التحولات المتبادلة للمركبات التي لوحظت في الحياة البرية ، وكذلك التي تحدث نتيجة للنشاط البشري ، يمكن اعتبارها عمليات كيميائية. يمكن أن تكون الكواشف الموجودة فيها إما مادتين أو أكثر في نفس الحالة أو في حالات تجميع مختلفة. بناءً على ذلك ، يتم تمييز الأنظمة المتجانسة أو غير المتجانسة. سيتم النظر في شروط إجراء وميزات الدورة ودور العمليات الكيميائية في الطبيعة في هذه الورقة.
ما المقصود بالتفاعل الكيميائي
إذا تغيرت الأجزاء المكونة لجزيئاتها نتيجة تفاعل المواد الأولية ، وبقيت شحنات نوى الذرات كما هي ، فإنها تتحدث عن تفاعلات أو عمليات كيميائية. المنتجات التي تشكلت نتيجة لتدفقها يستخدمها الإنسان في الصناعة والزراعة والحياة اليومية. عدد ضخم من التفاعلاتبين المواد يحدث ، سواء في الطبيعة الحية أو غير الحية. العمليات الكيميائية لها اختلاف جوهري عن الظواهر الفيزيائية وخصائص النشاط الإشعاعي. تتشكل جزيئات المواد الجديدة فيها ، بينما لا تغير العمليات الفيزيائية تكوين المركبات ، وتنشأ ذرات عناصر كيميائية جديدة في التفاعلات النووية.
شروط تنفيذ العمليات في الكيمياء
يمكن أن تكون مختلفة وتعتمد بشكل أساسي على طبيعة الكواشف ، والحاجة إلى تدفق الطاقة من الخارج ، وكذلك حالة التجميع (المواد الصلبة ، والمحاليل ، والغازات) التي تحدث فيها العملية. يمكن تنفيذ الآلية الكيميائية للتفاعل بين مركبين أو أكثر تحت تأثير المحفزات (على سبيل المثال ، إنتاج حمض النيتريك) ، ودرجة الحرارة (الحصول على الأمونيا) ، والطاقة الضوئية (التمثيل الضوئي). بمشاركة الإنزيمات في الطبيعة الحية ، تنتشر على نطاق واسع عمليات التفاعل الكيميائي للتخمير (الكحول ، حمض اللاكتيك ، الزبد) ، المستخدمة في الصناعات الغذائية والميكروبيولوجية. للحصول على منتجات في صناعة التخليق العضوي ، فإن أحد الشروط الرئيسية هو وجود آلية الجذور الحرة للعملية الكيميائية. مثال على ذلك هو إنتاج مشتقات الكلور من الميثان (ثنائي كلورو ميثان ، ثلاثي كلورو ميثان ، رابع كلوريد الكربون ، الناتج عن التفاعلات المتسلسلة.
الحفز المتجانس
هي أنواع خاصة من الاتصال بين مادتين أو أكثر. جوهر العمليات الكيميائية التي تحدث في مرحلة متجانسة (على سبيل المثال ، الغاز - الغاز) بمشاركة المعجلاتالتفاعلات ، تتكون في إجراء تفاعلات في الحجم الكامل للمخاليط. إذا كان المحفز في نفس حالة التجميع مثل المواد المتفاعلة ، فإنه يشكل مجمعات وسيطة متحركة مع مركبات البداية.
الحفز المتجانس هو عملية كيميائية أساسية تستخدم ، على سبيل المثال ، في تكرير النفط والبنزين والنفتا وزيت الغاز وأنواع الوقود الأخرى. يستخدم تقنيات مثل الإصلاح ، الأيزومرة ، التكسير التحفيزي.
تحفيز غير متجانس
في حالة التحفيز غير المتجانس ، يحدث تلامس المواد المتفاعلة ، في أغلب الأحيان ، على السطح الصلب للمحفز نفسه. يتم تشكيل ما يسمى بالمراكز النشطة عليه. هذه هي المناطق التي يستمر فيها تفاعل المركبات المتفاعلة بسرعة كبيرة ، أي أن معدل التفاعل مرتفع. إنها خاصة بالأنواع وتلعب دورًا مهمًا أيضًا في حالة حدوث عمليات كيميائية في الخلايا الحية. ثم يتحدثون عن التمثيل الغذائي - التفاعلات الأيضية. مثال على التحفيز غير المتجانس هو الإنتاج الصناعي لحمض الكبريتات. في جهاز التلامس ، يتم تسخين خليط غازي من ثاني أكسيد الكبريت والأكسجين ويمر عبر أرفف شبكية مملوءة بمسحوق مشتت من أكسيد الفاناديوم أو كبريتات الفاناديل VOSO4. ثم يتم امتصاص المنتج الناتج ، ثالث أكسيد الكبريت ، بواسطة حمض الكبريتيك المركز. يتكون سائل يسمى أوليوم. يمكن تخفيفه بالماء للحصول على التركيز المطلوب لحمض الكبريتات.
ميزات التفاعلات الكيميائية الحرارية
إن إطلاق أو امتصاص الطاقة في شكل حرارة له أهمية عملية كبيرة. يكفي أن نتذكر تفاعلات احتراق الوقود: الغاز الطبيعي ، الفحم ، الخث. إنها عمليات فيزيائية وكيميائية ، ومن أهم سماتها حرارة الاحتراق. تنتشر التفاعلات الحرارية في كل من العالم العضوي والطبيعة غير الحية. على سبيل المثال ، في عملية الهضم ، يتم تكسير البروتينات والدهون والكربوهيدرات تحت تأثير المواد النشطة بيولوجيًا - الإنزيمات.
تتراكم الطاقة المنبعثة في شكل روابط كبيرة من جزيئات ATP. تصاحب تفاعلات التشتت إطلاق طاقة ، يتبدد جزء منها في شكل حرارة. نتيجة لعملية الهضم ، يوفر كل جرام من البروتين 17.2 كيلو جول من الطاقة ، والنشا - 17.2 كيلو جول ، والدهون - 38.9 كيلو جول. العمليات الكيميائية التي تطلق الطاقة تسمى طاردة للحرارة ، وتلك التي تمتصها تسمى ماص للحرارة. في صناعة التخليق العضوي والتقنيات الأخرى ، تُحسب التأثيرات الحرارية للتفاعلات الكيميائية الحرارية. من المهم معرفة ذلك ، على سبيل المثال ، من أجل الحساب الصحيح لكمية الطاقة المستخدمة لتسخين المفاعلات وأعمدة التخليق التي تحدث فيها التفاعلات ، مصحوبة بامتصاص الحرارة.
الخواص الحركية ودورها في نظرية العمليات الكيميائية
حساب سرعة تفاعل الجسيمات (الجزيئات والأيونات) هو أهم مهمة تواجه الصناعة. يضمن حلها التأثير الاقتصادي وربحية الدورات التكنولوجية في الإنتاج الكيميائي. للزيادةسرعة مثل هذا التفاعل ، مثل تخليق الأمونيا ، ستكون العوامل الحاسمة هي تغيير الضغط في خليط غاز من النيتروجين والهيدروجين حتى 30 ميجا باسكال ، وكذلك منع الزيادة الحادة في درجة الحرارة (درجة الحرارة هو 450-550 درجة مئوية هو الأمثل)
العمليات الكيميائية المستخدمة في إنتاج حامض الكبريتات ، وهي: حرق البيريت ، أكسدة ثاني أكسيد الكبريت ، امتصاص ثاني أكسيد الكبريت بواسطة الأوليوم ، تتم في ظل ظروف مختلفة. لهذا الغرض ، يتم استخدام فرن البيريت وأجهزة الاتصال. يأخذون في الاعتبار تركيز المواد المتفاعلة ودرجة الحرارة والضغط. كل هذه العوامل مرتبطة بإجراء التفاعل بأعلى معدل ، مما يزيد من مردود حامض الكبريتات إلى 96-98٪.
دورة المواد كعمليات فيزيائية وكيميائية في الطبيعة
يمكن أيضًا تطبيق المثل المعروف "الحركة هي الحياة" على العناصر الكيميائية التي تدخل في أنواع مختلفة من التفاعل (تفاعلات الجمع ، الاستبدال ، التحلل ، التبادل). جزيئات وذرات العناصر الكيميائية في حركة مستمرة. كما أثبت العلماء ، يمكن أن تكون جميع أنواع التفاعلات الكيميائية المذكورة أعلاه مصحوبة بظواهر فيزيائية: إطلاق الحرارة أو امتصاصها ، وانبعاث فوتونات الضوء ، وتغير في حالة التجمع. تحدث هذه العمليات في كل قشرة للأرض: الغلاف الصخري والغلاف المائي والغلاف الجوي والمحيط الحيوي. أهمها دورات المواد مثل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين. في العنوان التالي ، ننظر في كيفية دوران النيتروجين في الغلاف الجوي ، والتربة ، والكائنات الحية.
التحويل البيني للنيتروجين ومركباته
من المعروف أن النيتروجين عنصر ضروري للبروتينات ، مما يعني أنه يشارك في تكوين جميع أنواع الحياة الأرضية دون استثناء. تمتص النباتات والحيوانات النيتروجين على شكل أيونات: أيونات الأمونيوم والنترات والنتريت. نتيجة لعملية التمثيل الضوئي ، لا تشكل النباتات الجلوكوز فحسب ، بل تشكل أيضًا الأحماض الأمينية والجلسرين والأحماض الدهنية. جميع المركبات الكيميائية المذكورة أعلاه هي نتاج تفاعلات تحدث في دورة كالفين. تحدث العالم الروسي البارز K. Timiryazev عن الدور الكوني للنباتات الخضراء ، مشيرًا ، من بين أمور أخرى ، إلى قدرتها على تصنيع البروتينات.
تحصل الحيوانات العاشبة على ببتيداتها من الأطعمة النباتية ، بينما تحصل الحيوانات آكلة اللحوم على ببتيداتها من لحوم الفرائس. أثناء تحلل بقايا النبات والحيوان تحت تأثير بكتيريا التربة الرمية ، تحدث عمليات بيولوجية وكيميائية معقدة. نتيجة لذلك ، يمر النيتروجين من المركبات العضوية إلى شكل غير عضوي (يتم تكوين الأمونيا والنيتروجين والنترات والنتريت). بالعودة إلى الغلاف الجوي والتربة ، تمتص النباتات كل هذه المواد مرة أخرى. يدخل النيتروجين من خلال ثغور جلد الأوراق ، ويتم امتصاص محاليل أحماض النيتريك والنيتروز وأملاحها بواسطة شعيرات جذور النباتات. تنتهي دورة تحويل النيتروجين للتكرار مرة أخرى. تمت دراسة جوهر العمليات الكيميائية التي تحدث مع مركبات النيتروجين في الطبيعة بالتفصيل في بداية القرن العشرين من قبل العالم الروسي D. N. بريانيشنيكوف.
تعدين المساحيق
تقدم العمليات والتقنيات الكيميائية الحديثة مساهمة كبيرة في إنشاء مواد ذات خصائص فيزيائية وكيميائية فريدة. هذا مهم بشكل خاص ، أولاً وقبل كل شيء ، لأجهزة ومعدات مصافي النفط والشركات المنتجة للأحماض غير العضوية والأصباغ والورنيش والبلاستيك. في إنتاجها ، يتم استخدام المبادلات الحرارية وأجهزة الاتصال وأعمدة التوليف وخطوط الأنابيب. سطح الجهاز ملامس للوسائط العدوانية تحت ضغط عالٍ. علاوة على ذلك ، يتم تنفيذ جميع عمليات الإنتاج الكيميائي تقريبًا في درجات حرارة عالية. يتعلق الأمر بإنتاج مواد ذات معدلات عالية من المقاومة الحرارية والحمضية وخصائص مقاومة التآكل.
مسحوق ميتالورجيا يشمل إنتاج مساحيق تحتوي على معادن ، تلبيد ودمجها في السبائك الحديثة المستخدمة في التفاعلات مع المواد العدوانية كيميائيا.
المركبات ومعناها
من بين التقنيات الحديثة أهم العمليات الكيميائية تفاعلات الحصول على المواد المركبة. وتشمل هذه الرغوات ، والسيرمت ، والنوربابالست. كمصفوفة للإنتاج ، يتم استخدام المعادن وسبائكها والسيراميك والبلاستيك. تستخدم سيليكات الكالسيوم والطين الأبيض والسترونشيوم وحديد الباريوم كمواد مالئة. جميع المواد المذكورة أعلاه تعطي المواد المركبة مقاومة الصدمات والحرارة ومقاومة التآكل.
ما هي الهندسة الكيميائية
فرع العلم الذي يدرس الوسائل والطرق المستخدمة في تفاعلات معالجة المواد الخام: النفط والغاز الطبيعي والفحم والمعادن ، وكان يسمى التكنولوجيا الكيميائية. بمعنى آخر ، إنه علم العمليات الكيميائية التي تحدث نتيجة للنشاط البشري. تتكون قاعدتها النظرية بأكملها من الرياضيات وعلم التحكم الآلي والكيمياء الفيزيائية والاقتصاد الصناعي. لا يهم العملية الكيميائية المتضمنة في التكنولوجيا (الحصول على حمض النترات ، تحلل الحجر الجيري ، تصنيع بلاستيك الفينول فورمالدهيد) - في الظروف الحديثة يكون من المستحيل بدون أنظمة تحكم آلية تسهل الأنشطة البشرية ، وتزيل التلوث البيئي ، وتضمن تكنولوجيا إنتاج كيميائية مستمرة وخالية من النفايات.
في هذه الورقة ، درسنا أمثلة على العمليات الكيميائية التي تحدث في كل من الحياة البرية (التمثيل الضوئي ، التبديد ، دورة النيتروجين) وفي الصناعة.
