ველურ ბუნებაში დაფიქსირებული ნაერთების ორმხრივი გარდაქმნები და ასევე წარმოიქმნება ადამიანის საქმიანობის შედეგად, შეიძლება ჩაითვალოს ქიმიურ პროცესებად. მათში რეაგენტები შეიძლება იყოს ორი ან მეტი ნივთიერება, რომლებიც ერთსა და იმავე ან აგრეგაციის სხვადასხვა მდგომარეობაშია. ამის მიხედვით განასხვავებენ ერთგვაროვან ან ჰეტეროგენულ სისტემებს. წინამდებარე ნაშრომში განხილული იქნება ჩატარების პირობები, კურსის თავისებურებები და ქიმიური პროცესების როლი ბუნებაში.
რა იგულისხმება ქიმიურ რეაქციაში
თუ საწყისი ნივთიერებების ურთიერთქმედების შედეგად მათი მოლეკულების შემადგენელი ნაწილები განიცდიან ცვლილებებს და ატომების ბირთვების მუხტები იგივე რჩება, ისინი საუბრობენ ქიმიურ რეაქციებზე ან პროცესებზე. მათი ნაკადის შედეგად წარმოქმნილ პროდუქტებს ადამიანი იყენებს მრეწველობაში, სოფლის მეურნეობაში და ყოველდღიურ ცხოვრებაში. ურთიერთქმედების დიდი რაოდენობანივთიერებებს შორის ხდება როგორც ცოცხალ, ისე უსულო ბუნებაში. ქიმიურ პროცესებს ფუნდამენტური განსხვავება აქვთ რადიოაქტიურობის ფიზიკური ფენომენებისა და თვისებებისგან. მათში წარმოიქმნება ახალი ნივთიერებების მოლეკულები, ხოლო ფიზიკური პროცესები არ ცვლის ნაერთების შემადგენლობას და ბირთვული რეაქციების დროს წარმოიქმნება ახალი ქიმიური ელემენტების ატომები.
ქიმიაში პროცესების განხორციელების პირობები
ისინი შეიძლება იყოს განსხვავებული და, პირველ რიგში, დამოკიდებულნი არიან რეაგენტების ბუნებაზე, გარედან ენერგიის შემოდინების საჭიროებაზე, აგრეთვე აგრეგაციის მდგომარეობაზე (მყარი, ხსნარი, აირები), რომელშიც ხდება პროცესი. ორ ან მეტ ნაერთს შორის ურთიერთქმედების ქიმიური მექანიზმი შეიძლება განხორციელდეს კატალიზატორების (მაგალითად, აზოტის მჟავის გამომუშავება), ტემპერატურის (ამიაკის მიღება), სინათლის ენერგიის (ფოტოსინთეზის) მოქმედებით. ცოცხალ ბუნებაში ფერმენტების მონაწილეობით, ფართოდ არის გავრცელებული დუღილის ქიმიური რეაქციის პროცესები (ალკოჰოლი, რძემჟავა, ბუტირი), რომელიც გამოიყენება კვების და მიკრობიოლოგიურ მრეწველობაში. ორგანული სინთეზის ინდუსტრიაში პროდუქტების მისაღებად, ერთ-ერთი მთავარი პირობაა ქიმიური პროცესის თავისუფალი რადიკალების მექანიზმის არსებობა. მაგალითი შეიძლება იყოს მეთანის ქლორის წარმოებულების (დიქლორმეთანი, ტრიქლორმეთანი, ნახშირბადის ტეტრაქლორიდი, ჯაჭვური რეაქციების შედეგად).
ჰომოგენური კატალიზი
ეს არის ორი ან მეტი ნივთიერების კონტაქტის განსაკუთრებული სახეობა. ქიმიური პროცესების არსი, რომელიც ხდება ერთგვაროვან ფაზაში (მაგალითად, გაზი - აირი) ამაჩქარებლების მონაწილეობით.რეაქციები, შედგება რეაქციების განხორციელებაში ნარევების მთელ მოცულობაში. თუ კატალიზატორი აგრეგაციის იმავე მდგომარეობაშია, როგორც რეაქტანტები, ის აყალიბებს მობილურ შუალედურ კომპლექსებს საწყის ნაერთებთან.
ჰომოგენური კატალიზი არის ძირითადი ქიმიური პროცესი, რომელიც გამოიყენება, მაგალითად, ნავთობის გადამუშავებაში, ბენზინში, ნაფტაში, გაზზეთში და სხვა საწვავში. ის იყენებს ტექნოლოგიებს, როგორიცაა რეფორმირება, იზომერიზაცია, კატალიზური კრეკინგი.
ჰეტეროგენული კატალიზი
ჰეტეროგენული კატალიზის შემთხვევაში, რეაქტიული ნივთიერებების კონტაქტი ხდება, ყველაზე ხშირად, თავად კატალიზატორის მყარ ზედაპირზე. მასზე იქმნება ე.წ აქტიური ცენტრები. ეს ის ადგილებია, სადაც რეაქტიული ნაერთების ურთიერთქმედება ძალიან სწრაფად მიმდინარეობს, ანუ რეაქციის სიჩქარე მაღალია. ისინი სპეციფიკურია სახეობებისთვის და მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ აგრეთვე იმ შემთხვევაში, თუ ქიმიური პროცესები ხდება ცოცხალ უჯრედებში. შემდეგ ისინი საუბრობენ მეტაბოლიზმზე - მეტაბოლურ რეაქციებზე. ჰეტეროგენული კატალიზის მაგალითია სულფატის მჟავას სამრეწველო წარმოება. კონტაქტურ აპარატში გოგირდის დიოქსიდისა და ჟანგბადის აირისებრი ნარევი თბება და გადის გისოსიან თაროებში, რომლებიც სავსეა ვანადიუმის ოქსიდის ან ვანადილის სულფატის დისპერსიული ფხვნილით VOSO4. შედეგად მიღებული პროდუქტი, გოგირდის ტრიოქსიდი, შემდეგ შეიწოვება კონცენტრირებული გოგირდის მჟავით. იქმნება სითხე, რომელსაც ოლეუმი ეწოდება. ის შეიძლება განზავდეს წყლით სულფატის მჟავის სასურველი კონცენტრაციის მისაღებად.
თერმოქიმიური რეაქციების თავისებურებები
ენერგიის გამოყოფას ან შთანთქმას სითბოს სახით დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს. საკმარისია გავიხსენოთ საწვავის წვის რეაქციები: ბუნებრივი აირი, ქვანახშირი, ტორფი. ეს არის ფიზიკური და ქიმიური პროცესები, რომელთა მნიშვნელოვანი მახასიათებელია წვის სითბო. თერმული რეაქციები გავრცელებულია როგორც ორგანულ სამყაროში, ასევე უსულო ბუნებაში. მაგალითად, მონელების პროცესში ბიოლოგიურად აქტიური ნივთიერებების - ფერმენტების მოქმედებით იშლება ცილები, ლიპიდები და ნახშირწყლები..
გამოთავისუფლებული ენერგია გროვდება ATP მოლეკულების მაკროერგიული ბმების სახით. დისიმილაციის რეაქციებს თან ახლავს ენერგიის გამოყოფა, რომლის ნაწილი იფანტება სითბოს სახით. მონელების შედეგად ყოველი გრამი ცილა იძლევა 17,2 კჯ ენერგიას, სახამებელი – 17,2 კჯ, ცხიმი – 38,9 კჯ. ქიმიურ პროცესებს, რომლებიც ათავისუფლებენ ენერგიას, ეწოდება ეგზოთერმული, ხოლო მათ, რომლებიც შთანთქავს მას, ეწოდება ენდოთერმული. ორგანული სინთეზის ინდუსტრიაში და სხვა ტექნოლოგიებში გამოითვლება თერმოქიმიური რეაქციების თერმული ეფექტები. ეს მნიშვნელოვანია ვიცოდეთ, მაგალითად, იმ რეაქტორებისა და სინთეზის სვეტების გასათბობად გამოყენებული ენერგიის რაოდენობის სწორი გამოსათვლელად, რომლებშიც მიმდინარეობს რეაქციები, რასაც თან ახლავს სითბოს შთანთქმა.
კინეტიკა და მისი როლი ქიმიური პროცესების თეორიაში
რეაქტიული ნაწილაკების (მოლეკულები, იონები) სიჩქარის გამოთვლა ყველაზე მნიშვნელოვანი ამოცანაა ინდუსტრიის წინაშე. მისი გადაწყვეტა უზრუნველყოფს ქიმიურ წარმოებაში ტექნოლოგიური ციკლების ეკონომიკურ ეფექტს და მომგებიანობას. გაზრდისთვისასეთი რეაქციის სიჩქარე, როგორიცაა ამიაკის სინთეზი, გადამწყვეტი ფაქტორები იქნება წნევის ცვლილება აზოტისა და წყალბადის გაზის ნარევში 30 მპა-მდე, აგრეთვე ტემპერატურის მკვეთრი ზრდის პრევენცია (ტემპერატურა არის 450-550 °C ოპტიმალური).
სულფატური მჟავას წარმოებაში გამოყენებული ქიმიური პროცესები, კერძოდ: პირიტების წვა, გოგირდის დიოქსიდის დაჟანგვა, გოგირდის ტრიოქსიდის შეწოვა ოლეუმის მიერ, მიმდინარეობს სხვადასხვა პირობებში. ამისათვის გამოიყენება პირიტის ღუმელი და საკონტაქტო მოწყობილობები. ისინი ითვალისწინებენ რეაგენტების კონცენტრაციას, ტემპერატურასა და წნევას. ყველა ეს ფაქტორი კორელაციას უწევს რეაქციის უმაღლეს ტემპს, რაც ზრდის სულფატის მჟავას გამოსავლიანობას 96-98%.
ნივთიერებების ციკლი, როგორც ფიზიკური და ქიმიური პროცესები ბუნებაში
ცნობილი გამონათქვამი "მოძრაობა სიცოცხლეა" ასევე შეიძლება გამოვიყენოთ ქიმიურ ელემენტებზე, რომლებიც შედიან სხვადასხვა სახის ურთიერთქმედებაში (კომბინაციის რეაქციები, ჩანაცვლება, დაშლა, გაცვლა). ქიმიური ელემენტების მოლეკულები და ატომები მუდმივ მოძრაობაში არიან. როგორც მეცნიერებმა დაადგინეს, ყველა ზემოთ ჩამოთვლილ ქიმიურ რეაქციას შეიძლება თან ახლდეს ფიზიკური მოვლენები: სითბოს გამოყოფა ან მისი შთანთქმა, სინათლის ფოტონების გამოყოფა, აგრეგაციის მდგომარეობის ცვლილება. ეს პროცესები ხდება დედამიწის ყველა გარსში: ლითოსფერო, ჰიდროსფერო, ატმოსფერო, ბიოსფერო. მათგან ყველაზე მნიშვნელოვანი არის ნივთიერებების ციკლები, როგორიცაა ჟანგბადი, ნახშირორჟანგი და აზოტი. შემდეგ სათაურში ჩვენ ვუყურებთ, თუ როგორ ცირკულირებს აზოტი ატმოსფეროში, ნიადაგში დაცოცხალი ორგანიზმები.
აზოტისა და მისი ნაერთების ურთიერთგარდაქმნა
საყოველთაოდ ცნობილია, რომ აზოტი ცილების აუცილებელი კომპონენტია, რაც იმას ნიშნავს, რომ იგი მონაწილეობს ყველა სახის მიწიერი ცხოვრების ფორმირებაში გამონაკლისის გარეშე. აზოტს მცენარეები და ცხოველები შთანთქავენ იონების სახით: ამონიუმის, ნიტრატის და ნიტრიტის იონების სახით. ფოტოსინთეზის შედეგად მცენარეები წარმოქმნიან არა მხოლოდ გლუკოზას, არამედ ამინომჟავებს, გლიცეროლს და ცხიმოვან მჟავებს. ყველა ზემოთ ჩამოთვლილი ქიმიური ნაერთი არის კალვინის ციკლში მიმდინარე რეაქციების პროდუქტები. გამოჩენილმა რუსმა მეცნიერმა კ.ტიმირიაზევმა ისაუბრა მწვანე მცენარეების კოსმოსურ როლზე, სხვა საკითხებთან ერთად, ცილების სინთეზის უნარზეც.
მწვანილები პეპტიდებს მცენარეული საკვებიდან იღებენ, ხოლო ხორცისმჭამელები პეპტიდებს მტაცებელი ხორციდან. მცენარეული და ცხოველური ნაშთების დაშლის დროს საპროტროფული ნიადაგის ბაქტერიების გავლენის ქვეშ ხდება რთული ბიოლოგიური და ქიმიური პროცესები. შედეგად, ორგანული ნაერთებიდან აზოტი გადადის არაორგანულ ფორმაში (წარმოიქმნება ამიაკი, თავისუფალი აზოტი, ნიტრატები და ნიტრიტები). ატმოსფეროში და ნიადაგში დაბრუნების შემდეგ, ყველა ეს ნივთიერება კვლავ შეიწოვება მცენარეების მიერ. აზოტი შედის ფოთლების კანის სტომატით, ხოლო აზოტის და აზოტის მჟავების ხსნარები და მათი მარილები შეიწოვება მცენარის ფესვების ფესვების თმებით. აზოტის ტრანსფორმაციის ციკლი იხურება, რათა კვლავ განმეორდეს. ბუნებაში აზოტის ნაერთებთან მიმდინარე ქიმიური პროცესების არსი დეტალურად შეისწავლა XX საუკუნის დასაწყისში რუსმა მეცნიერმა დ.ნ.პრიანიშნიკოვმა..
ფხვნილის მეტალურგია
თანამედროვე ქიმიური პროცესები და ტექნოლოგიები მნიშვნელოვანი წვლილი შეაქვს უნიკალური ფიზიკური და ქიმიური თვისებების მქონე მასალების შექმნაში. ეს განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია, პირველ რიგში, ნავთობგადამამუშავებელი ქარხნების ინსტრუმენტებისა და აღჭურვილობისთვის, საწარმოებისთვის, რომლებიც აწარმოებენ არაორგანულ მჟავებს, საღებავებს, ლაქებს და პლასტმასებს. მათ წარმოებაში გამოიყენება სითბოს გადამცვლელები, საკონტაქტო მოწყობილობები, სინთეზის სვეტები, მილსადენები. აღჭურვილობის ზედაპირი კონტაქტშია აგრესიულ მედიასთან მაღალი წნევის ქვეშ. უფრო მეტიც, თითქმის ყველა ქიმიური წარმოების პროცესი ხორციელდება მაღალ ტემპერატურაზე. აქტუალურია მასალების წარმოება თერმული და მჟავა წინააღმდეგობის მაღალი მაჩვენებლით, ანტიკოროზიული თვისებებით.
ფხვნილის მეტალურგია მოიცავს ლითონის შემცველი ფხვნილების წარმოებას, შედუღებას და თანამედროვე შენადნობებში შეყვანას, რომლებიც გამოიყენება ქიმიურად აგრესიულ ნივთიერებებთან რეაქციებში.
კომპოზიტები და მათი მნიშვნელობა
თანამედროვე ტექნოლოგიებს შორის ყველაზე მნიშვნელოვანი ქიმიური პროცესებია კომპოზიციური მასალების მიღების რეაქციები. მათ შორისაა ქაფი, კერმეტები, ნორპაპალტები. როგორც წარმოების მატრიცა, გამოიყენება ლითონები და მათი შენადნობები, კერამიკა და პლასტმასი. შემავსებლებად გამოიყენება კალციუმის სილიკატი, თეთრი თიხა, სტრონციუმი და ბარიუმის ფერიდები. ყველა ზემოაღნიშნული ნივთიერება იძლევა კომპოზიტურ მასალებს ზემოქმედების წინააღმდეგობას, სითბოს და ცვეთაგამძლეობას.
რა არის ქიმიური ინჟინერია
მეცნიერების დარგს, რომელიც სწავლობს ნედლეულის გადამუშავების რეაქციებში გამოყენებულ საშუალებებსა და მეთოდებს: ნავთობი, ბუნებრივი აირი, ქვანახშირი, მინერალები, ეწოდა ქიმიური ტექნოლოგია. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ეს არის მეცნიერება ქიმიური პროცესების შესახებ, რომლებიც ხდება ადამიანის საქმიანობის შედეგად. მისი მთელი თეორიული ბაზა შედგება მათემატიკისგან, კიბერნეტიკისგან, ფიზიკური ქიმიისა და სამრეწველო ეკონომიკისგან. არ აქვს მნიშვნელობა რა ქიმიური პროცესია ჩართული ტექნოლოგიაში (ნიტრატის მჟავის მიღება, კირქვის დაშლა, ფენოლ-ფორმალდეჰიდის პლასტმასის სინთეზი) - თანამედროვე პირობებში შეუძლებელია ავტომატური კონტროლის სისტემების გარეშე, რომლებიც ხელს უწყობენ ადამიანის საქმიანობას, აღმოფხვრის გარემოს დაბინძურებას და უზრუნველყოფს. უწყვეტი და უნაყოფო ქიმიური წარმოების ტექნოლოგია.
ამ ნაშრომში განვიხილეთ ქიმიური პროცესების მაგალითები, რომლებიც ხდება როგორც ველურ ბუნებაში (ფოტოსინთეზი, დისიმილაცია, აზოტის ციკლი) და ინდუსტრიაში.
