טרנספורמציות הדדיות של תרכובות הנצפות בחיות בר, כמו גם המתרחשות כתוצאה מפעילות אנושית, יכולות להיחשב כתהליכים כימיים. ריאגנטים בהם יכולים להיות שני חומרים או יותר הנמצאים באותו מצב או במצבי צבירה שונים. בהתאם לכך, מערכות הומוגניות או הטרוגניות מובדלות. התנאים לניצוח, תכונות הקורס ותפקידם של תהליכים כימיים בטבע ייבחנו במאמר זה.
מה הכוונה בתגובה כימית
אם כתוצאה מהאינטראקציה של החומרים הראשוניים, החלקים המרכיבים של המולקולות שלהם עוברים שינויים, והמטענים של גרעיני האטומים נשארים זהים, הם מדברים על תגובות או תהליכים כימיים. המוצרים הנוצרים כתוצאה מזרימתם משמשים את האדם בתעשייה, בחקלאות ובחיי היומיום. מספר עצום של אינטראקציותבין חומרים מתרחשת, הן בטבע החי והן בטבע הדומם. לתהליכים כימיים יש הבדל מהותי מהתופעות הפיזיקליות ומתכונות הרדיואקטיביות. נוצרות בהם מולקולות של חומרים חדשים, בעוד שתהליכים פיזיקליים אינם משנים את הרכב התרכובות, ואטומים של יסודות כימיים חדשים נוצרים בתגובות גרעיניות.
תנאים ליישום תהליכים בכימיה
הם יכולים להיות שונים ותלויים בעיקר באופי הריאגנטים, בצורך בהזרמת אנרגיה מבחוץ וכן במצב הצבירה (מוצקים, תמיסות, גזים) שבו התהליך מתרחש. המנגנון הכימי של אינטראקציה בין שתי תרכובות או יותר יכול להתבצע תחת פעולת זרזים (לדוגמה, ייצור של חומצה חנקתית), טמפרטורה (השגת אמוניה), אנרגיית אור (פוטוסינתזה). בהשתתפות אנזימים בטבע החי, תהליכי התגובה הכימית של התסיסה (אלכוהול, חומצה לקטית, בוטירית), המשמשים בתעשיות המזון והמיקרוביולוגיות, נפוצים. כדי להשיג מוצרים בתעשיית הסינתזה האורגנית, אחד התנאים העיקריים הוא נוכחות של מנגנון רדיקלי חופשי של התהליך הכימי. דוגמה לכך תהיה ייצור של נגזרות כלור של מתאן (דיכלורומתאן, טריכלורומתאן, פחמן טטרכלוריד, הנובע מתגובות שרשרת.
קטליזה הומוגנית
הם סוגים מיוחדים של מגע בין שני חומרים או יותר. המהות של תהליכים כימיים המתרחשים בשלב הומוגני (לדוגמה, גז - גז) בהשתתפות מאיציםתגובות, מורכבות מביצוע תגובות בכל נפח התערובות. אם הזרז נמצא באותו מצב של צבירה כמו המגיבים, הוא יוצר קומפלקסים ביניים ניידים עם תרכובות המוצא.
קטליזה הומוגנית היא תהליך כימי בסיסי המשמש, למשל, זיקוק נפט, בנזין, נפטא, נפט גז ודלקים אחרים. הוא משתמש בטכנולוגיות כגון רפורמה, איזומריזציה, פיצוח קטליטי.
קטליזה הטרוגנית
במקרה של קטליזה הטרוגנית, המגע של המגיבים מתרחש, לרוב, על פני השטח המוצקים של הזרז עצמו. מה שנקרא מרכזים פעילים נוצרים עליו. אלו הם אזורים שבהם האינטראקציה של התרכובות המגיבות מתרחשת מהר מאוד, כלומר, קצב התגובה גבוה. הם ספציפיים למין ומשחקים תפקיד חשוב גם אם מתרחשים תהליכים כימיים בתאים חיים. אחר כך מדברים על חילוף חומרים – תגובות מטבוליות. דוגמה לקטליזה הטרוגנית היא ייצור תעשייתי של חומצה סולפטית. במנגנון המגע מחממים תערובת גזית של דו-תחמוצת גופרית וחמצן ומועברת דרך מדפי סריג מלאים באבקה מפוזרת של תחמוצת ונדיום או ונדיל סולפט VOSO4. התוצר המתקבל, גופרית טריאוקסיד, נספג לאחר מכן על ידי חומצה גופרתית מרוכזת. נוצר נוזל הנקרא אולאום. ניתן לדלל אותו במים כדי לקבל את הריכוז הרצוי של חומצה סולפטית.
תכונות של תגובות תרמוכימיות
לשחרור או ספיגה של אנרגיה בצורת חום יש חשיבות מעשית רבה. די להיזכר בתגובות הבעירה של דלק: גז טבעי, פחם, כבול. הם תהליכים פיזיקליים וכימיים, שמאפיין חשוב בהם הוא חום הבעירה. תגובות תרמיות נפוצות הן בעולם האורגני והן בטבע הדומם. לדוגמה, בתהליך העיכול, חלבונים, שומנים ופחמימות מתפרקים בפעולת חומרים פעילים ביולוגית - אנזימים.
האנרגיה המשתחררת מצטברת בצורה של קשרים מאקרו-אירגיים של מולקולות ATP. תגובות התפזרות מלוות בשחרור אנרגיה, שחלק ממנה מתפזר בצורה של חום. כתוצאה מהעיכול, כל גרם חלבון מספק 17.2 קילו-ג'יי אנרגיה, עמילן - 17.2 קילו-ג'יי, שומן - 38.9 קילו-ג'יי. תהליכים כימיים המשחררים אנרגיה נקראים אקסותרמיים, ואלה שסופגים אותה נקראים אנדותרמיים. בתעשיית הסינתזה האורגנית ובטכנולוגיות אחרות, מחושבות ההשפעות התרמיות של תגובות תרמוכימיות. חשוב לדעת זאת, למשל, לצורך חישוב נכון של כמות האנרגיה המשמשת לחימום הכורים ועמודי הסינתזה שבהם מתרחשות תגובות, בליווי ספיגת חום.
קינטיקה ותפקידה בתורת התהליכים הכימיים
חישוב מהירות התגובה של חלקיקים (מולקולות, יונים) היא המשימה החשובה ביותר העומדת בפני התעשייה. הפתרון שלה מבטיח את ההשפעה הכלכלית והרווחיות של מחזורים טכנולוגיים בייצור כימי. להגדלההמהירות של תגובה כזו, כגון סינתזה של אמוניה, הגורמים המכריעים יהיו שינוי בלחץ בתערובת גז של חנקן ומימן עד 30 MPa, כמו גם מניעת עלייה חדה בטמפרטורה (הטמפרטורה הוא 450-550 מעלות צלזיוס הוא אופטימלי).
תהליכים כימיים המשמשים לייצור חומצה גופרתית, כלומר: שריפת פיריטים, חמצון גופרית דו-חמצני, ספיגת גופרית טריאוקסיד על ידי אולאום, מתבצעים בתנאים שונים. לשם כך, נעשה שימוש בתנור פיריט והתקני מגע. הם לוקחים בחשבון את ריכוז המגיבים, הטמפרטורה והלחץ. כל הגורמים הללו מתואמים לביצוע התגובה בקצב הגבוה ביותר, מה שמגדיל את התשואה של חומצה סולפטית ל-96-98%.
מחזור של חומרים כתהליכים פיזיקליים וכימיים בטבע
האמרה הידועה "תנועה היא חיים" יכולה להיות מיושמת גם על יסודות כימיים הנכנסים לסוגים שונים של אינטראקציות (תגובות של שילוב, החלפה, פירוק, החלפה). מולקולות ואטומים של יסודות כימיים נמצאים בתנועה מתמדת. כפי שקבעו מדענים, כל סוגי התגובות הכימיות לעיל יכולים להיות מלווים בתופעות פיזיקליות: שחרור חום או ספיגתו, פליטת פוטונים של אור, שינוי במצב הצבירה. תהליכים אלו מתרחשים בכל מעטפת של כדור הארץ: ליתוספירה, הידרוספירה, אטמוספירה, ביוספרה. המשמעותיים שבהם הם מחזוריות החומרים כמו חמצן, פחמן דו חמצני וחנקן. בכותרת הבאה, אנו מסתכלים כיצד החנקן מסתובב באטמוספרה, באדמה ובאורגניזמים חיים.
המרה הדדית של חנקן ותרכובותיו
ידוע היטב שחנקן הוא מרכיב הכרחי בחלבונים, מה שאומר שהוא מעורב ביצירת כל סוגי החיים הארציים ללא יוצא מן הכלל. חנקן נספג על ידי צמחים ובעלי חיים בצורה של יונים: יוני אמוניום, חנקה וניטריט. כתוצאה מפוטוסינתזה, צמחים יוצרים לא רק גלוקוז, אלא גם חומצות אמינו, גליצרול וחומצות שומן. כל התרכובות הכימיות הנ ל הן תוצרים של תגובות המתרחשות במחזור קלווין. המדען הרוסי המצטיין K. Timiryazev דיבר על התפקיד הקוסמי של צמחים ירוקים, והתייחס, בין היתר, ליכולתם לסנתז חלבונים.
אוכלי עשב מקבלים את הפפטידים שלהם ממזון צמחי, בעוד שטורפים מקבלים את הפפטידים שלהם מבשר טרף. במהלך ריקבון של שרידי צמחים ובעלי חיים בהשפעת חיידקי קרקע ספרטרופיים מתרחשים תהליכים ביולוגיים וכימיים מורכבים. כתוצאה מכך, חנקן מתרכובות אורגניות עובר לצורה אנאורגנית (נוצרים אמוניה, חנקן חופשי, חנקות וניטריטים). כשחוזרים לאטמוספירה ולאדמה, כל החומרים הללו נספגים שוב בצמחים. חנקן חודר דרך הסטומטה של עור העלים, ותמיסות של חומצות חנקתיות וחנקניות ומלחיהן נספגות בשערות השורשים של שורשי הצמחים. מחזור הטרנספורמציה של חנקן נסגר כדי לחזור שוב. המהות של תהליכים כימיים המתרחשים עם תרכובות חנקן בטבע נחקרה בפירוט בתחילת המאה ה-20 על ידי המדען הרוסי D. N. Pryanishnikov.
מתכות אבקה
תהליכים וטכנולוגיות כימיות מודרניות תורמים תרומה משמעותית ליצירת חומרים בעלי תכונות פיסיקליות וכימיות ייחודיות. זה חשוב במיוחד, קודם כל, עבור מכשירים וציוד של בתי זיקוק לנפט, ארגונים המייצרים חומצות אנאורגניות, צבעים, לכות ופלסטיק. בייצור שלהם, מחליפי חום, התקני מגע, עמודות סינתזה, צינורות משמשים. פני השטח של הציוד נמצאים במגע עם מדיה אגרסיבית בלחץ גבוה. יתר על כן, כמעט כל תהליכי הייצור הכימיים מתבצעים בטמפרטורות גבוהות. הרלוונטי הוא ייצור חומרים בעלי שיעורים גבוהים של עמידות תרמית וחומצה, תכונות אנטי קורוזיה.
מתכת אבקה כוללת ייצור של אבקות המכילות מתכות, סינטר ושילוב בסגסוגות מודרניות המשמשות בתגובות עם חומרים אגרסיביים מבחינה כימית.
מרוכבים ומשמעותם
בין הטכנולוגיות המודרניות, התהליכים הכימיים החשובים ביותר הם התגובות של השגת חומרים מרוכבים. אלה כוללים קצף, cermets, norpapalsts. כמטריצה לייצור, מתכות וסגסוגות שלהן, קרמיקה ופלסטיק משמשים. סידן סיליקט, חימר לבן, סטרונציום ובריום פריידים משמשים כחומרי מילוי. כל החומרים שלעיל מעניקים לחומרים מרוכבים עמידות בפני פגיעות, עמידות בפני חום ובלאי.
מהי הנדסה כימית
ענף המדע החוקר את האמצעים והשיטות המשמשים בתגובות של עיבוד חומרי גלם: נפט, גז טבעי, פחם, מינרלים, נקרא טכנולוגיה כימית. במילים אחרות, זהו המדע של תהליכים כימיים המתרחשים כתוצאה מפעילות אנושית. כל הבסיס התיאורטי שלה מורכב ממתמטיקה, קיברנטיקה, כימיה פיזיקלית וכלכלה תעשייתית. זה לא משנה איזה תהליך כימי מעורב בטכנולוגיה (השגת חומצה חנקתית, פירוק אבן גיר, סינתזה של פלסטיק פנול-פורמלדהיד) - בתנאים מודרניים אי אפשר בלי מערכות בקרה אוטומטיות המקלות על פעילות האדם, מבטלות זיהום סביבתי ומבטיחות טכנולוגיית ייצור כימיקלים רציפה וללא פסולת.
במאמר זה, שקלנו דוגמאות לתהליכים כימיים המתרחשים הן בחיות בר (פוטוסינתזה, התפזרות, מחזור חנקן) והן בתעשייה.
