Reacțiile chimice ar trebui să fie diferențiate de reacțiile nucleare. Ca rezultat al reacțiilor chimice, numărul total de atomi ai fiecărui element chimic și compoziția sa izotopică nu se modifică. Reacțiile nucleare sunt o altă problemă - procesele de transformare a nucleelor atomice ca urmare a interacțiunii lor cu alte nuclee sau particule elementare, de exemplu, transformarea aluminiului în magneziu:
27 13 Al + 1 1 H \u003d 24 12 Mg + 4 2 He
Clasificarea reacțiilor chimice are mai multe fațete, adică se poate baza pe diferite semne. Dar sub oricare dintre aceste semne pot fi atribuite reacții atât între substanțele anorganice, cât și între substanțele organice.
Luați în considerare clasificarea reacțiilor chimice în funcție de diferite criterii.
I. După numărul şi compoziţia reactanţilor
Reacții care au loc fără modificarea compoziției substanțelor.
În chimia anorganică, astfel de reacții includ procesele de obținere a modificărilor alotropice ale unui element chimic, de exemplu:
C (grafit) ↔ C (diamant)
S (rombic) ↔ S (monoclinic)
R (alb) ↔ R (roșu)
Sn (cositor alb) ↔ Sn (cositor gri)
3O 2 (oxigen) ↔ 2O 3 (ozon)
În chimia organică, acest tip de reacții pot include reacții de izomerizare care apar fără a modifica nu numai compoziția calitativă, ci și cantitativă a moleculelor de substanțe, de exemplu:
1. Izomerizarea alcanilor.
Reacția de izomerizare a alcanilor este de mare importanță practică, deoarece hidrocarburile izostructurii au o capacitate mai mică de detonare.
2. Izomerizarea alchenelor.
3. Izomerizarea alchinelor (reacția lui A. E. Favorsky).
CH 3 - CH 2 - C \u003d - CH ↔ CH 3 - C \u003d - C- CH 3
etilacetilenă dimetilacetilenă
4. Izomerizarea haloalcanilor (A. E. Favorsky, 1907).
5. Izomerizarea cianului de amoniu la încălzire.
Pentru prima dată, ureea a fost sintetizată de F. Wehler în 1828 prin izomerizarea cianatului de amoniu la încălzire.
Reacții care vin odată cu modificarea compoziției unei substanțe
Există patru tipuri de astfel de reacții: compuși, descompunere, substituții și schimburi.
1. Reacțiile de legătură sunt astfel de reacții în care o substanță complexă se formează din două sau mai multe substanțe
În chimia anorganică, întreaga varietate de reacții compuse poate fi luată în considerare, de exemplu, folosind exemplul de reacții pentru obținerea acidului sulfuric din sulf:
1. Obținerea oxidului de sulf (IV):
S + O 2 \u003d SO - o substanță complexă este formată din două substanțe simple.
2. Obținerea oxidului de sulf (VI):
SO 2 + 0 2 → 2SO 3 - dintr-o substanță simplă și complexă se formează o substanță complexă.
3. Obținerea acidului sulfuric:
SO 3 + H 2 O \u003d H 2 SO 4 - un complex este format din două substanțe complexe.
Un exemplu de reacție compusă în care se formează o substanță complexă din mai mult de două materii prime este etapa finală în producerea acidului azotic:
4NO 2 + O 2 + 2H 2 O \u003d 4HNO 3
În chimia organică, reacțiile compuse sunt denumite în mod obișnuit „reacții de adiție”. Întreaga varietate de astfel de reacții poate fi luată în considerare pe exemplul unui bloc de reacții care caracterizează proprietățile substanțelor nesaturate, de exemplu, etilena:
1. Reacția de hidrogenare - adiție de hidrogen:
CH 2 \u003d CH 2 + H 2 → H 3 -CH 3
etena → etan
2. Reacția de hidratare – adăugare de apă.
3. Reacția de polimerizare.
2. Reacțiile de descompunere sunt astfel de reacții în care dintr-o substanță complexă se formează mai multe substanțe noi.
În chimia anorganică, întreaga varietate de astfel de reacții poate fi luată în considerare în blocul de reacții pentru obținerea oxigenului prin metode de laborator:
1. Descompunerea oxidului de mercur (II) - dintr-o substanță complexă se formează două simple.
2. Descompunerea azotatului de potasiu - dintr-o substanță complexă se formează una simplă și una complexă.
3. Descompunerea permanganatului de potasiu - dintr-o substanță complexă se formează două complexe și una simplă, adică trei substanțe noi.
În chimia organică, reacțiile de descompunere pot fi luate în considerare pe blocul de reacții pentru producerea etilenei în laborator și în industrie:
1. Reacția de deshidratare (diviziunea apei) a etanolului:
C 2 H 5 OH → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 O
2. Reacția de dehidrogenare (divizare a hidrogenului) a etanului:
CH 3 -CH 3 → CH 2 \u003d CH 2 + H 2
sau CH3-CH3 → 2C + ZH2
3. Reacția de cracare (divizare) a propanului:
CH 3 -CH 2 -CH 3 → CH 2 \u003d CH 2 + CH 4
3. Reacțiile de substituție sunt astfel de reacții în urma cărora atomii unei substanțe simple îi înlocuiesc pe atomii unui element dintr-o substanță complexă.
În chimia anorganică, un exemplu de astfel de procese este un bloc de reacții care caracterizează proprietățile, de exemplu, ale metalelor:
1. Interacțiunea metalelor alcaline sau alcalino-pământoase cu apa:
2Na + 2H 2 O \u003d 2NaOH + H 2
2. Interacțiunea metalelor cu acizii în soluție:
Zn + 2HCI = ZnCI2 + H2
3. Interacțiunea metalelor cu sărurile în soluție:
Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu
4. Metaltermie:
2Al + Cr 2 O 3 → Al 2 O 3 + 2Cr
Subiectul de studiu al chimiei organice nu îl reprezintă substanțele simple, ci doar compușii. Prin urmare, ca exemplu de reacție de substituție, oferim cea mai caracteristică proprietate a compușilor saturați, în special metanul, capacitatea atomilor săi de hidrogen de a fi înlocuiți cu atomi de halogen. Un alt exemplu este bromurarea unui compus aromatic (benzen, toluen, anilină).
C6H6 + Br2 → C6H5Br + HBr
benzen → bromobenzen
Să acordăm atenție particularității reacției de substituție în substanțele organice: în urma unor astfel de reacții, nu se formează o substanță simplă și complexă, ca în chimia anorganică, ci două substanțe complexe.
În chimia organică, reacțiile de substituție includ și unele reacții între două substanțe complexe, de exemplu, nitrarea benzenului. Este formal o reacție de schimb. Faptul că aceasta este o reacție de substituție devine clar doar când se ia în considerare mecanismul acesteia.
4. Reacțiile de schimb sunt astfel de reacții în care două substanțe complexe își schimbă părțile constitutive
Aceste reacții caracterizează proprietățile electroliților și se desfășoară în soluții conform regulii Berthollet, adică numai dacă se formează un precipitat, un gaz sau o substanță cu disociere scăzută (de exemplu, H 2 O).
În chimia anorganică, acesta poate fi un bloc de reacții care caracterizează, de exemplu, proprietățile alcaline:
1. Reacție de neutralizare care vine cu formarea de sare și apă.
2. Reacția dintre alcali și sare, care merge cu formarea gazului.
3. Reacția dintre alcali și sare, care vine cu formarea unui precipitat:
СuSO 4 + 2KOH \u003d Cu (OH) 2 + K 2 SO 4
sau sub formă ionică:
Cu 2+ + 2OH - \u003d Cu (OH) 2
În chimia organică, se poate lua în considerare un bloc de reacții care caracterizează, de exemplu, proprietățile acidului acetic:
1. Reacția care are loc cu formarea unui electrolit slab - H 2 O:
CH3COOH + NaOH → Na (CH3COO) + H2O
2. Reacția care vine cu formarea gazului:
2CH 3 COOH + CaCO 3 → 2CH 3 COO + Ca 2+ + CO 2 + H 2 O
3. Reacția care decurge cu formarea unui precipitat:
2CH 3 COOH + K 2 SO 3 → 2K (CH 3 COO) + H 2 SO 3
2CH 3 COOH + SiO → 2CH 3 COO + H 2 SiO 3
II. Prin modificarea stărilor de oxidare ale elementelor chimice care formează substanţe
Pe această bază, se disting următoarele reacții:
1. Reacții care apar cu modificarea stărilor de oxidare ale elementelor sau reacții redox.
Acestea includ multe reacții, inclusiv toate reacțiile de substituție, precum și acele reacții de combinare și descompunere la care participă cel puțin o substanță simplă, de exemplu:
1. Mg 0 + H + 2 SO 4 \u003d Mg + 2 SO 4 + H 2
2. 2Mg 0 + O 0 2 = Mg + 2 O -2
Reacțiile redox complexe sunt compilate folosind metoda echilibrului electronic.
2KMn +7 O 4 + 16HCl - \u003d 2KCl - + 2Mn +2 Cl - 2 + 5Cl 0 2 + 8H 2 O
În chimia organică, proprietățile aldehidelor pot servi ca un exemplu izbitor de reacții redox.
1. Se reduc la alcoolii corespunzători:
Aldecidele sunt oxidate la acizii corespunzători:
2. Reacții care au loc fără modificarea stărilor de oxidare ale elementelor chimice.
Acestea includ, de exemplu, toate reacțiile de schimb ionic, precum și multe reacții compuse, multe reacții de descompunere, reacții de esterificare:
HCOOH + CHgOH = HSOCH3 + H2O
III. Prin efect termic
În funcție de efectul termic, reacțiile sunt împărțite în exoterme și endoterme.
1. Reacțiile exoterme au loc cu eliberarea de energie.
Acestea includ aproape toate reacțiile compuse. O excepție rară o constituie reacțiile endoterme de sinteză a oxidului nitric (II) din azot și oxigen și reacția hidrogenului gazos cu iodul solid.
Reacțiile exoterme care au loc cu eliberarea luminii sunt denumite reacții de ardere. Hidrogenarea etilenei este un exemplu de reacție exotermă. Funcționează la temperatura camerei.
2. Reacțiile endoterme au loc cu absorbția energiei.
Evident, aproape toate reacțiile de descompunere li se vor aplica, de exemplu:
1. Calcinarea calcarului
2. Crăparea butanului
Cantitatea de energie eliberată sau absorbită ca rezultat al reacției se numește efect termic al reacției, iar ecuația unei reacții chimice care indică acest efect se numește ecuație termochimică:
H 2 (g) + C 12 (g) \u003d 2HC 1 (g) + 92,3 kJ
N 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2NO (g) - 90,4 kJ
IV. În funcție de starea de agregare a substanțelor care reacţionează (compoziţia de fază)
După starea de agregare a substanţelor care reacţionează, există:
1. Reacții eterogene - reacții în care reactanții și produșii de reacție sunt în diferite stări de agregare (în faze diferite).
2. Reacții omogene - reacții în care reactanții și produșii de reacție sunt în aceeași stare de agregare (într-o fază).
V. Conform participării catalizatorului
În funcție de participarea catalizatorului, există:
1. Reacții necatalitice care au loc fără participarea unui catalizator.
2. Reacții catalitice care au loc cu participarea unui catalizator. Deoarece toate reacțiile biochimice care au loc în celulele organismelor vii au loc cu participarea unor catalizatori biologici speciali de natură proteică - enzime, toate sunt catalitice sau, mai precis, enzimatice. Trebuie remarcat faptul că peste 70% din industriile chimice folosesc catalizatori.
VI. Către
După direcție există:
1. Reacțiile ireversibile se desfășoară în condiții date într-o singură direcție. Acestea includ toate reacțiile de schimb însoțite de formarea unui precipitat, gaz sau a unei substanțe cu disociere scăzută (apa) și toate reacțiile de ardere.
2. Reacțiile reversibile în aceste condiții au loc simultan în două direcții opuse. Cele mai multe dintre aceste reacții sunt.
În chimia organică, semnul reversibilității se reflectă în numele - antonime ale proceselor:
Hidrogenare - dehidrogenare,
Hidratare - deshidratare,
Polimerizare – depolimerizare.
Toate reacțiile de esterificare sunt reversibile (procesul opus, după cum știți, se numește hidroliză) și hidroliza proteinelor, esterilor, carbohidraților, polinucleotidelor. Reversibilitatea acestor procese stă la baza celei mai importante proprietăți a unui organism viu - metabolismul.
VII. În funcție de mecanismul curgerii, există:
1. Între radicalii și moleculele formate în timpul reacției au loc reacții radicale.
După cum știți deja, în toate reacțiile, vechile legături chimice sunt rupte și se formează noi legături chimice. Metoda de rupere a legăturii în moleculele substanței inițiale determină mecanismul (calea) reacției. Dacă substanța este formată dintr-o legătură covalentă, atunci pot exista două moduri de a rupe această legătură: hemolitică și heterolitică. De exemplu, pentru moleculele de Cl 2 , CH 4 etc., se realizează o ruptură hemolitică a legăturilor, aceasta va duce la formarea de particule cu electroni nepereche, adică radicali liberi.
Radicalii se formează cel mai adesea atunci când legăturile sunt rupte în care perechile de electroni partajate sunt distribuite aproximativ egal între atomi (legatură covalentă nepolară), dar multe legături polare pot fi, de asemenea, rupte într-un mod similar, în special atunci când reacția are loc în faza gazoasă și sub influența luminii, ca, de exemplu, în cazul proceselor discutate mai sus - interacțiunea dintre C 12 și CH 4 - . Radicalii sunt foarte reactivi, deoarece tind să-și completeze stratul de electroni prin luarea unui electron de la un alt atom sau moleculă. De exemplu, când un radical de clor se ciocnește cu o moleculă de hidrogen, acesta rupe perechea de electroni comună care leagă atomii de hidrogen și formează o legătură covalentă cu unul dintre atomii de hidrogen. Al doilea atom de hidrogen, devenind radical, formează o pereche de electroni comună cu electronul nepereche al atomului de clor din molecula de Cl 2 care se prăbușește, rezultând un radical de clor care atacă o nouă moleculă de hidrogen etc.
Reacțiile, care sunt un lanț de transformări succesive, se numesc reacții în lanț. Pentru dezvoltarea teoriei reacțiilor în lanț, doi chimiști remarcabili - compatriotul nostru N. N. Semenov și englezul S. A. Hinshelwood au primit Premiul Nobel.
Reacția de substituție între clor și metan decurge în mod similar:
Majoritatea reacțiilor de ardere a substanțelor organice și anorganice, sinteza apei, amoniacului, polimerizarea etilenei, clorurii de vinil etc. se desfășoară după mecanismul radical.
2. Reacțiile ionice au loc între ionii deja prezenți sau formați în timpul reacției.
Reacțiile ionice tipice sunt interacțiunile dintre electroliții în soluție. Ionii se formează nu numai în timpul disocierii electroliților în soluții, ci și sub acțiunea descărcărilor electrice, a încălzirii sau a radiațiilor. Razele γ, de exemplu, transformă moleculele de apă și metan în ioni moleculari.
Conform unui alt mecanism ionic, există reacții de adăugare de halogenuri de hidrogen, hidrogen, halogeni la alchene, oxidarea și deshidratarea alcoolilor, înlocuirea alcoolului hidroxil cu halogen; reacţii care caracterizează proprietăţile aldehidelor şi acizilor. Ionii în acest caz sunt formați prin ruperea heterolitică a legăturilor polare covalente.
VIII. După tipul de energie
care initiaza reactia, exista:
1. Reacții fotochimice. Ele sunt inițiate de energia luminii. Pe lângă procesele fotochimice de mai sus de sinteza HCl sau reacția metanului cu clorul, acestea includ producerea de ozon în troposferă ca poluant atmosferic secundar. În acest caz, oxidul nitric (IV) acționează ca cel primar, care formează radicali de oxigen sub acțiunea luminii. Acești radicali interacționează cu moleculele de oxigen, rezultând ozon.
Formarea ozonului continuă atâta timp cât există suficientă lumină, deoarece NO poate interacționa cu moleculele de oxigen pentru a forma același NO 2 . Acumularea de ozon și alți poluanți secundari ai aerului poate duce la smog fotochimic.
Acest tip de reacție include și cel mai important proces care are loc în celulele vegetale - fotosinteza, al cărui nume vorbește de la sine.
2. Reacții de radiație. Ele sunt inițiate de radiații de înaltă energie - raze X, radiații nucleare (raze γ, particule a - He 2+ etc.). Cu ajutorul reacțiilor de radiație se realizează radiopolimerizare foarte rapidă, radioliză (descompunere prin radiații) etc.
De exemplu, în loc de o producție în două etape de fenol din benzen, acesta poate fi obținut prin interacțiunea benzenului cu apa sub acțiunea radiațiilor. În acest caz, radicalii [OH] și [H] sunt formați din molecule de apă, cu care benzenul reacționează pentru a forma fenol:
C6H6 + 2 [OH] → C6H5OH + H2O
Vulcanizarea cauciucului poate fi efectuată fără sulf folosind radiovulcanizarea, iar cauciucul rezultat nu va fi mai rău decât cauciucul tradițional.
3. Reacții electrochimice. Ele sunt inițiate de un curent electric. Pe lângă reacțiile de electroliză bine cunoscute de dvs., indicăm și reacțiile de electrosinteză, de exemplu, reacțiile de producție industrială de oxidanți anorganici
4. Reacții termochimice. Sunt inițiate de energia termică. Acestea includ toate reacțiile endoterme și multe reacții exoterme care necesită o furnizare inițială de căldură, adică inițierea procesului.
Clasificarea de mai sus a reacțiilor chimice este reflectată în diagramă.
Clasificarea reacțiilor chimice, ca toate celelalte clasificări, este condiționată. Oamenii de știință au convenit să împartă reacțiile în anumite tipuri în funcție de semnele pe care le-au identificat. Dar majoritatea transformărilor chimice pot fi atribuite diferitelor tipuri. De exemplu, să caracterizăm procesul de sinteză a amoniacului.
Aceasta este o reacție compusă, redox, exotermă, reversibilă, catalitică, eterogenă (mai precis, catalitică eterogenă), care procedează cu o scădere a presiunii în sistem. Pentru a gestiona cu succes procesul, toate informațiile de mai sus trebuie luate în considerare. O reacție chimică specifică este întotdeauna multi-calitativă, este caracterizată de caracteristici diferite.
Clasificarea reacțiilor chimice care stau la baza proceselor chimico-tehnologice industriale
PROCESUL CHIMICO-TEHNOLOGIC ŞI CONŢINUTUL SĂU
Procesul chimico-tehnologic este un ansamblu de operatii care fac posibila obtinerea produsului tinta din materia prima. Toate aceste operațiuni fac parte din trei etape principale, caracteristice aproape oricărui proces chimico-tehnologic.
În prima etapă se efectuează operațiunile necesare pregătirii reactivilor inițiali pentru reacția chimică. Reactivii sunt transferați, în special, în starea cea mai reactivă. De exemplu, se știe că viteza reacțiilor chimice depinde puternic de temperatură, așa că adesea reactivii sunt încălziți înainte de reacție. Materiile prime gazoase sunt supuse compresiei la o anumită presiune pentru a crește eficiența procesului și a reduce dimensiunea echipamentului. Pentru a elimina efectele secundare și a obține un produs de înaltă calitate, materia primă este supusă epurării de impurități folosind metode bazate pe diferența de proprietăți fizice (solubilitate în diverși solvenți, densitate, temperaturi de condensare și cristalizare etc.). În purificarea materiilor prime și a amestecurilor de reacție, fenomenele de transfer de căldură și masă, procesele hidromecanice sunt utilizate pe scară largă. Se pot folosi și metode de curățare chimică, bazate pe reacții chimice, în urma cărora impuritățile inutile sunt transformate în substanțe ușor separabile.
Reactivii pregătiți corespunzător în etapa următoare sunt supuși unei interacțiuni chimice, care poate consta în mai multe etape. În intervalele dintre aceste etape, uneori este necesară reutilizarea transferului de căldură și de masă și a altor procese fizice. De exemplu, în producția de acid sulfuric, dioxidul de sulf este parțial oxidat la trioxid, apoi amestecul de reacție este răcit, trioxidul de sulf este îndepărtat din acesta prin absorbție și din nou direcționat către oxidare.
În urma reacțiilor chimice, se obține un amestec de produse (țintă, produse secundare, produse secundare) și reactivi nereacționați. Operațiunile finale ale ultimei etape sunt asociate cu separarea acestui amestec, pentru care se folosesc din nou procese hidromecanice, de transfer de căldură și de masă, de exemplu: filtrare, centrifugare, rectificare, absorbție, extracție etc. Produsele de reacție sunt trimise către depozitul de produse finite sau pentru prelucrare ulterioară; materiile prime nereacționate sunt reutilizate în proces, organizându-se reciclarea acestuia.
În toate etapele, și mai ales la cele finale, se realizează și valorificarea resurselor materiale și energetice secundare. Fluxurile de substanțe gazoase și lichide care intră în mediu sunt supuse epurării și neutralizării de impuritățile periculoase. Deșeurile solide sunt fie trimise pentru prelucrare ulterioară, fie plasate pentru depozitare în condiții ecologice.
Astfel, procesul chimico-tehnologic în ansamblu este un sistem complex format din procese (elemente) unice interconectate și care interacționează cu mediul.
Elementele sistemului chimico-tehnologic sunt procesele de mai sus de transfer de căldură și masă, hidromecanice, chimice etc. Sunt considerate procese unice de tehnologie chimică.
Un subsistem important al unui proces chimico-tehnologic complex este un proces chimic.
Un proces chimic este una sau mai multe reacții chimice însoțite de fenomene de transfer de căldură, masă și impuls care se afectează atât reciproc, cât și cursul unei reacții chimice.
Analiza proceselor individuale, influența lor reciprocă ne permite să dezvoltăm un regim tehnologic.
Un regim tehnologic este un ansamblu de parametri tehnologici (temperatura, presiunea, concentratiile de reactivi etc.) care determina conditiile de functionare ale unui aparat sau unui sistem de aparate (schema tehnologica).
Condițiile optime de proces sunt o combinație a parametrilor principali (temperatura, presiunea, compoziția amestecului de reacție inițial etc.), care face posibilă obținerea celui mai mare randament de produs la o viteză mare sau asigurarea celui mai mic cost, sub rezerva condiţiile de utilizare raţională a materiilor prime şi energiei şi minimizarea eventualelor daune aduse mediului.mediu.
Procesele individuale au loc în diferite aparate - reactoare chimice, coloane de absorbție și distilare, schimbătoare de căldură, etc. Aparate separate sunt conectate într-o diagramă de flux a procesului.
Schema tehnologică este un sistem construit rațional de dispozitive individuale conectate prin diverse tipuri de conexiuni (directe, inverse, seriale, paralele), care permite obținerea unui produs dat de o anumită calitate din materii prime naturale sau semifabricate.
Schemele tehnologice sunt deschise și închise, pot conține fluxuri de bypass (bypass) și reciclări, permițând creșterea eficienței sistemului chimico-tehnologic în ansamblu.
Dezvoltarea și construirea unei scheme tehnologice raționale este o sarcină importantă a tehnologiei chimice.
Clasificarea reacțiilor chimice care stau la baza proceselor chimico-tehnologice industriale
În chimia modernă, se cunosc un număr mare de reacții chimice diferite. Multe dintre ele sunt realizate în reactoare chimice industriale și, prin urmare, devin obiect de studiu în inginerie chimică.
Pentru a facilita studiul fenomenelor apropiate în natură, se obișnuiește în știință să le clasifice după trăsături comune. În funcție de ce semne sunt luate ca bază, există mai multe tipuri de clasificare a reacțiilor chimice.
Un tip important de clasificare este clasificarea după mecanism de reacție. Există reacții simple (în o singură etapă) și complexe (în mai multe etape), în special paralele, secvențiale și serie-paralele.
Sunt numite reacții simple, pentru implementarea cărora este necesară depășirea unei singure bariere energetice (o etapă).
Reacțiile complexe includ mai multe etape paralele sau secvențiale (reacții simple).
Reacțiile reale într-un singur pas sunt extrem de rare. Cu toate acestea, unele reacții complexe care trec printr-o serie de etape intermediare pot fi considerate în mod convenabil simple din punct de vedere formal. Acest lucru este posibil în cazurile în care produșii de reacție intermediari nu sunt detectați în condițiile problemei luate în considerare.
Clasificarea reacțiilor prin molecularitate ia in calcul cate molecule sunt implicate in actul elementar al reactiei; distinge între reacțiile mono-, bi- și trimoleculare.
Forma ecuației cinetice (dependența vitezei de reacție de concentrațiile de reactivi) ne permite să clasificăm in ordinea reactiei. Ordinea de reacție este suma exponenților concentrațiilor reactanților din ecuația cinetică. Există reacții ale primului, al doilea, al treilea, ordine fracționale.
Reacțiile chimice sunt de asemenea prin efect termic. Când apar reacții exoterme, însoțite de eliberarea de căldură ( Q> 0), entalpia sistemului de reacție scade ( ∆H < 0); при протекании эндотермических реакций, сопровождающихся поглощением теплоты (Q< 0), entalpia sistemului de reacție crește ( ∆H> 0).
Pentru alegerea designului unui reactor chimic și a metodelor de control al desfășurării procesului, este esențial compoziția de fază sistem de reacție.
În funcție de câte (una sau mai multe) faze formează reactivii și produsele de reacție inițiale, reacțiile chimice sunt împărțite în homofazice și heterofazice.
Reacțiile omofazice sunt acelea în care reactanții, intermediarii stabili și produșii de reacție sunt toți în aceeași fază.
Reacțiile sunt numite heterofazice în care reactivii de pornire, intermediarii stabili și produșii de reacție formează mai mult de o fază.
Depinzând de zone de scurgere reacțiile sunt împărțite în reacții omogene și eterogene.
Conceptele de reacții „omogene” și „eterogene” nu coincid cu conceptele de procese „homofazice” și „heterofazice”. Omogenitatea și eterogenitatea unei reacții reflectă, într-o anumită măsură, mecanismul acesteia: dacă reacția se desfășoară în cea mai mare parte a unei singure faze sau la interfața de fază. Natura homofazică și heterofazică a procesului face posibilă doar aprecierea compoziției de fază a participanților la reacție.
În cazul reacțiilor omogene, reactanții și produșii sunt în aceeași fază (lichid sau gazos) și reacția se desfășoară în volumul acestei faze. De exemplu, oxidarea oxidului de azot cu oxigenul atmosferic în producerea acidului azotic este o reacție în fază gazoasă, în timp ce reacțiile de esterificare (obținerea esterilor din acizi organici și alcooli) sunt în fază lichidă.
Când apar reacții eterogene, cel puțin unul dintre reactanți sau produși se află într-o stare de fază care diferă de starea de fază a celorlalți participanți, iar interfața de fază trebuie luată în considerare atunci când se analizează. De exemplu, neutralizarea unui acid cu un alcalin este un proces omogen omofazic. Sinteza catalitică a amoniacului este un proces heterogen omofazic. Oxidarea hidrocarburilor în fază lichidă cu oxigen gazos este un proces heterofazic, dar reacția chimică în curs este omogenă. Stingerea varului CaO + H 2 O Ca (OH) 2, în care toți cei trei participanți la reacție formează faze separate, iar reacția se desfășoară la interfața dintre apă și oxid de calciu, este un proces heterofaz heterogen.
În funcție de utilizarea sau nu a unor substanțe speciale, catalizatori, pentru a modifica viteza de reacție, acestea se disting cataliticși necatalitic reacţii şi, în consecinţă, procese chimico-tehnologice. Marea majoritate a reacțiilor chimice pe care se bazează procesele chimico-tehnologice industriale sunt reacții catalitice.
Până în prezent, nu există o clasificare bine stabilită procese chimice tehnologie. Este practic oportun să le combinați în funcție de principalele modele care caracterizează cursul proceselor, în următoarele grupuri:
procese hidrodinamice; includ mișcarea lichidelor, separarea suspensiilor, amestecarea. Pentru deplasarea reactivilor lichizi și a produselor intermediare se folosesc diverse pompe: piston, centrifugă, jet etc. Suspensiile se separă prin decantare, filtrare.
2 procese termice; modificarea stării macroscopice a unui sistem termodinamic.
3procese de difuzie; modificarea stării macroscopice a unui sistem termodinamic.
Sistemul în care are loc procesul termic se numește fluid de lucru.
Procesele termice pot fi împărțite în echilibru și non-echilibru. Echilibrul este un proces în care toate stările prin care trece sistemul sunt stări de echilibru.
Procesele termice pot fi împărțite în reversibile și ireversibile. Un proces se numește reversibil dacă poate fi efectuat în direcția opusă prin toate aceleași stări intermediare.
procese de refrigerare; oferă arte continue, decomp. răcire. in-in (corpuri) prin îndepărtarea căldurii din ele. natural răcirea cu apă rece sau aer vă permite să vă răciți la temperatura mediului de răcire și nu necesită alimentare cu energie. Răcirea la temperaturi mai scăzute are loc în arte. medii reci, a căror creare consumă mecanică, termică sau chimică. energie
procese mecanice asociate cu prelucrarea solidelor;
procese chimice asociate cu transformările chimice ale materialelor prelucrate.
Procese subdivizat de asemenea pe:
periodic,
continuu,
combinate.
proces pe lot Se caracterizează prin unitatea locului în care apar etapele sale individuale și printr-o stare instabilă în timp. Procesele periodice se desfășoară în dispozitive cu acțiune periodică, din care produsul final este descărcat total sau parțial la anumite intervale. După descărcarea aparatului, un nou lot de materii prime este încărcat în el și ciclul de producție se repetă din nou. Datorită stării instabile într-un proces periodic în orice punct al masei materialului prelucrat sau în orice secțiune a aparatului, cantități fizice sau parametri individuali (de exemplu, temperatură, presiune, concentrație, capacitate termică, viteză etc. ) caracterizarea procesului și a stării substanțelor care sunt prelucrate se modifică în timpul procesului.
Proces continuu caracterizat prin unitatea de timp a cursului tuturor etapelor sale, starea de echilibru și selecția continuă a produsului final. Procesele continue se desfășoară în dispozitive continue. Datorită stării de echilibru în orice punct al masei materialului care este prelucrat sau în orice secțiune a unui aparat care funcționează continuu, cantitățile fizice sau parametrii rămân practic neschimbați pe parcursul întregului proces.
Proces combinat este fie un proces continuu ale cărui etape individuale sunt efectuate periodic, fie un astfel de proces periodic, dintre care una sau mai multe etape sunt efectuate continuu. Procese continue au o serie de avantaje semnificative față de periodice și combinate. Aceste beneficii includ în primul rând:
posibilitatea de mecanizare și automatizare completă, ceea ce reduce la minimum utilizarea muncii manuale;
omogenitatea produselor obtinute si posibilitatea imbunatatirii calitatii acestora;
compactitatea echipamentelor necesare implementarii procesului, care reduce atat costurile de capital cat si costurile de reparatie.
Prin urmare, în prezent, în toate ramurile tehnologiei, ei se străduiesc să treacă de la periodic la procese de producție continue.
26. O metodă generalizată de calcul tehnologic al decantoarelor primare constă în alegerea tipului și a numărului necesar de structuri standard care asigură efectul de clarificare necesar.
Există multe metode de calcul tehnologic al decantoarelor orizontale, care se bazează pe dependențe empirice și pe coeficienți obținuți experimental. Aceste formule se bazează pe relația dintre timpul de decantare necesar pentru a obține efectul dorit de limpezire a apei uzate și viteza de decantare (apariție) a acelor particule care trebuie reținute în bazin.
Dintr-un număr mare În formulele de calcul propuse în acest scop, doar cele dintre ele sunt progresive, care permit luarea în considerare cât mai completă a condițiilor efective de depunere și a relației dintre principalii parametri de calcul. Această cerință este îndeplinită prin formule care raportează timpul de decantare necesar pentru a obține efectul dorit de limpezire a apei uzate și viteza de decantare a acelor particule care trebuie reținute în bazin.
Dintr-un număr mare metode de calcul tehnologic al rezervoarelor de sedimentare iar formulele de calcul propuse în acest scop, numai cele dintre ele sunt progresive, care permit luarea în considerare cât mai completă a condițiilor efective de depunere și a relației dintre principalii parametri de calcul. Această cerință este îndeplinită prin formule care raportează timpul de decantare necesar pentru a obține efectul dorit de limpezire a apei uzate și dimensiunea hidraulică a acelor particule care trebuie reținute în bazin.
27. În prima aproximare, efectul temperaturii asupra vitezei de reacție este determinat de regula van't Hoff. În intervalul de temperatură de la 0 ° C la 100 ° C, cu o creștere a temperaturii la fiecare 10 grade, viteza unui reacția chimică crește de 2-4 ori:
regula lui Van't Hoff- o regulă empirică care permite, ca primă aproximare, să se estimeze efectul temperaturii asupra vitezei unei reacții chimice într-un interval mic de temperatură (de obicei de la 0 °C la 100 °C). J. H. van't Hoff, pe baza multor experimente, a formulat următoarea regulă:
Ecuația care descrie această regulă este următoarea:
unde este viteza de reacție la temperatură, este viteza de reacție la temperatură, este coeficientul de temperatură al reacției (dacă este egal cu 2, de exemplu, atunci viteza de reacție va crește de 2 ori cu o creștere a temperaturii cu 10 grade ).
De reținut că regula van't Hoff este aplicabilă numai pentru reacțiile cu o energie de activare de 60-120 kJ/mol în intervalul de temperatură 10-400 o C. Nici regula van't Hoff nu se supune reacțiilor în care moleculele voluminoase iau parte, de exemplu, proteinele din sistemele biologice. Dependența de temperatură a vitezei de reacție este descrisă mai corect de ecuația Arrhenius. stabilește dependența constantei de viteză a unei reacții chimice de temperatură.După un model de coliziune simplu, o reacție chimică între două substanțe inițiale poate avea loc numai ca urmare a unei ciocniri a moleculelor acestor substanțe. Dar nu orice coliziune duce la o reacție chimică. Este necesar să se depășească o anumită barieră energetică, astfel încât moleculele să înceapă să reacționeze între ele. Adică, moleculele trebuie să aibă o anumită energie minimă (energie de activare) pentru a depăși această barieră. Distribuții Boltzmann pentru energia cinetică a moleculelor Se știe că numărul de molecule cu energie este proporțional cu 
. Ca urmare, viteza unei reacții chimice este reprezentată de o ecuație care a fost obținută de chimistul suedez Svante Arrhenius din considerații termodinamice:
Aici se caracterizează frecvența coliziunilor moleculelor care reacţionează, este constanta universală a gazului.
Extracţie(din lat. extraho - extract) - o metodă de extragere a unei substanțe dintr-o soluție sau un amestec uscat folosind un solvent adecvat ( extractant). Pentru extracția dintr-o soluție se folosesc solvenți care sunt nemiscibili cu această soluție, dar în care substanța se dizolvă mai bine decât în primul solvent.
Extracția poate fi unică (singlă sau multiplă) sau continuă ( percolare).
Cea mai simplă metodă de extracție dintr-o soluție este spălarea simplă sau multiplă cu un extractant într-o pâlnie de separare.Pâlnia de separare este un vas cu dop și robinet pentru scurgerea stratului inferior de lichid. Pentru extracția continuă se folosesc dispozitive speciale - extractoare, sau percolatoare.
Pentru a extrage o substanță individuală sau un amestec specific (extract) din produse uscate în laboratoare, extracția continuă Soxhlet este utilizată pe scară largă.
În practica de laborator a sintezei chimice, extracția poate fi utilizată pentru a izola o substanță pură dintr-un amestec de reacție sau pentru a îndepărta continuu unul dintre produsele de reacție dintr-un amestec de reacție în timpul sintezei.
Extracția este utilizată în industria chimică, rafinarea petrolului, alimentară, metalurgică, farmaceutică și în alte industrii, în chimia analitică și sinteza chimică.
29. Proces tehnologic- aceasta este o parte a procesului de producție, care conține acțiuni intenționate pentru a schimba și (sau) a determina starea obiectului muncii. Obiectele muncii includ semifabricate și produse.
Proprietățile chimice ale substanțelor sunt dezvăluite într-o varietate de reacții chimice.
Se numesc transformări ale substanțelor, însoțite de o modificare a compoziției și (sau) structurii lor reacții chimice. Următoarea definiție este adesea găsită: reactie chimica Procesul de transformare a substanțelor inițiale (reactivi) în substanțe finale (produse) se numește.
Reacțiile chimice sunt scrise folosind ecuații și scheme chimice care conțin formulele materiilor prime și ale produselor de reacție. În ecuațiile chimice, spre deosebire de scheme, numărul de atomi ai fiecărui element este același pe partea stângă și cea dreaptă, ceea ce reflectă legea conservării masei.
În partea stângă a ecuației sunt scrise formulele substanțelor inițiale (reactivi), în partea dreaptă - substanțele obținute în urma unei reacții chimice (produși de reacție, substanțe finale). Semnul egal care leagă părțile stânga și dreaptă indică faptul că numărul total de atomi ai substanțelor care participă la reacție rămâne constant. Acest lucru se realizează prin plasarea coeficienților stoichiometrici întregi în fața formulelor, arătând raporturile cantitative dintre reactanți și produșii de reacție.
Ecuațiile chimice pot conține informații suplimentare despre caracteristicile reacției. Dacă o reacție chimică se desfășoară sub influența influențelor externe (temperatură, presiune, radiație etc.), acest lucru este indicat de simbolul corespunzător, de obicei deasupra (sau „sub”) semnul egal.
Un număr mare de reacții chimice pot fi grupate în mai multe tipuri de reacții, care se caracterizează prin caracteristici bine definite.
La fel de caracteristici de clasificare pot fi selectate următoarele:
1. Numărul și compoziția materiilor prime și a produselor de reacție.
2. Starea agregată a reactanților și a produselor de reacție.
3. Numărul de faze în care se află participanții la reacție.
4. Natura particulelor transferate.
5. Posibilitatea ca reacția să decurgă în direcțiile înainte și invers.
6. Semnul efectului termic separă toate reacțiile în: exotermic reacții care decurg cu exo-efect - eliberarea de energie sub formă de căldură (Q> 0, ∆H<0):
C + O 2 \u003d CO 2 + Q
și endotermic reacții care decurg cu efectul endo - absorbția energiei sub formă de căldură (Q<0, ∆H >0):
N 2 + O 2 \u003d 2NO - Q.
Astfel de reacții sunt termochimic.
Să luăm în considerare mai detaliat fiecare dintre tipurile de reacții.
Clasificarea în funcție de numărul și compoziția reactivilor și a substanțelor finale
1. Reacții de conexiune
În reacțiile unui compus din mai multe substanțe care reacţionează cu o compoziție relativ simplă, se obține o substanță cu o compoziție mai complexă:
De regulă, aceste reacții sunt însoțite de eliberare de căldură, adică. duce la formarea de compuși mai stabili și mai puțin bogați în energie.
Reacțiile combinației de substanțe simple sunt întotdeauna de natură redox. Reacțiile de conexiune care apar între substanțe complexe pot apărea atât fără modificarea valenței:
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O \u003d Ca (HCO 3) 2,
și să fie clasificate ca redox:
2FeCl 2 + Cl 2 = 2FeCl 3.
2. Reacții de descompunere
Reacțiile de descompunere duc la formarea mai multor compuși dintr-o substanță complexă:
A = B + C + D.
Produșii de descompunere ai unei substanțe complexe pot fi atât substanțe simple, cât și complexe.
Dintre reacțiile de descompunere care apar fără modificarea stărilor de valență, trebuie remarcată descompunerea hidraților cristalini, bazelor, acizilor și sărurilor acizilor care conțin oxigen:
| la | ||
| 4HNO 3 | = | 2H2O + 4NO2O + O2O. |
2AgNO 3 \u003d 2Ag + 2NO 2 + O 2,
(NH 4) 2Cr 2 O 7 \u003d Cr 2 O 3 + N 2 + 4H 2 O.
Deosebit de caracteristice sunt reacțiile redox de descompunere pentru sărurile acidului azotic.
Reacțiile de descompunere din chimia organică se numesc cracare:
C 18 H 38 \u003d C 9 H 18 + C 9 H 20,
sau dehidrogenare
C 4 H 10 \u003d C 4 H 6 + 2H 2.
3. Reacții de substituție
În reacțiile de substituție, de obicei o substanță simplă interacționează cu una complexă, formând o altă substanță simplă și alta complexă:
A + BC = AB + C.
Aceste reacții, în marea majoritate, aparțin reacțiilor redox:
2Al + Fe 2 O 3 \u003d 2Fe + Al 2 O 3,
Zn + 2HCl \u003d ZnCl 2 + H 2,
2KBr + Cl 2 \u003d 2KCl + Br 2,
2KSlO 3 + l 2 = 2KlO 3 + Cl 2.
Exemplele de reacții de substituție care nu sunt însoțite de o modificare a stărilor de valență ale atomilor sunt extrem de puține. Trebuie remarcată reacția dioxidului de siliciu cu sărurile acizilor care conțin oxigen, care corespund anhidridelor gazoase sau volatile:
CaCO 3 + SiO 2 \u003d CaSiO 3 + CO 2,
Ca 3 (RO 4) 2 + ZSiO 2 \u003d ZCaSiO 3 + P 2 O 5,
Uneori, aceste reacții sunt considerate reacții de schimb:
CH4 + CI2 = CH3CI + Hcl.
4. Reacții de schimb
Reacții de schimb Reacțiile dintre doi compuși care își schimbă constituenții se numesc:
AB + CD = AD + CB.
Dacă procesele redox au loc în timpul reacțiilor de substituție, atunci reacțiile de schimb au loc întotdeauna fără a modifica starea de valență a atomilor. Acesta este cel mai comun grup de reacții între substanțe complexe - oxizi, baze, acizi și săruri:
ZnO + H 2 SO 4 \u003d ZnSO 4 + H 2 O,
AgNO3 + KBr = AgBr + KNO3,
CrCI3 + ZNaOH = Cr(OH)3 + ZNaCl.
Un caz special al acestor reacții de schimb este reacții de neutralizare:
Hcl + KOH \u003d KCl + H2O.
De obicei, aceste reacții se supun legilor echilibrului chimic și se desfășoară în direcția în care cel puțin una dintre substanțe este îndepărtată din sfera de reacție sub formă de substanță gazoasă, volatilă, precipitat sau compus cu disociere scăzută (pentru soluții):
NaHCO 3 + Hcl \u003d NaCl + H 2 O + CO 2,
Ca (HCO 3) 2 + Ca (OH) 2 \u003d 2CaCO 3 ↓ + 2H 2 O,
CH 3 COONa + H 3 RO 4 \u003d CH 3 COOH + NaH 2 RO 4.
5. Reacții de transfer.
În reacțiile de transfer, un atom sau un grup de atomi trece de la o unitate structurală la alta:
AB + BC \u003d A + B 2 C,
A 2 B + 2CB 2 = DIA 2 + DIA 3.
De exemplu:
2AgCl + SnCl 2 \u003d 2Ag + SnCl 4,
H 2 O + 2NO 2 \u003d HNO 2 + HNO 3.
Clasificarea reacțiilor în funcție de caracteristicile fazelor
În funcție de starea de agregare a substanțelor care reacţionează, se disting următoarele reacţii:
1. Reacții gazoase
| H2 + CI2 | 2HCI. |
2. Reacții în soluții
NaOH (p-p) + Hcl (p-p) \u003d NaCl (p-p) + H 2O (l)
3. Reacții între solide
| la | ||
| CaO (tv) + SiO 2 (tv) | = | CaSiO 3 (TV) |
Clasificarea reacțiilor în funcție de numărul de faze.
O fază este înțeleasă ca un set de părți omogene ale unui sistem cu aceleași proprietăți fizice și chimice și separate între ele printr-o interfață.
Din acest punct de vedere, întreaga varietate de reacții poate fi împărțită în două clase:
1. Reacții omogene (monofazate). Acestea includ reacții care au loc în faza gazoasă și o serie de reacții care au loc în soluții.
2. Reacții eterogene (multifază). Acestea includ reacții în care reactanții și produșii reacției sunt în faze diferite. De exemplu:
reacții în fază gaz-lichid
C02 (g) + NaOH (p-p) = NaHC03 (p-p).
reacții în fază gaz-solidă
CO 2 (g) + CaO (tv) \u003d CaCO 3 (tv).
reacții în fază lichid-solid
Na 2 SO 4 (soluție) + BaCl 3 (soluție) \u003d BaSO 4 (tv) ↓ + 2NaCl (p-p).
reacții în fază lichid-gaz-solid
Ca (HCO 3) 2 (soluție) + H 2 SO 4 (soluție) \u003d CO 2 (r) + H 2 O (l) + CaSO 4 (tv) ↓.
Clasificarea reacțiilor în funcție de tipul de particule transportate
1. Reacții protolitice.
La reacții protolitice includ procese chimice, a căror esență este transferul unui proton de la un reactant la altul.
Această clasificare se bazează pe teoria protolitică a acizilor și bazelor, conform căreia un acid este orice substanță care donează un proton, iar o bază este o substanță care poate accepta un proton, de exemplu:
Reacțiile protolitice includ reacțiile de neutralizare și hidroliză.
2. Reacții redox.
Acestea includ reacții în care reactanții fac schimb de electroni, schimbând în același timp starea de oxidare a atomilor elementelor care formează reactanții. De exemplu:
Zn + 2H + → Zn 2 + + H 2 ,
FeS2 + 8HNO3 (conc) = Fe(NO3)3 + 5NO + 2H2SO4 + 2H2O,
Marea majoritate a reacțiilor chimice sunt redox, ele joacă un rol extrem de important.
3. Reacții de schimb de liganzi.
Acestea includ reacții în timpul cărora o pereche de electroni este transferată cu formarea unei legături covalente de către mecanismul donor-acceptor. De exemplu:
Cu(NO3)2 + 4NH3 = (NO3)2,
Fe + 5CO = ,
Al(OH)3 + NaOH = .
O trăsătură caracteristică a reacțiilor de schimb de liganzi este aceea că formarea de noi compuși, numiți complecși, are loc fără modificarea stării de oxidare.
4. Reacții de schimb atomo-molecular.
Acest tip de reacții include multe dintre reacțiile de substituție studiate în chimia organică, care au loc în funcție de mecanismul radical, electrofil sau nucleofil.
Reacții chimice reversibile și ireversibile
Astfel de procese chimice se numesc reversibile, ale căror produse sunt capabile să reacționeze între ei în aceleași condiții în care sunt obținute, cu formarea de substanțe inițiale.
Pentru reacțiile reversibile, ecuația este de obicei scrisă după cum urmează:
Două săgeți direcționate opus indică faptul că, în aceleași condiții, atât reacțiile înainte, cât și cele invers au loc simultan, de exemplu:
CH3COOH + C2H5OH CH3COOS2H5 + H2O.
Ireversibile sunt astfel de procese chimice, ale căror produse nu sunt capabile să reacționeze între ele cu formarea de substanțe inițiale. Exemple de reacții ireversibile sunt descompunerea sării Bertolet atunci când este încălzită:
2KSlO 3 → 2KSl + ZO 2,
sau oxidarea glucozei cu oxigenul atmosferic:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O.
