Жануарлар әлемінде байқалатын, сондай-ақ адам әрекетінің нәтижесінде пайда болатын қосылыстардың өзара өзгеруін химиялық процестерге жатқызуға болады. Олардағы реактивтер бірдей немесе әртүрлі агрегаттық күйдегі екі немесе одан да көп заттар болуы мүмкін. Осыған байланысты біртекті немесе гетерогенді жүйелер бөлінеді. Өткізу шарттары, курс ерекшеліктері және химиялық процестердің табиғаттағы рөлі осы жұмыста қарастырылады.
Химиялық реакция деген нені білдіреді
Егер бастапқы заттардың өзара әрекеттесуі нәтижесінде олардың молекулаларының құрамдас бөліктері өзгеріске ұшырап, атомдар ядроларының зарядтары өзгеріссіз қалса, олар химиялық реакциялар немесе процестер туралы айтады. Олардың ағыны нәтижесінде пайда болған өнімдерді адам өнеркәсіпте, ауыл шаруашылығында және күнделікті өмірде пайдаланады. Өзара әрекеттесулердің үлкен санысубстанциялар арасында тірі және жансыз табиғатта болады. Химиялық процестердің радиоактивтіліктің физикалық құбылыстары мен қасиеттерінен түбегейлі айырмашылығы бар. Оларда жаңа заттардың молекулалары түзіледі, ал физикалық процестер қосылыстардың құрамын өзгертпейді, ал ядролық реакцияларда жаңа химиялық элементтердің атомдары пайда болады.
Химиядағы процестерді жүзеге асыру шарттары
Олар әртүрлі болуы мүмкін және ең алдымен реагенттердің табиғатына, сырттан келетін энергия ағынының қажеттілігіне, сондай-ақ процесс жүретін агрегаттық күйге (қатты заттар, ерітінділер, газдар) байланысты. Екі немесе одан да көп қосылыстардың өзара әрекеттесуінің химиялық механизмі катализаторлар (мысалы, азот қышқылын алу), температура (аммиак алу), жарық энергиясы (фотосинтез) әсерінен жүзеге асуы мүмкін. Ферменттердің қатысуымен тірі табиғатта тамақ және микробиологиялық өнеркәсіпте қолданылатын ашытудың химиялық реакциясы (спирт, сүт қышқылы, май) процестері кеңінен таралған. Органикалық синтез өнеркәсібінде өнім алу үшін химиялық процестің бос радикалды механизмінің болуы негізгі шарттардың бірі болып табылады. Мысал ретінде метанның хлор туындыларын (тізбекті реакциялар нәтижесінде пайда болатын дихлорметан, трихлорметан, төрт хлорлы көміртек) өндіруді келтіруге болады.
Біртекті катализ
Бұл екі немесе одан да көп заттар арасындағы жанасудың ерекше түрлері. Үдеткіштердің қатысуымен біртекті фазада (мысалы, газ – газ) өтетін химиялық процестердің мәніреакциялар, қоспалардың барлық көлемінде реакцияларды жүргізуден тұрады. Егер катализатор әрекеттесуші заттар сияқты агрегаттық күйде болса, ол бастапқы қосылыстармен жылжымалы аралық кешендер түзеді.
Гомогенді катализ – бұл, мысалы, мұнай өңдеуде, бензинде, нафтада, газойлда және басқа отындарда қолданылатын негізгі химиялық процесс. Ол риформинг, изомерлеу, каталитикалық крекинг сияқты технологияларды пайдаланады.
Гетерогенді катализ
Гетерогенді катализ кезінде әрекеттесуші заттардың жанасуы көбінесе катализатордың өзінің қатты бетінде болады. Онда белсенді деп аталатын орталықтар қалыптасады. Бұл әрекеттесуші қосылыстардың әрекеттесуі өте жылдам жүретін аймақтар, яғни реакция жылдамдығы жоғары. Олар түрлерге тән және тірі жасушаларда химиялық процестер жүретін болса да маңызды рөл атқарады. Содан кейін олар зат алмасу - метаболикалық реакциялар туралы айтады. Гетерогенді катализге мысал ретінде сульфат қышқылының өнеркәсіптік өндірісін келтіруге болады. Байланыс аппаратында күкірт диоксиді мен оттегінің газ тәрізді қоспасы қыздырылады және ванадий оксидінің немесе ванадилсульфатының VOSO4 дисперсті ұнтағымен толтырылған торлы сөрелерден өткізіледі. Алынған өнім, күкірт триоксиді, содан кейін концентрлі күкірт қышқылымен сіңеді. Олеум деп аталатын сұйықтық түзіледі. Сульфат қышқылының қажетті концентрациясын алу үшін оны сумен сұйылтуға болады.
Термохимиялық реакциялардың ерекшеліктері
Энергияның жылу түрінде бөлінуі немесе жұтылуының практикалық маңызы зор. Отынның жану реакцияларын еске түсіру жеткілікті: табиғи газ, көмір, шымтезек. Олар физикалық және химиялық процестер, олардың маңызды сипаттамасы жану жылуы болып табылады. Жылу реакциялары органикалық дүниеде де, жансыз табиғатта да кең таралған. Мысалы, ас қорыту процесінде белоктар, липидтер және көмірсулар биологиялық белсенді заттардың – ферменттердің әсерінен ыдырайды.
Босатылған энергия АТФ молекулаларының макроэргиялық байланыстары түрінде жинақталады. Диссимиляция реакциялары энергияның бөлінуімен бірге жүреді, оның бір бөлігі жылу түрінде бөлінеді. Ас қорыту нәтижесінде ақуыздың әрбір граммы 17,2 кДж, крахмал – 17,2 кДж, май – 38,9 кДж энергия береді. Энергияны бөлетін химиялық процестерді экзотермиялық, ал оны сіңіретіндері эндотермиялық деп аталады. Органикалық синтез өнеркәсібінде және басқа технологияларда термохимиялық реакциялардың жылу эффектілері есептеледі. Мұны, мысалы, жылуды сіңірумен жүретін реакциялар жүретін реакторлар мен синтез бағандарын қыздыруға жұмсалатын энергия мөлшерін дұрыс есептеу үшін білу маңызды.
Кинетика және оның химиялық процестер теориясындағы рөлі
Әрекеттесетін бөлшектердің (молекулалар, иондар) жылдамдығын есептеу өнеркәсіптің алдында тұрған ең маңызды міндет болып табылады. Оның шешімі химиялық өндірістегі технологиялық циклдердің экономикалық тиімділігі мен рентабельділігін қамтамасыз етеді. Көбейту үшінмұндай реакцияның жылдамдығы, мысалы, аммиак синтезі, шешуші факторлар азот пен сутегінің газ қоспасындағы қысымның 30 МПа-ға дейін өзгеруі, сондай-ақ температураның күрт жоғарылауының (температураның) алдын алу болады. 450-550 °C оңтайлы.
Сульфат қышқылын өндіруде қолданылатын химиялық процестер, атап айтқанда: колчедандарды жағу, күкірт диоксидін тотықтыру, күкірт үш тотығын олеуммен сіңіру, әртүрлі жағдайларда жүргізіледі. Ол үшін пирит пеші және байланыс құрылғылары қолданылады. Олар әрекеттесуші заттардың концентрациясын, температура мен қысымды ескереді. Осы факторлардың барлығы сульфат қышқылының шығымдылығын 96-98%-ға дейін арттыратын реакцияны ең жоғары жылдамдықпен жүргізуге байланысты.
Табиғаттағы физикалық және химиялық процестер ретіндегі заттар айналымы
Әйгілі «Қозғалыс – өмір» деген сөзді әртүрлі әрекеттесу түрлеріне (қосылу, алмастыру, ыдырау, алмасу реакциялары) түсетін химиялық элементтерге де қолдануға болады. Химиялық элементтердің молекулалары мен атомдары үздіксіз қозғалыста болады. Ғалымдар анықтағандай, химиялық реакциялардың жоғарыда аталған түрлерінің барлығы физикалық құбылыстармен қатар жүруі мүмкін: жылудың бөлінуі немесе оның жұтылуы, жарық фотондарының шығарылуы, агрегация күйінің өзгеруі. Бұл процестер Жердің әрбір қабығында болады: литосферада, гидросферада, атмосферада, биосферада. Олардың ең маңыздысы - оттегі, көмірқышқыл газы және азот сияқты заттардың айналымдары. Келесі тақырыпта біз азоттың атмосферада, топырақта және қалай айналатынын қарастырамызтірі организмдер.
Азот пен оның қосылыстарының өзара айналуы
Азот белоктардың қажетті құрамдас бөлігі болып табылатыны белгілі, бұл оның жер бетіндегі тіршіліктің барлық түрлерінің түзілуіне ешбір ерекшеліксіз қатысатынын білдіреді. Азот өсімдіктер мен жануарларға иондар түрінде: аммоний, нитрат және нитрит иондары түрінде сіңіріледі. Фотосинтез нәтижесінде өсімдіктер глюкозаны ғана емес, сонымен қатар амин қышқылдарын, глицерин, май қышқылдарын түзеді. Жоғарыда аталған химиялық қосылыстардың барлығы Кальвин циклінде жүретін реакциялардың өнімдері болып табылады. Көрнекті орыс ғалымы К. Тимирязев жасыл өсімдіктердің ғарыштық рөлі туралы айтып, олардың ақуыздарды синтездеу қабілетіне сілтеме жасаған.
Шөпқоректілер пептидтерді өсімдік тағамдарынан алады, ал етқоректілер пептидтерді жыртқыш етінен алады. Сапротрофты топырақ бактерияларының әсерінен өсімдік және жануарлар қалдықтарының ыдырауы кезінде күрделі биологиялық және химиялық процестер жүреді. Нәтижесінде органикалық қосылыстардан азот бейорганикалық түрге өтеді (аммиак, бос азот, нитраттар және нитриттер түзіледі). Атмосфераға және топыраққа оралсақ, бұл заттардың барлығы өсімдіктерге қайтадан сіңеді. Жапырақ терісінің устьицалары арқылы азот енеді, ал азот және азот қышқылдарының ерітінділері және олардың тұздары өсімдік тамырларының түбір түктеріне сіңеді. Азоттың айналу циклі қайталану үшін жабылады. Табиғатта азот қосылыстарымен жүретін химиялық процестердің мәнін 20 ғасырдың басында орыс ғалымы Д. Н. Прянишников жан-жақты зерттеген.
Ұнтақты металлургия
Қазіргі заманғы химиялық процестер мен технологиялар бірегей физикалық және химиялық қасиеттері бар материалдарды жасауға үлкен үлес қосады. Бұл, ең алдымен, мұнай өңдеу зауыттарының, бейорганикалық қышқылдар, бояғыштар, лактар, пластмассалар өндіретін кәсіпорындардың аспаптары мен жабдықтары үшін өте маңызды. Олардың өндірісінде жылу алмастырғыштар, контактілі құрылғылар, синтез колонналары, құбырлар қолданылады. Жабдықтың беті жоғары қысымда агрессивті ортамен байланыста болады. Оның үстіне барлық дерлік химиялық өндіріс процестері жоғары температурада жүргізіледі. Термиялық және қышқылға төзімділігі жоғары, коррозияға қарсы қасиеттері бар материалдарды өндіру өзекті болып табылады.
Ұнтақ металлургиясы құрамында металы бар ұнтақтарды өндіруді, агломерациялауды және химиялық агрессивті заттармен реакцияларда қолданылатын заманауи қорытпаларға қосуды қамтиды.
Композиттер және олардың мағынасы
Қазіргі заманғы технологиялардың ішінде ең маңызды химиялық процестер композициялық материалдарды алу реакциялары болып табылады. Оларға көбік, кермет, норпапалст жатады. Өндіріс үшін матрица ретінде металдар және олардың қорытпалары, керамика және пластмассалар қолданылады. Толтырғыш ретінде кальций силикаты, ақ саз, стронций және барий ферридтері қолданылады. Жоғарыда аталған заттардың барлығы композициялық материалдарға соққыға, ыстыққа және тозуға төзімділік береді.
Химиялық инженерия дегеніміз не
Шикізат: мұнай, табиғи газ, көмір, пайдалы қазбаларды өңдеу реакцияларында қолданылатын құралдар мен әдістерді зерттейтін ғылым саласы химиялық технология деп аталды. Басқаша айтқанда, бұл адам әрекетінің нәтижесінде болатын химиялық процестер туралы ғылым. Оның бүкіл теориялық негізін математика, кибернетика, физикалық химия және өнеркәсіптік экономика құрайды. Технологияға қандай химиялық процесс қатысатыны маңызды емес (нитрат қышқылын алу, әктастың ыдырауы, фенолформальдегидті пластмассалардың синтезі) – қазіргі жағдайда адамның іс-әрекетін жеңілдететін, қоршаған ортаның ластануын жоятын, қоршаған ортаның ластануын жоюды қамтамасыз ететін автоматтандырылған басқару жүйелерінсіз мүмкін емес. үздіксіз және қалдықсыз химиялық өндіріс технологиясы.
Бұл мақалада біз жабайы табиғатта (фотосинтез, диссимиляция, азот айналымы) және өнеркәсіпте болатын химиялық процестердің мысалдарын қарастырдық.
