных, цветных и редких металлов, стекла, цемента и других силикатных материалов, целлюлозы, бумаги и пластмасс.

Химические процессы проходят ряд взаимосвязанных стадий:

• 1. подвод реагирующих компонентов в зону реакции;
• 2. химическое взаимодействие компонентов;
• 3. разделение продуктов реакции и выделение целевого продукта из смеси.

На стадии подвода реагентов в зону реакции исходные вещества приводятся в соприкосновение друг с другом. Контактирование молекул достигается диффузией молекул одного вещества в другое либо конвективным переносом массы.

В результате химического превращения, или взаимодействия, образуется основной, или целевой, продукт и иногда ряд побочных продуктов. Стадия выделения целевого продукта осуществляется с применением процессов отстаивания, выпаривания, ректификации, абсорбции, кристаллизации и др.

При необходимости в технологический процесс входит стадия подготовки сырья, включающая следующие операции: измельчение, концентрирование, сушку, очистку газа от пыли и др.

Химические превращения веществ в технологическом процессе осуществляются в специальных аппаратах, называемых реакторами. В этих аппаратах химические реакции сочетаются с массопереносом (диффузией). Например, в печном отделении сернокислотного цеха реактором является печь обжига серы или колчедана; в контактном отделении - контактный аппарат и т.д.

Протекание химических реакций, в результате которых получается целевой продукт, происходит при определенных параметрах процесса: температуре, давлении, активности катализатора, концентрации взаимодействующих веществ, интенсивности перемешивания.

Классификация химических процессов

До настоящего времени нет еще какой-либо вполне установившейся классификации процессов химической технологии. Практически целесообразно объединять их в зависимости от основных закономерностей, характеризующих протекание процессов, в следующие группы:

• 1. гидродинамические процессы;
• 2. тепловые процессы;
• 3. диффузионные процессы;
• 4. холодильные процессы;
• 5. механические процессы, связанные с обработкой твердых тел;
• 6. химические процессы, связанные с химическими превращениями обрабатываемых материалов.

Также разделяется на:

• 1. крекинг
• 2. риформинг
• 3. гидроочистка

Крекинг - стадия процесса очистки нефти, на которой продукты первой дистилляции обрабатываются с целью расщепления больших молекул

углеводородов на меньшие молекулы посредством регулируемого

нагрева, с присутствием катализаторови часто под давлением.

При крекинге нефти получают тяжелые масла, бензин и газы, такие как ЭТАН, ЭТЕН (этилен) и ПРОПЕН (пропилен), которые используются при производстве пластмасс, тканей, моющих средств и сельскохозяйственных химикатов. Таким образом, крекинг - это способ получения больших количеств легких углеводородов, на которые имеется большой спрос, из более тяжелых фракций, которые сами по себе используются как смазочные масла.

Риформинг - переработка бензиновых и лигроиновых фракций нефти для получения автомобильных бензинов, ароматических углеводородов (бензола и его гомологов) и водородсодержащего газа. Различают риформинг термический и под давлением в присутствии катализатора.

Термический риформинг широко применяли ранее только для производства высокооктановых бензинов. Основанный на реакции: дегидрогенизация и дегидроизомеризация нафтеновых углеводородов, деалкилирование и конденсация ароматических углеводородов. Переработку бензино-лигроиновых фракций проводили в трубчатых печах при 530-560°С.

Недостаток процесса-невысокие выходы целевого продукта вследствие больших потерь сырья в виде газа и кокса, а также сравнительно высокое содержание непредельных углеводородов в бензине, что снижает его стабильность и приемистость к тетраэтилу и свинцу.

Гидроочистка - представляет собой процесс химического превращения каких-либо веществ под влиянием на них при высокой температуре и давление водородом.

Гидроочистка фракций нефти необходима для уменьшения в товарных нефтепродуктах содержания соединений, которые включают в себя серу. Параллельно этому происходит уменьшение смол и соединений, содержащих кислород, насыщение непредельных углеводородов и гидрокрекинг молекул углеводорода. Гидроочистка - это самый частый процесс переработки нефти и через неё проходят следующие её фракции: бензиновые, керосиновые, фракции масел, а также дизельное топливо и вакуумный газойль.

Гидроочистка прямогонных бензиновых фракций необходима для получения уже гидроочищенных бензиновых фракций. Гидроочищенные бензиновые фракции являются сырьем для каталитической ароматизации. Она происходит за счет реакции гидрогенолиза и деструкции молекул в водородосодержащем газа. На выходе органические соединения азота, кислорода, серы, хлора и металлов, которые содержаться в сырье становятся аммиаком, водой, сероводородом, хлороводородом и соответствующими углеводородами. Этот процесс происходит при давлении от 1 до 3 МПа и температуре от 370 до 380 градусов по Цельсию. В качестве катализатора используется кобальт-молибденовый.

Процесс гидроочистки бензина каталитического крекинга идет на уменьшение в товарных бензинах диеновых углеводородов и серы.

Гидроочистка керосиновых фракций необходима на уменьшение в реактивном топливе количества смол и серы, которые приводят к коррозии в летательных машинах топливной конструкции и закоксовывают форсунки в двигателе. Этот процесс осуществляют при давлении от 1,5 до 2,2 МПа и температуре порядка 300- 400 градусов по Цельсию. Катализатор в данном случае тот же, что и при гидроочистке прямогонных бензиновых фракций. Гидроочистка дизельного топлива необходима для уменьшения полиароматических углеводородов и серы. Сера при горении выделяет сернистый газ. С водой он образует сернистую кислоту, которая является основной причиной кислотных дождей. Полиароматические углеводороды понижают октановое число. Процесс гидроочистки происходит при давлении от 1,8 до 2 МПа и температуре от 350 до 420 градусов, с никелем-молибденовым в качестве катализатора.

Гидроочистка вакуумного газойля нужна также как и при очистке дизельного топлива для уменьшения количества серы и полиароматики. Полученный газойль идет в качестве сырья для каталитического крекинга. Сера в данном случае отравляет катализатор крекинга и неблагоприятно влияет на качество бензина каталитического крекинга. Гидроочистка вакуумного газойля осуществляется при давлении 8-9 МПа и температуре от 370 до 410 градусов, с катализатором в виде никель-молибденовый. Гидроочистка нефтяных масел нужна для их осветления, повышения химической стойкости, экологичности, антикоррозийности, и проходит таким же образом, как и гидроочистка вакуумных газойлей.

Процессы подразделяются также на:

• 1. периодические,
• 2. непрерывные,
• 3. комбинированные.

Периодический процесс характеризуется единством места протекания отдельных его стадий и неустановившимся состоянием во времени. Периодические процессы осуществляют в аппаратах периодического действия, из которых конечный продукт выгружается полностью или частично через определенные промежутки времени. После разгрузки аппарата в него загружают новую порцию исходных материалов, и производственный цикл повторяется снова. Вследствие неустановившегося состояния при периодическом процессе в любой точке массы обрабатываемого материала или в любом сечении аппарата отдельные физические величины или параметры (например, температура, давление, концентрация, теплоемкость, скорость и Др.), характеризующие процесс и состояние веществ, подвергающихся обработке, меняются во время протекания процесса.

Непрерывный процесс характеризуется единством времени протекания всех его стадий, установившимся состоянием и непрерывным отбором конечного продукта. Непрерывные процессы осуществляют в аппаратах непрерывного действия. Вследствие установившегося состояния в любой точке массы обрабатываемого материала или в любом сечении непрерывно действующего аппарата физические величины или параметры в течение всего времени протекания процесса остаются практически неизменными.

Комбинированный процесс представляет собой либо непрерывный процесс, отдельные стадии которого проводятся периодически, либо такой периодический процесс, одна или несколько стадий, которого проводятся непрерывно. Непрерывные процессы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с периодическими и комбинированными. К таким преимуществам в первую очередь относятся:

• 1. возможность осуществления полной механизации и автоматизации, что позволяет сократить до минимума применение ручного труда;
• 2. однородность получаемых продуктов и возможность повышения их качества;
• 3. компактность оборудования, необходимого для осуществления процесса, что позволяет сократить как капитальные затраты, так и расходы на ремонт.

Поэтому в настоящее время во всех отраслях техники стремятся перейти от периодических к непрерывным производственным процессам.

Классификация химических процессов помогает выделить такие характеристики составляющих процесса, комбинация которых определяет те или иные свойства химического процесса в целом, его закономерности и особенности.

Поскольку химический процесс - это система взаимосвязанных явлений, то классификацию проводят по различным признакам.

В изучении этих химических процессов или иными словами, в развитии химической технологии отдельных веществ и продуктов, например, синтетического аммиака, каучуков, пластических масс, черных, цветных и редких металлов, стекла, цемента и т.п., достигнуты огромные успехи. Эти успехи обусловили технический прогресс соответствующих отраслей промышленности. Однако научная классификация химических процессов продолжает оставаться одной из важных задач химической технологии как науки. По аналогии с классификацией физических и физикохимических процессов химической технологии делаются попытки классифицировать промышленные химические реакции по основным химическим процессам. Так, предлагалась следующая классификация химических процессов обменное разложение и солеобразование (минеральные удобрения и соли), окисление (серная кислота, азотная кислота, органические кислородные соединения и др.), гидрирование (аммиак, метанол и другие спирты, аминосоединения ароматического ряда, получаемые гидрированием нитросоединений, и т.п.), аминирование (мочевина, аминосоединения жирного и ароматического рядов), хлорирование (химические средства защиты растений), нитрование (взрывчатые вещества), сульфирование (синтетические моющие вещества), электрохимические процессы (электролиз водных растворов, электролиз в расплавленных средах, электрохимическое окисление и восстановление), процессы высокотемпературного и каталитического крекинга и пиролиза жидкостей и газов (нефтепереработка, получение олефинов из природных газов и др.), процессы полимеризации и поликонденсации (получение пластических масс, синтетических каучуков, химических волокон), процессы высокотемпературной переработки твердых тел (коксование углей, производство карбида кальция, стекла, цемента, сернистого натрия), алкилирование и арилирование и т.д.

Несмотря на значительные различия и специфичность реакторов, предназначенных для осуществления отдельных химических процессов, можно выделить одинаковые для всех реакторов элементы, на основе которых и проводится классификация. Классификация химических процессов по ряду признаков в известной степени относится и к реакторам, поскольку эти признаки существенно влияют на тип н конструкцию аппарата. Так, тепловой эффект реакции требует различных теплообменных устройств, для отвода или подвода теплоты в реакционный объем. Поэтому деление процессов на экзо и эндотермические требует выбора и соответствующего химического реактора.