Վայրի բնության մեջ նկատված միացությունների փոխադարձ փոխակերպումները, ինչպես նաև տեղի են ունենում մարդու գործունեության արդյունքում, կարելի է համարել քիմիական գործընթացներ։ Դրանցում պարունակվող ռեակտիվները կարող են լինել կամ երկու կամ ավելի նյութեր, որոնք գտնվում են նույն կամ ագրեգացման տարբեր վիճակներում: Կախված դրանից՝ առանձնանում են միատարր կամ տարասեռ համակարգեր։ Անցկացման պայմանները, դասընթացի առանձնահատկությունները և բնության մեջ քիմիական պրոցեսների դերը կքննարկվեն այս աշխատության մեջ:
Ինչ է նշանակում քիմիական ռեակցիա
Եթե սկզբնական նյութերի փոխազդեցության արդյունքում դրանց մոլեկուլների բաղկացուցիչ մասերը ենթարկվում են փոփոխության, իսկ ատոմների միջուկների լիցքերը մնում են նույնը, ապա խոսում են քիմիական ռեակցիաների կամ գործընթացների մասին։ Դրանց հոսքի արդյունքում գոյացած արտադրանքը մարդն օգտագործում է արդյունաբերության, գյուղատնտեսության և առօրյա կյանքում։ Հսկայական քանակությամբ փոխազդեցություններնյութերի միջև տեղի է ունենում ինչպես կենդանի, այնպես էլ անկենդան բնության մեջ: Քիմիական գործընթացները հիմնարար տարբերություն ունեն ռադիոակտիվության ֆիզիկական երևույթներից և հատկություններից։ Դրանցում ձևավորվում են նոր նյութերի մոլեկուլներ, մինչդեռ ֆիզիկական պրոցեսները չեն փոխում միացությունների բաղադրությունը, և միջուկային ռեակցիաներում առաջանում են նոր քիմիական տարրերի ատոմներ։
Քիմիայի գործընթացների իրականացման պայմանները
Դրանք կարող են տարբեր լինել և հիմնականում կախված են ռեակտիվների բնույթից, դրսից էներգիայի ներհոսքի անհրաժեշտությունից, ինչպես նաև ագրեգացման վիճակից (պինդ, լուծույթներ, գազեր), որում տեղի է ունենում գործընթացը: Երկու կամ ավելի միացությունների փոխազդեցության քիմիական մեխանիզմը կարող է իրականացվել կատալիզատորների (օրինակ՝ ազոտաթթվի արտադրություն), ջերմաստիճանի (ամոնիակի ստացում), լույսի էներգիայի (ֆոտոսինթեզ) ազդեցության տակ։ Կենդանի բնության մեջ ֆերմենտների մասնակցությամբ տարածված են սննդի և մանրէաբանական արդյունաբերության մեջ օգտագործվող խմորման քիմիական ռեակցիայի պրոցեսները (ալկոհոլ, կաթնաթթու, կարագ)։ Օրգանական սինթեզի արդյունաբերության մեջ արտադրանք ստանալու համար հիմնական պայմաններից մեկը քիմիական գործընթացի ազատ ռադիկալ մեխանիզմի առկայությունն է: Օրինակ կարող է լինել մեթանի քլորի ածանցյալների արտադրությունը (դիքլորմեթան, տրիքլորմեթան, ածխածնի տետրաքլորիդ, որոնք առաջանում են շղթայական ռեակցիաներից:
Համասեռ կատալիզ
Դրանք երկու կամ ավելի նյութերի շփման հատուկ տեսակներ են: Քիմիական գործընթացների էությունը, որոնք տեղի են ունենում միատարր փուլում (օրինակ, գազ-գազ) արագացուցիչների մասնակցությամբ.ռեակցիաներ, բաղկացած են խառնուրդների ամբողջ ծավալով ռեակցիաների անցկացումից։ Եթե կատալիզատորը ագրեգացման նույն վիճակում է, ինչ ռեակտիվները, այն սկզբնական միացությունների հետ ձևավորում է շարժական միջանկյալ բարդույթներ:
Համասեռ կատալիզը հիմնական քիմիական գործընթաց է, որն օգտագործվում է, օրինակ, նավթի վերամշակման, բենզինի, նաֆթաի, գազի նավթի և այլ վառելիքներում: Այն օգտագործում է այնպիսի տեխնոլոգիաներ, ինչպիսիք են բարեփոխումը, իզոմերացումը, կատալիտիկ ճեղքումը:
Հետերոգեն կատալիզ
Տարասեռ կատալիզի դեպքում ռեակտիվների շփումն առավել հաճախ տեղի է ունենում հենց կատալիզատորի պինդ մակերեսի վրա։ Դրա վրա ձեւավորվում են այսպես կոչված ակտիվ կենտրոններ։ Սրանք տարածքներ են, որտեղ արձագանքող միացությունների փոխազդեցությունը շատ արագ է ընթանում, այսինքն՝ ռեակցիայի արագությունը բարձր է։ Դրանք հատուկ են տեսակներին և կարևոր դեր են խաղում նաև, եթե կենդանի բջիջներում տեղի են ունենում քիմիական գործընթացներ: Հետո խոսում են նյութափոխանակության՝ նյութափոխանակության ռեակցիաների մասին։ Տարասեռ կատալիզի օրինակ է սուլֆատաթթվի արդյունաբերական արտադրությունը։ Կոնտակտային ապարատում ծծմբի երկօքսիդի և թթվածնի գազային խառնուրդը տաքացվում է և անցնում վանդակավոր դարակների միջով, որոնք լցված են վանադիումի օքսիդի կամ վանադիլսուլֆատի ցրված փոշիով VOSO4: Ստացված արտադրանքը՝ ծծմբի եռօքսիդը, այնուհետև կլանվում է խտացված ծծմբաթթվի միջոցով։ Ձևավորվում է օլեում կոչվող հեղուկ։ Այն կարելի է ջրով նոսրացնել՝ ստանալով սուլֆատաթթվի ցանկալի կոնցենտրացիան։
Ջերմաքիմիական ռեակցիաների առանձնահատկությունները
Էներգիայի արտազատումը կամ կլանումը ջերմության տեսքով մեծ գործնական նշանակություն ունի։ Բավական է հիշել վառելիքի այրման ռեակցիաները՝ բնական գազ, ածուխ, տորֆ։ Դրանք ֆիզիկական և քիմիական գործընթացներ են, որոնց կարևոր բնութագիրը այրման ջերմությունն է։ Ջերմային ռեակցիաները տարածված են ինչպես օրգանական աշխարհում, այնպես էլ անշունչ բնության մեջ։ Օրինակ, մարսողության գործընթացում սպիտակուցները, լիպիդները և ածխաջրերը քայքայվում են կենսաբանական ակտիվ նյութերի՝ ֆերմենտների ազդեցության տակ։
Ազատված էներգիան կուտակվում է ATP մոլեկուլների մակրոէերգիկ կապերի տեսքով։ Դիսիմիլացիոն ռեակցիաները ուղեկցվում են էներգիայի արտազատմամբ, որի մի մասը ցրվում է ջերմության տեսքով։ Մարսողության արդյունքում յուրաքանչյուր գրամ սպիտակուցը տալիս է 17,2 կՋ էներգիա, օսլան՝ 17,2 կՋ, ճարպը՝ 38,9 կՋ։ Քիմիական գործընթացները, որոնք էներգիա են թողնում, կոչվում են էկզոթերմիկ, իսկ այն կլանումները՝ էնդոթերմիկ: Օրգանական սինթեզի արդյունաբերության և այլ տեխնոլոգիաների մեջ հաշվարկվում են ջերմաքիմիական ռեակցիաների ջերմային ազդեցությունները։ Կարևոր է դա իմանալ, օրինակ, ռեակտորների և սինթեզի սյուների տաքացման համար օգտագործվող էներգիայի քանակի ճիշտ հաշվարկի համար, որոնցում տեղի են ունենում ռեակցիաներ, որոնք ուղեկցվում են ջերմության կլանմամբ։
Կինետիկան և դրա դերը քիմիական գործընթացների տեսության մեջ
Արդյունաբերող մասնիկների (մոլեկուլների, իոնների) արագության հաշվարկը արդյունաբերության առջեւ ծառացած ամենակարեւոր խնդիրն է։ Դրա լուծումը ապահովում է քիմիական արտադրության տեխնոլոգիական ցիկլերի տնտեսական ազդեցությունը և շահութաբերությունը: Բարձրացման համարՆման ռեակցիայի արագությունը, ինչպիսին է ամոնիակի սինթեզը, որոշիչ գործոնները կլինեն ճնշման փոփոխությունը ազոտի և ջրածնի գազային խառնուրդում մինչև 30 ՄՊա, ինչպես նաև ջերմաստիճանի կտրուկ աճի կանխումը (ջերմաստիճանը. օպտիմալ է 450-550 °C):
Սուլֆատաթթվի արտադրության մեջ օգտագործվող քիմիական գործընթացները, այն է՝ պիրիտների այրումը, ծծմբի երկօքսիդի օքսիդացումը, ծծմբի եռօքսիդի կլանումը օլեումի կողմից, իրականացվում են տարբեր պայմաններում։ Դրա համար օգտագործվում է պիրիտի վառարան և կոնտակտային սարքեր: Նրանք հաշվի են առնում ռեակտիվների կոնցենտրացիան, ջերմաստիճանը և ճնշումը: Այս բոլոր գործոնները փոխկապակցված են ռեակցիան ամենաբարձր արագությամբ իրականացնելու համար, ինչը մեծացնում է սուլֆատաթթվի ելքը մինչև 96-98%։
Նյութերի ցիկլը որպես ֆիզիկական և քիմիական գործընթացներ բնության մեջ
«Շարժումը կյանք է» հայտնի ասացվածքը կարող է կիրառվել նաև քիմիական տարրերի նկատմամբ, որոնք մտնում են տարբեր տեսակի փոխազդեցության մեջ (համակցման, փոխարինման, տարրալուծման, փոխանակման ռեակցիաներ): Քիմիական տարրերի մոլեկուլները և ատոմները մշտական շարժման մեջ են։ Ինչպես պարզել են գիտնականները, վերը նշված բոլոր տեսակի քիմիական ռեակցիաները կարող են ուղեկցվել ֆիզիկական երևույթներով՝ ջերմության արտազատում կամ դրա կլանում, լույսի ֆոտոնների արտանետում, ագրեգացիայի վիճակի փոփոխություն: Այս գործընթացները տեղի են ունենում Երկրի յուրաքանչյուր թաղանթում՝ լիտոսֆերա, հիդրոսֆերա, մթնոլորտ, կենսոլորտ: Դրանցից առավել նշանակալից են այնպիսի նյութերի ցիկլերը, ինչպիսիք են թթվածինը, ածխաթթու գազը և ազոտը: Հաջորդ վերնագրում մենք նայում ենք, թե ինչպես է ազոտը շրջանառվում մթնոլորտում, հողում ևկենդանի օրգանիզմներ.
Ազոտի և նրա միացությունների փոխակերպում
Հայտնի է, որ ազոտը սպիտակուցների անհրաժեշտ բաղադրիչն է, ինչը նշանակում է, որ այն մասնակցում է առանց բացառության երկրային կյանքի բոլոր տեսակների ձևավորմանը։ Ազոտը բույսերի և կենդանիների կողմից ներծծվում է իոնների տեսքով՝ ամոնիում, նիտրատ և նիտրիտ իոններ։ Ֆոտոսինթեզի արդյունքում բույսերը ձևավորում են ոչ միայն գլյուկոզա, այլև ամինաթթուներ, գլիցերին և ճարպաթթուներ։ Վերոհիշյալ բոլոր քիմիական միացությունները Կալվինի ցիկլում տեղի ունեցող ռեակցիաների արդյունք են: Ռուս ականավոր գիտնական Կ. Տիմիրյազևը խոսեց կանաչ բույսերի տիեզերական դերի մասին՝ ի թիվս այլ բաների, անդրադառնալով նրանց սպիտակուցներ սինթեզելու կարողությանը։
Խոտակերներն իրենց պեպտիդները ստանում են բուսական մթերքներից, մինչդեռ մսակերներն իրենց պեպտիդները ստանում են որսի մսից: Բուսական և կենդանական մնացորդների քայքայման ժամանակ հողի սապրոտրոֆ բակտերիաների ազդեցության տակ տեղի են ունենում բարդ կենսաբանական և քիմիական գործընթացներ։ Արդյունքում օրգանական միացություններից ազոտը անցնում է անօրգանական ձևի (առաջանում են ամոնիակ, ազատ ազոտ, նիտրատներ և նիտրիտներ)։ Վերադառնալով մթնոլորտ և հող՝ այս բոլոր նյութերը կրկին կլանում են բույսերը։ Ազոտը ներթափանցում է տերևների մաշկի ստոմատներով, և ազոտային և ազոտային թթուների լուծույթները և դրանց աղերը ներծծվում են բույսերի արմատների արմատային մազերով: Ազոտի փոխակերպման ցիկլը փակվում է՝ նորից կրկնվելու համար: Բնության մեջ ազոտային միացությունների հետ տեղի ունեցող քիմիական գործընթացների էությունը մանրամասն ուսումնասիրվել է 20-րդ դարի սկզբին ռուս գիտնական Դ. Ն. Պրյանիշնիկովի կողմից։
Փոշի մետալուրգիա
Ժամանակակից քիմիական գործընթացները և տեխնոլոգիաները նշանակալի ներդրում ունեն յուրահատուկ ֆիզիկական և քիմիական հատկություններով նյութերի ստեղծման գործում: Սա հատկապես կարևոր է, առաջին հերթին, նավթավերամշակման գործարանների, անօրգանական թթուներ, ներկանյութեր, լաքեր և պլաստմասսա արտադրող ձեռնարկությունների գործիքների և սարքավորումների համար: Դրանց արտադրության մեջ օգտագործվում են ջերմափոխանակիչներ, կոնտակտային սարքեր, սինթեզի սյուներ, խողովակաշարեր։ Սարքավորման մակերեսը բարձր ճնշման տակ շփվում է ագրեսիվ կրիչների հետ: Ավելին, քիմիական արտադրության գրեթե բոլոր գործընթացներն իրականացվում են բարձր ջերմաստիճաններում։ Համապատասխան է ջերմային և թթվային դիմադրության բարձր ցուցանիշներով, հակակոռոզիոն հատկություններով նյութերի արտադրությունը։
Փոշու մետալուրգիան ներառում է մետաղ պարունակող փոշու արտադրություն, սինթրում և ներդնում ժամանակակից համաձուլվածքների մեջ, որոնք օգտագործվում են քիմիապես ագրեսիվ նյութերի հետ ռեակցիաներում:
Կոմպոզիտներ և դրանց նշանակությունը
Ժամանակակից տեխնոլոգիաների շարքում ամենակարևոր քիմիական գործընթացները կոմպոզիտային նյութերի ստացման ռեակցիաներն են։ Դրանք ներառում են փրփուրներ, cermets, norpapalsts: Որպես արտադրության մատրիցա՝ օգտագործվում են մետաղներ և դրանց համաձուլվածքներ, կերամիկա և պլաստմասսա։ Որպես լցանյութ օգտագործվում են կալցիումի սիլիկատ, սպիտակ կավ, ստրոնցիում և բարիումի ֆերիդներ։ Վերոհիշյալ բոլոր նյութերը տալիս են կոմպոզիտային նյութերի ազդեցության դիմադրություն, ջերմային և մաշվածության դիմադրություն:
Ի՞նչ է քիմիական ճարտարագիտությունը
Գիտության այն ճյուղը, որն ուսումնասիրում է հումքի՝ նավթի, բնական գազի, ածուխի, օգտակար հանածոների մշակման ռեակցիաներում կիրառվող միջոցներն ու մեթոդները, կոչվում էր քիմիական տեխնոլոգիա։ Այլ կերպ ասած, դա գիտություն է մարդու գործունեության արդյունքում առաջացող քիմիական գործընթացների մասին։ Նրա ամբողջ տեսական բազան կազմված է մաթեմատիկայից, կիբեռնետիկայից, ֆիզիկական քիմիայից և արդյունաբերական տնտեսագիտությունից։ Կարևոր չէ, թե ինչ քիմիական գործընթաց է ներգրավված տեխնոլոգիայի մեջ (նիտրատաթթվի ստացում, կրաքարի տարրալուծում, ֆենոլ-ֆորմալդեհիդային պլաստմասսաների սինթեզ), ժամանակակից պայմաններում անհնար է առանց ավտոմատացված կառավարման համակարգերի, որոնք հեշտացնում են մարդու գործունեությունը, վերացնում շրջակա միջավայրի աղտոտումը և ապահովում: շարունակական և առանց թափոնների քիմիական արտադրության տեխնոլոգիա։
Այս հոդվածում մենք դիտարկել ենք քիմիական գործընթացների օրինակներ, որոնք տեղի են ունենում ինչպես վայրի բնության մեջ (ֆոտոսինթեզ, դիսիմիլացիա, ազոտի ցիկլ), այնպես էլ արդյունաբերության մեջ:
