Medsebojne transformacije spojin, opažene v prostoživečih živalih, pa tudi kot posledica človekove dejavnosti, se lahko obravnavajo kot kemični procesi. Reagenti v njih so lahko dve ali več snovi, ki so v enakem ali v različnih agregacijskih stanjih. Glede na to ločimo homogene ali heterogene sisteme. V prispevku bomo obravnavali pogoje za izvedbo, značilnosti poteka in vlogo kemičnih procesov v naravi.
Kaj pomeni kemična reakcija
Če se zaradi interakcije začetnih snovi sestavni deli njihovih molekul spremenijo, naboji jeder atomov pa ostanejo enaki, govorijo o kemijskih reakcijah ali procesih. Izdelke, ki nastanejo kot posledica njihovega pretoka, človek uporablja v industriji, kmetijstvu in vsakdanjem življenju. Ogromno število interakcijmed snovmi, tako v živi kot v neživi naravi. Kemični procesi se bistveno razlikujejo od fizikalnih pojavov in lastnosti radioaktivnosti. V njih nastajajo molekule novih snovi, medtem ko fizikalni procesi ne spreminjajo sestave spojin, pri jedrskih reakcijah pa nastajajo atomi novih kemičnih elementov.
Pogoji za izvajanje procesov v kemiji
Lahko so različni in so odvisni predvsem od narave reagentov, potrebe po dotoku energije od zunaj, pa tudi od agregacijskega stanja (trdne snovi, raztopine, plini), v katerem poteka proces. Kemični mehanizem interakcije med dvema ali več spojinami se lahko izvede pod delovanjem katalizatorjev (na primer proizvodnja dušikove kisline), temperature (pridobivanje amoniaka), svetlobne energije (fotosinteza). S sodelovanjem encimov v živi naravi so procesi kemične reakcije fermentacije (alkohol, mlečna kislina, maslena), ki se uporabljajo v živilski in mikrobiološki industriji, zelo razširjeni. Za pridobivanje izdelkov v industriji organske sinteze je eden od glavnih pogojev prisotnost mehanizma prostih radikalov v kemičnem procesu. Primer bi bila proizvodnja klorovih derivatov metana (diklorometan, triklorometan, ogljikov tetraklorid, ki nastanejo zaradi verižnih reakcij.
Homogena kataliza
So posebne vrste stika med dvema ali več snovmi. Bistvo kemičnih procesov, ki se pojavljajo v homogeni fazi (na primer plin - plin) s sodelovanjem pospeševalnikovreakcije, sestojijo iz izvajanja reakcij v celotnem volumnu zmesi. Če je katalizator v enakem agregacijskem stanju kot reaktanti, tvori mobilne vmesne komplekse z izhodnimi spojinami.
Homogena kataliza je osnovni kemični proces, ki se uporablja na primer pri rafiniranju nafte, bencina, nafte, plinskega olja in drugih goriv. Uporablja tehnologije, kot so reformiranje, izomerizacija, katalitični kreking.
Heterogena kataliza
V primeru heterogene katalize pride do stika reaktantov največkrat na trdni površini samega katalizatorja. Na njem se oblikujejo tako imenovani aktivni centri. To so področja, kjer interakcija reakcijskih spojin poteka zelo hitro, torej je hitrost reakcije visoka. So specifične za vrsto in igrajo pomembno vlogo tudi, če v živih celicah potekajo kemični procesi. Potem govorijo o presnovi – presnovnih reakcijah. Primer heterogene katalize je industrijska proizvodnja sulfatne kisline. V kontaktnem aparatu se plinasta zmes žveplovega dioksida in kisika segreje in spelje skozi rešetkaste police, napolnjene z dispergiranim prahom vanadijevega oksida ali vanadil sulfata VOSO4. Nastali produkt, žveplov trioksid, nato absorbira koncentrirana žveplova kislina. Nastane tekočina, imenovana oleum. Lahko ga razredčimo z vodo, da dobimo želeno koncentracijo sulfatne kisline.
Značilnosti termokemičnih reakcij
Sproščanje ali absorpcija energije v obliki toplote je velikega praktičnega pomena. Dovolj je, da se spomnimo reakcij zgorevanja goriva: zemeljskega plina, premoga, šote. So fizikalni in kemični procesi, katerih pomembna značilnost je toplota zgorevanja. Toplotne reakcije so zelo razširjene tako v organskem svetu kot v neživi naravi. Na primer, v procesu prebave se beljakovine, lipidi in ogljikovi hidrati razgradijo pod delovanjem biološko aktivnih snovi – encimov.
Sproščena energija se akumulira v obliki makroergičnih vezi molekul ATP. Disimilacijske reakcije spremlja sproščanje energije, katere del se razprši v obliki toplote. Kot rezultat prebave vsak gram beljakovin zagotavlja 17,2 kJ energije, škrob - 17,2 kJ, maščoba - 38,9 kJ. Kemične procese, ki sproščajo energijo, imenujemo eksotermni, tisti, ki jo absorbirajo, pa endotermni. V industriji organske sinteze in drugih tehnologijah se izračunajo toplotni učinki termokemijskih reakcij. To je na primer pomembno vedeti za pravilen izračun količine energije, porabljene za ogrevanje reaktorjev in sinteznih kolon, v katerih potekajo reakcije, ki jih spremlja absorpcija toplote.
Kinetika in njena vloga v teoriji kemijskih procesov
Izračun hitrosti reakcijskih delcev (molekul, ionov) je najpomembnejša naloga, s katero se sooča industrija. Njegova rešitev zagotavlja ekonomski učinek in donosnost tehnoloških ciklov v kemični proizvodnji. Za povečanjehitrost takšne reakcije, kot je sinteza amoniaka, bo odločilna sprememba tlaka v plinski mešanici dušika in vodika do 30 MPa, pa tudi preprečevanje močnega zvišanja temperature (temperatura je 450-550 °C je optimalno).
Kemični procesi, ki se uporabljajo pri proizvodnji sulfatne kisline, in sicer: gorenje piritov, oksidacija žveplovega dioksida, absorpcija žveplovega trioksida z olejem, se izvajajo pod različnimi pogoji. Za to se uporablja piritna peč in kontaktne naprave. Upoštevajo koncentracijo reaktantov, temperaturo in tlak. Vsi ti dejavniki so povezani, da se reakcija izvede z najvišjo hitrostjo, kar poveča donos sulfatne kisline na 96-98%.
Cikel snovi kot fizikalni in kemični procesi v naravi
Poznan rek "Gibanje je življenje" lahko uporabimo tudi za kemične elemente, ki vstopajo v različne vrste interakcij (reakcije kombinacije, substitucije, razgradnje, izmenjave). Molekule in atomi kemičnih elementov so v stalnem gibanju. Kot so ugotovili znanstveniki, lahko vse zgornje vrste kemičnih reakcij spremljajo fizikalni pojavi: sproščanje toplote ali njena absorpcija, oddajanje fotonov svetlobe, sprememba agregacijskega stanja. Ti procesi se pojavljajo v vsaki lupini Zemlje: litosferi, hidrosferi, atmosferi, biosferi. Najpomembnejši med njimi so cikli snovi, kot so kisik, ogljikov dioksid in dušik. V naslednjem naslovu si ogledamo, kako kroži dušik v ozračju, tleh inživi organizmi.
Pretvorba dušika in njegovih spojin
Vedno je, da je dušik nujna sestavina beljakovin, kar pomeni, da sodeluje pri nastajanju vseh vrst zemeljskega življenja brez izjeme. Rastline in živali dušik absorbirajo v obliki ionov: amonijevih, nitratnih in nitritnih ionov. Zaradi fotosinteze rastline ne tvorijo samo glukoze, ampak tudi aminokisline, glicerol in maščobne kisline. Vse zgoraj navedene kemične spojine so produkti reakcij, ki se pojavljajo v Calvinovem ciklu. Izjemni ruski znanstvenik K. Timiryazev je govoril o kozmični vlogi zelenih rastlin in se med drugim skliceval na njihovo sposobnost sinteze beljakovin.
Rastojedi dobijo peptide iz rastlinske hrane, mesojedi pa iz mesa plena. Pri propadanju rastlinskih in živalskih ostankov pod vplivom saprotrofnih talnih bakterij potekajo zapleteni biološki in kemični procesi. Posledično dušik iz organskih spojin preide v anorgansko obliko (nastanejo amoniak, prosti dušik, nitrati in nitriti). Če se vrnemo v ozračje in tla, rastline spet absorbirajo vse te snovi. Dušik vstopa skozi stomate kože listov, raztopine dušikove in dušikove kisline ter njihovih soli pa absorbirajo koreninski dlaki korenin rastlin. Cikel transformacije dušika se zaključi in se ponovno ponovi. Bistvo kemičnih procesov, ki se dogajajo z dušikovimi spojinami v naravi, je v začetku 20. stoletja podrobno preučil ruski znanstvenik D. N. Pryanishnikov.
prašna metalurgija
Sodobni kemični procesi in tehnologije pomembno prispevajo k ustvarjanju materialov z edinstvenimi fizikalnimi in kemijskimi lastnostmi. To je zlasti pomembno predvsem za instrumente in opremo rafinerij nafte, podjetij, ki proizvajajo anorganske kisline, barvila, lake in plastiko. Pri njihovi proizvodnji se uporabljajo toplotni izmenjevalci, kontaktne naprave, sintezni stebri, cevovodi. Površina opreme je v stiku z agresivnimi mediji pod visokim pritiskom. Poleg tega se skoraj vsi kemični proizvodni procesi izvajajo pri visokih temperaturah. Pomembna je proizvodnja materialov z visoko stopnjo toplotne in kislinske odpornosti, protikorozijskimi lastnostmi.
Metalurgija prahu vključuje proizvodnjo praškov, ki vsebujejo kovine, sintranje in vgradnjo v sodobne zlitine, ki se uporabljajo pri reakcijah s kemično agresivnimi snovmi.
Kompoziti in njihov pomen
Med sodobnimi tehnologijami so najpomembnejši kemični procesi reakcije pridobivanja kompozitnih materialov. Sem spadajo pene, kermeti, norpapalsti. Kot matrica za proizvodnjo se uporabljajo kovine in njihove zlitine, keramika in plastika. Kot polnila se uporabljajo kalcijev silikat, bela glina, stroncijev in barijev ferid. Vse zgoraj navedene snovi dajejo kompozitnim materialom odpornost na udarce, toploto in odpornost proti obrabi.
Kaj je kemični inženiring
Veja znanosti, ki preučuje sredstva in metode, ki se uporabljajo pri reakcijah predelave surovin: nafte, zemeljskega plina, premoga, mineralov, se je imenovala kemična tehnologija. Z drugimi besedami, to je znanost o kemičnih procesih, ki nastanejo kot posledica človekove dejavnosti. Njegovo celotno teoretično osnovo sestavljajo matematika, kibernetika, fizikalna kemija in industrijska ekonomija. Ni pomembno, kateri kemični proces je vključen v tehnologijo (pridobivanje nitratne kisline, razgradnja apnenca, sinteza fenol-formaldehidne plastike) - v sodobnih razmerah je nemogoče brez avtomatiziranih krmilnih sistemov, ki olajšajo človekove dejavnosti, odpravljajo onesnaževanje okolja in zagotavljajo tehnologija neprekinjene kemične proizvodnje brez odpadkov.
V tem prispevku smo obravnavali primere kemičnih procesov, ki se pojavljajo tako v prostoživečih živalih (fotosinteza, disimilacija, kroženje dušika) kot v industriji.
