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.
NaOH (р.) + HCl (р.) → NaCl (р.) + H 2 O
- Гетерогенные гетерофазные реакции
CaCO 3 (т.) + 2HCl (р.) → CaCl 2 (р.) + CO 2 (г.) + H 2 O(ж.)
- Гетерогенные гомофазные реакции
NH 3 (г.) + HCl (г.) → NH 4 Cl (т.)
- Гомогенные гетерофазные реакции
По изменению степеней окисления реагентов
В данном случае различают
- Окислительно-восстановительные реакции,
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,
- эндотермические реакции,
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.
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.
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.
Химические процессы лежат в основе химической технологии, которая представляет собой науку о наиболее экономичных методах и средствах массовой химической переработки природного и сельскохозяйственного сырья в продукты потребления и продукты, применяемые в других отраслях материального производства.
Все, что связано с расходованием материальных ресурсов в народном хозяйстве, на три четверти зависит от использования химических знаний и применения химической технологии, «химических навыков». Более гого, современная химическая технология, используя достижения других естественных наук - прикладной механики, материаловедения и кибернетики, изучает и разрабатывает совокупность физических и химических процессов, машин и аппаратов, оптимальные пути осуществления данных процессов и управления ими во многих отраслях промышленно1 о производства различных веществ, продуктов, материалов и изделий. Химическая технология является научной основой нефтехимической, коксохимической, целлю-лозно-бумаяшой, пищевой, микробиологической промышленности, промышленности строительных материалов, черной и цветной металлургии и других отраслей.
В последние десятилетия химико-технологические процессы используются практически во всех отраслях промышленного производства.
Химико-технологический процесс (XTII) можно разделить на три взаимосвязанные стадии:
Подвод реагирующих веществ в зону реакции;
Собственно химические реакции;
Отвод полученных продуктов из зоны реакции.
Подвод реагирующих веществ может осуществляться абсорбцией, адсорбцией или десорбцией газов, конденсацией паров, плавлением твердых компонентов или растворением их в жидкости, испарением жидкостей или возгонкой твердых веществ (см. подпара1рафы 4.2.3, 4.2.4).
Химические реакции как второй этап ХТП обычно протекают в несколько последовательных или параллельных стадий, приводящих к получению основного продукта, а также ряда побочных продуктов (отходов), образующихся при взаимодействии примесей с основными исходными веществами. При анализе же производственных процессов часто учитывают не все реакции, а лишь те из них, которые имеют определяющее влияние на качество и количество получаемых целевых продуктов.
Отвод полученных продуктов из зоны реакции может совершаться аналогично подводу, в том числе посредством диффузии, конвекции и перехода вещества из одной фазы (газовой, твердой, жидкой) в другую. При этом общая скорость технологического процесса определяется скоростью одного из трех составляющих элементарных процессов, протекающего медленнее других.
Различают следующие разновидности химико-технологических процессов:
Гомогенные и гетерогенные (могут быть экзотермическими и эндотермическими, обратимыми и необратимыми);
Электрохимические;
Каталитические.
Гомогенными процессами называют такие, в которых все реагирующие вещества находятся в одной какой-нибудь фазе: газовой (г), твердой (т), жидкой (ж). В этих процессах реакция обычно протекает быстрее, чем в гетерогенных. В целом механизм всего технологического процесса в гомогенных системах проще, как и управление процессом. По этой причине на практике часто стремятся к проведению именно гомогенных процессов, т.е. переводят реагирующие компоненты в какую-либо одну фазу.
В гетерогенных процессах участвуют вещества, находящиеся в разных состояниях (фазах), т.е. в двух или трех фазах. Примерами двухфазовых систем могут быть: г - (несмешивающиеся); г - т;ж - т;т - т (разновидные). В производственной практике чаще всего встречаются системы г - ж, г - т, ж - т. Нередко процессы протекают в сложных гетерогенных системах (г - ж - т, г - т - т, ж - т - т).
К гетерогенным процессам относятся горение (окисление) твердых веществ и жидкостей, растворение металлов в кислотах и щелочах и др.
Все химические процессы протекают либо с выделением, либо с поглощением теплоты: первые называются экзотермическими, вторые - эндотермическими. Количество выделяе-
мой или поглощаемой при этом теплоты называют тепловым эффектом процесса (теплоты процесса).
Теоретически все химические реакции, осуществляемые в ХТП, обратимы. В зависимости от условий они могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях. Во многих случаях равновесие в реакциях полностью смещается в сторону продуктов реакции, а обратная реакция, как правило, не протекает. По этой причине технологические процессы делятся на обратимые и необратимые. Последние протекают лишь в одном направлении.
Электрохимические процессы относятся к такой науке, как электрохимия, которая рассматривает и изучает процессы превращения химической энергии в электрическую и наоборот. Поскольку электрический ток - это перемещение электрических зарядов, в частности электронов, то основное внимание электрохимия сосредотачивает на реакциях, в которых электроны переходят от одного вещества к другому. Такие реакции в химии называются окислительно-восстановительными.
Примерами осуществления перехода химической энергии в электрическую могут служить гальванические элементы, предназначенные для однократного электрического разряда: непрерывного или прерывистого. После разряда они теряют работоспособность. Разновидностью гальванических элементов являются аккумуляторные батареи, например, свинцовый аккумулятор. В отличие от гальванических элементов, работоспособность аккумулятора после разряда можно восстановить путем пропускания через него постоянного тока от внешнего источника.
Процессы перехода электрической энергии в химическую называются электролизом. Согласно ионной теории электролиза, прохождение постоянного электрического тока через электролит осуществляется с помощью ионов. На электродах, подводящих электроток, происходит перенос электронов к ионам либо от них. При этом в электрическом поле положительно заряженные ионы (катионы) движутся к катоду, отрицательно заряженные (анионы) - к аноду. На катоде происходит восстановление, на аноде - окисление ионов или молекул, входящих в состав электрона.
Электролиз нашел широкое применение в следующих основных промышленных процессах: извлечение металлов (алюминия, цинка, частично меди); очистка (рафинирование) металлов (меди, цинка и др.); нанесение гальванических покрытий; анодирование (оксидирование) поверхностей.
Нанесение гальванических покрытий (электроосаждение) осуществляется на катоде. Катод в этом случае погружается в
электролит, содержащий ионы электроосаждаемого металла. В качестве же анода используется электрод из того металла, которым наносят покрытие.
Метод электроосаждения включает гальваностегию - нанесение покрытия толщиной 5-50 мм и гальванопластику - получение сравнительно толстых, но легко отделяющихся слоев.
Гальваностегию используют для защиты изделий от коррозии, повышения их износостойкости, придания им способности отражать свет, электропроводности, термостойкости, антифрик-ционности и других свойств, а также для декоративной отделки.
Гальванопластика позволяет получать копии, воспросизво-дящие мельчайшие подробности рисунка или рельефа поверхности.
Анодирование, или анодное оксидирование - это образование на поверхности металла слоя его оксида при электролизе. Этому процессу обычно подвергают сплавы на основе легких металлов. Образующиеся слои оксидов могут быть тонкими, или барьерными (менее 1 мкм), и толстыми - фазовыми, или эмалеподобными (десятки и сотни мкм). Структуры и химический состав оксидов зависят от природы металла, электролита и условий процесса. При этом на одном и том же металле можно получать фазовые оксиды с разной структурой, а следовательно, и с различными свойствами (твердостью, окраской, электрической проводимостью и т.д.). Тонкие слои используют в основном в радиоэлектронике. Фазовые слои защищают металл от коррозии, обеспечивают износостойкость изделий, образуют прозрачные или цветные декоративные покрытия.
Каталитические процессы, называемые катализом, осуществляются с целью изменения скорости химических реакций.
Различают положительный и отрицательный катализ, в зависимости от того, ускоряет катализатор реакцию или замедляет ее. Как правило, термин «катализ* определяется как ускорение реакции, в то время как вещества, ее замедляющие, называются ингибиторами.
Важными компонентами промышленных катализаторов являются промоторы - вещества, добавление которых к катализатору в малых количествах (обычно долях процента) увеличивает его активность, селективность или устойчивость.
Вещества, действие которых на катализатор приводит к снижению его активности или полному прекращению каталитического действия, называются каталитическими ядами.
В качестве катализаторов в промышленности чаще всего применяют платину, железо, никель, кобальт и их оксиды, оксид ванадия (V), алюмосиликаты, некоторые минеральные кис-
лоты и соли; катализаторы используются как в окислительно-восстановительных, так и кислотно-основных реакциях.
Каталитические процессы, вызванные переносом электронов, относятся к окислительно-восстановительному катализу. Он применяется в производстве аммиака, азотной кислоты, серной кислоты и др.
К кислотно-основному катализу относятся каталитический крекинг, гидратация, дегидрация, многие реакции изомеризации, конденсации органических веществ.
В промышленности встречается и так называемый полифункциональный катализ, в котором имеет место совмещение рассмотренных выше двух важнейших видов катализа.
