загрузка...
 
Вчення про хімічні процеси
Повернутись до змісту

Вчення про хімічні процеси

Здатність до взаємодії різних хімічних реагентів визначається, крім усього іншого, і умовами перебігу хімічних реакцій. Ці умови можуть впливати на характер і результат хімічних реакцій. Найбільш залежними від умов проходження реакції виявляються сполуки змінного складу з ослабленими зв'язками між їх компонентами. Саме на них у першу чергу спрямована дія різних каталізаторів, які значно прискорюють хід хімічних реакцій.

Одним з основоположників цього напрямку у хімії став російський хімік Н.Н. Семенов - лауреат Нобелівської премії, засновник хімічної фізики. У своїй Нобелівській лекції 1965 р. він заявив, що хімічний процес – це те основне явище, яке відрізняє хімію від фізики і робить її більш складною наукою. Хімічний процес стає першою сходинкою при сходженні від таких відносно простих фізичних об'єктів, як електрон, протон, атом, молекула, до живої системи, тому що будь-яка клітина живого організму, по суті, є своєрідним складним реактором. Це міст від об'єктів фізики до об'єктів біології.

Переважна більшість хімічних реакцій є нестійкими. Їх важко контролювати: в одних випадках їх просто не вдається здійснити, хоча вони принципово можливі, в інших - важко зупинити, наприклад, горіння і вибухи, у третіх випадках їх важко ввести в одне бажане русло, оскільки вони мимовільно створюють десятки непередбачених відгалужень з утворенням сотень побічних продуктів. У найзагальнішому вигляді методи керування хімічними процесами можна розділити на термодинамічні і кінетичні, а серед останніх провідну роль відіграють каталітичні методи.

Виділення хімічної термодинаміки у самостійний напрям вчення про хімічні процеси, звичайно, пов'язують із появою у 1884 р. книги «Нариси з хімічної динаміки» голландського хіміка Я. Вант-Гоффа. У ній обґрунтовані закони, що встановлюють залежність напряму хімічної реакції від зміни температури і теплового ефекту реакції. Тоді ж Ле-Шательє сформулював свій «принцип рухомої рівноваги», озброївши хіміків методами зміщення рівноваги у бік утворення цільових продуктів. Основними важелями керування реакцією є: температура, тиск (якщо реакція відбувається у газовій фазі) і концентрація реагуючих речовин (якщо реакція відбувається у рідкій фазі).

Кожна хімічна реакція, у принципі, оборотна, але на практиці рівновага зміщується в той або інший бік, що залежить як від природи реагентів, так і від умов процесу. Є реакції, які не вимагають особливих засобів керування: кислотно-основна взаємодія (нейтралізація), реакції, що супроводжуються видаленням готових продуктів або у вигляді газів, або у формі осадів. Але існує немало реакцій, рівновага яких зміщена вліво, до початкових речовин. Щоб їх здійснити, необхідні особливі термодинамічні важелі - збільшення температури, тиску і концентрації реагуючих речовин.

Термодинамічна дія впливає переважно на спрямованість хімічних процесів, а не на їх швидкість. Керуванням швидкістю хімічних процесів займається хімічна кінетика, в якій вивчається залежність перебігу хімічних процесів від різних структурно-кінетичних чинників: будови початкових реагентів, їх концентрації, наявності у реакторі каталізаторів та інших домішок, способів змішування реагентів, матеріалу і конструкції реактора і т.ін.

Завдання дослідження хімічних реакцій є виключно складним. Адже при його вирішенні необхідно з'ясувати механізм взаємодії не просто двох реагентів, а ще і «третіх тіл», яких може бути декілька. У цьому випадку найдоцільніше поетапне вирішення, при якому спочатку виділяється найбільш сильна дія будь-якого одного з «третіх тіл», найчастіше всього каталізатора.

Слід розуміти, що практично всі хімічні реакції є не простою взаємодією початкових реагентів, а складними ланцюгами послідовних стадій, де реагенти взаємодіють не тільки один з одним, але і зі стінками реактора, які можуть як каталізувати (прискорювати), так і інгібувати (уповільнювати) процес.

Досліди показують, що на інтенсивність хімічних процесів впливають також випадкові домішки. Речовини різного ступеня чистоти проявляють себе в одних випадках як активні реагенти, в інших - як інертні. Домішки можуть здійснювати як каталітичну, так і інгібовану дію. Тому для керування хімічним процесом у речовини, що реагують, вносять ті або інші домішки.

Таким чином, вплив «третіх тіл» на хід хімічних реакцій може бути зведений до каталізу, тобто позитивної дії на хімічний процес або до інгібування, тобто впливу, що стримує процес.

Каталіз у хімії робить справжні чудеса. Приклад цього -реакція синтезу аміаку. До 1913 р. її взагалі не могли провести. Тільки після того, як був винайдений каталізатор, цю реакцію вдалося здійснити при високій температурі і тиску. Але вона була технологічно дуже складною і небезпечною. На цей час відкриті умови, що дозволяють проводити її з використанням металоорганічних каталізаторів при нормальному тиску і кімнатній температурі.

Застосування каталізаторів стало основою докорінної перебудови всієї хімічної промисловості. Дякуючи їм, стало можливим увести в дію як сировину для органічного синтезу парафіну і циклопарафіну, що до цього часу вважалися хімічно неактивними. Каталіз є основою виробництва маргарину, багатьох харчових продуктів, а також засобів захисту рослин. Майже вся промисловість основної хімії (виробництво неорганічних кислот, основ і солей) і “важкого” органічного синтезу, враховуючи отримання паливно-мастильних матеріалів, базується на каталізі. Останнім часом тонкий органічний синтез також стає все більш каталітичним. 60 - 80 відсотків усієї хімії ґрунтується на каталітичних процесах. Хіміки небезпідставно говорять, що некаталітичних процесів у природі взагалі не існує, оскільки всі вони відбуваються у реакторах, матеріал стінок яких є своєрідним каталізатором. Але сам каталіз довгий час залишався загадкою природи, породжуючи найрізноманітніші теорії як чисто хімічні, так і фізичні.

Ці теорії, навіть будучи помилковими, виявлялися корисними хоча б тому, що підштовхували дослідників до нових експериментів. Адже для більшості промислово важливих хімічних процесів каталізатори підбиралися шляхом незліченних проб і помилок. Так, наприклад, для проведення вищезгаданої реакції синтезу аміаку у 1913 - 1914 роках німецькі хіміки випробували як каталізатор більше 20 тисяч хімічних сполук, використовуючи як елементи періодичної системи, так і різні їх поєднання.

Сьогодні можна зробити деякі висновки про суть каталізу:

1 Реагенти вступають у контакт з каталізатором і взаємодіють з ним, внаслідок цього відбувається ослаблення хімічних зв'язків

Якщо ж реакцію проводять за відсутності каталізатора, то активація молекул реагуючих речовин повинна відбуватися за рахунок подачі у реактор енергії ззовні.

2 У загальному випадку будь-яку каталітичну реакцію можна подати як таку, що відбуваються через проміжний комплекс, в якому відбувається перерозподіл ослаблених хімічних зв'язків

 

3 У переважній більшості випадків як каталізатори виступають сполуки бертолідного типу - речовини змінного складу, що відрізняються наявністю в них ослаблених хімічних зв'язків або навіть вільних валентностей. Це забезпечує їх високу хімічну активність. Такі молекули містять широкий набір енергетично неоднорідних зв'язків або навіть вільні атоми на поверхні.

4 Наслідком взаємодії реагентів з каталізатором є хід реакції у заданому напрямі; збільшення швидкості реакції, оскільки на поверхні каталізатора збільшується число зіштовхувань реагуючих молекул; відбір каталізатором деякої частини енергії екзотермічної реакції енергетичного підживлення все нових актів реакції і її загального прискорення.

На сучасному етапі свого розвитку вчення про хімічні процеси займається вивченням хімії плазми, радіаційної хімії, хімії високих тисків і температур.

Хімія плазми вивчає хімічні процеси в низькотемпературній плазмі (плазма - це іонізований газ). Вона досліджує перебіг хімічних реакцій при температурах від 1000 до 10000 0С. Такі процеси характеризуються збудженим станом частинок, зіткненнями молекул із зарядженими частинками і дуже високими швидкостями реакцій.

У плазмохімічних процесах швидкість перерозподілу хімічних зв'язків дуже висока: тривалість елементарних актів хімічних перетворень становить 10-13 с при повній відсутності оборотності реакції. Швидкість цих хімічних процесів у звичайних реакторах внаслідок їх оборотності знижується у тисячі разів. Тому плазмохімічні процеси дуже продуктивні.

Плазмова хімія останнім часом усе більше впроваджується у промислове виробництво. Вже створені технології виробництва сировини для порошкової металургії, розроблені методи синтезу для цілого ряду хімічних сполук. У 70-х роках XX ст. були створені плазмові сталеплавильні печі, що дозволяють одержувати дуже високоякісні метали. Розроблені методи іонно-плазмової обробки поверхні інструментів, зносостійкість яких збільшується у кілька разів.

Плазмохімія дозволяє синтезувати раніше невідомі матеріали, такі, як металобетон, у якому як зв’язуючий елемент використовуються різні метали. При сплавленні частинок гірської породи з металом утворюється металобетон, який перевершує за своїми якостями звичайний бетон у десятки і сотні разів.

Одним із наймолодших напрямків у дослідженні хімічних процесів є радіаційна хімія, яка зародилася у другій половині XX сторіччя. Предметом її розроблень стали перетворення найрізноманітніших речовин під впливом іонізуючих випромінювань. Джерелами іонізуючого випромінювання є рентгенівські установки, прискорювачі заряджених частинок, ядерні реактори, радіоактивні ізотопи. У результаті радіаційно-хімічних реакцій речовини одержують підвищені термостійкість і твердість.

Найбільш важливими процесами радіаційно-хімічної технології є полімеризація, вулканізація, виробництво композиційних матеріалів, зокрема, отримання полімербетонів шляхом просочення звичайного бетону яким-небудь полімером із подальшим опромінюванням. Такі бетони мають у 4 рази вищу міцність, ніж звичайні, вони водонепроникні і відзначаються високою корозійною стійкістю.

Сьогодні також принципово новою і виключно важливою галуззю вчення про хімічні процеси є високотемпературний синтез тугоплавких і керамічних матеріалів, що саморозповсюджується. Як правило, їх виробництво здійснюється методом порошкової металургії, суть якого полягає у пресуванні і стисненні при високій температурі (1200 – 2000 0С) металевих порошків. Синтез, що саморозповсюджується, є набагато простішим, оскільки базується на реакції горіння одного металу в іншому, або металу в азоті, вуглеці тощо.

Сьогодні абсолютно точно відомо, що процес горіння є поєднанням кисню з горючою речовиною. У хімії прийнято вважати горіння реакцією окислення горючої речовини, що означає переміщення електронів атомів горючого тіла до атомів кисню. З цієї точки зору горіння можливо не тільки у кисні, але і в інших окислювачах. На цьому ефекті і ґрунтується високотемпературний синтез, що саморозповсюджується. Це тепловий процес горіння у твердих тілах. Прикладом є горіння порошку титану у порошку бору або порошку цирконію у порошку кремнію. У результаті такого синтезу отримані сотні тугоплавких сполук найвищої якості.



загрузка...