As transformações mútuas de compostos observadas na vida selvagem, além de ocorrerem como resultado da atividade humana, podem ser consideradas como processos químicos. Os reagentes neles podem ser duas ou mais substâncias que estão no mesmo ou em diferentes estados de agregação. Dependendo disso, sistemas homogêneos ou heterogêneos são distinguidos. As condições de condução, as características do curso e o papel dos processos químicos na natureza serão considerados neste trabalho.
O que significa uma reação química
Se, como resultado da interação das substâncias iniciais, as partes constituintes de suas moléculas sofrem alterações, e as cargas dos núcleos dos átomos permanecem as mesmas, falam de reações ou processos químicos. Os produtos formados como resultado de seu escoamento são utilizados pelo homem na indústria, na agricultura e na vida cotidiana. Grande número de interaçõesentre as substâncias ocorre, tanto na natureza viva quanto na inanimada. Os processos químicos têm uma diferença fundamental dos fenômenos físicos e das propriedades da radioatividade. Moléculas de novas substâncias são formadas neles, enquanto processos físicos não alteram a composição dos compostos, e átomos de novos elementos químicos surgem em reações nucleares.
Condições para a implementação de processos em química
Eles podem ser diferentes e dependem principalmente da natureza dos reagentes, da necessidade de um influxo de energia do exterior, bem como do estado de agregação (sólidos, soluções, gases) em que o processo ocorre. O mecanismo químico de interação entre dois ou mais compostos pode ser realizado sob a ação de catalisadores (por exemplo, a produção de ácido nítrico), temperatura (obtenção de amônia), energia luminosa (fotossíntese). Com a participação de enzimas na natureza viva, os processos da reação química de fermentação (álcool, ácido lático, butírico), utilizados nas indústrias alimentícia e microbiológica, são difundidos. Para obter produtos na indústria de síntese orgânica, uma das principais condições é a presença de um mecanismo de radicais livres do processo químico. Um exemplo seria a produção de derivados de cloro do metano (diclorometano, triclorometano, tetracloreto de carbono, resultantes de reações em cadeia.
Catálise homogênea
São tipos especiais de contato entre duas ou mais substâncias. A essência dos processos químicos que ocorrem em uma fase homogênea (por exemplo, gás - gás) com a participação de aceleradoresreações, consistem em realizar reações em todo o volume de misturas. Se o catalisador está no mesmo estado de agregação que os reagentes, ele forma complexos intermediários móveis com os compostos de partida.
A catálise homogênea é um processo químico básico usado, por exemplo, em refino de petróleo, gasolina, nafta, gasóleo e outros combustíveis. Utiliza tecnologias como reforma, isomerização, craqueamento catalítico.
Catálise heterogênea
No caso de catálise heterogênea, o contato dos reagentes ocorre, na maioria das vezes, na superfície sólida do próprio catalisador. Os chamados centros ativos são formados nele. Estas são áreas onde a interação dos compostos reagentes ocorre muito rapidamente, ou seja, a taxa de reação é alta. Eles são específicos da espécie e desempenham um papel importante também se ocorrerem processos químicos em células vivas. Então eles falam sobre metabolismo - reações metabólicas. Um exemplo de catálise heterogênea é a produção industrial de sulfato ácido. No aparelho de contato, uma mistura gasosa de dióxido de enxofre e oxigênio é aquecida e passada através de prateleiras de treliça preenchidas com pó disperso de óxido de vanádio ou sulfato de vanadil VOSO4. O produto resultante, trióxido de enxofre, é então absorvido pelo ácido sulfúrico concentrado. Um líquido chamado oleum é formado. Pode ser diluído com água para obter a concentração desejada de ácido sulfato.
Características das reações termoquímicas
A liberação ou absorção de energia na forma de calor é de grande importância prática. Basta lembrar as reações de combustão do combustível: gás natural, carvão, turfa. São processos físicos e químicos, cuja característica importante é o calor de combustão. As reações térmicas são comuns tanto no mundo orgânico quanto na natureza inanimada. Por exemplo, no processo de digestão, proteínas, lipídios e carboidratos são decompostos sob a ação de substâncias biologicamente ativas - enzimas.
A energia liberada é acumulada na forma de ligações macroérgicas das moléculas de ATP. As reações de dissimilação são acompanhadas pela liberação de energia, parte da qual é dissipada na forma de calor. Como resultado da digestão, cada grama de proteína fornece 17,2 kJ de energia, amido - 17,2 kJ, gordura - 38,9 kJ. Os processos químicos que liberam energia são chamados de exotérmicos e aqueles que a absorvem são chamados de endotérmicos. Na indústria de síntese orgânica e outras tecnologias, os efeitos térmicos das reações termoquímicas são calculados. É importante saber disso, por exemplo, para o cálculo correto da quantidade de energia utilizada para aquecer os reatores e colunas de síntese em que ocorrem as reações, acompanhadas da absorção de calor.
Cinética e seu papel na teoria dos processos químicos
Calcular a velocidade de reação das partículas (moléculas, íons) é a tarefa mais importante que a indústria enfrenta. Sua solução garante o efeito econômico e a rentabilidade dos ciclos tecnológicos na produção química. Para aumentara velocidade de tal reação, como a síntese de amônia, os fatores decisivos serão uma mudança na pressão em uma mistura gasosa de nitrogênio e hidrogênio até 30 MPa, bem como a prevenção de um aumento acentuado da temperatura (a temperatura é 450-550 °C é o ideal).
Os processos químicos utilizados na produção do sulfato ácido, a saber: queima de piritas, oxidação do dióxido de enxofre, absorção do trióxido de enxofre pelo oleum, são realizados sob diversas condições. Para isso, são utilizados um forno de pirita e dispositivos de contato. Eles levam em conta a concentração de reagentes, temperatura e pressão. Todos esses fatores se correlacionam para realizar a reação na taxa mais alta, o que aumenta o rendimento do ácido sulfato para 96-98%.
Ciclo das substâncias como processos físicos e químicos na natureza
O conhecido ditado "Movimento é vida" também pode ser aplicado a elementos químicos que entram em vários tipos de interação (reações de combinação, substituição, decomposição, troca). Moléculas e átomos de elementos químicos estão em constante movimento. Como os cientistas estabeleceram, todos os tipos de reações químicas acima podem ser acompanhados por fenômenos físicos: a liberação de calor ou sua absorção, a emissão de fótons de luz, uma mudança no estado de agregação. Esses processos ocorrem em todas as camadas da Terra: litosfera, hidrosfera, atmosfera, biosfera. O mais significativo deles são os ciclos de substâncias como oxigênio, dióxido de carbono e nitrogênio. No próximo título, veremos como o nitrogênio circula na atmosfera, solo eorganismos vivos.
Interconversão de nitrogênio e seus compostos
Sabe-se que o nitrogênio é um componente necessário das proteínas, o que significa que está envolvido na formação de todos os tipos de vida terrestre, sem exceção. O nitrogênio é absorvido por plantas e animais na forma de íons: íons amônio, nitrato e nitrito. Como resultado da fotossíntese, as plantas formam não apenas glicose, mas também aminoácidos, glicerol e ácidos graxos. Todos os compostos químicos acima são produtos de reações que ocorrem no ciclo de Calvin. O notável cientista russo K. Timiryazev falou sobre o papel cósmico das plantas verdes, referindo-se, entre outras coisas, à sua capacidade de sintetizar proteínas.
Herbívoros obtêm seus peptídeos de alimentos vegetais, enquanto os carnívoros obtêm seus peptídeos de carne de presa. Durante a decomposição de restos de plantas e animais sob a influência de bactérias saprotróficas do solo, ocorrem processos biológicos e químicos complexos. Como resultado, o nitrogênio dos compostos orgânicos passa para uma forma inorgânica (amônia, nitrogênio livre, nitratos e nitritos são formados). Voltando à atmosfera e ao solo, todas essas substâncias são novamente absorvidas pelas plantas. O nitrogênio entra através dos estômatos da pele das folhas, e soluções de ácidos nítrico e nitroso e seus sais são absorvidos pelos pêlos radiculares das raízes das plantas. O ciclo de transformação do nitrogênio se fecha para se repetir novamente. A essência dos processos químicos que ocorrem com compostos de nitrogênio na natureza foi estudada em detalhes no início do século 20 pelo cientista russo D. N. Pryanishnikov.
Metalurgia do Pó
Os processos e tecnologias químicas modernas contribuem significativamente para a criação de materiais com propriedades físicas e químicas únicas. Isso é especialmente importante, em primeiro lugar, para instrumentos e equipamentos de refinarias de petróleo, empresas que produzem ácidos inorgânicos, corantes, vernizes e plásticos. Em sua produção, são utilizados trocadores de calor, dispositivos de contato, colunas de síntese, tubulações. A superfície do equipamento está em contato com meios agressivos sob alta pressão. Além disso, quase todos os processos de produção química são realizados em altas temperaturas. Relevante é a produção de materiais com altas taxas de resistência térmica e ácida, propriedades anticorrosivas.
Metalurgia do pó inclui a produção de pós contendo metais, sinterização e incorporação em ligas modernas utilizadas em reações com substâncias quimicamente agressivas.
Compósitos e seus significados
Entre as tecnologias modernas, os processos químicos mais importantes são as reações de obtenção de materiais compósitos. Estes incluem espumas, cermets, norpapalsts. Como matriz de produção, são utilizados metais e suas ligas, cerâmicas e plásticos. Silicato de cálcio, argila branca, estrôncio e ferretos de bário são usados como cargas. Todas as substâncias acima conferem aos materiais compostos resistência ao impacto, calor e resistência ao desgaste.
O que é engenharia química
O ramo da ciência que estuda os meios e métodos utilizados nas reações de processamento de matérias-primas: petróleo, gás natural, carvão, minerais, foi chamado de tecnologia química. Em outras palavras, é a ciência dos processos químicos que ocorrem como resultado da atividade humana. Toda a sua base teórica é composta por matemática, cibernética, físico-química e economia industrial. Não importa qual processo químico esteja envolvido na tecnologia (obtenção de ácido nitrato, decomposição de calcário, síntese de plásticos de fenol-formaldeído) - nas condições modernas, é impossível sem sistemas de controle automatizados que facilitem as atividades humanas, eliminem a poluição ambiental e garantam tecnologia de produção química contínua e sem desperdício.
Neste artigo, consideramos exemplos de processos químicos que ocorrem tanto na vida selvagem (fotossíntese, dissimilação, ciclo do nitrogênio) quanto na indústria.
