Le trasformazioni reciproche dei composti osservate nella fauna selvatica, oltre a verificarsi come risultato dell'attività umana, possono essere considerate processi chimici. I reagenti in essi contenuti possono essere due o più sostanze che si trovano nello stesso o in diversi stati di aggregazione. A seconda di ciò, si distinguono sistemi omogenei o eterogenei. In questo lavoro verranno considerate le condizioni per lo svolgimento, le caratteristiche del corso e il ruolo dei processi chimici in natura.
Cosa si intende per reazione chimica
Se, a seguito dell'interazione delle sostanze iniziali, le parti costitutive delle loro molecole subiscono dei cambiamenti e le cariche dei nuclei degli atomi rimangono le stesse, si parla di reazioni o processi chimici. I prodotti formati dal loro flusso sono utilizzati dall'uomo nell'industria, nell'agricoltura e nella vita di tutti i giorni. Numero enorme di interazionitra le sostanze si verifica, sia nella natura viva che in quella inanimata. I processi chimici hanno una differenza fondamentale dai fenomeni fisici e dalle proprietà della radioattività. In esse si formano molecole di nuove sostanze, mentre i processi fisici non cambiano la composizione dei composti e gli atomi di nuovi elementi chimici sorgono nelle reazioni nucleari.
Condizioni per l'implementazione dei processi in chimica
Possono essere diversi e dipendono principalmente dalla natura dei reagenti, dalla necessità di un afflusso di energia dall'esterno, nonché dallo stato di aggregazione (solidi, soluzioni, gas) in cui avviene il processo. Il meccanismo chimico di interazione tra due o più composti può essere effettuato sotto l'azione di catalizzatori (ad esempio la produzione di acido nitrico), temperatura (ottenimento di ammoniaca), energia luminosa (fotosintesi). Con la partecipazione degli enzimi nella natura vivente, sono diffusi i processi di reazione chimica di fermentazione (alcool, acido lattico, butirrico), utilizzati nell'industria alimentare e microbiologica. Per ottenere prodotti nell'industria della sintesi organica, una delle condizioni principali è la presenza di un meccanismo di radicali liberi del processo chimico. Un esempio potrebbe essere la produzione di derivati del cloro del metano (diclorometano, triclorometano, tetracloruro di carbonio, derivanti da reazioni a catena.
Catalisi omogenea
Sono tipi speciali di contatto tra due o più sostanze. L'essenza dei processi chimici che si verificano in una fase omogenea (ad esempio gas - gas) con la partecipazione di acceleratorireazioni, consistono nell'eseguire reazioni nell'intero volume delle miscele. Se il catalizzatore è nello stesso stato di aggregazione dei reagenti, forma complessi intermedi mobili con i composti di partenza.
La catalisi omogenea è un processo chimico di base utilizzato, ad esempio, nella raffinazione del petrolio, benzina, nafta, gasolio e altri combustibili. Utilizza tecnologie come il reforming, l'isomerizzazione, il cracking catalitico.
Catalisi eterogenea
Nel caso di catalisi eterogenea, il contatto dei reagenti avviene, il più delle volte, sulla superficie solida del catalizzatore stesso. Su di esso si formano i cosiddetti centri attivi. Queste sono aree in cui l'interazione dei composti reagenti procede molto rapidamente, cioè la velocità di reazione è elevata. Sono specie-specifiche e svolgono un ruolo importante anche se si verificano processi chimici nelle cellule viventi. Quindi parlano di metabolismo - reazioni metaboliche. Un esempio di catalisi eterogenea è la produzione industriale di acido solfato. Nell'apparato di contatto, una miscela gassosa di anidride solforosa e ossigeno viene riscaldata e fatta passare attraverso scaffali reticolari riempiti con polvere dispersa di ossido di vanadio o solfato di vanadile VOSO4. Il prodotto risultante, triossido di zolfo, viene quindi assorbito dall'acido solforico concentrato. Si forma un liquido chiamato oleum. Può essere diluito con acqua per ottenere la concentrazione desiderata di acido solfato.
Caratteristiche delle reazioni termochimiche
Il rilascio o l'assorbimento di energia sotto forma di calore è di grande importanza pratica. Basti ricordare le reazioni di combustione dei combustibili: gas naturale, carbone, torba. Sono processi fisici e chimici, la cui caratteristica importante è il calore di combustione. Le reazioni termiche sono diffuse sia nel mondo organico che nella natura inanimata. Ad esempio, nel processo di digestione, proteine, lipidi e carboidrati vengono scomposti sotto l'azione di sostanze biologicamente attive - enzimi.
L'energia rilasciata viene accumulata sotto forma di legami macroergici di molecole di ATP. Le reazioni di dissimilazione sono accompagnate dal rilascio di energia, parte della quale viene dissipata sotto forma di calore. Come risultato della digestione, ogni grammo di proteine fornisce 17,2 kJ di energia, amido - 17,2 kJ, grasso - 38,9 kJ. I processi chimici che rilasciano energia sono detti esotermici e quelli che la assorbono sono detti endotermici. Nell'industria della sintesi organica e in altre tecnologie, vengono calcolati gli effetti termici delle reazioni termochimiche. È importante saperlo, ad esempio, per il corretto calcolo della quantità di energia utilizzata per riscaldare i reattori e le colonne di sintesi in cui avvengono le reazioni, accompagnate dall'assorbimento di calore.
Cinetica e suo ruolo nella teoria dei processi chimici
Calcolare la velocità delle particelle che reagiscono (molecole, ioni) è il compito più importante che l'industria deve affrontare. La sua soluzione garantisce l'effetto economico e la redditività dei cicli tecnologici nella produzione chimica. Per aumentarela velocità di tale reazione, come la sintesi dell'ammoniaca, i fattori decisivi saranno un cambiamento di pressione in una miscela di gas di azoto e idrogeno fino a 30 MPa, nonché la prevenzione di un forte aumento della temperatura (la temperatura è 450-550 °C è ottimale).
I processi chimici utilizzati nella produzione dell'acido solfato, vale a dire: combustione delle piriti, ossidazione dell'anidride solforosa, assorbimento dell'anidride solforosa da parte dell'oleum, vengono eseguiti in varie condizioni. Per questo vengono utilizzati un forno di pirite e dispositivi di contatto. Tengono conto della concentrazione dei reagenti, della temperatura e della pressione. Tutti questi fattori sono correlati per eseguire la reazione alla velocità più alta, che aumenta la resa di acido solfato al 96-98%.
Ciclo delle sostanze come processi fisici e chimici in natura
Il noto detto "Il movimento è vita" può essere applicato anche agli elementi chimici che entrano in vari tipi di interazione (reazioni di combinazione, sostituzione, decomposizione, scambio). Molecole e atomi di elementi chimici sono in continuo movimento. Come hanno stabilito gli scienziati, tutti i suddetti tipi di reazioni chimiche possono essere accompagnati da fenomeni fisici: il rilascio di calore o il suo assorbimento, l'emissione di fotoni di luce, un cambiamento nello stato di aggregazione. Questi processi avvengono in ogni guscio della Terra: litosfera, idrosfera, atmosfera, biosfera. I più significativi di questi sono i cicli di sostanze come ossigeno, anidride carbonica e azoto. Nella prossima sezione, osserviamo come l'azoto circola nell'atmosfera, nel suolo eorganismi viventi.
Interconversione dell'azoto e dei suoi composti
È risaputo che l'azoto è un componente necessario delle proteine, il che significa che è coinvolto nella formazione di tutti i tipi di vita terrena senza eccezioni. L'azoto viene assorbito da piante e animali sotto forma di ioni: ioni ammonio, nitrato e nitrito. Come risultato della fotosintesi, le piante formano non solo glucosio, ma anche aminoacidi, glicerolo e acidi grassi. Tutti i suddetti composti chimici sono prodotti di reazioni che si verificano nel ciclo di Calvin. L'eccezionale scienziato russo K. Timiryazev ha parlato del ruolo cosmico delle piante verdi, riferendosi, tra l' altro, alla loro capacità di sintetizzare le proteine.
Gli erbivori ottengono i loro peptidi dai cibi vegetali, mentre i carnivori ottengono i loro peptidi dalla carne di preda. Durante il decadimento di resti vegetali e animali sotto l'influenza dei batteri saprotrofici del suolo, si verificano complessi processi biologici e chimici. Di conseguenza, l'azoto dai composti organici passa in una forma inorganica (si formano ammoniaca, azoto libero, nitrati e nitriti). Ritornando nell'atmosfera e nel suolo, tutte queste sostanze vengono nuovamente assorbite dalle piante. L'azoto entra attraverso gli stomi della pelle delle foglie e le soluzioni di acido nitrico e nitroso e i loro sali vengono assorbiti dai peli delle radici delle piante. Il ciclo di trasformazione dell'azoto si chiude per ripetersi nuovamente. L'essenza dei processi chimici che si verificano con i composti azotati in natura è stata studiata in dettaglio all'inizio del 20° secolo dallo scienziato russo D. N. Pryanishnikov.
Metallurgia delle polveri
I processi e le tecnologie chimiche moderne danno un contributo significativo alla creazione di materiali con proprietà fisiche e chimiche uniche. Ciò è particolarmente importante, prima di tutto, per gli strumenti e le attrezzature delle raffinerie di petrolio, le imprese che producono acidi inorganici, coloranti, vernici e materie plastiche. Nella loro produzione vengono utilizzati scambiatori di calore, dispositivi di contatto, colonne di sintesi, tubazioni. La superficie dell'apparecchiatura è a contatto con fluidi aggressivi ad alta pressione. Inoltre, quasi tutti i processi di produzione chimica vengono eseguiti ad alte temperature. Rilevante è la produzione di materiali con elevati tassi di resistenza termica e agli acidi, proprietà anticorrosione.
La metallurgia delle polveri comprende la produzione di polveri contenenti metalli, la sinterizzazione e l'incorporazione in leghe moderne utilizzate nelle reazioni con sostanze chimicamente aggressive.
Compositi e il loro significato
Tra le moderne tecnologie, i processi chimici più importanti sono le reazioni per ottenere materiali compositi. Questi includono schiume, cermet, norpapali. Come matrice per la produzione vengono utilizzati metalli e loro leghe, ceramica e plastica. Come riempitivi vengono utilizzati silicato di calcio, argilla bianca, stronzio e ferridi di bario. Tutte le sostanze di cui sopra conferiscono ai materiali compositi resistenza agli urti, al calore e all'usura.
Cos'è l'ingegneria chimica
La branca della scienza che studia i mezzi ei metodi utilizzati nelle reazioni di lavorazione delle materie prime: petrolio, gas naturale, carbone, minerali, era chiamata tecnologia chimica. In altre parole, è la scienza dei processi chimici che si verificano a seguito dell'attività umana. La sua intera base teorica è costituita da matematica, cibernetica, chimica fisica ed economia industriale. Non importa quale processo chimico sia coinvolto nella tecnologia (ottenimento di acido nitrato, decomposizione del calcare, sintesi della plastica fenolo-formaldeide) - nelle condizioni moderne è impossibile senza sistemi di controllo automatizzati che facilitino le attività umane, eliminino l'inquinamento ambientale e garantiscano tecnologia di produzione chimica continua e senza sprechi.
In questo articolo, abbiamo considerato esempi di processi chimici che si verificano sia nella fauna selvatica (fotosintesi, dissimilazione, ciclo dell'azoto) che nell'industria.
