Processos químicos. Academia de Ciências do Entretenimento. Química. Métodos de vídeo para expressar a concentração de soluções

Processos químicos

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O surgimento da química estrutural significou que surgiu uma oportunidade para uma transformação qualitativa direcionada de substâncias, criando um esquema para a síntese de quaisquer compostos químicos, incl. e até então desconhecido.

A natureza de qualquer composto químico depende não apenas da composição qualitativa e quantitativa, mas também da influência mútua dos átomos e da estrutura da molécula.

Estrutura da matéria e suas propriedades

Substâncias que possuem a mesma composição, mas estruturas diferentes são chamadas isômeros, e o próprio fenômeno - isomeria. Por exemplo, f A fórmula C 4 H 8 O contém 21 substâncias.

Para descrever as propriedades das substâncias, é necessário conhecer não apenas a composição, mas também estrutura de conexão. Isto é de particular importância para a química orgânica. Os elétrons de um elemento químico, interagindo com o núcleo e os elétrons de outro elemento químico, revelam-se estritamente localizados (localizados) no espaço. Como um elétron é uma onda eletromagnética com uma determinada área de propagação, essa área tem uma direção. Ou seja, uma ligação química é formada em uma determinada direção no espaço e determina a orientação espacial dos átomos.

Estrutura da molécula– ordem espacial e energética de um sistema constituído por núcleos atômicos e elétrons.

Um fenômeno importante na química orgânica chamado isomerismo está associado à estrutura espacial de uma molécula.

Isômeros- substâncias que possuem a mesma composição, mas uma estrutura molecular diferente.

A química estrutural tornou-se um nível superior em relação ao estudo da composição da matéria. Ao mesmo tempo, a química passou de uma ciência predominantemente analítica para uma ciência sintética. A principal conquista desta etapa do desenvolvimento da química foi o estabelecimento de uma ligação entre a estrutura das moléculas e a reatividade das substâncias.

Os quatro principais estados da matéria - plasma, gasoso, líquido e sólido (listados em ordem de existência à medida que a temperatura diminui) são conhecidos há muito tempo, mas hoje os cientistas identificam mais dois estados - condensados ​​​​de baixa temperatura. Condensado é um novo estado da matéria acima de Baixas temperaturas- menos de 0,00000001 K (!!!), ᴛ.ᴇ. em temperaturas abaixo da temperatura do vácuo do espaço (no espaço a temperatura é de cerca de 3 K).

Nós vamos te mostrar exemplo específico influência do corpo sólido da estrutura atômica nas propriedades do material. Para fazer isso, escolheremos um material monoatômico simples - o carbono.

No estado sólido, o carbono deve ser cristalino e amorfo, e cada um de seus estados tem seu próprio nome.

1. Fuligem - carbono amorfo na forma de um pó finamente moído (foi agora estabelecido que em sua estrutura na fuligem, coque, carbono vítreo e materiais semelhantes, o carbono se aproxima em vários graus da grafite. Falando sobre as propriedades da fuligem, é pode-se notar que a fuligem de condutividade elétrica é zero, a fuligem é um isolante elétrico.

2. Até o início dos anos 60, acreditava-se que existiam na natureza apenas duas formas cristalinas de carbono puro, nomeadamente polímeros tridimensionais e bidimensionais, ᴛ.ᴇ. diamante e grafite. A estrutura do grafite é caracterizada por camadas; os átomos nas camadas estão fortemente ligados uns aos outros, enquanto as interações entre camadas são insignificantes. Por esta razão, a grafite se divide facilmente em camadas; é um material cristalino macio. Ao contrário da fuligem, o grafite é um bom condutor de eletricidade.

3. O diamante tem uma estrutura cristalina cúbica, construída a partir dos mesmos átomos de carbono. Ao contrário do grafite, o diamante é um material cristalino duro (talvez o mais duro). Tais propriedades estão associadas à sua estrutura, uma vez que todos os átomos são equidistantes entre si e fortemente “ligados” entre si/

4. Em 1985 ᴦ. Uma grande família de moléculas esféricas de carbono, os fulerenos, foi descoberta. Fulerenos - o novo tipo carbono. São moléculas fechadas do tipo C 60, C 70, C 74..., nas quais todos os átomos de carbono estão localizados em uma superfície “esférica”. Na estrutura do fulereno C 60 (o diâmetro da molécula é de cerca de 1 nm), os átomos de carbono estão localizados nos vértices de hexágonos ou pentágonos regulares (no estado condensado (cristalino), os fulerenos são chamados de fuleritos). Os fulerenos foram encontrados em alguns minerais naturais, por exemplo, na shungita da Carélia. Novas classes de substâncias foram sintetizadas com base no fulereno: por exemplo, os fulerídeos foram obtidos pela interação com metais.

As propriedades interessantes desses materiais estão associadas à “captura para dentro” da bola de vários átomos - Na, K. Os fulerídeos resultantes têm supercondutividade (em temperaturas de 19-55 K), e ao usar metais do grupo da platina, propriedades ferromagnéticas são adicionalmente manifestado. Uma propriedade interessante dos fulerenos em baixas temperaturas e pressões é a capacidade de absorver hidrogênio. Nesse sentido, é possível utilizar fulerenos como base para a produção de baterias recarregáveis. Uma cápsula de fulereno pode conter medicamentos, que será entregue seletivamente ao órgão ou tecido danificado/

5. Nanotubos de grafite - um novo tipo de carbono, obtido em 1991. Um nanotubo de carbono deve ser representado como um plano de grafite enrolado em um cilindro. Os tubos podem ser de parede simples ou de paredes múltiplas, se forem feitos de várias camadas de grafite. O diâmetro do tubo varia de uma a várias dezenas de nanômetros e o comprimento pode atingir vários centímetros; geralmente os tubos terminam em uma cabeça hemisférica. Os nanotubos de carbono possuem propriedades mecânicas (muito fortes), elétricas e térmicas únicas (a condutividade elétrica e térmica se aproxima ou excede a dos metais).

6. O Prémio Nobel da Física de 2010 foi atribuído a Andre Geim e Konstantin Novoselov, imigrantes da Rússia que trabalham no Reino Unido, “pelas suas experiências pioneiras no estudo do material bidimensional grafeno”. Em 2004, eles comprovaram experimentalmente a possibilidade de obter uma forma especial de carbono, que é uma folha com a espessura de um átomo, conectada em uma rede cristalina bidimensional de hexágonos regulares. Em outras palavras, o grafeno é uma camada separada do conhecido grafite. O grafeno é o material mais fino e resistente conhecido; por outro lado, é muito flexível, capaz de exibir as propriedades tanto de um condutor (lembre-se do grafite) quanto de um semicondutor.

A química estrutural moderna alcançou ótimos resultados. A síntese de novas substâncias orgânicas permite a obtenção de materiais úteis e valiosos não encontrados na natureza. Assim, todos os anos, milhares de quilos de ácido ascórbico (vitamina C) e muitos novos medicamentos são sintetizados em todo o mundo, incluindo antibióticos inofensivos, medicamentos contra hipertensão, úlceras pépticas, etc.

A conquista mais recente na química estrutural é a descoberta de uma classe completamente nova de compostos organometálicos, que, devido à sua estrutura de duas camadas, são chamados de “compostos sanduíche”. A molécula desta substância consiste em duas placas de compostos de hidrogênio e carbono, entre as quais existe um átomo de metal.

A pesquisa no campo da química estrutural moderna está avançando em duas direções promissoras:

1) síntese de cristais com máxima aproximação da rede ideal para obtenção de materiais com elevados indicadores técnicos: máxima resistência, resistência térmica, durabilidade, etc.;

2) criação de cristais com defeitos pré-programados na rede cristalina para a produção de materiais com propriedades elétricas, magnéticas e outras especificadas.

3. características gerais soluções

As propriedades físicas da água são completamente anômalas. O mais incrível deles é sua capacidade de ser líquido em condições normais. Moléculas de compostos químicos semelhantes (H 2 S ou H 2 Se) são muito mais pesadas que a água, mas nessas condições são gasosas.

Ponto triplo da água, ᴛ.ᴇ. equilíbrio de água, gelo e vapor, observado a uma temperatura de 0,01 °C e uma pressão de 611 Pa (Fig. 8.1). A água super-resfriada, ou seja, permanecendo no estado líquido abaixo de 0°C, tem um comportamento estranho: por um lado, sua densidade diminui com a diminuição da temperatura, por outro lado, aproxima-se da densidade do gelo.

Extraordinário os limites dos valores permitidos de sub-resfriamento e superaquecimento são grandeságua: você pode mantê-la em estado líquido em temperaturas de -40 a +200 °C.

Ao contrário da maioria dos outros líquidos, à medida que a temperatura aumenta, o seu volume específico diminui e a sua densidade aumenta, atingindo um mínimo (respectivamente máximo) a 4 °C. Em líquidos comuns, a densidade sempre diminui com a diminuição da temperatura.

Ao congelar, o volume de água aumenta em até 10%. A densidade da água é maior que a densidade do gelo. Quando os cristais derretem, quando a regularidade do empacotamento iônico é perturbada, a densidade diminui em 2-4%. Esta propriedade da água protege os reservatórios do congelamento total, salvando vidas neles. O gelo é um mau condutor de calor.

Muito alto capacidade de calorágua- quando o gelo derrete, mais que duplica. Por esta razão, os mares e oceanos são termostatos gigantescos, suavizando todas as flutuações na temperatura do ar. Aliás, o vapor d'água na atmosfera também pode desempenhar essas mesmas funções. A falta de vapor d'água nos desertos leva a flutuações bruscas nas temperaturas diurnas e noturnas.

A água é um solvente universal. A regra da dissolução é que semelhante se dissolve em semelhante.

A principal diferença entre a água são suas ligações de hidrogênio.(Fig. 8.2),

Uma molécula de água é uma pequena dipolo, contendo cargas positivas e negativas nos pólos. Se você conectar os epicentros de cargas positivas e negativas com linhas retas, obterá uma figura geométrica tridimensional - um tetraedro regular

O complexo de moléculas de água existe no estado gasoso, na água líquida e no gelo. Mas, como estabeleceu L. Pauling, o gelo não é um cristal com ordenação completa mesmo em O K. A estrutura do gelo é bastante frouxa: cada cavidade é cercada por seis moléculas de H 2 0, e cada molécula é cercada por seis cavidades . O tamanho destas cavidades é tal que podem acomodar uma molécula sem perturbar a estrutura das ligações de hidrogénio.

Uma substância é um ácido se se dissociar em água para formar íons hidrogênio, e uma base se for capaz de adicionar íons hidrogênio em solução ou formar íons hidróxido OH. A acidez ou alcalinidade de uma solução é caracterizada pelo indicador de pH, cuja escala abrange valores de 0 a 14. Esta escala é logarítmica, ᴛ.ᴇ. Os logaritmos da concentração de íons de hidrogênio estão plotados nele. A acidez de uma solução com pH 5 é 10 vezes maior que com pH 6 e 100 vezes maior que com pH 7. Uma solução com pH 6 contém um milionésimo de mol de íons de hidrogênio por 1 litro, pH 7 corresponde a um neutro ambiente, e abaixo estão ambientes mais ácidos, e acima - alcalinos.

Um processo químico (do latim processus - avanço) é uma mudança sequencial nos estados da matéria, representando um movimento contínuo e unificado. O processo de conversão de algumas substâncias em outras substâncias é geralmente chamado reação química. Van't Hoff, utilizando uma abordagem termodinâmica, classificou as reações químicas e também formulou os princípios básicos da cinética química.

Existem cerca de 10.000 em cada célula reações químicas.

Os processos químicos são divididos em:

homo- E heterogêneo(dependendo do estado de agregação dos sistemas reagentes),

exo- E endotérmico(dependendo da quantidade de calor liberado e absorvido),

redox(dependendo da mudança no estado de oxidação de uma substância associada à transferência de elétrons de alguns átomos (agente redutor) para outros átomos (agente oxidante).

Ele estuda a velocidade e as características das reações químicas. cinética química.

A taxa de uma reação química também é afetada pelas seguintes condições e parâmetros:

1) natureza substâncias reagentes (por exemplo, metais alcalinos se dissolvem em água para formar álcalis e liberar hidrogênio, e a reação prossegue em condições normais instantaneamente, mas o zinco, o ferro e outros reagem lentamente e formam óxidos, e os metais nobres não reagem de todo);

2) temperatura. Para cada aumento de 10 °C na temperatura, a taxa de reação aumenta de 2 a 4 vezes (regra de van't Hoff). O oxigênio começa a reagir com muitas substâncias a uma velocidade perceptível já em temperaturas normais (oxidação lenta). À medida que a temperatura aumenta, começa uma reação violenta (combustão);

3) concentração. Para substâncias e gases dissolvidos, a taxa das reações químicas depende da concentração das substâncias reagentes. A combustão de substâncias no oxigênio puro ocorre mais intensamente do que no ar, onde a concentração de oxigênio é quase 5 vezes menor. A lei da ação das massas é válida aqui: a uma temperatura constante, a taxa de uma reação química é diretamente proporcional ao produto da concentração das substâncias reagentes;

4)área de superfície de reação. Para substâncias no estado sólido, a taxa é diretamente proporcional à área superficial das substâncias reagentes. O ferro e o enxofre no estado sólido reagem com rapidez suficiente apenas com moagem e mistura preliminares: queima de galhos e toras;

5)catalisador. A velocidade de uma reação depende de catalisadores, substâncias que aceleram as reações químicas sem serem consumidas. EM. Ostwald, estudando as condições de equilíbrio químico, descobriu o fenômeno da catálise. A decomposição do sal Berthollet e do peróxido de hidrogênio é acelerada na presença de óxido de manganês (IV), etc.

Os catalisadores são positivos, que aceleram a reação, e negativos (inibidores), que a retardam. A aceleração seletiva catalítica de uma reação química é geralmente chamada de catálise e é uma técnica de tecnologia química moderna (produção materiais poliméricos, combustível sintético, etc.). Acredita-se que a participação dos processos catalíticos na indústria química chegue a 80%.

Processos químicos – conceito e tipos. Classificação e características da categoria “Processos Químicos” 2017, 2018.

Um processo químico-tecnológico, conforme mostrado acima, é uma combinação de operações químicas, físico-químicas, físicas e mecânicas interligadas e realizadas em uma determinada sequência para a obtenção do produto final. O próprio processo químico é o segundo e principal subsistema do sistema químico. A sua eficácia exige o cumprimento de determinadas condições, cujo conteúdo é determinado pelo regime tecnológico.

Modo tecnológico– este é um conjunto de parâmetros que garantem a condução estável e mais eficiente de um processo químico.

Parâmetro de processo nomeie a quantidade , caracterizando um dos indicadores do modo de operação do dispositivo. Via de regra, parâmetro é um valor quantitativo que permite quantificar o funcionamento do dispositivo. Os principais parâmetros do processo químico são temperatura, pressão, proporção de reagentes, seu consumo por unidade de tempo, tempo de contato, taxa de alimentação volumétrica de matérias-primas, atividade do catalisador, coeficiente de recirculação, intensidade de corrente, tensão, etc. A combinação de parâmetros ideais permite que o processo seja realizado com o maior rendimento e qualidade possíveis do produto alvo, em alta velocidade e custo mínimo.

Conforme mencionado acima, o processo químico constitui o subsistema principal - a transformação química das matérias-primas. Ocorre em uma ou mais reações químicas, acompanhadas pelos fenômenos de transferência de massa e calor. Se um processo de transformação química ocorre em um estágio de acordo com a equação estequiométrica, então ele é chamado de simples. As reações restantes são complexas. Estas incluem reações reversíveis, em cadeia, paralelas, sequenciais, conjugadas e outras. As reações químicas são classificadas de acordo com vários critérios:

Por estado de fase sistema de reação ( homofásico ou heterofásico);

Pelo mecanismo de interação;

Por reversibilidade ( reversível e irreversível);

De acordo com o sinal do efeito térmico [ exotérmico(+ N) E endotérmico (- N)];

De acordo com o uso do catalisador ( catalítico e não catalítico);

Por temperatura ( baixa temperatura e alta temperatura);

Em ordem de reação.

Abaixo está a tabela. 5.1 classificação tecnológica das reações químicas.

Intensificação de processos homogêneos. Se a reação ocorrer na maior parte da fase, ela será chamada de homogênea. As reações homogêneas incluem, por exemplo, reações em soluções . Em sistemas homogêneos, a reação ocorre em todo o volume do reator. A taxa de reação em tais processos pode ser intensificada alterando a composição do meio de reação, temperatura e pressão.

Influência da composição do meio reacional depende da concentração dos reagentes e de suas propriedades físicas e químicas.

Sabe-se que, de acordo com a lei da ação das massas, para uma reação homogênea do tipo
aA + bB cC + dD é escrito assim:

(- V A) = kC a A C b B , (5.1)

Onde ( V A) – taxa de reação química;

S A, S B– concentrações molares dos reagentes A e B;

um, b- ordem de reação para os reagentes A e B;

k- constante da taxa de reação.

Tabela 5.1

Sinal de classificação	Exemplos de reações químicas
1. Mecanismo e química da reação: - simples irreversível - simples reversível - com equilíbrio desfavorável - complexo irreversível - paralelo ao anterior - sequencial (consecutivo) - complexo reversível	2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 SO 2 + 0,5O 2 SO 3 3H 2 + N 2 2NH 3 NH 3 + 1,25 O 2 = NO + 1,5H 2 O NH 3 + 1,5 O 2 = N 2 + 3H 2 O C 6 H 5 CH 3 +O 2 = C 6 H 5 CH 2 UN= C 6 H 5 CHO +H 2 O CO + H 2 O CO 2 + H 2 CO + H 2 O CH 3 OH
2. A magnitude e o sinal do efeito térmico da reação: - fortemente exotérmico - fracamente exotérmico - fortemente endotérmico - fracamente endotérmico	TÃO 2 + O 2 + 297 kJ/mol C 6 H 12 = CH 3 (CH 2) 2 CH = CH-CH 3 + 59,9 kJ/mol C 6 H 12 = C 6 H 6 + 3 H 2 – 221 kJ/mol ROH + R 1 COOH RCOOR 1 + H 2 O – 50 kJ/mol
3. Modelo cinético – ordem de reação: - zero - primeiro - segundo - terceiro - fracionário	Equação da taxa de reação: -V A = kC A =k -V A = kC A -V = kC A C B ; -V = kC2A; -V = kC 2 B -V = kC 2 A C B ; -V = k C A C B 2 -V = kC A C D 1,5
4. Método de ativação do sistema: influência da temperatura de reação: - alta temperatura (mais de 500 o C) - temperatura média (160-500 o C) - baixa temperatura (menos de 160 o C) - reação sob pressão - catalítica, eletroquímica, reações fotoquímicas, etc.	Pirólise de matérias-primas de hidrocarbonetos Oxidação de parafinas Alquilação de isobutano com olefinas Craqueamento catalítico Reforma catalítica, halogenação de parafinas

A, B – reagentes iniciais;

V – taxa de reação;

k - constante de taxa;

C – concentração.

Assim, a velocidade da reação é proporcional ao produto das concentrações dos reagentes, tomadas em potências iguais à ordem da reação, a partir das quais seguem as conclusões:

1) quanto maior o valor da concentração, maior será a taxa de reação;

2) a taxa de reação depende em maior medida do reagente incluído na equação de velocidade em maior grau;

3) se reações de ordem diferente ocorrerem simultaneamente, então uma mudança na concentração terá um efeito mais forte na taxa da reação de ordem superior.

Esses padrões estão na base da técnica tecnológica - excesso de um dos reagentes. Neste caso, é mais vantajoso consumir em excesso o reagente incluído na equação de reação com maior coeficiente estequiométrico. Mas há uma série de razões pelas quais em muitos processos em fase gasosa e em fase líquida os reagentes são diluídos com um solvente, ou seja, diminuindo sua concentração. Há várias razões para isso:

a) a possibilidade de superaquecimento da massa reacional ao realizar uma reação altamente exotérmica em alta velocidade;

b) utilização de baixas concentrações - exigência de ocorrência seletiva de reações complexas, se a reação colateral for de ordem superior;

c) melhorar as condições para a ocorrência dos processos físicos que acompanham a reação, pois a diluição permite diminuir a viscosidade, facilitar a mistura uniforme da massa de reação e seu transporte e garantir uma transferência de calor mais intensa e uniforme.

Efeito da temperatura na taxa de reação é descrita pela equação de Arrhenius:

k = A e - E / RT(5.2)

Onde k– constante de taxa;

A– fator pré-exponencial;

E- energia de ativação, kJ/mol;

R- constante do gás, kJ/mol;

T– temperatura, o PARA.

Desta equação segue-se que, como a temperatura está incluída no expoente, ela tem uma influência muito grande na taxa de reação. Pela mesma razão, a energia de ativação tem um efeito significativo na velocidade, mas com sinal diferente.

A faixa de pressão usada na tecnologia química é muito ampla. No refino de petróleo, na maioria dos processos a pressão está na faixa de 1-5 MPa, mas existem processos com pressão de até 32 MPa(hidrocraqueamento) e em vácuo (retificação de óleo combustível). Na petroquímica, são conhecidos processos em pressões de até 100Mpa(polimerização de etileno). Existem várias razões pelas quais a alta pressão, apesar dos altos custos de energia, é amplamente utilizada na tecnologia química:

1. A pressão aumenta significativamente a velocidade dos processos em fase gasosa, porque neste caso, a concentração dos reagentes aumenta acentuadamente.

2. A pressão afeta a posição do equilíbrio químico para reações reversíveis, com um aumento na pressão deslocando o equilíbrio para uma reação direta se o processo prosseguir com uma diminuição no volume.

3. A pressão aumenta os pontos de ebulição e fusão. Este efeito é utilizado para realizar processos em fase líquida para substâncias que estão no estado gasoso à pressão padrão.

4. O aumento da pressão em muitos casos permite reduzir a temperatura de síntese, o que é importante em sistemas com baixa estabilidade térmica dos reagentes ou produtos do processo.

Intensificação de processos heterogêneos. Os sistemas heterogêneos consistem em um meio contínuo (contínuo) e uma fase discreta, incluindo um ou mais componentes. Exemplos de tais sistemas são apresentados na tabela. 5.2.

Em um sistema heterogêneo, a área de interação química é a interface de fase.

A taxa de uma reação heterogênea é uma função complexa dos parâmetros de vários processos que ocorrem em paralelo: transferência de massa de fora para o meio de reação, a própria reação química e a remoção de produtos do processo do espaço de reação.

Os estágios elementares de uma reação heterogênea ocorrem em taxas diferentes. Além disso, nas condições de um processo estacionário, as velocidades de todos os estágios serão iguais e iguais à velocidade do estágio mais lento. Esta etapa é chamada limitante. Portanto, em processos heterogêneos, sua intensificação está associada à aceleração do estágio limite.

Para resolver este problema, o conceito de região de reação foi introduzido na teoria dos processos heterogêneos. De acordo com esta teoria, uma reação heterogênea pode ocorrer em cinética, difusão ou transição (difusão-cinética)áreas. O nome dessas áreas está diretamente relacionado ao estágio limite.

Tabela 5.2

Tipos de sistemas dispersos

Fase dispersa – meio disperso	Tipo de sistemas	Exemplos
TF	Sóis, suspensões, suspensões	Sóis metálicos, suspensões hidráulicas
F-F	Emulsões	Emulsões de processo, lubrificantes
G-F	Espumas, emulsões gasosas	Espumas, camada borbulhante, líquido em ebulição e cavitação
T-T	Colóides sólidos	Ligas
F-T	Corpos porosos, sistemas capilares	Adsorventes, corpos úmidos, trocadores de íons, camadas filtrantes
G-T	Sistemas porosos e capilares	Sílica gel, carvões ativados, zeólitas, catalisadores, membranas, filtros
T-G	Aerossóis, suspensões	Fumos, leito fluidizado
F-G	Aerossóis	Nevoeiros, gotículas
G-G	Gases heterogêneos	Separação de gases, flutuações de densidade em gases

G – gás; F – líquido; T – sólido

Se o estágio limite for uma transformação química, então eles dizem sobre a região cinética andamento do processo. Para o número fatores cinéticos incluem temperatura, pressão, concentração de reagentes e catalisador, natureza e atividade deste último, etc.

Se o estágio limite for a taxa de transferência de massa, então a reação prossegue em região de difusão. Sabe-se que para processos que ocorrem nesta região, a velocidade é proporcional à área da interface e à força motriz do processo (mudança de concentração), sob a influência da qual ocorre a transferência de massa:

V = k S C , (5.3)

Onde k– coeficiente de proporcionalidade;

S– área da interface de fase;

C– mudança na concentração.

Segue-se desta equação que a velocidade do processo pode ser aumentada aumentando a área de contato das fases. Este objetivo é alcançado moendo o catalisador sólido e desenvolvendo sua estrutura interna (porosidade). Em sistemas que envolvem produtos líquidos, técnicas como uso de dispositivos de empacotamento, borbulhamento, camada de espuma, etc. são utilizadas para aumentar a superfície de contato. O valor da constante de taxa é determinado pela seguinte relação:

k = D/ (5.4)

Onde D- coeficiente de difusão;

Espessura da camada limite de difusão.

Com o aumento da temperatura, o coeficiente de difusão aumenta, mas em muito menor grau do que a taxa da reação química. No entanto, o fator temperatura é frequentemente usado para aumentar a taxa dos processos de difusão. Uma técnica mais eficaz é intensificar a mistura das fases de contato, o que consegue uma diminuição na espessura da camada de difusão, o que leva a um aumento acentuado na constante de velocidade do processo de transferência de massa.

Para aumentar força motriz processos de transferência de massa ( COM), que é o gradiente de concentração:

C = C – C *,

Onde C e C*- concentrações reais e de equilíbrio do componente na fase de transmissão, utilize as seguintes técnicas:

1) aumentar a concentração dos componentes da matéria-prima;

2) remoção dos produtos do processo da zona de reação;

3) mudança de equilíbrio na direção de aumento do gradiente de concentração COM.

Assim, os fatores de difusão que determinam a intensidade dos processos de transferência de massa incluem as velocidades lineares do movimento de fase, o número de revoluções dos dispositivos de mistura, as características da interface de fase, etc. eles são freqüentemente chamados de hidrodinâmicos.

Se as taxas de transferência de massa e de reação forem comparáveis, então diz-se que o processo prossegue em região de transição.

Realizar a reação na região cinética (não há inibição de difusão) é mais preferível do ponto de vista cinético, mas vários processos industriais são realmente realizados na região de difusão. Isto se aplica principalmente a processos de alta temperatura, quando é difícil evitar a inibição da difusão devido às altas taxas de reações químicas.

Para resumir, podemos tirar as seguintes conclusões:

A taxa de uma reação heterogênea é determinada pela taxa do estágio limitante da taxa;

Tanto os processos de transformação química como os processos de transferência de massa podem ser limitantes;

Para intensificar uma reação heterogênea, devem ser utilizados fatores cinéticos e de difusão;

Para intensificar os processos que ocorrem na região cinética, devem ser utilizados fatores cinéticos e, na região de difusão, devem ser utilizados fatores de difusão.

Intensificação de processos baseados em reações irreversíveis.As reações irreversíveis incluem reações que ocorrem apenas na direção direta. Ao desenvolver tecnologia para realizar tal processo, dois objetivos principais são perseguidos: aumentar a taxa de reação e o rendimento do produto alvo. O rendimento do produto nesses processos é proporcional ao grau de transformação.Ao desenvolver tecnologia para realizar uma reação irreversível complexa, toda atenção é dada ao aumento da seletividade do processo. Este objetivo é alcançado selecionando concentrações e temperaturas ideais de reagentes, bem como selecionando os catalisadores mais seletivos.

Seletividade S as reações podem ser estimadas pela razão entre as taxas dos principais e reações adversas:

S = V 1 / V 2 =k 1 C A a / k 2 C A b = k C A a – b, (5.5)

Onde k = k 1 / k 2 .

Com base nesta equação, podem ser tiradas conclusões sobre o efeito da concentração na seletividade:

1) quando a> b(a ordem da reação alvo é superior à da reação secundária) a seletividade é proporcional ao valor máximo da concentração;

2) quando a< b a seletividade é proporcional aos valores mínimos de concentração;

3) quando uma = b a concentração não afeta a seletividade: S = kC A 0 = k.

A catálise tem o efeito mais poderoso na seletividade da reação. A catálise é um sistema complexo de reações, como resultado do qual muitas dificuldades no decorrer de uma reação são reduzidas em comparação com um processo não catalisado. Este efeito está associado a uma diminuição na energia de ativação e/ou a um aumento no fator pré-exponencial na equação cinética da reação.

Intensificação de processos baseados em reações reversíveis.As reações reversíveis incluem reações que ocorrem simultaneamente nas direções direta e reversa.

Em uma reação reversível aA + bB = dD de acordo com a lei da ação das massas, as taxas de reações diretas e reversas serão as seguintes:

V pr = k / C A a C B b ; (5.6)

V rev = k // C D d, (5.7)

Onde COM- concentração;

k/ , k //- constantes de velocidade das reações diretas e reversas;

a, b, d–coeficientes estequiométricos (ordens de reação) para participantes do processo A, B, D.

A taxa total de uma reação reversível é igual à diferença entre as taxas das reações direta e inversa: V = V pr - V arr No momento do equilíbrio Vpr = Vbr

C D d / C A a C B b = k // k // = K r, (5.8)

Onde K R- constante de equilíbrio.

O grau de transformação no qual o equilíbrio é estabelecido é chamado de equilíbrio. Nas condições de produção, o sistema, via de regra, não é levado a um estado de equilíbrio, porque em estado de equilíbrio, a produtividade do reator é zero. O reator opera em modo distante do estado de equilíbrio, dependendo do custo de deslocamento do equilíbrio na direção da formação dos produtos da reação.

Existem reações com equilíbrio facilmente alterado e com posições de equilíbrio desfavoráveis, para as quais a conversão aceitável pode ser de 30% ou até menos.

A mudança no equilíbrio quando a pressão, a temperatura ou a concentração mudam está sujeita ao princípio de Le Chatelier, que afirma: uma influência externa sobre um sistema com equilíbrio estabelecido desloca-o para uma diminuição desta influência.

Como exemplo da ação do princípio de Le Chatelier, consideremos a reação de síntese da amônia: 3H 2 + N 2 2NH 3. Essa reação é simples, reversível, exotérmica, ocorrendo com diminuição de volume. Um aumento na concentração de um dos reagentes levará a um aumento na taxa da reação direta, ou seja, para a formação do produto alvo. Neste caso, a força motriz do processo é a magnitude da influência externa.

O mesmo efeito pode ser obtido aumentando a pressão no sistema. Com efeito, ao aumentar a pressão, aumentamos a concentração de todos os participantes do processo, mas o aumento da concentração dos reagentes será mais significativo, porque o número de moles das substâncias iniciais é maior que o número de produtos da reação. A força motriz desse processo é a diferença nos volumes dos produtos finais e iniciais. Portanto, no caso de volumes iguais dos produtos finais e iniciais, é impossível alterar o equilíbrio alterando a pressão no sistema.

O efeito das mudanças de temperatura na mudança de equilíbrio nesta reação é o seguinte. Como a reação é exotérmica, é possível deslocar o equilíbrio na direção da formação de amônia diminuindo a temperatura do processo. A força motriz neste caso é a magnitude absoluta desta mudança de temperatura.

O princípio de Le Chatelier permite avaliar qualitativamente a influência dos principais parâmetros do processo na direção de uma reação química reversível. Uma avaliação quantitativa da mudança de equilíbrio com uma mudança de temperatura ou a própria possibilidade de uma determinada reação ocorrer a uma pressão constante (ou seja, a uma pressão constante em processos químico-tecnológicos industriais, como regra, são realizadas reações químicas) é possível se o sinal e a magnitude da mudança na energia livre neste processo forem conhecidos Gibbs:

G = G con. - G começar . , (5.9)

Onde G começar E G contra. – valores da energia livre de Gibbs dos reagentes e produtos do processo.

O valor negativo desta diferença significa que a reação pode, em princípio, prosseguir na direção direta. Quanto maior o valor absoluto dessa diferença, maior será a força motriz do processo.

Como é conhecido:

G = H - T S, (5.10)

Onde H = H con. -H início. – mudança de entalpia;

S = S con. – S imploro.– mudança de entropia;

N começar , N con. , S início, S fim. – estados do sistema correspondentes aos valores inicial e final de entalpia e entropia, respectivamente.

De acordo com esta equação, o valor e o sinal de G são determinados pelos valores , S, E T.

De acordo com a 1ª lei da termodinâmica:

N = você-P V, (5.11)

Onde você- mudar energia interna;

V– mudança de volume em P = const.

Nas condições em consideração N igual em valor absoluto, mas de sinal oposto ao efeito térmico da reação P (P = - H).

A mudança na entropia pode ser estimada numa primeira aproximação, considerando que pode ser vista como uma medida da desordem do sistema. Os processos que ocorrem com o seu aumento (expansão do gás, dissolução, evaporação, fusão, reações de decomposição), que ocorrem com o aumento do volume, são caracterizados pelo aumento da entropia. Os processos que ocorrem com diminuição da desordem (condensação, cristalização, reações de adição, formação de complexos) correspondem a uma diminuição da entropia.

Na escolha dos parâmetros ótimos para a condução de um processo tecnológico no caso de reações reversíveis, além das leis termodinâmicas, deve-se levar em consideração também as características dos processos associadas à sua cinética. A natureza da influência da temperatura na taxa e na posição de equilíbrio para reações exo e endotérmicas reversíveis é diferente.

Para uma reação exotérmica reversível com baixos graus de conversão, quando a concentração dos produtos iniciais na massa de reação é suficientemente alta e a concentração dos produtos da reação é baixa, a reação reversível prossegue como irreversível. Portanto, à medida que a temperatura aumenta, sua velocidade aumenta. À medida que a concentração dos produtos finais aumenta e a concentração dos produtos iniciais diminui, a diferença de velocidade entre as reações direta e reversa diminui e chega um momento em que elas são comparadas e ocorre o equilíbrio, e o processo tecnológico é interrompido. Para evitar que isso aconteça, em processos tecnológicos químicos contínuos com modo estacionário Há um fornecimento contínuo de matérias-primas frescas e uma produção contínua de produtos processados.

Numa reação endotérmica reversível, à medida que a temperatura aumenta, a taxa da reação direta aumenta mais rapidamente do que a reação inversa. Como resultado disso, a diferença de velocidade entre as reações direta e reversa também aumenta.

Com base no exposto, é possível justificar a escolha do regime de temperatura do processo tecnológico químico para reações reversíveis da seguinte forma:

1) como no caso de uma reação endotérmica reversível, um aumento na temperatura tem um efeito positivo em ambos os critérios de otimização (taxa e mudança de equilíbrio), tal reação é melhor realizada a uma temperatura elevada constante.

2) a influência ambígua da temperatura nos critérios de otimização para uma reação exotérmica reversível requer o uso de um modo de temperatura decrescente: o processo começa em uma temperatura mais alta e depois diminui ao longo da linha de temperaturas ótimas. Esta técnica é aplicável para processos periódicos. Nos processos contínuos é mantida uma temperatura constante, já que não há fenômeno de acúmulo de produtos finais e consumo não renovável de matérias-primas.

Perguntas de controle

1. Explique o conceito de “processo tecnológico químico”.

2. Definir o conceito de “modo tecnológico”. Quais parâmetros determinam isso?

3. Apresentar a classificação das reações que determinam a base do CTP.

4. Escreva a equação da lei da ação das massas. Na perspectiva desta lei, explique a influência da concentração nos métodos de intensificação de processos homogêneos.

5. Escreva a equação de Arrhenius. Com base nesta equação, explique a influência da temperatura e da energia de ativação na taxa dos processos químicos.

6. Explique o efeito da pressão na taxa de processos homogêneos. Quais pressões absolutas são usadas na tecnologia química? Dar exemplos.

7. Dê uma classificação de sistemas heterogêneos. Dar exemplos.

8. Cite as etapas elementares dos processos heterogêneos.

9. Defina a etapa limitante do processo. Em que áreas pode ocorrer uma reação heterogênea?

10. De quais fatores depende a taxa de uma reação heterogênea que ocorre na região de difusão? Dê a equação correspondente para esta relação.

11. Qual é a força motriz do processo de transferência de massa? Como isso afeta a velocidade de processos heterogêneos? Como o gradiente de concentração pode ser aumentado?

12. Defina o conceito de “equilíbrio químico”. Como pode ser quebrado? Princípio de Le Chatelier.

13. Escreva a equação de Gibbs. Com base nele, explique a possibilidade fundamental de ocorrência de uma reação química e a magnitude da força motriz do processo.

TÓPICO 6

CATÁLISE INDUSTRIAL

Atualmente é impossível imaginar o refino de petróleo e a petroquímica modernos sem o uso de catalisadores. Cerca de 90% dos processos tecnológicos químicos industriais são realizados utilizando catalisadores como ativadores. Exemplos incluem tecnologias para a produção de amônia, ácidos nítrico e sulfúrico, metanol, estireno, butadieno, no refino de petróleo - craqueamento e reforma catalítica, hidrotratamento e hidrocraqueamento, alquilação de isobutano e isomerização de hidrocarbonetos parafínicos, produção de oxigenados, etc.

Os processos catalíticos apresentam uma série de vantagens importantes em comparação com os não catalíticos. Além do fato de que o uso de catalisadores acelera drasticamente a taxa de reações químicas, os processos que os utilizam podem ser organizados como contínuos, livres de resíduos e com menor consumo de energia. Eles se distinguem por elevados indicadores técnicos e econômicos e proporcionam maior rendimento dos produtos alvo.

A utilização de catalisadores permite intensificar processos tecnológicos químicos e, em alguns casos, realizar processos que na prática não podem ser implementados sem a utilização de catalisadores. De particular importância é a utilização de catalisadores em processos exotérmicos reversíveis, nos quais a utilização de catalisadores permite reduzir significativamente a temperatura do processo e atingir um grau aceitável de conversão das matérias-primas.

A catálise é a mais método eficaz aumentando a velocidade e seletividade das reações químicas. O conceito de catálise inclui um sistema complexo de reações, como resultado do qual os obstáculos energéticos, estéricos e outros no caminho da reação são reduzidos em comparação com um processo sem catalisador. Dependendo do estado de fase dos reagentes e do catalisador, existem catálise homogênea e heterogênea. Se os reagentes e o catalisador estiverem na mesma fase líquida ou gasosa, então esta é uma catálise homogênea, se estiverem em fases diferentes (gás - sólido ou líquido - sólido), então esta é uma catálise heterogênea. Há também catálise homogênea-heterogênea, quando uma reação que começa em um catalisador heterogêneo continua no volume de outra fase.

Catálise heterogênea

Este tipo de catálise é mais comum em tecnologia química. Tem uma série de vantagens, por exemplo, facilidade de separação dos produtos do processo, alta resistência ao calor e facilidade comparativa de regeneração.

As reações catalíticas heterogêneas são acompanhadas por uma série de fenômenos associados às propriedades dos sólidos que são heterogêneos na composição química e de fases. O papel mais importante é desempenhado por distúrbios na estrutura (defeitos) da rede cristalina dos catalisadores. Essas violações determinam a heterogeneidade energética dos átomos da superfície e proporcionam uma certa capacidade de sorção da superfície do catalisador. Em geral, a eficácia do uso de catalisadores é determinada pelo complexo de suas propriedades químicas e físicas.

Propriedades químicas dos catalisadores. As principais propriedades dos catalisadores incluem atividade (A), seletividade (S) e produtividade (P).

Atividade ( kg/m 2 h) é a taxa geral de reação no catalisador e pode ser calculada pela fórmula

A = Gp/F, (6.1)

Onde Gp- a quantidade de reagente convertido por unidade de área de superfície por tempo F.

Todo o ciclo operacional do catalisador pode ser dividido em três períodos:

1) desenvolvimento de um catalisador;

2) período de atividade constante - vida útil do catalisador;

3) desativação do catalisador.

O termo “desenvolvimento” refere-se ao aumento espontâneo na atividade do catalisador sob a influência do meio de reação. O período de atividade contínua para diferentes catalisadores pode variar amplamente: de vários minutos a vários anos; os requisitos para a vida útil do catalisador são determinados pelo custo de substituição de um catalisador desativado por um novo e pela possibilidade de sua regeneração. Dado o elevado custo de substituição, a redução do número destas operações proporciona um efeito económico muito perceptível. O fenômeno de diminuição da atividade do catalisador é denominado envelhecimento, fadiga ou envenenamento.

Envelhecimentoé um processo natural no qual a atividade diminui em toda a camada de catalisador. Fadiga – esta queda desigual na atividade na camada catalítica é um processo perigoso, porque manifesta-se muito antes do término da vida útil do catalisador como resultado de sua operação inadequada.

As principais razões para a desativação do catalisador incluem: carbonização, sinterização, envenenamento por venenos de contato e mineralização.

Carbonização ocorre durante o processamento de matérias-primas de hidrocarbonetos. O catalisador é coberto por depósitos de carbono (coque) na forma de estruturas aromáticas altamente condensadas que são formadas como resultado de profundas transformações químicas. Tais processos incluem craqueamento e reforma catalítica, hidrocraqueamento, desidrogenação e isomerização. Os depósitos de coque bloqueiam a superfície do catalisador, como resultado da sua atividade diminuir drasticamente em um curto espaço de tempo, o que às vezes chega a 10-30 min.

Sinterização (sinterização) geralmente o resultado da regeneração oxidativa, durante a qual a temperatura do catalisador atinge 600 o COM e superior, ou consequência de um processo de alta temperatura com remoção de calor mal organizada. A sinterização reduz o tamanho da superfície ativa como resultado do aumento dos cristalitos do metal ou do catalisador de óxido e aumenta a resistência hidráulica do aparelho. Portanto, uma das tarefas na resolução deste problema é estabilizar a estrutura dos componentes do catalisador. A estabilização é realizada por meio de promoção estrutural. Tal promotor, por exemplo, na síntese de amônia é o óxido de alumínio Al2O3, que, ao ser introduzido entre os cristais de ferro, evita a sua aglomeração. O óxido de cromo tem efeito semelhante no catalisador de níquel durante a hidrogenação de hidrocarbonetos. Cr2O3. Não menos importante é a estabilização do suporte, pois confere ao catalisador metálico uma superfície altamente desenvolvida.

Envenenamento– esta é uma perda parcial ou total da atividade do catalisador sob a influência de substâncias chamadas venenos de contato. Em caso de envenenamento, observa-se um efeito específico do veneno tanto em relação ao catalisador quanto à própria reação.

O mecanismo de envenenamento varia. Com base no seu efeito nos catalisadores metálicos, os venenos de contato podem ser divididos em três tipos:

1) moléculas contendo não metais N, P, As, O, S, Se, incluindo. e elementos livres deste grupo, exceto nitrogênio, que se ligam ao metal catalisador devido a pares de elétrons isolados (sulfeto de hidrogênio, tiofeno, arsina, fosfina, etc.);

2) desprendimento de metais (íons de mercúrio, chumbo, bismuto, estanho, cádmio, ferro, etc.) com formação de compostos intermetálicos envolvendo d–elétrons;

3) moléculas contendo ligações múltiplas ( CO, HCN etc.), com características de adsorção mais elevadas do que outras substâncias na massa de reação.

Os catalisadores são protegidos contra venenos de contato de diversas maneiras:

1) transferência do veneno para um estado inativo;

2) purificação de matérias-primas de venenos de contato na fase de seu preparo;

3) o uso de catalisadores resistentes a venenos de contato.

Um exemplo de utilização do primeiro método de proteção é a técnica de remoção CO contido no hidrogênio fornecido para a síntese da amônia, com a ajuda do próprio hidrogênio ( CO– veneno de contato para catalisador de ferro):

CO + 3H 2 CH 4 + H 2 O.

O metano resultante é uma impureza inerte ao hidrogénio e, portanto, não representa qualquer dano ao catalisador.

Um exemplo do segundo método de proteção do catalisador é o hidrotratamento preliminar de frações de gasolina de compostos contendo enxofre, nitrogênio e oxigênio antes de enviá-los para reforma em um catalisador de platina:

RSH + H 2 = RH + H 2 S;

RNH 2 + H 2 = RH + NH 3;

ROH + H 2 = RH + H 2 O.

As reações acima ocorrem em um catalisador de alumínio-cobalto-molibdênio ( AKM).

O mais interessante e direção promissoraé o desenvolvimento de composições catalíticas resistentes a venenos.

Os métodos acima para proteger catalisadores de venenos não são independentes uns dos outros e, portanto, podem ser usados ​​em um processo simultaneamente.

Outra razão para a diminuição da atividade do catalisador é a deposição em sua superfície de impurezas minerais contidas na matéria-prima. Essas impurezas são quimicamente absorvidas, alterando a composição química da superfície do catalisador.

Seletividade (seletividade)– o indicador mais importante da qualidade de um catalisador, que consiste na aceleração preferencial da reação alvo em comparação com reações secundárias. É medido pela taxa relativa de formação do produto alvo:

S = - VA / R = - VA / UMA. (6.2)

Onde VA– taxa de formação do produto alvo, calculada a partir do reagente A;

UMA=R– taxa de reação global (atividade).

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Introdução

Sob a influência de novas exigências de produção, surgiu a doutrina dos processos químicos, que leva em consideração as mudanças nas propriedades de uma substância sob a influência da temperatura, pressão, solventes e outros fatores. Depois disso, a química se torna uma ciência não apenas e não tanto sobre substâncias como sobre objetos completos, mas também uma ciência sobre os processos e mecanismos de mudança na matéria. Graças a isso, garantiu a criação da produção de materiais sintéticos em substituição à madeira e ao metal em trabalho de construção, matérias-primas alimentares na produção de óleos secantes, vernizes, detergentes e lubrificantes. A produção de fibras artificiais, borrachas, álcool etílico e muitos solventes passou a ser baseada na matéria-prima do petróleo, e a produção de fertilizantes nitrogenados passou a ser baseada no nitrogênio atmosférico. A tecnologia de produção petroquímica surgiu com seus sistemas de fluxo proporcionando processos contínuos e de alto desempenho. elétron de reação química

Assim, já em 1935, materiais como couro, peles, borracha, fibras, detergentes, óleo secante, vernizes, ácido acético, álcool etílico eram produzidos inteiramente a partir de matérias-primas animais e vegetais, inclusive alimentos. Dezenas de milhões de toneladas de grãos, batatas, gorduras, couro cru, etc. foram gastos nisso. Mas já na década de 1960. 100% álcool técnico, 80% detergentes, 90% óleos secantes e vernizes, 40% fibras, 70% borracha e cerca de 25% couro foram feitos de matérias-primas de gás e petróleo. Além disso, a química produz anualmente centenas de milhares de toneladas de ureia e proteínas de petróleo para alimentação do gado e cerca de 200 milhões de toneladas de fertilizantes.

Sucessos tão impressionantes foram alcançados com base no estudo dos processos químicos - um campo da ciência no qual foi realizada a mais profunda integração da física, da química e da biologia. Esta doutrina é baseada na termodinâmica química e na cinética, portanto esta seção da ciência é igualmente pertence à física e à química. Um dos fundadores desta direção científica foi o químico russo N.N. Semenov é ganhador do Prêmio Nobel e fundador da física química. Em sua palestra no Nobel de 1965, ele afirmou que o processo químico é o fenômeno fundamental que distingue a química da física e a torna uma ciência mais complexa. O processo químico torna-se o primeiro passo na ascensão de objetos físicos relativamente simples como um elétron, próton, átomo, molécula, para sistemas vivos complexos e de vários níveis. Afinal, qualquer célula de um organismo vivo é essencialmente uma espécie de reator complexo. Portanto, a química torna-se uma ponte entre os objetos da física e os objetos da biologia.

O estudo dos processos químicos baseia-se na ideia de que a capacidade de interação de vários reagentes químicos é determinada, entre outras coisas, pelas condições das reações químicas. Estas condições podem afetar a natureza e os resultados das reações químicas.

A grande maioria das reações químicas está à mercê dos elementos. É claro que existem reações que não requerem controles especiais ou condições especiais. Estas são as reações bem conhecidas de interação ácido-base (neutralização). No entanto, a grande maioria das reações é difícil de controlar. Existem reações que simplesmente não podem ser realizadas, embora sejam viáveis ​​em princípio. Existem reações difíceis de parar: combustão e explosões. E, por fim, há reações que são difíceis de introduzir na direção desejada, pois criam espontaneamente dezenas de ramificações imprevistas com a formação de centenas de subprodutos. Portanto, a tarefa mais importante dos químicos é a capacidade de controlar os processos químicos, alcançando os resultados desejados.

Métodos para controlar processos químicos

Na forma mais geral, os métodos de controle de processos químicos podem ser divididos em termodinâmicos e cinéticos.

Os métodos termodinâmicos influenciam a mudança no equilíbrio químico de uma reação. Os métodos cinéticos afetam a taxa de uma reação química.

O surgimento da termodinâmica química como uma direção independente é geralmente associado ao aparecimento, em 1884, do livro “Essays on Chemical Dynamics”, do químico holandês J. van’t Hoff. Ele fundamenta as leis que estabelecem a dependência da direção de uma reação química nas mudanças de temperatura e no efeito térmico da reação. A energia dos processos químicos está intimamente relacionada às leis da termodinâmica. As reações químicas que liberam energia são chamadas de reações exotérmicas. Neles, a energia é liberada simultaneamente com a diminuição da energia interna do sistema. Existem também reações endotérmicas que ocorrem com a absorção de energia. Nessas reações, a energia interna do sistema aumenta devido ao influxo de calor. Ao medir a quantidade de energia liberada durante uma reação (o efeito térmico de uma reação química), pode-se avaliar a mudança na energia interna do sistema.

Ao mesmo tempo, o químico francês A. Le Chatelier formulou seu famoso princípio de equilíbrio móvel, equipando os químicos com métodos para mudar o equilíbrio para a formação de produtos alvo. Esses métodos de controle são chamados de métodos termodinâmicos.

Toda reação química é, em princípio, reversível, mas na prática o equilíbrio muda em uma direção ou outra. Isto depende tanto da natureza dos reagentes como das condições do processo. Existem muitas reações em que o equilíbrio é deslocado para a formação de produtos finais: incluem a reação de neutralização, reações com remoção de produtos acabados na forma de gases ou precipitação.

Porém, existem muitas reações químicas nas quais o equilíbrio é deslocado para a esquerda, em direção à formação de substâncias iniciais. Para realizá-las são necessárias alavancas termodinâmicas especiais - aumento da temperatura e pressão (se a reação ocorrer na fase gasosa), bem como da concentração dos reagentes (se a reação ocorrer na fase líquida).

Os métodos termodinâmicos influenciam principalmente a direção dos processos químicos, e não a sua taxa.

A taxa dos processos químicos é controlada pela cinética química, que estuda a dependência do curso dos processos químicos de vários fatores estruturais e cinéticos - a estrutura dos reagentes iniciais, sua concentração, a presença de catalisadores e outros aditivos no reator, métodos de mistura de reagentes, material e design do reator, etc. A tarefa de estudar reações químicas é muito difícil. Afinal, para resolvê-lo, é necessário conhecer o mecanismo de interação não apenas de dois reagentes, mas também de “terceiros corpos”, que podem ser vários. Neste caso, uma solução passo a passo é mais apropriada, na qual o efeito mais poderoso de um dos “terceiros corpos”, na maioria das vezes um catalisador, é isolado primeiro.

Além disso, deve-se entender que quase todas as reações químicas não são de forma alguma uma simples interação de reagentes iniciais, mas cadeias complexas de estágios sucessivos, onde os reagentes interagem não apenas entre si, mas também com as paredes do reator, que pode catalisar (acelerar) e inibir (desacelerar) o processo.

Além disso, a intensidade dos processos químicos é influenciada por impurezas aleatórias. Substâncias de vários graus de pureza manifestam-se em alguns casos como reagentes mais ativos e em outros como inertes. As impurezas podem ter efeitos catalíticos e inibitórios. Portanto, para controlar o processo químico, certos aditivos são adicionados às substâncias reagentes.

Assim, a influência de “terceiros corpos” no curso das reações químicas pode ser reduzida à catálise, ou seja, um efeito positivo em um processo químico ou uma inibição que restringe o processo.

Como mencionado acima, a capacidade elementos químicosà relação é determinada não apenas pela sua estrutura molecular, mas também pelas condições sob as quais a ligação ocorre. Essas condições influenciam o resultado das reações químicas. O maior impacto é experimentado por substâncias com composição variável, nas quais as ligações entre os componentes individuais são mais fracas. É na reação de tais substâncias que vários catalisadores têm forte influência.

Catálise é a aceleração de uma reação química na presença de substâncias especiais - catalisadores que interagem com os reagentes, mas não são consumidos na reação e não fazem parte dos produtos finais. A catálise foi descoberta em 1812 pelo químico russo K.S. Kirchhoff. Os processos catalíticos diferem em sua natureza física e química nos seguintes tipos:

* catálise heterogênea - ocorre uma reação química de interação de reagentes líquidos ou gasosos na superfície de um catalisador sólido;

* catálise homogênea - uma reação química ocorre em uma mistura gasosa ou em um líquido onde o catalisador e os reagentes estão dissolvidos;

* eletrocatálise - a reação ocorre na superfície do eletrodo em contato com a solução e sob influência de corrente elétrica;

* fotocatálise - a reação ocorre na superfície de um sólido ou em solução líquida e é estimulada pela energia da radiação absorvida.

A catálise heterogênea é a mais difundida; é usada para realizar 80% de todas as reações catalíticas da química moderna.

O uso de catalisadores serviu de base para uma mudança radical em toda a indústria química. Graças a eles, foi possível utilizar parafinas e cicloparafinas, até então consideradas “quimicamente mortas”, como matéria-prima para síntese orgânica. A catálise é necessária na produção de margarina, muitas produtos alimentícios, bem como produtos fitofarmacêuticos. Quase toda a indústria da química básica (produção de ácidos, bases e sais inorgânicos) e da síntese orgânica “pesada”, incluindo a produção de combustíveis e lubrificantes, é baseada na catálise. Recentemente, a síntese orgânica fina tornou-se cada vez mais catalítica. 60-80% de toda a química é baseada em processos catalíticos. Os químicos, não sem razão, afirmam que não existem processos não catalíticos, pois todos ocorrem em reatores, cujo material das paredes serve como uma espécie de catalisador.

Durante muito tempo, a própria catálise permaneceu um mistério da natureza, dando origem a uma grande variedade de teorias, tanto puramente químicas como físicas. Essas teorias, mesmo errôneas, revelaram-se úteis, até porque levaram os cientistas a novos experimentos. A questão é que, para a maioria dos processos químicos industrialmente importantes, os catalisadores foram selecionados através de inúmeras tentativas e erros. Assim, por exemplo, para a reação de síntese de amônia em 1913-1914. Químicos alemães experimentaram mais de 20 mil compostos químicos como catalisadores, seguindo a tabela periódica dos elementos e combinando-os de diversas maneiras.

Hoje podemos tirar algumas conclusões sobre a essência da catálise.

1. As substâncias reagentes entram em contato com o catalisador e interagem com ele, resultando no enfraquecimento das ligações químicas. Se uma reação ocorre na ausência de um catalisador, então a ativação das moléculas das substâncias reagentes deve ocorrer pelo fornecimento de energia externa ao reator.

2. No caso geral, qualquer reação catalítica pode ser representada como passando por um complexo intermediário no qual ocorre a redistribuição de ligações químicas enfraquecidas.

3. Na grande maioria dos casos, os catalisadores são compostos do tipo berthollide com composição variável, caracterizados pela presença de ligações químicas enfraquecidas ou mesmo de valências livres, o que lhes confere elevada atividade química. Moléculas de compostos do tipo berthollide contêm uma ampla gama de ligações energeticamente não homogêneas ou mesmo átomos livres na superfície.

4. As consequências da interação dos reagentes com o catalisador são o progresso da reação em uma determinada direção e o aumento da taxa de reação, uma vez que aumenta o número de encontros das moléculas reagentes na superfície do catalisador. Além disso, o catalisador captura parte da energia da reação exotérmica para alimentar energeticamente todos os novos atos da reação e sua aceleração global.

No estágio atual de seu desenvolvimento, a química descobriu muitos catalisadores eficazes. Entre eles estão resinas de troca iônica, compostos organometálicos e catalisadores de membrana. Muitos elementos químicos possuem propriedades catalíticas. tabela periódica, mas o papel mais importante é desempenhado pelos metais do grupo da platina e pelos metais de terras raras.

Com a participação de catalisadores, a taxa de algumas reações aumenta 10 bilhões de vezes. Existem catalisadores que não só permitem controlar a composição do produto final, mas também promovem a formação de moléculas de um determinado formato, o que afeta muito propriedades físicas produto (dureza, ductilidade).

Direção de desenvolvimento da doutrina dos processos químicos

EM condições modernas Uma das direções mais importantes no desenvolvimento do estudo dos processos químicos é a criação de métodos para controlar esses processos, pois a ciência química está empenhada no desenvolvimento de problemas como química de plasma, química de radiação, química de altas pressões e temperaturas.

Química plasmática

A química do plasma estuda os processos químicos no plasma de baixa temperatura, em temperaturas de 1.000 a 10.000°C. Tais processos são caracterizados pelo estado excitado das partículas, colisões de moléculas com partículas carregadas e taxas muito altas de reações químicas. Nos processos químicos plasmáticos, a taxa de redistribuição das ligações químicas é muito alta: a duração dos atos elementares de transformações químicas é de cerca de 10-13 s com quase completa ausência de reversibilidade da reação. A velocidade de processos químicos semelhantes em reatores convencionais é reduzida milhares de vezes devido à reversibilidade. Portanto, os processos químicos do plasma são muito produtivos. Por exemplo, a produtividade de um reator químico de plasma de metano (suas dimensões: comprimento - 65 cm, diâmetro - 15 cm) é de 75 toneladas de acetileno por dia. Neste reator, a uma temperatura de 3.000-3.500°C, cerca de 80% do metano é convertido em acetileno em um décimo de milésimo de segundo.

A química do plasma foi recentemente introduzida cada vez mais na produção industrial. Já foram criadas tecnologias para a produção de matérias-primas para a metalurgia do pó e desenvolvidos métodos de síntese para diversos compostos químicos. Na década de 1970 Fornos de fundição de aço a plasma foram criados para produzir metais da mais alta qualidade. Foram desenvolvidos métodos para tratamento de plasma iônico da superfície de ferramentas, cuja resistência ao desgaste aumenta várias vezes.

A química do plasma permite sintetizar materiais até então desconhecidos, como o concreto metálico, no qual vários metais. O concreto metálico é formado pela fusão de partículas de rocha e comprimindo-as firmemente com metal. Suas qualidades são dezenas e centenas de vezes superiores às do concreto comum.

Química da radiação

Uma das áreas mais jovens no estudo dos processos químicos é a química da radiação, que teve origem na segunda metade do século XX. O tema de seus desenvolvimentos foi a transformação de uma ampla variedade de substâncias sob a influência radiação ionizante. As fontes de radiação ionizante incluem máquinas de raios X, aceleradores de partículas carregadas, reatores nucleares, isótopos radioativos. Como resultado de reações químicas de radiação, as substâncias obtêm maior resistência ao calor e dureza.

Os processos mais importantes da tecnologia radioquímica são a polimerização, a vulcanização, a produção de materiais compósitos, incluindo a produção de concreto polimérico, impregnando o concreto comum com qualquer polímero e depois irradiando-o. Esses concretos têm quatro vezes mais força elevada, são à prova d'água e altamente resistentes à corrosão.

Química de altas pressões e temperaturas

Uma área fundamentalmente nova e extremamente importante no estudo de processos químicos é a síntese autopropagada em alta temperatura de refratários e materiais cerâmicos. Normalmente, sua produção é realizada pelo método de metalurgia do pó, cuja essência é a prensagem e compressão de pós metálicos em altas temperaturas (1200-2000°C). A síntese de propagação em si é muito mais simples: baseia-se na combustão de um metal em outro ou na combustão de um metal em nitrogênio, carbono, silício, etc.

Há muito se sabe que o processo de combustão é uma combinação de oxigênio com uma substância combustível, portanto a combustão é uma reação de oxidação de uma substância combustível. Nesse caso, os elétrons se movem dos átomos da substância oxidada para os átomos de oxigênio. Deste ponto de vista, a combustão é possível não apenas no oxigênio, mas também em outros agentes oxidantes. A síntese autopropagada em alta temperatura, o processo térmico de combustão em sólidos, baseia-se nesta conclusão. Representa, por exemplo, a combustão de pó de titânio em pó de boro, ou de pó de zircônio em pó de silício. Como resultado desta síntese, são obtidas centenas de compostos refratários da mais alta qualidade.

É muito importante que esta tecnologia não exija processos complicados, seja altamente tecnológica e possa ser facilmente automatizada.

Química de alta pressão

Outra área de desenvolvimento do estudo dos processos químicos é a química de altas e ultra-altas pressões. As transformações químicas de substâncias em pressões acima de 100 atm pertencem à química de alta pressão e em pressões acima de 1000 atm - à química de ultra-alta pressão. Altas pressões têm sido utilizadas em química desde o início do século XX. -- produção de amônia foi realizada a uma pressão de 300 atm e a uma temperatura de 600°C. Mas recentemente, têm sido utilizadas instalações nas quais é alcançada uma pressão de 5.000 atm, e os testes são realizados a uma pressão de 600.000 atm, o que é alcançado devido à onda de choque da explosão em um milionésimo de segundo. Explosões nucleares produzem pressões ainda mais altas.

Em alta pressão, as camadas eletrônicas dos átomos se aproximam e são deformadas, o que leva a um aumento na reatividade das substâncias. A uma pressão de 102–103 atm, a diferença entre as fases líquida e gasosa desaparece, e a 103–105 atm, entre as fases sólida e líquida. Em alta pressão, as propriedades físicas e químicas das substâncias mudam bastante. Por exemplo, a uma pressão de 20.000 atm, o metal torna-se elástico, como a borracha. A água comum torna-se quimicamente ativa em altas temperaturas e pressões. Com o aumento da pressão, muitas substâncias se transformam em estado metálico. Assim, em 1973, os cientistas observaram o hidrogênio metálico a uma pressão de 2,8 milhões de atm.

Uma das conquistas mais importantes da química de ultra-alta pressão foi a síntese de diamantes. Funciona a uma pressão de 50.000 atm e a uma temperatura de 2.000°C. Neste caso, a grafite cristaliza em diamantes. Os diamantes também podem ser sintetizados por meio de ondas de choque. Recentemente, toneladas de diamantes sintéticos são produzidos anualmente, que diferem apenas ligeiramente dos naturais em suas propriedades. Os diamantes resultantes são utilizados para fins industriais - em equipamentos de corte e perfuração. Foi possível sintetizar diamantes negros - carbonados, que são mais duros que os diamantes naturais. Eles são usados ​​para processar os próprios diamantes.

Atualmente, está estabelecida a produção industrial não só de diamantes artificiais, mas também de outros pedras preciosas- corindo (rubi vermelho), esmeralda, etc. Em altas pressões, são sintetizados outros materiais que se caracterizam por alta resistência ao calor. Assim, o nitreto de boro foi sintetizado a partir do nitreto de boro a uma pressão de 100.000 atm e a uma temperatura de 2.000°C - um material adequado para furar e retificar peças feitas de materiais extremamente duros em temperaturas muito altas.

Energia de processos e sistemas químicos

As reações químicas são interações entre átomos e moléculas, levando à formação de novas substâncias diferentes das originais composição química ou edifício. As reações químicas, diferentemente das reações nucleares, não alteram o número total de átomos no sistema nem a composição isotópica dos elementos.

Um sistema é uma coleção de corpos isolados do espaço. Se um sistema permite troca de massa e calor entre todos os seus componentes, então tal sistema é chamado termodinâmico. Um sistema químico no qual podem ocorrer reações é um caso especial de sistema termodinâmico. Se não houver transferência de massa e calor entre o sistema e o meio ambiente, esse sistema é denominado isolado. Se não houver transferência de massa, mas a troca de calor for possível, o sistema é denominado fechado. Se a troca de massa e de calor for possível entre o sistema e o ambiente, então o sistema está aberto. Um sistema que consiste em várias fases é denominado heterogêneo, um sistema monofásico é denominado homogêneo.

O estado de um sistema químico é determinado por suas propriedades: temperatura, pressão, concentração, volume, energia.

As reações que ocorrem em um sistema homogêneo se desenvolvem em todo o seu volume e são chamadas de homogêneas. As reações que ocorrem na interface são heterogêneas.

Para uma descrição termodinâmica de um sistema, são usadas as chamadas funções de estado do sistema - esta é qualquer quantidade física cujos valores são determinados exclusivamente propriedades termodinâmicas sistemas. As funções mais importantes do estado do sistema incluem:

Energia total do sistema (E);

Energia interna do sistema (U);

Entalpia (ou conteúdo de calor) é uma medida da energia acumulada por uma substância durante sua formação (H):

A entropia é uma medida da desordem de um sistema (S);

A energia de Gibbs é uma medida da estabilidade de um sistema a pressão constante (G):

A energia de Helmholtz é uma medida da estabilidade de um sistema a volume constante (F):

A possibilidade de um processo espontâneo pode ser julgada pelo sinal da mudança na função de energia livre de Gibbs: se?G< 0, т.е. в процессе взаимодействия происходит уменьшение свободной энергии, то процесс термодинамически возможен. Если?G >0, então o processo não pode prosseguir. Assim, todos os processos podem prosseguir espontaneamente na direção da diminuição da energia livre.

A interação química geralmente é acompanhada por um efeito térmico. Os processos que ocorrem com a liberação de calor são chamados exotérmicos (?H< 0), а идущие с поглощением теплоты - эндотермическими (?Н > 0).

O efeito térmico dos processos químicos sob condições isobáricas é determinado pela mudança na entalpia, ou seja, a diferença entre as entalpias dos estados final e inicial. De acordo com a lei de Lavoisier-Laplace: o calor liberado durante a formação de uma substância é igual ao calor absorvido durante a decomposição da mesma quantidade dela em seus componentes originais.

Generalizações mais profundas das leis termoquímicas são dadas pela lei de Hess: o efeito térmico das reações químicas que ocorrem a pressão constante ou a volume constante não depende do número de estágios intermediários, mas é determinado apenas pelos estados inicial e final do sistema.

Primeira lei da termodinâmica (lei da conservação da energia) - a energia não desaparece e não reaparece do nada durante um processo, ela só pode passar de uma forma para outra em relações estritamente equivalentes.

II lei da termodinâmica - quando um processo ocorre em um sistema isolado de processos reversíveis, a entropia permanece inalterada, mas durante processos irreversíveis ela aumenta. .

Conclusão

A Química é uma ciência social. Seu objetivo maior é satisfazer as necessidades de cada pessoa e de toda a sociedade. Muitas das esperanças da humanidade se voltam para a química. A biologia molecular, a engenharia genética e a biotecnologia e a ciência dos materiais são fundamentalmente ciências químicas. O progresso da medicina e dos cuidados de saúde são os problemas da química das doenças, dos medicamentos, dos alimentos; a neurofisiologia e a função cerebral são, antes de tudo, a neuroquímica, a química e a química da memória. A humanidade espera da química novos materiais com propriedades mágicas, novas fontes de energia e baterias, novas tecnologias limpas e seguras, etc.

Como ciência fundamental, a química se formou no início do século XX, junto com a nova mecânica quântica. E esta é uma verdade indiscutível, porque todos os objetos da química são átomos, moléculas, íons, etc. - são objetos quânticos. Os principais eventos em química são reações químicas e processos químicos, ou seja, O rearranjo dos núcleos atômicos e a transformação das camadas de elétrons, roupas eletrônicas de moléculas reagentes em moléculas de produtos, também é um evento quântico.

A necessidade de processos químicos surge sob a influência de novos requisitos de produção. Os métodos para resolver o problema principal da química baseados na doutrina da composição e nas teorias estruturais estudadas anteriormente não foram claramente suficientes aqui e surge um novo nível - o nível de conhecimento químico - conhecimento sobre processos químicos. A química está se tornando uma ciência não apenas e não tanto de substâncias como de objetos completos, mas uma ciência de processos e mecanismos de mudança na matéria. Graças a isso, garantiu a produção de materiais sintéticos.

Na sociedade moderna, o estudo dos processos químicos é um conhecimento necessário, pois a ciência precisa se desenvolver e lutar por novas descobertas, e somente o homem pode contribuir para isso.

Lista de literatura usada

1. Bochkarev A. I. - Conceitos de ciências naturais modernas: um livro didático para estudantes universitários A. I. Bochkarev, T. S. Bochkareva, S. V. Saksonov; editado por prof. A. I. Bochkareva. - Togliatti: TGUS, 2008. - 386 p. [recurso eletrônico]www.tolgas.ru (data de acesso 14/11/2102)

2. Sadokhin A.P. Conceitos de ciências naturais modernas: um livro didático para estudantes universitários de humanidades e especialidades em economia e gestão / A.P. Sadokhin. - 2ª ed., revisada. e adicional - M.: UNITY-DANA, 2006. - 447 pp. [recurso eletrônico] http://www.twirpx.com/file/20132/ (data de acesso: 10/12/2102)

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As transformações mútuas de compostos observadas na natureza viva, bem como aquelas que ocorrem como resultado da atividade humana, podem ser consideradas processos químicos. Os reagentes neles contidos podem ser duas ou mais substâncias localizadas no mesmo ou em diferentes estados de agregação. Dependendo disso, distinguem-se sistemas homogêneos ou heterogêneos. As condições, características do curso e o papel dos processos químicos na natureza serão discutidos neste trabalho.

O que se entende por reação química?

Se, como resultado da interação das substâncias iniciais, as partes constituintes de suas moléculas sofrem alterações, mas as cargas dos núcleos atômicos permanecem as mesmas, falamos de reações ou processos químicos. Os produtos formados a partir de seu fluxo são utilizados pelo homem na indústria, na agricultura e na vida cotidiana. Um grande número de interações entre substâncias ocorre tanto na natureza viva quanto na inanimada. Os processos químicos são fundamentalmente diferentes dos fenômenos físicos e das propriedades da radioatividade. Neles se formam moléculas de novas substâncias, enquanto os processos físicos não alteram a composição dos compostos, mas reações nucleares surgem átomos de novos elementos químicos.

Condições para a realização de processos em química

Podem ser diferentes e dependem, em primeiro lugar, da natureza dos reagentes, da necessidade de influxo de energia externa, bem como do estado de agregação (sólidos, soluções, gases) em que ocorre o processo. O mecanismo químico de interação entre dois ou mais compostos pode ser realizado sob a influência de catalisadores (por exemplo, a produção de ácido nítrico), temperatura (produção de amônia) ou energia luminosa (fotossíntese). Com a participação de enzimas na natureza viva, são difundidos os processos de reações químicas de fermentação (álcool, ácido láctico, ácido butírico), utilizados nas indústrias alimentícia e microbiológica. Para a obtenção de produtos na indústria de síntese orgânica, uma das principais condições é a presença de um mecanismo de radical livre no processo químico. Um exemplo seria a produção de derivados clorados do metano (diclorometano, triclorometano, tetracloreto de carbono, formados a partir de reações em cadeia.

Catálise homogênea

Representam tipos especiais de contato entre duas ou mais substâncias. A essência dos processos químicos que ocorrem em fase homogênea (por exemplo, gás - gás) com a participação de aceleradores de reação é realizar reações em todo o volume das misturas. Se o catalisador estiver no mesmo estado de agregação que os reagentes, forma complexos intermediários móveis com os compostos iniciais.

A catálise homogênea é um processo químico básico realizado, por exemplo, no refino de petróleo, na produção de gasolina, nafta, gasóleo e outros tipos de combustível. Utiliza tecnologias como reforma, isomerização e craqueamento catalítico.

Catálise heterogênea

No caso da catálise heterogênea, o contato das substâncias reagentes ocorre, na maioria das vezes, na superfície sólida do próprio catalisador. Nele se formam os chamados centros ativos. São áreas onde a interação dos compostos reagentes ocorre muito rapidamente, ou seja, é alta. Eles são específicos da espécie e também desempenham um papel importante se ocorrerem processos químicos em células vivas. Então eles falam sobre metabolismo – reações metabólicas. Um exemplo de catálise heterogênea é a produção industrial de ácido sulfato. Em um aparelho de contato, uma mistura gasosa de dióxido de enxofre e oxigênio é aquecida e passada através de prateleiras de grade preenchidas com pó disperso de óxido de vanádio ou sulfato de vanadil VOSO 4. O produto resultante, trióxido de enxofre, é então absorvido em ácido sulfúrico concentrado. Um líquido chamado oleum é formado. Pode ser diluído em água para obter ácido sulfato na concentração desejada.

Características das reações termoquímicas

A liberação ou absorção de energia na forma de calor é importante significado prático. Basta lembrar as reações de combustão dos combustíveis: gás natural, carvão, turfa. São processos físicos e químicos característica importante que é o calor de combustão. As reações térmicas são comuns tanto no mundo orgânico quanto na natureza inanimada. Por exemplo, durante o processo de digestão, proteínas, lipídios e carboidratos são decompostos sob a ação de substâncias biologicamente ativas - enzimas.

A energia liberada é acumulada na forma de moléculas de ATP. As reações de dissimilação são acompanhadas pela liberação de energia, parte da qual é dissipada na forma de calor. Como resultado da digestão, cada grama de proteína fornece 17,2 kJ de energia, amido - 17,2 kJ, gordura - 38,9 kJ. Os processos químicos que liberam energia são chamados exotérmicos, e aqueles que absorvem energia são chamados endotérmicos. Na indústria de síntese orgânica e outras tecnologias, são calculados os efeitos térmicos das reações termoquímicas. É importante saber isso, por exemplo, para calcular corretamente a quantidade de energia utilizada para aquecer reatores e colunas de síntese nas quais ocorrem reações que envolvem a absorção de calor.

Cinética e seu papel na teoria dos processos químicos

Calcular a velocidade de reação das partículas (moléculas, íons) é a tarefa mais importante que a indústria enfrenta. Sua solução proporciona efeito econômico e rentabilidade dos ciclos tecnológicos na produção química. Para aumentar a velocidade de uma reação como a da síntese de amônia, os fatores decisivos serão alterar a pressão na mistura gasosa de nitrogênio e hidrogênio para 30 MPa, além de evitar um aumento acentuado da temperatura (a temperatura ideal é 450-550°C).

Os processos químicos utilizados na produção do ácido sulfato, nomeadamente: queima das pirites, oxidação do dióxido de enxofre, absorção do trióxido de enxofre pelo oleum, são realizados em diversas condições. Para tanto, são utilizados fornos de pirita e dispositivos de contato. Eles levam em consideração as concentrações das substâncias reagentes, temperatura e pressão. Todos esses fatores estão correlacionados para realizar a reação na velocidade mais alta, o que aumenta o rendimento do ácido sulfato para 96-98%.

O ciclo das substâncias como processos físicos e químicos na natureza

O conhecido ditado “Movimento é vida” também pode ser aplicado a elementos químicos que entram em diversos tipos de interações (reações de combinação, substituição, decomposição, troca). Moléculas e átomos de elementos químicos estão em movimento contínuo. Como os cientistas estabeleceram, todos os itens acima podem ser acompanhados por fenômenos físicos: a liberação de calor ou sua absorção, a emissão de fótons de luz, uma mudança no estado de agregação. Esses processos ocorrem em todas as camadas da Terra: litosfera, hidrosfera, atmosfera, biosfera. Os mais significativos deles são os ciclos de substâncias como oxigênio, dióxido de carbono e nitrogênio. No próximo título veremos como o nitrogênio circula na atmosfera, no solo e nos organismos vivos.

Interconversão de nitrogênio e seus compostos

É bem sabido que o nitrogênio é essencial parte integral proteínas, o que significa que participa da formação de todos os tipos de vida terrena, sem exceção. O nitrogênio é absorvido por plantas e animais na forma de íons: íons amônio, nitrato e nitrito. Como resultado da fotossíntese, as plantas produzem não apenas glicose, mas também aminoácidos, glicerol e ácidos graxos. Todos os compostos químicos acima são produtos de reações que ocorrem no ciclo de Calvin. O notável cientista russo K. Timiryazev falou sobre o papel cósmico das plantas verdes, ou seja, entre outras coisas, sua capacidade de sintetizar proteínas.

Os herbívoros obtêm peptídeos de alimentos vegetais, enquanto os carnívoros obtêm peptídeos da carne de presas. Durante a decomposição de restos vegetais e animais sob a influência de bactérias saprotróficas do solo, ocorrem processos biológicos e químicos complexos. Como resultado, o nitrogênio de compostos orgânicos passa para a forma inorgânica (formam-se amônia, nitrogênio livre, nitratos e nitritos). Voltando à atmosfera e ao solo, todas essas substâncias são novamente absorvidas pelas plantas. O nitrogênio entra pelos estômatos da casca das folhas, e as soluções de nitrogênio e seus sais são absorvidos pelos pelos das raízes das plantas. O ciclo de conversão do nitrogênio se fecha para se repetir. A essência dos processos químicos que ocorrem na natureza foi estudada detalhadamente no início do século 20 pelo cientista russo D.N.

Metalurgia do pó

Os processos e tecnologias químicas modernas contribuem significativamente para a criação de materiais com propriedades físicas e químicas únicas. Isto é especialmente importante, em primeiro lugar, para instrumentos e equipamentos de refinarias de petróleo, empresas que produzem ácidos inorgânicos, corantes, vernizes e plásticos. Em sua produção são utilizados trocadores de calor, dispositivos de contato, colunas de síntese e tubulações. A superfície do equipamento entra em contato com meios agressivos localizados sob alta pressão. Além disso, quase todos os processos de produção química são realizados a altas temperaturas. É urgente obter materiais com elevados níveis de resistência ao calor e aos ácidos e propriedades anticorrosivas.

A metalurgia do pó inclui os processos de produção de pós contendo metais, sinterização e introdução na composição de ligas modernas utilizadas em reações com substâncias quimicamente agressivas.

Compostos e seu significado

Dentre as tecnologias modernas, os processos químicos mais importantes são as reações para a produção de materiais compósitos. Isso inclui espumas, cermets e norpapalsts. Metais e suas ligas, cerâmicas e plásticos são usados ​​como matriz para produção. Silicato de cálcio, argila branca, ferretos de estrôncio e bário são usados ​​como cargas. Todas as substâncias acima conferem aos materiais compósitos resistência ao impacto, resistência ao calor e resistência ao desgaste.

O que é tecnologia química

Ramo da ciência envolvido no estudo dos meios e métodos utilizados nas reações de processamento de matérias-primas: petróleo, gás natural, carvão, minerais, denominado tecnologia química. Em outras palavras, é a ciência dos processos químicos que ocorrem como resultado da atividade humana. Toda a sua base teórica consiste em matemática, cibernética, físico-química e economia industrial. Não importa qual processo químico esteja envolvido na tecnologia (produção de ácido nitrato, decomposição de calcário, síntese de plásticos fenol-formaldeído) - nas condições modernas é impossível sem sistemas de controle automatizados que facilitam a atividade humana, eliminam a poluição ambiental, e garantir tecnologia de produção química contínua e sem resíduos.

Neste trabalho, examinamos exemplos de processos químicos que ocorrem tanto na natureza viva (fotossíntese, dissimilação, ciclo do nitrogênio) quanto na indústria.

As reações químicas ocorrem pela mistura ou contato físico dos reagentes de forma espontânea, com aquecimento, participação de catalisadores (catálise), ação da luz (reações fotoquímicas), corrente elétrica (processos de eletrodo), radiação ionizante (reações radioquímicas), ação mecânica (reações mecanoquímicas), em plasma de baixa temperatura (reações plasmoquímicas), etc. A transformação espontânea de substâncias ocorre desde que tenham energia suficiente para superar a barreira de potencial que separa os estados inicial e final do sistema (energia de ativação).

Classificação

Existe um grande número de sinais pelos quais as reações químicas podem ser classificadas.

De acordo com a composição de fases do sistema reativo

• Reações homofásicas homogêneas.

Neste tipo de reação a mistura reacional é homogênea e os reagentes e produtos pertencem à mesma fase. Um exemplo de tais reações são as reações de troca iônica, por exemplo, a neutralização de ácido e álcali em solução:

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

• Reações heterofásicas heterogêneas

Neste caso, os reagentes estão em diferentes estados de fase e os produtos da reação também podem estar em qualquer estado de fase. O processo de reação ocorre no limite da fase. Um exemplo é a reação de sais de ácido carbônico (carbonatos) com ácidos de Bronsted:

CaCO 3 (t.) + 2HCl (r.) → CaCl 2 (r.) + CO 2 (g.) + H 2 O (l.)

• Reações homofásicas heterogêneas

Tais reações ocorrem dentro de uma fase, mas a mistura reacional é heterogênea. Por exemplo, a reação de formação de cloreto de amônio a partir de cloreto de hidrogênio gasoso e amônia:

NH 3 (g) + HCl (g) → NH 4 Cl (t)

• Reações heterofásicas homogêneas

Os reagentes e produtos dessa reação existem dentro de uma fase, mas a reação ocorre na interface. Um exemplo de tais reações são algumas reações catalíticas heterogêneas, por exemplo, a reação de síntese de amônia a partir de hidrogênio e nitrogênio:

Alterando os estados de oxidação dos reagentes

Neste caso, há uma distinção

• Reações redox

em que átomos de um elemento (agente oxidante) estão sendo restaurados, aquilo é diminuir seu estado de oxidação, e os átomos de outro elemento (agente redutor) oxidar, aquilo é aumentar seu estado de oxidação. Um caso especial de reações redox são as reações de desproporção, nas quais os agentes oxidantes e redutores são átomos do mesmo elemento em diferentes estados de oxidação. Um exemplo de reação de oxidação-redução é a combustão de hidrogênio (agente redutor) em oxigênio (agente oxidante) para formar água:

2H 2 + O 2 = 2H 2 O

Um exemplo de reação de desproporção é a reação de decomposição do nitrato de amônio quando aquecido. Neste caso, o agente oxidante é o nitrogênio (+5) do grupo nitro, e o agente redutor é o nitrogênio (-3) do cátion amônio:

NH 4 NO 3 = N 2 O + 2H 2 O (até 250 °C)

• Reações não redox - respectivamente, reações nas quais não há alteração nos estados de oxidação dos átomos, por exemplo, a reação de neutralização acima.

De acordo com o efeito térmico da reação

Todas as reações são acompanhadas por efeitos térmicos. Quando as ligações químicas nos reagentes são quebradas, é liberada energia, que é usada principalmente para formar novas ligações químicas. Em algumas reações as energias destes processos são próximas e, neste caso, o efeito térmico global da reação aproxima-se de zero. Em outros casos, pode-se distinguir

• reações exotérmicas,

que vem com liberação de calor,(efeito térmico positivo), por exemplo, a combustão acima de hidrogênio

• reações endotérmicas,

durante o qual o calor é absorvido(efeito térmico negativo) do meio ambiente.

O efeito térmico de uma reação (entalpia de reação, ΔrH), muitas vezes de grande importância, pode ser calculado utilizando a lei de Hess, se as entalpias de formação dos reagentes e produtos forem conhecidas. Quando a soma das entalpias dos produtos é menor que a soma das entalpias dos reagentes (Δ r H< 0) наблюдается liberação de calor, caso contrário (Δ r H > 0) - absorção.

Por tipo de transformação de partículas reagentes

• conexões: 2Cu + O 2 = 2CuO,
• decomposição: 2HgO = 2Hg + O 2,
• substituição: Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu,
• troca: NaCl + H 2 SO 4 = HCl + NaHSO 4.

As reações químicas são sempre acompanhadas de efeitos físicos: absorção e liberação de energia, por exemplo na forma de transferência de calor, mudança no estado agregado dos reagentes, mudança na cor da mistura reacional, etc. por esses efeitos físicos que o progresso das reações químicas é frequentemente julgado.

Os processos químicos que ocorrem na matéria diferem tanto dos processos físicos quanto das transformações nucleares. EM processos físicos as substâncias participantes mantêm suas propriedades inalteradas, mas podem alterar sua forma externa ou estado de agregação.

Nos processos químicos (reações químicas), novas substâncias são obtidas com propriedades diferentes das dos reagentes, mas nunca se formam átomos de novos elementos. Nos átomos dos elementos participantes da reação, ocorrem necessariamente modificações na camada eletrônica.

Nas reações nucleares, ocorrem alterações nos núcleos atômicos de todos os elementos envolvidos, o que leva à formação de átomos de novos elementos.

Por meio de reações químicas, é possível obter substâncias praticamente importantes que são encontradas na natureza em quantidades limitadas, por exemplo, fertilizantes nitrogenados, ou que não são encontradas por algum motivo, por exemplo, sulfonamidas e outras drogas sintéticas, polietileno e outros plásticos . A química permite sintetizar novas substâncias desconhecidas da natureza e necessárias à vida humana. Ao mesmo tempo, o impacto químico inepto ou irresponsável no meio ambiente e nos processos naturais em curso pode levar à perturbação dos ciclos químicos naturais estabelecidos, o que torna o problema ambiental (poluição ambiental) relevante e complica a tarefa de uso racional. recursos naturais e conservação de habitats naturais na Terra.

Literatura

• Química: Referência. ed./ W. Schröter, K.-H. Lautenschläger, H. Bibrak et al.: Trans. com ele. - M.: Química, 1989.