Академия занимательных наук. Химия

О значительнейших вещах не будем судить слишком быстро.

Гераклит

Химический процесс (от лат. processus - продвижение) представляет собой последовательную смену состояний вещества, тесную связь следующих друг за другом стадий развития, представляющую непрерывное, единое движение. Учение о химических процессах - это область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. Химические процессы подразделяются на: гомо- и гетерогенные (в зависимости от агрегатного состояния реагирующих систем), экзо- и эндотермические (в зависимости от количества выделяющейся и поглощаемой теплоты), окислительные, восстановительные (в зависимости от отношения к кислороду) и др.

Все процессы, которые протекают вокруг нас, можно объединить в три большие группы.

1. Самопроизвольные процессы, которые можно использо
вать для получения энергии или совершения работы. Условиями
протекания самопроизвольных процессов или законами термо
динамики, характеризуемыми их, являются: а) в изолированной
системе, т. е. в системе, для которой исключен любой материаль
ный или энергетический обмен с окружающей средой, сумма
всех видов энергии есть величина постоянная; б) изменение
энтальпии (тепловой эффект процесса, АН) зависит только от
вида и состояния исходных веществ и продуктов и не зависит
от пути перехода. Он носит название закона Гесса и сформули
рован им в 1840 г.

2. Процессы, для осуществления которых требуется затрата
энергии или совершение работы.

3. Самоорганизация химической системы, т. е. самопроиз
вольный процесс, проходящий без изменения энергетического
запаса системы, совершается только в направлении, при котором

порядок в системе увеличивается, т. е. где энтропия уменьшается.

Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. Процесс превращения одних веществ в другие называется химической реакцией. К условиям протекания химических процессов относятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. На скорость химической реакции также влияют следующие условия и параметры:

1) природа реагирующих веществ (например, щелочные металлы растворяются в воде с образованием щелочей и выделением водорода и реакция протекает при обычных условиях моментально, а цинк, железо и другие реагируют медленно и с образованием оксидов, а благородные металлы не реагируют вообще);

2) температура. При повышении температуры на каждые 10 °С скорость реакции увеличивается в 2-4 раза (правило Вант-Гоффа). Со многими веществами кислород начинает реагировать с заметной скоростью уже при обыкновенной температуре (медленное окисление). При повышении температуры начинается бурная реакция (горение);

3) концентрация. Для веществ в растворенном состоянии и газов скорость химических реакций зависит от концентрации реагирующих веществ. Горение веществ в чистом кислороде происходит интенсивнее, чем в воздухе, где концентрация кислорода почти в 5 раз меньше. Здесь справедлив закон действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ;

4) площадь поверхности реагирования. Для веществ в твердом состоянии скорость прямо пропорциональна поверхности реагирующих веществ. Железо и сера в твердом состоянии реагируют достаточно быстро лишь при предварительном измельчении и перемешивании: горение хвороста и полена;

5) катализатор. Скорость реакции зависит от катализаторов, веществ которые ускоряют химические реакции, но сами при этом не расходуются. Разложение бертолетовой соли и пероксида водорода ускоряется в присутствии оксида марганца (IV) и др.

Для вступления в химическую реакцию необходимо преодолеть некоторый энергетический барьер, соответствующий энергии активации, возможность накопления которой сильно зависит от температуры. Многие реакции долгое время не могут закончиться. В таком случае говорят, что реакция достигла химического равновесия. Химическая система находится в состоянии равновесия, если выполняются следующие три условия:

1) в системе не происходит энергетических изменений ( Н = 0);

2) не происходит изменений степени беспорядка (, S = 0);

3) не изменяется изобарный потенциал ( J = 0).

Вант-Тофф, используя термодинамический подход, классифицировал химические реакции, а также сформулировал основные положения химической кинетики. Химическая кинетика изучает скорости протекания химических реакций. Ле Шателье сформулировал закон смещения химического равновесия в химических реакциях под влиянием внешних факторов - температуры, давления и др. Согласно принципу Ле Шателье, если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказывается внешнее воздействие (изменяется температура, давление или концентрация), то положение равновесия химической реакции смещается в ту сторону, которая ослабляет данное воздействие.

Химические реакции классифицируют по изменению качества исходных веществ и продуктов реакции на следующие виды:

реакции соединения - реакции, при которых из нескольких веществ образуется одно вещество, более сложное, чем исходные;

реакции разложения - реакции, при которых из одного сложного вещества образуется несколько веществ;

реакции замещения - реакции, при которых атомы одного элемента замещают атом другого элемента в сложном веществе и при этом образуются два новых - простое и сложное;

реакции обмена - реакции, при которых реагирующие вещества обмениваются своими составными частями, в результате

чего из двух сложных веществ образуются два новых сложных вещества.

По тепловому эффекту химические реакции можно подразделить на экзотермические - с выделением теплоты и эндотермические - с поглощением теплоты. С учетом явления катализа реакции могут быть каталитические - с применением катализаторов и некаталитические - без применения катализаторов. По признаку обратимости реакции делят на обратимые и необратимые.

В. Оствальд, исследуя условия химического равновесия, пришел к открытию явления катализа. Оказалось, что в большой степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий. Явление катализа - селективного ускорения химических процессов в присутствии веществ (катализаторов), которые принимают участие в промежуточных процессах, но регенерируются в конце реакции, широко используется в промышленности, например фиксация азота и водорода, контактный способ производства серной кислоты и многие другие. Впервые синтез аммиака был осуществлен в 1918 г. на основе работ Габера, К. Боша и А. Митташа с помощью катализатора, представляющего собой металлическое железо с добавками окисей калия и алюминия, при температуре 450-550 °Си давлении 300-1000 атмосфер. В настоящее время большое внимание уделяют применению металлоорганических и металлокомплексных катализаторов, отличающихся высокими селективностью и избирательностью действия. Тот же самый процесс синтеза аммиака при использовании металлоорганического катализатора удалось осуществить при обычной температуре (18 °С) и нормальном атмосферном давлении, что открывает большие перспективы в производстве минеральных азотных удобрений. Особенно велика роль катализа в органическом синтезе. Крупнейшим успехом в этом направлении надо признать получение искусственного синтетического каучука из этилового спирта, осуществленное советским академиком С. В. Лебедевым в 20-х годах XX века.

Ферменты, или биокатализаторы, играют исключительную роль в биологических процессах и технологии веществ растительного и животного происхождения, а также в медицине. В настоящее время известно свыше 750 ферментов, и их число ежегодно увеличивается. Ферменты являются бифункциональными и полифункциональными катализаторами, так как здесь имеет место согласованное воздействие двух или нескольких групп катализаторов различной природы в составе активного центра фермента на поляризацию определенных связей субстрата. Эта же концепция лежит в основе каталитического действия фермента и теории кинетики действия ферментов. Главное отличие ферментов от других катализаторов заключается в исключительно высокой активности и ярко выраженной специфичности.

Самоорганизация химических систем в биологические, их единство и взаимосвязь подтверждает синтез органических соединений из неорганических. В 1824 г. немецкий химик Ф. Велер, ученик Берцелиуса, впервые получил из неорганического дициана N-C-C-N при нагревании его с водой щавелевую кислоту НООС-СООН - органическое соединение. Также было получено новое органическое вещество - мочевина (карбамид) из цианистого аммония. В 1854 г. во Франции М. Бертло синтетическим путем получил жир. Наибольшим успехом химии 50-60-х гг. XX в. явился первый синтез простых белков - гормона инсулина и фермента рибонуклерозы.

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.

Выпуск 6

Химические и физические процессы

В химической лаборатории Академии занимательных наук юных телезрителей приветствует профессор Дмитрий Иванович. Пришла пора разобраться, чем отличаются химические и физические процессы.

В ходе химических процессов создаются вещества, которых ранее не было. Эти вещества получаются из каких-то исходных веществ и отличаются от них своими свойствами. В этом смысле химические и физические процессы совершенно различны. Ведь при физических процессах новых веществ не получается. Просто вещества меняют свою массу, агрегатное состояние, объём и т.д. Само вещество остаётся тем же самым, что и было. Примерами физических процессов являются растворение и кристаллизация, замерзание и испарение воды. При всех этих явлениях, вещество лишь изменяет свою форму, оставаясь тем же самым. Например, горение это химический процесс, потому что при горении (в процессе окисления), например, газа метана, возникают новые вещества — оксид углерода и водяной пар. Химические реакции, часто сопровождаются поглощением или выделением теплоты, изменением окраски веществ.

Далее в передаче профессор расскажет об удивительном приборе - штормглассе. С помощью этого прибора можно предсказывать изменения погоды. Дмитрий Иванович не только расскажет о нём, но и покажет, каким образом можно изготовить штормгласс. В завершение передачи Дмитрий Иванович раскроет секрет изготовления теннисных мячиков. Оказывается, в этом деле не обойтись без химии.

Такие производственные процессы, при осуществлении которых изменяют химический состав перерабатываемого продукта с целью получения вещества с другими химическими свойствами. Изменение химического состава продукта происходит при проведении одной или нескольких химических реакций.

Химические процессы лежат в основе производства многих неорганических и органических соединений, занимают основное место в производстве черных, цветных и редких металлов, стекла, цемента и других силикатных материалов, целлюлозы, бумаги и пластмасс.

Химические процессы проходят ряд взаимосвязанных стадий:

• 1. подвод реагирующих компонентов в зону реакции;
• 2. химическое взаимодействие компонентов;
• 3. разделение продуктов реакции и выделение целевого продукта из смеси.

На стадии подвода реагентов в зону реакции исходные вещества приводятся в соприкосновение друг с другом. Контактирование молекул достигается диффузией молекул одного вещества в другое либо конвективным переносом массы.

В результате химического превращения, или взаимодействия, образуется основной, или целевой, продукт и иногда ряд побочных продуктов. Стадия выделения целевого продукта осуществляется с применением процессов отстаивания, выпаривания, ректификации, абсорбции, кристаллизации и др.

При необходимости в технологический процесс входит стадия подготовки сырья, включающая следующие операции: измельчение, концентрирование, сушку, очистку газа от пыли и др.

Химические превращения веществ в технологическом процессе осуществляются в специальных аппаратах, называемых реакторами. В этих аппаратах химические реакции сочетаются с массопереносом (диффузией). Например, в печном отделении сернокислотного цеха реактором является печь обжига серы или колчедана; в контактном отделении - контактный аппарат и т.д.

Протекание химических реакций, в результате которых получается целевой продукт, происходит при определенных параметрах процесса: температуре, давлении, активности катализатора, концентрации взаимодействующих веществ, интенсивности перемешивания.

Классификация химических процессов

До настоящего времени нет еще какой-либо вполне установившейся классификации процессов химической технологии. Практически целесообразно объединять их в зависимости от основных закономерностей, характеризующих протекание процессов, в следующие группы:

• 1. гидродинамические процессы;
• 2. тепловые процессы;
• 3. диффузионные процессы;
• 4. холодильные процессы;
• 5. механические процессы, связанные с обработкой твердых тел;
• 6. химические процессы, связанные с химическими превращениями обрабатываемых материалов.

Также разделяется на:

• 1. крекинг
• 2. риформинг
• 3. гидроочистка

Крекинг - стадия процесса очистки нефти, на которой продукты первой дистилляции обрабатываются с целью расщепления больших молекул

углеводородов на меньшие молекулы посредством регулируемого

нагрева, с присутствием катализаторови часто под давлением.

При крекинге нефти получают тяжелые масла, бензин и газы, такие как ЭТАН, ЭТЕН (этилен) и ПРОПЕН (пропилен), которые используются при производстве пластмасс, тканей, моющих средств и сельскохозяйственных химикатов. Таким образом, крекинг - это способ получения больших количеств легких углеводородов, на которые имеется большой спрос, из более тяжелых фракций, которые сами по себе используются как смазочные масла.

Риформинг - переработка бензиновых и лигроиновых фракций нефти для получения автомобильных бензинов, ароматических углеводородов (бензола и его гомологов) и водородсодержащего газа. Различают риформинг термический и под давлением в присутствии катализатора.

Термический риформинг широко применяли ранее только для производства высокооктановых бензинов. Основанный на реакции: дегидрогенизация и дегидроизомеризация нафтеновых углеводородов, деалкилирование и конденсация ароматических углеводородов. Переработку бензино-лигроиновых фракций проводили в трубчатых печах при 530-560°С.

Недостаток процесса-невысокие выходы целевого продукта вследствие больших потерь сырья в виде газа и кокса, а также сравнительно высокое содержание непредельных углеводородов в бензине, что снижает его стабильность и приемистость к тетраэтилу и свинцу.

Гидроочистка - представляет собой процесс химического превращения каких-либо веществ под влиянием на них при высокой температуре и давление водородом.

Гидроочистка фракций нефти необходима для уменьшения в товарных нефтепродуктах содержания соединений, которые включают в себя серу. Параллельно этому происходит уменьшение смол и соединений, содержащих кислород, насыщение непредельных углеводородов и гидрокрекинг молекул углеводорода. Гидроочистка - это самый частый процесс переработки нефти и через неё проходят следующие её фракции: бензиновые, керосиновые, фракции масел, а также дизельное топливо и вакуумный газойль.

Гидроочистка прямогонных бензиновых фракций необходима для получения уже гидроочищенных бензиновых фракций. Гидроочищенные бензиновые фракции являются сырьем для каталитической ароматизации. Она происходит за счет реакции гидрогенолиза и деструкции молекул в водородосодержащем газа. На выходе органические соединения азота, кислорода, серы, хлора и металлов, которые содержаться в сырье становятся аммиаком, водой, сероводородом, хлороводородом и соответствующими углеводородами. Этот процесс происходит при давлении от 1 до 3 МПа и температуре от 370 до 380 градусов по Цельсию. В качестве катализатора используется кобальт-молибденовый.

Процесс гидроочистки бензина каталитического крекинга идет на уменьшение в товарных бензинах диеновых углеводородов и серы.

Гидроочистка керосиновых фракций необходима на уменьшение в реактивном топливе количества смол и серы, которые приводят к коррозии в летательных машинах топливной конструкции и закоксовывают форсунки в двигателе. Этот процесс осуществляют при давлении от 1,5 до 2,2 МПа и температуре порядка 300- 400 градусов по Цельсию. Катализатор в данном случае тот же, что и при гидроочистке прямогонных бензиновых фракций. Гидроочистка дизельного топлива необходима для уменьшения полиароматических углеводородов и серы. Сера при горении выделяет сернистый газ. С водой он образует сернистую кислоту, которая является основной причиной кислотных дождей. Полиароматические углеводороды понижают октановое число. Процесс гидроочистки происходит при давлении от 1,8 до 2 МПа и температуре от 350 до 420 градусов, с никелем-молибденовым в качестве катализатора.

Гидроочистка вакуумного газойля нужна также как и при очистке дизельного топлива для уменьшения количества серы и полиароматики. Полученный газойль идет в качестве сырья для каталитического крекинга. Сера в данном случае отравляет катализатор крекинга и неблагоприятно влияет на качество бензина каталитического крекинга. Гидроочистка вакуумного газойля осуществляется при давлении 8-9 МПа и температуре от 370 до 410 градусов, с катализатором в виде никель-молибденовый. Гидроочистка нефтяных масел нужна для их осветления, повышения химической стойкости, экологичности, антикоррозийности, и проходит таким же образом, как и гидроочистка вакуумных газойлей.

Процессы подразделяются также на:

• 1. периодические,
• 2. непрерывные,
• 3. комбинированные.

Периодический процесс характеризуется единством места протекания отдельных его стадий и неустановившимся состоянием во времени. Периодические процессы осуществляют в аппаратах периодического действия, из которых конечный продукт выгружается полностью или частично через определенные промежутки времени. После разгрузки аппарата в него загружают новую порцию исходных материалов, и производственный цикл повторяется снова. Вследствие неустановившегося состояния при периодическом процессе в любой точке массы обрабатываемого материала или в любом сечении аппарата отдельные физические величины или параметры (например, температура, давление, концентрация, теплоемкость, скорость и Др.), характеризующие процесс и состояние веществ, подвергающихся обработке, меняются во время протекания процесса.

Непрерывный процесс характеризуется единством времени протекания всех его стадий, установившимся состоянием и непрерывным отбором конечного продукта. Непрерывные процессы осуществляют в аппаратах непрерывного действия. Вследствие установившегося состояния в любой точке массы обрабатываемого материала или в любом сечении непрерывно действующего аппарата физические величины или параметры в течение всего времени протекания процесса остаются практически неизменными.

Комбинированный процесс представляет собой либо непрерывный процесс, отдельные стадии которого проводятся периодически, либо такой периодический процесс, одна или несколько стадий, которого проводятся непрерывно. Непрерывные процессы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с периодическими и комбинированными. К таким преимуществам в первую очередь относятся:

• 1. возможность осуществления полной механизации и автоматизации, что позволяет сократить до минимума применение ручного труда;
• 2. однородность получаемых продуктов и возможность повышения их качества;
• 3. компактность оборудования, необходимого для осуществления процесса, что позволяет сократить как капитальные затраты, так и расходы на ремонт.

Поэтому в настоящее время во всех отраслях техники стремятся перейти от периодических к непрерывным производственным процессам.

Классификация химических процессов помогает выделить такие характеристики составляющих процесса, комбинация которых определяет те или иные свойства химического процесса в целом, его закономерности и особенности.

Поскольку химический процесс - это система взаимосвязанных явлений, то классификацию проводят по различным признакам.

В изучении этих химических процессов или иными словами, в развитии химической технологии отдельных веществ и продуктов, например, синтетического аммиака, каучуков, пластических масс, черных, цветных и редких металлов, стекла, цемента и т.п., достигнуты огромные успехи. Эти успехи обусловили технический прогресс соответствующих отраслей промышленности. Однако научная классификация химических процессов продолжает оставаться одной из важных задач химической технологии как науки. По аналогии с классификацией физических и физикохимических процессов химической технологии делаются попытки классифицировать промышленные химические реакции по основным химическим процессам. Так, предлагалась следующая классификация химических процессов обменное разложение и солеобразование (минеральные удобрения и соли), окисление (серная кислота, азотная кислота, органические кислородные соединения и др.), гидрирование (аммиак, метанол и другие спирты, аминосоединения ароматического ряда, получаемые гидрированием нитросоединений, и т.п.), аминирование (мочевина, аминосоединения жирного и ароматического рядов), хлорирование (химические средства защиты растений), нитрование (взрывчатые вещества), сульфирование (синтетические моющие вещества), электрохимические процессы (электролиз водных растворов, электролиз в расплавленных средах, электрохимическое окисление и восстановление), процессы высокотемпературного и каталитического крекинга и пиролиза жидкостей и газов (нефтепереработка, получение олефинов из природных газов и др.), процессы полимеризации и поликонденсации (получение пластических масс, синтетических каучуков, химических волокон), процессы высокотемпературной переработки твердых тел (коксование углей, производство карбида кальция, стекла, цемента, сернистого натрия), алкилирование и арилирование и т.д.

Несмотря на значительные различия и специфичность реакторов, предназначенных для осуществления отдельных химических процессов, можно выделить одинаковые для всех реакторов элементы, на основе которых и проводится классификация. Классификация химических процессов по ряду признаков в известной степени относится и к реакторам, поскольку эти признаки существенно влияют на тип н конструкцию аппарата. Так, тепловой эффект реакции требует различных теплообменных устройств, для отвода или подвода теплоты в реакционный объем. Поэтому деление процессов на экзо и эндотермические требует выбора и соответствующего химического реактора.

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.