Учение о химических процессах

Взаимодействие между атомами и молекулами, приводящее к образованию новых веществ, отличных от исходных по химическому составу или строению, называют химическими реакциями.

Подавляющее большинство химических реакций находится во власти стихии. Они трудноконтролируемые:

– в одних случаях их просто не удаётся осуществить, хотя они в принципе осуществимы,

– в других – трудно остановить, например, горение и взрывы,

– в третьих случаях их трудно ввести в желаемое направление.

В самом общем виде все методы управления химической реакцией можно подразделить на:

• термодинамические и

• кинетические.

Появление химической термодинамики связывают с работами голландского химика Вант-Гоффа и французского химика Ле-Шателье.

Вант-Гофф в 1884 году вывел законы, устанавливающие зависимость направления химической реакции от концентрации реагирующих веществ, а также от изменения температуры и давления.

Ле-Шателье в том же году сформулировал свой «принцип подвижного равновесия», на котором основан метод смещения равновесия в сторону получения целевых продуктов:

«Внешние воздействия, выводящие систему из состояния равновесия, вызывают в ней такие процессы, которые стремятся ослабить результат воздействия».

Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону, что зависит как от природы реагентов, так и от условий процесса.

Есть реакции, которые не требуют особых средств управления:

– реакции нейтрализации,

– реакции, сопровождающиеся удалением готовых продуктов или в виде газа, или в виде осадка.

Но существует немало реакций, равновесие которых смещено влево, к исходным веществам. И чтобы их осуществить, требуются термодинамические рычаги управления реакцией:

– это температура и давление, если реакция происходит в газовой фазе,

– и изменение концентрации реагирующих веществ, если реакция происходит в жидкой фазе.

Термодинамическое воздействие влияет преимущественно на направленность химических процессов, а не на их скорость.

На интенсивность химических процессов также оказывают влияние различные примеси. Примеси могут оказывать как каталитическое (положительно воздействующее), так и ингибиторное (сдерживающее процесс) действие.

Возьмем для примера реакцию образования аммиака:

N₂ + 3H₂ 2NH₃

Эта реакция имеет практическую значимость, поскольку аммиак необходим всем растительным культурам для питания.

Синтез аммиака из элементов не могли осуществить в течение многих лет (с 1813 по 1913 годы). И лишь используя термодинамические законы, то есть изменяя температуру и давление, удалось изменить направление реакции – сдвинуть её вправо и получить аммиак при температуре 400С и давлении 808 МПа (8 ат.).

Но повлиять на скорость реакции с позиций термодинамики не удалось.

Управлением скоростью химических процессов занимается химическая кинетика, в которой изучается зависимость протекания химических процессов от:

– строения исходных реагентов,

– их концентрации,

– наличия в реакторе катализатора и других факторов.

Именно с использованием катализаторов (железо в смеси с едким калием и глиноземом) с удовлетворительной скоростью был получен аммиак с достойным выходом. Но она оставалась очень трудной в технологическом исполнении и опасной.

А сейчас открыты условия проведения её при нормальном давлении и комнатной температуре с использованием магнийорганического катализатора (RMgClTiCl₄, где R – органический радикал).

__________________________________

Эта реакция, как оказалось впоследствии, моделирует работу азотфиксирующих бактерий, которые сожительствуют, например, с бобовыми растениями, облепихой, и располагающиеся в виде клубеньков на их корнях.

Азотбактор, как их называют, действует по принципу каталитического связывания свободного азота посредством металлоорганического катализатора.

Если систему азотфиксирующего аппарата искусственно, посредством генной инженерии, включить в злаковые растения, то они сами будут поглощать из атмосферы столько азота, сколько им необходимо для жизнедеятельности.

При этом, естественно, падает необходимость производства тысяч тонн азотного удобрения. Эта реакция может стать триумфом не только 20 века, но и третьего тысячелетия, так как рассматриваются пути переноса её из лаборатории на поля.

__________________________________

Итак, катализаторы способны существенно понижать величину энергии активации молекул и соответственно увеличивать скорость реакций, при этом катализатор не влияет на положение равновесия между исходными и конечными продуктами реакции.

Действие катализатора заключается в том, что он образует промежуточное соединение (интермедиат).

Катализатор (С) вступает в реакцию с субстратом (S), в результате чего образуется промежуточное соединение (CS):

1. С + S  CS

Затем это промежуточное соединение разлагается, образуя продукт Р и прежний катализатор С:

2. CS  C + P

Таким образом, катализатор расходуется на первой стадии и регенерирует на второй.

Особенностью взаимодействия реагентов с катализатором является ход реакции в заданном направлении.

На современном этапе своего развития учение о химических процессах занимается разработкой таких проблем, как

– химия плазмы,

– радиационная химия,

– химия высоких давлений и температур.

Плазмохимия изучает процессы в низкотемпературной плазме (плазма – это ионизированный газ). В отличие от высокотемпературной плазмы, которая имеет температуру миллионы градусов по Цельсию (из неё состоят Солнце и звёзды), низкотемпературная плазма имеет несколько десятков тысяч градусов (от 1 000 до 10 000С).

При таких температурах электроны приобретают достаточную энергию, чтобы оторваться от ядер. В результате газ становится ионизированным, в нём отрицательно заряженные электроны сосуществуют с положительно заряженными ионами.

От простого газа плазма отличается ещё и тем, что на неё действует магнитное поле, вследствие чего плазма способна проводить электрический ток.

В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень велика, за счёт этого длительность элементарных актов химического превращения составляет около 10^–13 сек. при почти полном отсутствии обратимости реакции. Поэтому эти процессы очень высокопроизводительны.

________________________________

Устройство для удержания плазмы (создано в 50 – 60 гг. 20 столетия) – плазмотрон представляет собой бутылкообразный медный сосуд и является анодом. Внутри сосуда – сопла – находится цилиндрический катод из вольфрама.

Когда в цепи появляется электрический ток, между электродами вспыхивает электрическая дуга. Если в зазор между электродами направить газ, он начнёт ионизироваться.

Горло «бутылки» сжимает дугу, повышает плотность тока, в результате чего повышается температура газа и степень его ионизации. Мощную струю плазмы из сопла можно направлять, например, на металл.

_________________________________

Плазменная технология позволяет получить материалы из таких компонентов, которые в иных условиях несовместимы.

Например, получить металлобетон, в котором в качестве связующего элемента используются различные металлы. С помощью плазменного луча оплавляют породу. В расплавленном состоянии у породы появляется способность связывания с металлами.

Металлобетоны отличаются высокой устойчивость и прочностью.

У нас в стране разработаны плазмохимические процессы:

– превращения угля в жидкое топливо,

– получения высококачественных ферросплавов,

– технического применения кремния и его сплавов

и ряд других технологий.

Первые опыты радиационной химии, выполненные 40 лет тому назад, были связаны с облучением полиэтилена гамма-лучами. Прочность полиэтилена при этом существенно возрастала.

Источником ионизирующего излучения служат:

– рентгеновские установки,

– ускорители заряженных частиц,

– ядерные реакторы,

– радиоактивные изотопы.

Под действием такого излучения вещества претерпевают глубокие изменения: в них образуются ионы и свободные атомы, которые взаимодействуют между собой. Это приводит к качественно новым веществам с повышенной термостойкостью и твердостью.

Наиболее важными процессами радиационной химической технологии являются:

– полимеризация,

– вулканизация,

– производство композиционных материалов, в том числе получение полимербетонов путём пропитки обычного бетона каким-нибудь полимером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в 4 раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозионной стойкостью.

Принципиально новой и исключительно важной областью учения о химических процессах является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) тугоплавких и керамических материалов.

Метод СВС основан на реакции горения одного металла в другом или металла в неметалле (в основном в азоте, углероде, кремнии).

Эта реакция между смесью порошков происходит самопроизвольно с выделением большого количества тепла после того, как будет подожжена, например, путём подачи искры.

В результате такого синтеза получены сотни тугоплавких соединений превосходного качества и необычных свойств.

Сама технология проста, не требует громоздкого технологического оборудования, экономна в энергозатратах. Это выдающееся открытие – достижение русских учёных из института физической химии РАН под руководством академика Мержанова.