Сообщение химические процессы. Химические процессы

Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

Характер любого химического соединения зависит не только от качественного и количественного состава, но и от взаимного влияния атомов и строения молекулы.

Структура вещества и его свойства

Вещества, имеющие одинаковый состав, но разное строение, называют изомерами, а само явление - изомерией. Например, ф ормулу С 4 Н 8 O имеет 21 вещество.

Для описания свойств веществ нужно знать не только состав, но и структуру соединения. Особую важность это имеет для органической химии. Электроны одного химического элемента, взаимодействуя с ядром и электронами другого химического элемента, оказываются строго локализованными (размещенными) в пространстве. Так как электрон – это электромагнитная волна с определенной областью распространения, то эта область имеет направление. То есть химическая связь образуется в определенном направлении в пространстве и задает пространственную ориентацию атомов.

Структура молекулы – пространственная и энергетическая упорядоченность системы, состоящей из атомных ядер и электронов.

С пространственной структурой молекулы связано важное явление в органической химии, называемое изомерией.

Изомеры – вещества, имеющие одинаковый состав, но разную структуру молекулы.

Структурная химия стала более высоким уровнем по отношению к учению о составе вещества. При этом химия из науки преимущественно аналитической превратилась в науку синтетическую. Главным достижением этого этапа развития химии стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.

Четыре основные состояния вещества - плазменное, газообразное, жидкое и твердое (перечисленные в порядке существования при понижении температуры), известны давно, однако на сегодня ученые выделяют еще два состояния – низкотемпературные конденсаты. Конденсат - новое состояние вещества при сверхнизких температурах - меньше 0.00000001 К (!!!), т.е. при температурах ниже температуры космического вакуума (в космосе температура около 3 К).

Покажем на конкретном примере твердого тела влияние атомной структуры на свойства материала. Для этого выберем простой одноатомный материал - углерод.

В твердом состоянии углерод может быть кристаллическим и аморфным и каждое его состояние имеет свое название.

1. Сажа - аморфный углерод в виде порошка тонкого помола (к настоящему времени установлено, что по своей структуре в саже, коксе, стеклообразном углероде и им подобных материалах углерод в разной степени приближается к графиту. Говоря о свойствах сажи, можно отметить, что электропроводность сажи равна нулю, т.е. сажа - электрический изолятор.

2. До начала 60-х годов считалось, что в природе существуют только две кристаллические формы чистого углерода, а именно трех- и двумерные полимеры, т.е. алмаз и графит. Структура графита характеризуется слоями; атомы в слоях сильно связаны друг с другом, в то время как межслоевые взаимодействия незначительны. Поэтому графит легко расщепляется по слоям, он - мягкий кристаллический материал. В отличие от сажи, графит - очень хороший проводник электричества.

3. Алмаз обладает кубической кристаллической структурой, построенной все из тех же самых атомов углерода. В отличие от графита, алмаз - твердый кристаллический материал (возможно, самый твердый). Такие свойства связаны с его структурой, поскольку все атомы равноудалены друг от друга и крепко “связаны” друг с другом/

4. В 1985 г. было открыто большое семейство сферообразных углеродных молекул – фуллеренов. Фуллерены - новый вид углерода. Это замкнутые молекулы типа С 60 , С 70 , С 74 ..., в которых все атомы углерода находятся на “сферической” поверхности. В структуре фуллерена С 60 (диаметр молекулы составляет около 1 нм) атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников или пятиугольников (в конденсированном (кристаллическом) состоянии фуллерены называются фуллеритами). Фулллерены были найдены в некоторых природных минералах, например, в карельском шунгите. На основе фуллерена были синтезированы новые классы веществ: например, при взаимодействии с металлами получены фуллериды.

Интересные свойства этих материалов связаны с “захватом внутрь” шара различных атомов - Na, K. Полученные фуллериды обладают сверхпроводимостью (при температурах 19-55 K), а при использовании металлов платиновой группы дополнительно проявляются ферромагнитные свойства. Интересным свойством фуллеренов при низких температурах и давлении является способность поглощать водород. В связи с этим возможно использовать фуллерены в качестве основы для производства аккумуляторных батарей. В капсуле фуллерена могут помещаться лекарственные препараты, которые будут избирательно доставляться к поврежденному органу или ткани/

5. Графитовые нанотрубки - новый вид углерода, получены в 1991 г. Углеродная нанотрубка может быть представлена как свернутая в виде цилиндра графитовая плоскость. Трубки могут быть одностенными и многостенными, если получены из нескольких графитовых слоев. Диаметр трубки колеблется от одного до нескольких десятков нанометров, а длина может доходить до нескольких сантиметров; обычно трубки заканчиваются полусферической головкой. Углеродные нанотрубки обладают уникальными механическими (очень прочные), электрическими и термическими свойствами (электропроводность и теплопроводность приближались или превышали показатели металлов).

6. Нобелевская премия в области физики 2010 года присуждена выходцам из России, работающим в Великобритании, Андре Гейму и Константину Новосёлову "за новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена". В 2004 году они экспериментально доказали возможность получения особой формы углерода, представляющей собой лист толщиной в один атом, соединенных в двумерную кристаллическую решетку из правильных шестиугольников. Иными словами, графен - это один отдельный слой хорошо известного графита. Графен самый тонкий и самый прочный из известных материалов, с другой стороны он очень гибок, способен проявлять свойств как проводника (вспомним графит), так и полупроводника.

Современная структурная химия достигла больших результатов. Синтез новых органических веществ позволяет получить полезные и ценные материалы, отсутствующие в природе. Так, ежегодно в мире синтезируют тысячи килограммов аскорбиновой кислоты (витамина С), множество новых лекарств, среди которых - безвредные антибиотики, лекарства против гипертонии, язвенной болезни и др.

Самым последним достижением структурной химии является открытие совершенно нового класса металлорганических соединений, которые за свою двухслойную структуру получили название «сэндвичевых» соединений. Молекула этого вещества представляет собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом какого-либо металла.

Исследования в области современной структурной химии идут по двум перспективным направлениям:

1) синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;

2) создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами кристаллической решетки для производства материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами.

3. Общая характеристика растворов

Физические свойства воды совершенно аномальны. Самое удивительное из них - это способность ее при нормальных условиях быть жидкостью . Молекулы похожих на нее химических соединений (H 2 S или H 2 Se) намного тяжелее воды, но при этих условиях газообразны.

Тройная точка воды, т.е. равновесие воды, льда и пара, наблюдается при температуре 0,01 °С и давлении 611 Па (рис. 8.1). Переохлажденная вода, т. е. остающаяся в жидком состоянии ниже 0°С, ведет себя странно: с одной стороны, плотность ее уменьшается при понижении температуры, с другой - приближается к плотности льда

Необычайно велики пределы допустимых значений переохлаждения и перегрева воды: можно продержать ее в жидком состоянии при температуре от -40 до +200 °С.

В отличие от большинства других жидкостей при повышении температуры ее удельный объем уменьшается, а плотность увеличивается, достигая минимума (соответственно максимума) при 4 °С. В обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с уменьшением температуры.

При замерзании объем воды увеличивается до 10 %. Плотность воды больше плотности льда. При плавлении кристаллов, когда регулярность упаковки ионов нарушается, плотность уменьшается на 2-4 %. Это свойство воды предохраняет водоемы от сплошного промерзания, спасая в них жизнь. Лед - плохой проводник теплоты.

Очень высока теплоемкость воды - при плавлении льда она увеличивается более чем вдвое. Поэтому моря и океаны являются гигантскими термостатами, сглаживая все колебания температуры воздуха. Кстати, эти же функции может выполнять и водяной пар в атмосфере. Отсутствие водяного пара в пустынях приводит к резким колебаниям ночной и дневной температур.

Вода – универсальный растворитель . Правило растворения – подобное растворяется в подобном.

Главное отличие воды - в водородных связях (рис. 8.2),

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура - правильный тетраэдр

Комплекс молекул водысуществует в газообразном состоянии, в жидкой воде и во льду. Но, как установил Л. Полинг, лед не является кристаллом с полной упорядоченностью даже при О К. Структура льда достаточно рыхлая: каждая полость окружена шестью молекулами Н 2 0, а каждая молекула - шестью полостями. Размер этих полостей таков, что в них может разместиться одна молекула, не нарушая каркаса водородных связей.

Вещество является кислотой, если оно диссоциирует в воде с образованием ионов водорода, и основанием, если способно в растворе присоединять ионы водорода или образовывать гидроксид ионы ОН. Кислотность или щелочность раствора характеризуется показателем рН, шкала которого охватывает значения от 0 до 14. Эта шкала логарифмическая, т.е. на ней отложены логарифмы концентрации водородных ионов. Кислотность раствора с рН 5 в 10 раз больше, чем с рН 6, и в 100 раз больше, чем с рН 7. Раствор с рН 6 содержит одну миллионную моля ионов водорода на 1 л, нейтральной среде соответствует рН 7, ниже идут более кислые среды, а выше - щелочные.

Химический процесс (от лат. processus- продвижение) представляет собой последовательную смену состояний вещества, представляющий собой непрерывное, единое движение. Процесс превращения одних веществ в другие вещества называется химической реакцией. Вант-Гофф, используя термодинамический подход, классифицировал химические реакции, а также сформулировал основные положения химической кинетики.

В каждой клетке идёт около 10 000 химических реакций.

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),

окислительно-восстановительные (в зависимости от изменения степени окисления вещества, связанной с переходом электронов от одних атомов (восстановитель) к другим атомам (окислитель).

Изучением скорости и особенностей протекания химических реакций занимается химическая кинетика.

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. В. Оствальд, исследуя условия химического равновесия, пришел к открытию явления катализа. Разложение бертолетовой соли и пероксида водорода ускоряется в присутствии оксида марганца (IV) и др.

Катализаторы бывают положительными, ускоряющими реакцию, и отрицательными (ингибиторы) - замедляющими ее. Каталитическое селективное ускорение химической реакции называется катализом и является приемом современной химической технологии (производство полимерных материалов, синтетического топлива и др.). Считается, что удельный вес каталитических процессов в химической промышленности достигает 80%.

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.

В реакциях такого типа реакционная смесь является гомогенной, а реагенты и продукты принадлежат одной и той же фазе. Примером таких реакций могут служить реакции ионного обмена, например, нейтрализация кислоты и щелочи в растворе:

NaOH (р.) + HCl (р.) → NaCl (р.) + H 2 O

Гетерогенные гетерофазные реакции

В этом случае реагенты находятся в разном фазовом состоянии, продукты реакции также могут находится в любом фазовом состоянии. Реакционный процесс протекает на границе раздела фаз. Примером может служить реакция солей угольной кислоты (карбонатов) с кислотами Бренстеда:

CaCO 3 (т.) + 2HCl (р.) → CaCl 2 (р.) + CO 2 (г.) + H 2 O(ж.)

Гетерогенные гомофазные реакции

Такие реакции протекают в пределах одной фазы, однако реакционная смесь является гетерогенной. Например, реакция образования хлорида аммония из газообразных хлороводорода и аммиака:

NH 3 (г.) + HCl (г.) → NH 4 Cl (т.)

Гомогенные гетерофазные реакции

Реагенты и продукты в такой реакции существуют в пределах одной фазы, однако реакция протекает на поверхности раздела фаз. Примером таких реакций являются некоторые гетерогенно-каталитические реакции, например, реакция синтеза аммиака из водорода и азота :

По изменению степеней окисления реагентов

В данном случае различают

Окислительно-восстановительные реакции,

в которых атомы одного элемента (окислителя) восстанавливаются , то есть понижают свою степень окисления , а атомы другого элемента (восстановителя) окисляются , то есть повышают свою степень окисления . Частным случаем окислительно-восстановительных реакция являются реакции диспропорционирования, в которых окислителем и восстановителем являются атомы одного и того же элемента, находящиеся в разных степенях окисления. Пример окислитильно-восстановительной реакции - горение водорода (восстановитель) в кислороде (окислитель) с образованием воды :

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,

которые идут с выделением тепла, (положительный тепловой эффект) например, указанное выше горение водорода

эндотермические реакции,

в ходе которых тепло поглощается (отрицательный тепловой эффект) из окружающей среды.

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.

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.

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.

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.