Les transformations mutuelles des composés observées dans la faune, ainsi que celles résultant de l'activité humaine, peuvent être considérées comme des processus chimiques. Les réactifs qu'ils contiennent peuvent être deux substances ou plus qui se trouvent dans le même état d'agrégation ou dans des états d'agrégation différents. En fonction de cela, on distingue des systèmes homogènes ou hétérogènes. Les conditions de conduite, les caractéristiques du cours et le rôle des processus chimiques dans la nature seront examinés dans cet article.
Qu'entend-on par réaction chimique
Si, à la suite de l'interaction des substances initiales, les éléments constitutifs de leurs molécules subissent des modifications et que les charges des noyaux des atomes restent les mêmes, ils parlent de réactions ou de processus chimiques. Les produits formés à la suite de leur écoulement sont utilisés par l'homme dans l'industrie, l'agriculture et la vie quotidienne. Un grand nombre d'interactionsentre les substances se produit, à la fois dans la nature vivante et inanimée. Les processus chimiques ont une différence fondamentale avec les phénomènes physiques et les propriétés de la radioactivité. Des molécules de nouvelles substances s'y forment, tandis que les processus physiques ne modifient pas la composition des composés et que des atomes de nouveaux éléments chimiques apparaissent lors de réactions nucléaires.
Conditions de mise en œuvre des procédés en chimie
Ils peuvent être différents et dépendent principalement de la nature des réactifs, de la nécessité d'un apport d'énergie extérieur, ainsi que de l'état d'agrégation (solides, solutions, gaz) dans lequel se déroule le processus. Le mécanisme chimique d'interaction entre deux ou plusieurs composés peut être réalisé sous l'action de catalyseurs (par exemple, la production d'acide nitrique), de la température (obtention d'ammoniac), de l'énergie lumineuse (photosynthèse). Avec la participation d'enzymes dans la nature vivante, les procédés de la réaction chimique de fermentation (alcool, acide lactique, butyrique), utilisés dans les industries alimentaires et microbiologiques, sont répandus. Pour obtenir des produits dans l'industrie de la synthèse organique, l'une des principales conditions est la présence d'un mécanisme radicalaire du processus chimique. Un exemple serait la production de dérivés chlorés du méthane (dichlorométhane, trichlorométhane, tétrachlorure de carbone, résultant de réactions en chaîne.
Catalyse homogène
Ce sont des types particuliers de contact entre deux ou plusieurs substances. L'essence des processus chimiques se produisant dans une phase homogène (par exemple, gaz - gaz) avec la participation d'accélérateursréactions, consistent à réaliser des réactions dans tout le volume des mélanges. Si le catalyseur est dans le même état d'agrégation que les réactifs, il forme des complexes intermédiaires mobiles avec les composés de départ.
La catalyse homogène est un processus chimique de base utilisé, par exemple, dans le raffinage du pétrole, l'essence, le naphta, le gazole et d'autres carburants. Il utilise des technologies telles que le reformage, l'isomérisation, le craquage catalytique.
Catalyse hétérogène
Dans le cas de la catalyse hétérogène, le contact des réactifs se produit, le plus souvent, sur la surface solide du catalyseur lui-même. Des centres dits actifs s'y forment. Ce sont des zones où l'interaction des composés réactifs se déroule très rapidement, c'est-à-dire que la vitesse de réaction est élevée. Ils sont spécifiques à l'espèce et jouent également un rôle important si des processus chimiques se produisent dans les cellules vivantes. Ensuite, ils parlent de métabolisme - de réactions métaboliques. Un exemple de catalyse hétérogène est la production industrielle d'acide sulfaté. Dans l'appareil de contact, un mélange gazeux de dioxyde de soufre et d'oxygène est chauffé et passé à travers des étagères en treillis remplies de poudre dispersée d'oxyde de vanadium ou de sulfate de vanadyle VOSO4. Le produit résultant, le trioxyde de soufre, est ensuite absorbé par de l'acide sulfurique concentré. Un liquide appelé oléum se forme. Il peut être dilué avec de l'eau pour obtenir la concentration souhaitée d'acide sulfaté.
Caractéristiques des réactions thermochimiques
La libération ou l'absorption d'énergie sous forme de chaleur est d'une grande importance pratique. Il suffit de rappeler les réactions de combustion des combustibles: gaz naturel, charbon, tourbe. Ce sont des processus physiques et chimiques dont une caractéristique importante est la chaleur de combustion. Les réactions thermiques sont répandues à la fois dans le monde organique et dans la nature inanimée. Par exemple, dans le processus de digestion, les protéines, les lipides et les glucides sont décomposés sous l'action de substances biologiquement actives - les enzymes.
L'énergie libérée est accumulée sous forme de liaisons macroergiques des molécules d'ATP. Les réactions de dissimilation s'accompagnent d'un dégagement d'énergie dont une partie est dissipée sous forme de chaleur. À la suite de la digestion, chaque gramme de protéine fournit 17,2 kJ d'énergie, amidon - 17,2 kJ, graisse - 38,9 kJ. Les processus chimiques qui libèrent de l'énergie sont appelés exothermiques et ceux qui l'absorbent sont appelés endothermiques. Dans l'industrie de la synthèse organique et d'autres technologies, les effets thermiques des réactions thermochimiques sont calculés. Il est important de le savoir, par exemple, pour le calcul correct de la quantité d'énergie utilisée pour chauffer les réacteurs et les colonnes de synthèse dans lesquels se produisent des réactions, accompagnées d'absorption de chaleur.
La cinétique et son rôle dans la théorie des processus chimiques
Calculer la vitesse de réaction des particules (molécules, ions) est la tâche la plus importante à laquelle l'industrie est confrontée. Sa solution assure l'effet économique et la rentabilité des cycles technologiques dans la production chimique. Pour augmenterla vitesse d'une telle réaction, telle que la synthèse d'ammoniac, les facteurs décisifs seront un changement de pression dans un mélange gazeux d'azote et d'hydrogène jusqu'à 30 MPa, ainsi que la prévention d'une forte augmentation de la température (la température est de 450-550 °C est optimal).
Les procédés chimiques utilisés dans la production d'acide sulfaté, à savoir: la combustion des pyrites, l'oxydation du dioxyde de soufre, l'absorption du trioxyde de soufre par l'oléum, sont réalisés dans diverses conditions. Pour cela, un four à pyrite et des dispositifs de contact sont utilisés. Ils tiennent compte de la concentration des réactifs, de la température et de la pression. Tous ces facteurs sont en corrélation pour effectuer la réaction à la vitesse la plus élevée, ce qui augmente le rendement en acide sulfaté à 96-98 %.
Cycle des substances en tant que processus physiques et chimiques dans la nature
L'adage bien connu "Le mouvement c'est la vie" s'applique aussi aux éléments chimiques qui entrent dans divers types d'interactions (réactions de combinaison, de substitution, de décomposition, d'échange). Les molécules et les atomes des éléments chimiques sont en mouvement constant. Comme les scientifiques l'ont établi, tous les types de réactions chimiques ci-dessus peuvent s'accompagner de phénomènes physiques: dégagement de chaleur ou son absorption, émission de photons de lumière, modification de l'état d'agrégation. Ces processus se produisent dans chaque coquille de la Terre: lithosphère, hydrosphère, atmosphère, biosphère. Les plus importants d'entre eux sont les cycles de substances telles que l'oxygène, le dioxyde de carbone et l'azote. Dans la rubrique suivante, nous examinons comment l'azote circule dans l'atmosphère, le sol etorganismes vivants.
Interconversion de l'azote et de ses composés
Il est bien connu que l'azote est un composant nécessaire des protéines, ce qui signifie qu'il est impliqué dans la formation de tous les types de vie terrestre sans exception. L'azote est absorbé par les plantes et les animaux sous forme d'ions: ions ammonium, nitrate et nitrite. À la suite de la photosynthèse, les plantes forment non seulement du glucose, mais également des acides aminés, du glycérol et des acides gras. Tous les composés chimiques ci-dessus sont des produits de réactions se produisant dans le cycle de Calvin. L'éminent scientifique russe K. Timiryazev a parlé du rôle cosmique des plantes vertes, faisant référence, entre autres, à leur capacité à synthétiser des protéines.
Les herbivores tirent leurs peptides des aliments végétaux, tandis que les carnivores tirent leurs peptides de la viande de proie. Au cours de la décomposition des restes végétaux et animaux sous l'influence des bactéries saprotrophes du sol, des processus biologiques et chimiques complexes se produisent. En conséquence, l'azote des composés organiques passe sous une forme inorganique (l'ammoniac, l'azote libre, les nitrates et les nitrites se forment). De retour dans l'atmosphère et le sol, toutes ces substances sont à nouveau absorbées par les plantes. L'azote pénètre par les stomates de la peau des feuilles et les solutions d'acides nitrique et nitreux et leurs sels sont absorbés par les poils absorbants des racines des plantes. Le cycle de transformation de l'azote se referme pour se répéter. L'essence des processus chimiques se produisant avec des composés azotés dans la nature a été étudiée en détail au début du XXe siècle par le scientifique russe D. N. Pryanishnikov.
Métallurgie des poudres
Les processus et technologies chimiques modernes contribuent de manière significative à la création de matériaux aux propriétés physiques et chimiques uniques. Ceci est particulièrement important, tout d'abord, pour les instruments et équipements des raffineries de pétrole, les entreprises produisant des acides inorganiques, des colorants, des vernis et des plastiques. Dans leur production, des échangeurs de chaleur, des dispositifs de contact, des colonnes de synthèse, des pipelines sont utilisés. La surface de l'équipement est en contact avec des fluides agressifs sous haute pression. De plus, presque tous les processus de production chimique sont effectués à des températures élevées. Pertinent est la production de matériaux avec des taux élevés de résistance thermique et acide, des propriétés anti-corrosion.
La métallurgie des poudres comprend la production de poudres contenant des métaux, le frittage et l'incorporation dans des alliages modernes utilisés dans des réactions avec des substances chimiquement agressives.
Les composites et leur signification
Parmi les technologies modernes, les processus chimiques les plus importants sont les réactions d'obtention de matériaux composites. Ceux-ci incluent les mousses, les cermets, les norpapalsts. En tant que matrice de production, les métaux et leurs alliages, les céramiques et les plastiques sont utilisés. Le silicate de calcium, l'argile blanche, les ferrides de strontium et de baryum sont utilisés comme charges. Toutes les substances ci-dessus confèrent aux matériaux composites une résistance aux chocs, à la chaleur et à l'usure.
Qu'est-ce que le génie chimique
La branche de la science qui étudie les moyens et les méthodes utilisés dans les réactions de traitement des matières premières: pétrole, gaz naturel, charbon, minéraux, s'appelait la technologie chimique. En d'autres termes, c'est la science des processus chimiques résultant de l'activité humaine. Toute sa base théorique est constituée de mathématiques, de cybernétique, de physico-chimie et d'économie industrielle. Peu importe le processus chimique impliqué dans la technologie (obtention d'acide nitrique, décomposition du calcaire, synthèse de plastiques phénol-formaldéhyde) - dans les conditions modernes, il est impossible sans systèmes de contrôle automatisés qui facilitent les activités humaines, éliminent la pollution de l'environnement et garantissent technologie de production chimique continue et sans déchets.
Dans cet article, nous avons examiné des exemples de processus chimiques se produisant à la fois dans la faune (photosynthèse, dissimilation, cycle de l'azote) et dans l'industrie.
