Lassen Sie uns nicht voreilig über die wichtigsten Dinge urteilen.

Heraklit

Chemischer Prozess (lat.„Processus“ – Fortschritt) stellt eine konsequente Veränderung der Materiezustände dar, eine enge Verbindung zwischen aufeinanderfolgenden Entwicklungsstadien, eine kontinuierliche einheitliche Bewegung. Das Studium chemischer Prozesse ist ein Wissenschaftsbereich, in dem die Physik von Chemie und Biologie am tiefsten durchdringt. Chemische Prozesse werden unterteilt in homo- und heterogene (abhängig vom Aggregatzustand der reagierenden Systeme), exo- und endotherme (abhängig von der freigesetzten und aufgenommenen Wärmemenge), oxidative, reduzierende (abhängig vom Verhältnis zu Sauerstoff), usw.

Alle Prozesse lassen sich in drei große Gruppen zusammenfassen:

• 1. Spontane Prozesse, die zur Energiegewinnung oder zur Verrichtung von Arbeit genutzt werden können. Die Bedingungen für das Auftreten spontaner Prozesse sind: a) in einem isolierten System, d.h. in einem System, bei dem jeglicher Stoff- oder Energieaustausch mit der Umwelt ausgeschlossen ist, ist die Summe aller Energiearten ein konstanter Wert; b) Die Änderung der Enthalpie (thermische Wirkung des Prozesses, DP) hängt nur von der Art und dem Zustand der Ausgangsstoffe und Produkte ab und ist nicht vom Übergangspfad abhängig. Diese Abhängigkeit wird als Hesssches Gesetz bezeichnet, das 1840 von Hess formuliert wurde.
• 2. Prozesse, die einen Energie- oder Arbeitsaufwand erfordern.
• 3. Selbstorganisation eines chemischen Systems, d.h. ein spontaner Prozess, der ohne Veränderung der Energiereserve des Systems abläuft, erfolgt nur in der Richtung, in der die Ordnung im System abnimmt, d.h. wo die Unordnung zunimmt (D5 > 0).

Die Fähigkeit verschiedener chemischer Reagenzien zur Wechselwirkung wird nicht nur durch ihre atomar-molekulare Struktur bestimmt, sondern auch durch die Bedingungen, unter denen chemische Reaktionen ablaufen. Der Vorgang der Umwandlung einer Substanz in eine andere wird als chemische Reaktion bezeichnet. Zu den Bedingungen für das Auftreten chemischer Prozesse zählen vor allem thermodynamische Faktoren, die die Abhängigkeit von Reaktionen von Temperatur, Druck und einigen anderen Bedingungen charakterisieren. Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion wird auch von folgenden Bedingungen und Parametern beeinflusst:

• 1) die Art der reagierenden Substanzen (z. B. lösen sich Alkalimetalle in Wasser unter Bildung von Alkalien und Freisetzung von Wasserstoff, und die Reaktion läuft unter normalen Bedingungen sofort ab; Zink, Eisen und andere reagieren langsam und bilden Oxide und Edelmetalle Metalle reagieren überhaupt nicht);
• 2) Temperatur (jeder Temperaturanstieg um 10 °C erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit um das 2- bis 4-fache – Van’t-Hoff-Regel). Sauerstoff beginnt bereits bei gewöhnlichen Temperaturen mit vielen Stoffen merklich schnell zu reagieren (langsame Oxidation). Mit steigender Temperatur beginnt eine heftige Reaktion (Verbrennung);
• 3) Konzentration (bei Stoffen in gelöstem Zustand und Gasen hängt die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen von der Konzentration der reagierenden Stoffe ab. Die Verbrennung von Stoffen in reinem Sauerstoff erfolgt intensiver als in Luft, wo die Sauerstoffkonzentration fast fünfmal geringer ist ). Hier gilt das Massenwirkungsgesetz: Bei konstanter Temperatur ist die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion direkt proportional zum Produkt der Konzentration der reagierenden Stoffe;
• 4) Reaktionsoberfläche (bei Stoffen im festen Zustand ist die Geschwindigkeit direkt proportional zur Oberfläche der reagierenden Stoffe. Eisen und Schwefel im festen Zustand reagieren nur durch Vormahlen und Mischen schnell genug: Verbrennen von Reisig und Baumstämmen);
• 5) Katalysator (die Reaktionsgeschwindigkeit hängt von Katalysatoren ab, Substanzen, die chemische Reaktionen beschleunigen, aber selbst nicht verbraucht werden. Die Zersetzung von Berthollet-Salz und Wasserstoffperoxid wird in Gegenwart von Mangan(IV)-oxid usw. beschleunigt).

Um eine chemische Reaktion einzugehen, ist es notwendig, eine bestimmte Energiebarriere zu überwinden, die der Aktivierungsenergie entspricht, deren Akkumulationsmöglichkeit stark von der Temperatur abhängt. Viele Reaktionen können nicht lange enden. In diesem Fall soll die Reaktion ein chemisches Gleichgewicht erreicht haben. Ein chemisches System befindet sich im Gleichgewichtszustand, wenn die folgenden drei Bedingungen erfüllt sind:

• 1) Im System treten keine Energieänderungen auf (AN = 0);
• 2) Der Grad der Störung ändert sich nicht (AS = 0);
• 3) das isobare Potential ändert sich nicht (A/ = 0).

Van't Hoff klassifizierte chemische Reaktionen mithilfe eines thermodynamischen Ansatzes und formulierte auch die Grundprinzipien der chemischen Kinetik. Die chemische Kinetik untersucht die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. Le Chatelier formulierte das Gesetz der Verschiebung des chemischen Gleichgewichts bei chemischen Reaktionen unter dem Einfluss äußerer Faktoren – Temperatur, Druck usw. Nach dem Prinzip von Le Chatelier: Wenn ein äußerer Einfluss auf ein System im Zustand des chemischen Gleichgewichts ausgeübt wird (Temperatur, Druck- oder Konzentrationsänderungen), dann verschiebt sich die Gleichgewichtslage der chemischen Reaktion in die Richtung, die diesen Effekt abschwächt.

Chemische Reaktionen werden nach Veränderungen in der Qualität der Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte in folgende Typen eingeteilt:

• - Reaktionen Verbindungen- Reaktionen, bei denen mehrere Stoffe einen Stoff bilden, der komplexer ist als die ursprünglichen;
• - Zersetzungen - Reaktionen, bei denen aus einem komplexen Stoff mehrere Stoffe entstehen;
• - Auswechslung- Reaktionen, bei denen Atome eines Elements ein Atom eines anderen Elements in einer komplexen Substanz ersetzen und gleichzeitig zwei neue entstehen – einfach und komplex;
• - Austausch - Reaktionen, bei denen reagierende Stoffe ihre Bestandteile austauschen, wodurch aus zwei komplexen Stoffen zwei neue komplexe Stoffe entstehen.

Nach dem thermischen Effekt können chemische Reaktionen unterteilt werden exotherm - unter Freisetzung von Wärme und endothermisch - mit Wärmeaufnahme. Unter Berücksichtigung des Phänomens der Katalyse können Reaktionen stattfinden katalytisch - Verwendung von Katalysatoren und iekatalytisch - kein Einsatz von Katalysatoren. Basierend auf der Reversibilität der Reaktion, dividiert durch reversibel Und irreversibel.

Ostwald entdeckte bei der Untersuchung der Bedingungen des chemischen Gleichgewichts das Phänomen der Katalyse. Es stellte sich heraus, dass die Art und insbesondere die Geschwindigkeit der Reaktionen in hohem Maße von den kinetischen Bedingungen abhängen, die durch die Anwesenheit von Katalysatoren und anderen Zusätzen zu den Reagenzien sowie dem Einfluss von Lösungsmitteln, Reaktorwänden und anderen Bedingungen bestimmt werden. Das Phänomen der Katalyse – die selektive Beschleunigung chemischer Prozesse in Gegenwart von Stoffen (Katalysatoren), die an Zwischenprozessen teilnehmen, aber am Ende der Reaktion regeneriert werden – wird in der Industrie häufig genutzt. Zum Beispiel die industrielle Herstellung von Ammoniak, das Kontaktverfahren zur Herstellung von Schwefelsäure und viele andere. Die Ammoniaksynthese wurde erstmals 1918 auf der Grundlage der Arbeiten von Haber, Bosch und Mittash unter Verwendung eines Katalysators aus metallischem Eisen unter Zusatz von Kalium- und Aluminiumoxiden bei einer Temperatur von 450–550 °C und einem Druck von 300 °C durchgeführt -1000 atm. Derzeit wird dem Einsatz metallorganischer und metallkomplexer Katalysatoren große Aufmerksamkeit geschenkt, die sich durch hohe Selektivität und selektive Wirkung auszeichnen. Der gleiche Prozess der Ammoniaksynthese unter Verwendung eines metallorganischen Katalysators konnte bei normaler Temperatur (18 °C) und normalem Atmosphärendruck durchgeführt werden, was große Perspektiven bei der Herstellung von mineralischen Stickstoffdüngern eröffnet. Die Rolle der Katalyse in der organischen Synthese ist besonders toll. Der größte Erfolg in dieser Richtung ist die Herstellung von künstlichem und synthetischem Kautschuk aus Ethylalkohol, die der sowjetische Akademiker S. V. Lebedew in den 20er Jahren durchführte. 20. Jahrhundert

Enzyme bzw. Biokatalysatoren spielen in biologischen Prozessen und in der Technologie pflanzlicher und tierischer Stoffe sowie in der Medizin eine herausragende Rolle. Heute sind über 750 Enzyme bekannt und ihre Zahl steigt jedes Jahr. Enzyme sind bi- und polyfunktionelle Katalysatoren, da hier eine koordinierte Wirkung zweier oder mehrerer Gruppen von Katalysatoren unterschiedlicher Natur im aktiven Zentrum des Enzyms auf die Polarisierung bestimmter Substratbindungen stattfindet. Das gleiche Konzept liegt der katalytischen Wirkung des Enzyms und der Theorie der Kinetik der Enzymwirkung zugrunde. Der Hauptunterschied zwischen Enzymen und anderen Katalysatoren ist ihre außergewöhnlich hohe Aktivität und ausgeprägte Spezifität.

Die Selbstorganisation chemischer Systeme zu biologischen, ihre Einheit und Verbindung bestätigt die Synthese organischer Verbindungen aus anorganischen. Im Jahr 1824 gelang es dem deutschen Chemiker F. Wöhler, einem Schüler von Berzelius, als erster, Oxalsäure HOOC-COOH, eine organische Verbindung, aus anorganischem Cyan MCCA durch Erhitzen mit Wasser zu gewinnen. Auf die gleiche Weise wurde aus Ammoniumcyanid eine neue organische Substanz, Harnstoff (Harnstoff), gewonnen. Im Jahr 1854 gewann M. Berthelot in Frankreich Fett synthetisch. Der größte Erfolg der Chemie war in den 50er und 60er Jahren. 20. Jahrhundert war die erste Synthese einfacher Proteine ​​– des Hormons Insulin und des Enzyms Ribonuklease.

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Einführung

Unter dem Einfluss neuer Produktionsanforderungen entstand die Lehre von den chemischen Prozessen, die Veränderungen der Eigenschaften eines Stoffes unter dem Einfluss von Temperatur, Druck, Lösungsmitteln und anderen Faktoren berücksichtigt. Danach wird die Chemie nicht mehr nur zu einer Wissenschaft über Substanzen als vollständige Objekte, sondern auch zu einer Wissenschaft über die Prozesse und Mechanismen der Veränderung in der Materie. Dadurch wurde die Produktion synthetischer Materialien sichergestellt, die Holz und Metall bei Bauarbeiten ersetzen, sowie Lebensmittelrohstoffe bei der Herstellung von Trockenöl, Lacken, Waschmitteln und Schmiermitteln. Die Herstellung von Kunstfasern, Kautschuken, Ethylalkohol und vielen Lösungsmitteln begann auf Basis von Erdölrohstoffen, die Herstellung von Stickstoffdüngern auf Luftstickstoff. Die petrochemische Produktionstechnik ist mit ihren Durchflusssystemen entstanden, die kontinuierliche Hochleistungsprozesse ermöglichen. chemische Reaktion Elektron

So wurden bereits 1935 Materialien wie Leder, Fell, Gummi, Fasern, Waschmittel, Trockenöl, Lacke, Essigsäure und Ethylalkohol vollständig aus tierischen und pflanzlichen Rohstoffen hergestellt, darunter auch Lebensmittel. Dafür wurden zig Millionen Tonnen Getreide, Kartoffeln, Fette, Rohleder usw. ausgegeben. Aber schon in den 1960er Jahren. Aus Gas- und Ölrohstoffen wurden 100 % technischer Alkohol, 80 % Waschmittel, 90 % trocknende Öle und Lacke, 40 % Fasern, 70 % Gummi und etwa 25 % Ledermaterialien hergestellt. Darüber hinaus produziert die Chemie jährlich Hunderttausende Tonnen Harnstoff und Erdölprotein als Viehfutter sowie etwa 200 Millionen Tonnen Düngemittel.

Solche beeindruckenden Erfolge wurden auf der Grundlage der Erforschung chemischer Prozesse erzielt – einem Wissenschaftsgebiet, in dem die tiefste Integration von Physik, Chemie und Biologie durchgeführt wurde. Diese Lehre basiert auf der chemischen Thermodynamik und Kinetik, daher gehört dieser Wissenschaftszweig gleichermaßen zur Physik und Chemie. Einer der Begründer dieser wissenschaftlichen Richtung war der russische Chemiker N.N. Semenov ist Nobelpreisträger und Begründer der chemischen Physik. In seiner Nobelvorlesung im Jahr 1965 stellte er fest, dass der chemische Prozess das grundlegende Phänomen ist, das die Chemie von der Physik unterscheidet und sie zu einer komplexeren Wissenschaft macht. Der chemische Prozess ist der erste Schritt beim Aufstieg von so relativ einfachen physikalischen Objekten wie einem Elektron, Proton, Atom, Molekül zu komplexen, mehrstufigen lebenden Systemen. Schließlich ist jede Zelle eines lebenden Organismus im Wesentlichen eine Art komplexer Reaktor. Daher wird die Chemie zu einer Brücke von den Objekten der Physik zu den Objekten der Biologie.

Die Untersuchung chemischer Prozesse basiert auf der Idee, dass die Fähigkeit verschiedener chemischer Reagenzien zur Wechselwirkung unter anderem von den Bedingungen chemischer Reaktionen bestimmt wird. Diese Bedingungen können die Art und die Ergebnisse chemischer Reaktionen beeinflussen.

Die überwiegende Mehrheit der chemischen Reaktionen ist den Elementen ausgeliefert. Natürlich gibt es Reaktionen, die keiner besonderen Kontrolle oder besonderen Bedingungen bedürfen. Dies sind die bekannten Reaktionen der Säure-Base-Wechselwirkung (Neutralisation). Allerdings sind die allermeisten Reaktionen schwer zu kontrollieren. Es gibt Reaktionen, die einfach nicht durchführbar sind, obwohl sie prinzipiell machbar sind. Es gibt Reaktionen, die schwer zu stoppen sind: Verbrennungen und Explosionen. Und schließlich gibt es Reaktionen, die sich nur schwer in eine gewünschte Richtung lenken lassen, da sie spontan Dutzende unvorhergesehener Verzweigungen unter Bildung von Hunderten von Nebenprodukten erzeugen. Daher ist die wichtigste Aufgabe für Chemiker die Fähigkeit, chemische Prozesse zu kontrollieren und die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Methoden zur Steuerung chemischer Prozesse

In der allgemeinsten Form können Methoden zur Steuerung chemischer Prozesse in thermodynamische und kinetische unterteilt werden.

Thermodynamische Methoden beeinflussen die Verschiebung des chemischen Gleichgewichts einer Reaktion. Kinetische Methoden beeinflussen die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion.

Die Entstehung der chemischen Thermodynamik als eigenständige Richtung wird üblicherweise mit dem Erscheinen des Buches „Essays on Chemical Dynamics“ des niederländischen Chemikers J. van't Hoff im Jahr 1884 in Verbindung gebracht. Es konkretisiert die Gesetze, die die Abhängigkeit der Richtung einer chemischen Reaktion von Temperaturänderungen und der thermischen Wirkung der Reaktion begründen. Die Energie chemischer Prozesse hängt eng mit den Gesetzen der Thermodynamik zusammen. Chemische Reaktionen, die Energie freisetzen, werden als exotherme Reaktionen bezeichnet. In ihnen wird Energie gleichzeitig mit einer Abnahme der inneren Energie des Systems freigesetzt. Es gibt auch endotherme Reaktionen, die bei der Aufnahme von Energie auftreten. Bei diesen Reaktionen erhöht sich die innere Energie des Systems durch den Wärmeeintrag. Durch die Messung der während einer Reaktion freigesetzten Energiemenge (der thermische Effekt einer chemischen Reaktion) kann man die Änderung der inneren Energie des Systems beurteilen.

Zur gleichen Zeit formulierte der französische Chemiker A. Le Chatelier sein berühmtes Prinzip des mobilen Gleichgewichts und stattet Chemiker mit Methoden aus, um das Gleichgewicht in Richtung der Bildung von Zielprodukten zu verschieben. Diese Kontrollmethoden werden thermodynamische Methoden genannt.

Jede chemische Reaktion ist im Prinzip reversibel, in der Praxis verschiebt sich das Gleichgewicht jedoch in die eine oder andere Richtung. Dies hängt sowohl von der Art der Reagenzien als auch von den Prozessbedingungen ab. Es gibt viele Reaktionen, bei denen sich das Gleichgewicht in Richtung der Bildung von Endprodukten verschiebt: Dazu gehören die Neutralisationsreaktion, Reaktionen mit Abspaltung von Fertigprodukten in Form von Gasen oder Niederschlägen.

Allerdings gibt es viele chemische Reaktionen, bei denen sich das Gleichgewicht nach links, hin zur Bildung von Ausgangsstoffen, verschiebt. Um sie durchzuführen, sind spezielle thermodynamische Hebel erforderlich – eine Erhöhung der Temperatur und des Drucks (wenn die Reaktion in der Gasphase abläuft) sowie der Konzentration der Reaktanten (wenn die Reaktion in der flüssigen Phase abläuft).

Thermodynamische Methoden beeinflussen in erster Linie die Richtung chemischer Prozesse und nicht deren Geschwindigkeit.

Die Geschwindigkeit chemischer Prozesse wird durch die chemische Kinetik gesteuert, die die Abhängigkeit des Verlaufs chemischer Prozesse von verschiedenen strukturellen und kinetischen Faktoren untersucht – der Struktur der Ausgangsreagenzien, ihrer Konzentration, dem Vorhandensein von Katalysatoren und anderen Zusatzstoffen im Reaktor, Methoden von Mischreagenzien, Material und Design des Reaktors usw. . Die Untersuchung chemischer Reaktionen ist sehr schwierig. Schließlich ist es bei der Lösung notwendig, den Mechanismus der Wechselwirkung nicht nur zweier Reagenzien, sondern auch „dritter Körper“, von denen es mehrere geben kann, herauszufinden. In diesem Fall ist eine schrittweise Lösung am besten geeignet, bei der zunächst die stärkste Wirkung eines der „dritten Körper“, meist eines Katalysators, isoliert wird.

Darüber hinaus sollte verstanden werden, dass fast alle chemischen Reaktionen keineswegs eine einfache Wechselwirkung von Ausgangsreagenzien sind, sondern komplexe Ketten aufeinanderfolgender Stufen, in denen die Reagenzien nicht nur miteinander, sondern auch mit den Wänden des Reaktors interagieren kann den Prozess sowohl katalysieren (beschleunigen) als auch hemmen (verlangsamen).

Auch die Intensität chemischer Prozesse wird durch zufällige Verunreinigungen beeinflusst. Substanzen unterschiedlichen Reinheitsgrads erweisen sich in einigen Fällen als aktivere Reagenzien, in anderen als inerte. Verunreinigungen können sowohl katalytische als auch hemmende Wirkungen haben. Um den chemischen Prozess zu steuern, werden daher den reagierenden Stoffen bestimmte Zusatzstoffe zugesetzt.

Somit kann der Einfluss „dritter Körper“ auf den Ablauf chemischer Reaktionen auf die Katalyse reduziert werden, d.h. eine positive Wirkung auf einen chemischen Prozess oder eine Hemmung, die den Prozess hemmt.

Wie oben erwähnt, wird die Fähigkeit chemischer Elemente zur Wechselwirkung nicht nur von ihrer molekularen Struktur bestimmt, sondern auch von den Bedingungen, unter denen die Verbindung erfolgt. Diese Bedingungen beeinflussen den Ausgang chemischer Reaktionen. Den größten Einfluss haben Stoffe mit variabler Zusammensetzung, bei denen die Verbindungen zwischen einzelnen Bestandteilen schwächer sind. Es ist die Reaktion solcher Stoffe, auf die verschiedene Katalysatoren starken Einfluss haben.

Katalyse ist die Beschleunigung einer chemischen Reaktion in Gegenwart spezieller Substanzen – Katalysatoren, die mit Reagenzien interagieren, aber bei der Reaktion nicht verbraucht werden und nicht Teil der Endprodukte sind. Die Katalyse wurde 1812 vom russischen Chemiker K.S. entdeckt. Kirchhoff. Katalytische Prozesse unterscheiden sich in ihrer physikalischen und chemischen Natur in folgende Typen:

* heterogene Katalyse – eine chemische Reaktion der Wechselwirkung flüssiger oder gasförmiger Reagenzien findet auf der Oberfläche eines festen Katalysators statt;

* homogene Katalyse – eine chemische Reaktion findet entweder in einem Gasgemisch oder in einer Flüssigkeit statt, in der sowohl der Katalysator als auch die Reagenzien gelöst sind;

* Elektrokatalyse – die Reaktion findet auf der Oberfläche der Elektrode in Kontakt mit der Lösung und unter dem Einfluss von elektrischem Strom statt;

* Photokatalyse – die Reaktion findet auf der Oberfläche eines Feststoffs oder in einer flüssigen Lösung statt und wird durch die Energie der absorbierten Strahlung angeregt.

Am weitesten verbreitet ist die heterogene Katalyse, mit der 80 % aller katalytischen Reaktionen in der modernen Chemie durchgeführt werden.

Der Einsatz von Katalysatoren war die Grundlage für einen radikalen Wandel in der gesamten chemischen Industrie. Dank ihnen wurde es möglich, Paraffine und Cycloparaffine, die bisher als „chemisch tot“ galten, als Rohstoffe für die organische Synthese zu nutzen. Katalyse ist bei der Herstellung von Margarine, vielen Lebensmitteln und Pflanzenschutzmitteln notwendig. Nahezu die gesamte Industrie der Basischemie (Herstellung anorganischer Säuren, Basen und Salze) und der „schweren“ organischen Synthese, einschließlich der Herstellung von Kraft- und Schmierstoffen, basiert auf Katalyse. In jüngster Zeit wird die feine organische Synthese zunehmend katalytischer. 60-80 % der gesamten Chemie basieren auf katalytischen Prozessen. Chemiker sagen nicht ohne Grund, dass es überhaupt keine nichtkatalytischen Prozesse gibt, da sie alle in Reaktoren ablaufen, deren Wandmaterial als eine Art Katalysator dient.

Die Katalyse selbst blieb lange Zeit ein Mysterium der Natur und führte zu einer Vielzahl von Theorien, sowohl rein chemischer als auch physikalischer Natur. Diese Theorien erwiesen sich, auch wenn sie fehlerhaft waren, als nützlich, schon allein deshalb, weil sie Wissenschaftler zu neuen Experimenten führten. Die Sache ist, dass für die meisten industriell wichtigen chemischen Prozesse die Katalysatoren durch unzählige Versuche und Irrtümer ausgewählt wurden. So zum Beispiel für die Reaktion der Ammoniaksynthese in den Jahren 1913-1914. Deutsche Chemiker erprobten mehr als 20.000 chemische Verbindungen als Katalysatoren, folgten dem Periodensystem der Elemente und kombinierten sie auf verschiedene Weise.

Heute können wir einige Schlussfolgerungen über das Wesen der Katalyse ziehen.

1. Reagierende Stoffe kommen mit dem Katalysator in Kontakt und interagieren mit ihm, was zu einer Schwächung chemischer Bindungen führt. Findet eine Reaktion ohne Katalysator statt, muss die Aktivierung der Moleküle der reagierenden Stoffe durch Energiezufuhr von außen in den Reaktor erfolgen.

2. Im allgemeinen Fall lässt sich jede katalytische Reaktion so darstellen, dass sie über einen Zwischenkomplex verläuft, in dem die Umverteilung geschwächter chemischer Bindungen stattfindet.

3. In den allermeisten Fällen handelt es sich bei den Katalysatoren um Verbindungen vom Berthollid-Typ mit variabler Zusammensetzung, die durch das Vorhandensein geschwächter chemischer Bindungen oder sogar freier Valenzen gekennzeichnet sind, was ihnen eine hohe chemische Aktivität verleiht. Moleküle von Verbindungen vom Berthollid-Typ enthalten eine Vielzahl energetisch inhomogener Bindungen oder sogar freie Atome auf der Oberfläche.

4. Die Folgen der Wechselwirkung von Reagenzien mit dem Katalysator sind das Fortschreiten der Reaktion in eine bestimmte Richtung und eine Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit, da die Anzahl der Begegnungen reagierender Moleküle auf der Oberfläche des Katalysators zunimmt. Darüber hinaus fängt der Katalysator einen Teil der Energie der exothermen Reaktion ein, um alle neuen Schritte der Reaktion und ihre Gesamtbeschleunigung energetisch voranzutreiben.

Die Chemie hat im gegenwärtigen Entwicklungsstadium viele wirksame Katalysatoren entdeckt. Darunter sind Ionenaustauscherharze, metallorganische Verbindungen und Membrankatalysatoren. Viele chemische Elemente des Periodensystems haben katalytische Eigenschaften, die wichtigste Rolle spielen jedoch die Metalle der Platingruppe und die Metalle der Seltenen Erden.

Durch die Beteiligung von Katalysatoren erhöht sich die Geschwindigkeit einiger Reaktionen um das Zehnmilliardenfache. Es gibt Katalysatoren, mit denen Sie nicht nur die Zusammensetzung des Endprodukts steuern können, sondern auch die Bildung von Molekülen einer bestimmten Form fördern, was die physikalischen Eigenschaften des Produkts (Härte, Plastizität) stark beeinflusst.

Entwicklungsrichtung der Lehre von den chemischen Prozessen

Unter modernen Bedingungen ist die Entwicklung von Methoden zur Steuerung dieser Prozesse eine der wichtigsten Richtungen in der Entwicklung des Studiums chemischer Prozesse. Daher beschäftigt sich die chemische Wissenschaft mit der Entwicklung von Problemen wie Plasmachemie, Strahlenchemie und Hochchemie Drücke und Temperaturen.

Plasmachemie

Die Plasmachemie untersucht die chemischen Prozesse im Niedertemperaturplasma bei Temperaturen von 1000 bis 10.000 °C. Solche Prozesse sind durch den angeregten Zustand von Teilchen, Kollisionen von Molekülen mit geladenen Teilchen und sehr hohe Geschwindigkeiten chemischer Reaktionen gekennzeichnet. Bei plasmachemischen Prozessen ist die Geschwindigkeit der Umverteilung chemischer Bindungen sehr hoch: Die Dauer elementarer Vorgänge chemischer Umwandlungen beträgt etwa 10–13 s, wobei die Reaktionsreversibilität nahezu vollständig fehlt. Die Geschwindigkeit ähnlicher chemischer Prozesse in herkömmlichen Reaktoren wird aufgrund der Reversibilität um ein Vielfaches reduziert. Daher sind plasmachemische Prozesse sehr produktiv. Beispielsweise beträgt die Produktivität eines methanplasmachemischen Reaktors (seine Abmessungen: Länge – 65 cm, Durchmesser – 15 cm) 75 Tonnen Acetylen pro Tag. In diesem Reaktor werden bei einer Temperatur von 3000–3500 °C etwa 80 % des Methans in einer Zehntausendstelsekunde in Acetylen umgewandelt.

Die Plasmachemie findet in jüngster Zeit zunehmend Einzug in die industrielle Produktion. Es wurden bereits Technologien zur Herstellung von Rohstoffen für die Pulvermetallurgie geschaffen und Synthesemethoden für eine Reihe chemischer Verbindungen entwickelt. In den 1970ern Plasma-Stahlschmelzöfen wurden zur Herstellung von Metallen höchster Qualität entwickelt. Es wurden Methoden zur Ionenplasmabehandlung der Oberfläche von Werkzeugen entwickelt, deren Verschleißfestigkeit um ein Vielfaches steigt.

Die Plasmachemie ermöglicht die Synthese bisher unbekannter Materialien wie Metallbeton, bei dem verschiedene Metalle als Bindeelement verwendet werden. Metallbeton entsteht durch die Verschmelzung von Gesteinspartikeln und deren feste Verdichtung mit Metall. Seine Eigenschaften sind denen von gewöhnlichem Beton um ein Vielfaches überlegen.

Strahlenchemie

Eines der jüngsten Gebiete in der Erforschung chemischer Prozesse ist die Strahlenchemie, die in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts entstand. Gegenstand ihrer Forschung war die Umwandlung unterschiedlichster Stoffe unter dem Einfluss ionisierender Strahlung. Zu den Quellen ionisierender Strahlung gehören Röntgengeräte, Beschleuniger für geladene Teilchen, Kernreaktoren und radioaktive Isotope. Durch strahlenchemische Reaktionen erhalten Stoffe eine erhöhte Hitzebeständigkeit und Härte.

Die wichtigsten Prozesse der strahlenchemischen Technologie sind Polymerisation, Vulkanisation, Herstellung von Verbundwerkstoffen, einschließlich der Herstellung von Polymerbeton durch Imprägnierung von gewöhnlichem Beton mit einem beliebigen Polymer und anschließende Bestrahlung. Solche Betone haben eine viermal höhere Festigkeit, sind wasserdicht und sehr korrosionsbeständig.

Chemie hoher Drücke und Temperaturen

Ein grundlegend neues und äußerst wichtiges Gebiet der Erforschung chemischer Prozesse ist die sich selbst ausbreitende Hochtemperatursynthese von feuerfesten und keramischen Materialien. Typischerweise erfolgt ihre Herstellung durch die Methode der Pulvermetallurgie, deren Kern im Pressen und Komprimieren von Metallpulvern bei hohen Temperaturen (1200–2000 °C) besteht. Die Ausbreitungssynthese selbst ist viel einfacher: Sie basiert auf der Verbrennung eines Metalls in einem anderen oder der Verbrennung eines Metalls in Stickstoff, Kohlenstoff, Silizium usw.

Es ist seit langem bekannt, dass der Verbrennungsprozess eine Verbindung von Sauerstoff mit einem brennbaren Stoff ist, daher ist die Verbrennung eine Oxidationsreaktion eines brennbaren Stoffes. Dabei wandern Elektronen von den Atomen der oxidierten Substanz zu den Sauerstoffatomen. Unter diesem Gesichtspunkt ist eine Verbrennung nicht nur in Sauerstoff, sondern auch in anderen Oxidationsmitteln möglich. Auf dieser Schlussfolgerung basiert die sich selbst ausbreitende Hochtemperatursynthese, der thermische Prozess der Verbrennung in Feststoffen. Es handelt sich beispielsweise um die Verbrennung von Titanpulver in Borpulver oder von Zirkoniumpulver in Siliziumpulver. Als Ergebnis dieser Synthese werden Hunderte von feuerfesten Verbindungen höchster Qualität erhalten.

Es ist sehr wichtig, dass diese Technologie keine umständlichen Prozesse erfordert, hochtechnologisch ist und leicht automatisiert werden kann.

Hochdruckchemie

Ein weiterer Entwicklungsbereich der Untersuchung chemischer Prozesse ist die Chemie des Hoch- und Höchstdrucks. Chemische Umwandlungen von Stoffen bei Drücken über 100 atm gehören zur Hochdruckchemie und bei Drücken über 1000 atm zur Ultrahochdruckchemie. In der Chemie werden seit Beginn des 20. Jahrhunderts hohe Drücke eingesetzt. -- Die Ammoniakproduktion erfolgte bei einem Druck von 300 atm und einer Temperatur von 600°C. Doch neuerdings kommen Anlagen zum Einsatz, bei denen ein Druck von 5000 atm erreicht wird, und es werden Tests bei einem Druck von 600.000 atm durchgeführt, der durch die Stoßwelle der Explosion innerhalb einer Millionstelsekunde erreicht wird. Nukleare Explosionen erzeugen noch höhere Drücke.

Bei hohem Druck rücken die Elektronenhüllen der Atome näher zusammen und verformen sich, was zu einer Erhöhung der Reaktivität von Stoffen führt. Bei einem Druck von 102–103 atm verschwindet der Unterschied zwischen flüssiger und gasförmiger Phase und bei 103–105 atm zwischen fester und flüssiger Phase. Bei hohem Druck verändern sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Stoffen stark. Bei einem Druck von 20.000 atm wird das Metall beispielsweise elastisch wie Gummi. Gewöhnliches Wasser wird bei hohen Temperaturen und Drücken chemisch aktiv. Mit steigendem Druck gehen viele Stoffe in einen metallischen Zustand über. So beobachteten Wissenschaftler 1973 metallischen Wasserstoff bei einem Druck von 2,8 Millionen Atmosphären.

Eine der bedeutendsten Errungenschaften der Ultrahochdruckchemie war die Synthese von Diamanten. Es läuft bei einem Druck von 50.000 atm und einer Temperatur von 2000 °C. Dabei kristallisiert Graphit zu Diamanten. Diamanten können auch mithilfe von Stoßwellen synthetisiert werden. In letzter Zeit werden jährlich Tonnen synthetischer Diamanten produziert, die sich in ihren Eigenschaften nur geringfügig von natürlichen unterscheiden. Die dabei entstehenden Diamanten werden für industrielle Zwecke verwendet – in Schneid- und Bohrgeräten. Es war möglich, schwarze Diamanten – Carbonados – zu synthetisieren, die härter als natürliche Diamanten sind. Sie dienen der Bearbeitung der Diamanten selbst.

Derzeit ist die industrielle Produktion nicht nur von künstlichen Diamanten, sondern auch von anderen Edelsteinen – Korund (roter Rubin), Smaragd usw. – etabliert. Auch andere Materialien mit hoher Hitzebeständigkeit werden bei hohen Drücken synthetisiert. So wurde aus Bornitrid bei einem Druck von 100.000 atm und einer Temperatur von 2000 °C Bornitrid synthetisiert – ein Material, das sich zum Bohren und Schleifen von Teilen aus extrem harten Materialien bei sehr hohen Temperaturen eignet.

Energie chemischer Prozesse und Systeme

Chemische Reaktionen sind Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen, die zur Bildung neuer Stoffe führen, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung oder Struktur von den ursprünglichen unterscheiden. Chemische Reaktionen verändern im Gegensatz zu Kernreaktionen weder die Gesamtzahl der Atome im System noch die Isotopenzusammensetzung der Elemente.

Ein System ist eine Ansammlung von Körpern, die vom Raum isoliert sind. Wenn ein System den Massen- und Wärmeaustausch zwischen allen seinen Komponenten ermöglicht, wird ein solches System als thermodynamisch bezeichnet. Ein chemisches System, in dem Reaktionen ablaufen können, ist ein Sonderfall eines thermodynamischen Systems. Wenn kein Stoff- und Wärmeaustausch zwischen dem System und der Umgebung stattfindet, wird ein solches System als isoliert bezeichnet. Findet kein Stoffaustausch statt, ist aber ein Wärmeaustausch möglich, spricht man von einem geschlossenen System. Wenn sowohl ein Stoff- als auch ein Wärmeaustausch zwischen dem System und der Umgebung möglich ist, dann ist das System offen. Ein aus mehreren Phasen bestehendes System heißt heterogen, ein einphasiges System heißt homogen.

Der Zustand eines chemischen Systems wird durch seine Eigenschaften bestimmt: Temperatur, Druck, Konzentration, Volumen, Energie.

Reaktionen, die in einem homogenen System ablaufen, entwickeln sich über sein gesamtes Volumen und werden als homogen bezeichnet. Die an der Grenzfläche ablaufenden Reaktionen sind heterogen.

Für eine thermodynamische Beschreibung eines Systems werden die sogenannten Systemzustandsfunktionen verwendet – dabei handelt es sich um jede physikalische Größe, deren Werte eindeutig durch die thermodynamischen Eigenschaften des Systems bestimmt sind. Zu den wichtigsten Funktionen des Systemzustandes gehören:

Gesamtenergie des Systems (E);

Innere Energie des Systems (U);

Die Enthalpie (oder Wärmeinhalt) ist ein Maß für die Energie, die ein Stoff während seiner Bildung (H) akkumuliert:

Entropie ist ein Maß für die Unordnung eines Systems (S);

Die Gibbs-Energie ist ein Maß für die Stabilität eines Systems bei konstantem Druck (G):

Die Helmholtz-Energie ist ein Maß für die Stabilität eines Systems bei konstantem Volumen (F):

Die Möglichkeit eines spontanen Prozesses kann anhand des Vorzeichens der Änderung der Gibbs-Freien-Energie-Funktion beurteilt werden: if?G< 0, т.е. в процессе взаимодействия происходит уменьшение свободной энергии, то процесс термодинамически возможен. Если?G >0, dann kann der Prozess nicht fortgesetzt werden. Somit können alle Prozesse spontan in Richtung abnehmender freier Energie ablaufen.

Chemische Wechselwirkungen gehen in der Regel mit einem thermischen Effekt einher. Prozesse, die unter Wärmeabgabe ablaufen, nennt man exotherm (?H< 0), а идущие с поглощением теплоты - эндотермическими (?Н > 0).

Die thermische Wirkung chemischer Prozesse unter isobaren Bedingungen wird durch die Änderung der Enthalpie bestimmt, d.h. die Differenz zwischen den Enthalpien des End- und Anfangszustandes. Nach dem Lavoisier-Laplace-Gesetz gilt: Die bei der Bildung eines Stoffes freigesetzte Wärme ist gleich der Wärme, die bei der Zersetzung derselben Menge in seine ursprünglichen Bestandteile aufgenommen wird.

Tiefergehende Verallgemeinerungen thermochemischer Gesetze liefert das Hesssche Gesetz: Der thermische Effekt chemischer Reaktionen, die entweder bei konstantem Druck oder konstantem Volumen ablaufen, hängt nicht von der Anzahl der Zwischenstufen ab, sondern wird nur durch den Anfangs- und Endzustand des Systems bestimmt.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz) – Energie verschwindet nicht und taucht während eines Prozesses nicht aus dem Nichts wieder auf, sie kann nur in streng äquivalenten Beziehungen von einer Form in eine andere übergehen.

II Hauptsatz der Thermodynamik – Wenn ein Prozess in einem isolierten System reversibler Prozesse abläuft, bleibt die Entropie unverändert, bei irreversiblen Prozessen nimmt sie jedoch zu. .

Abschluss

Chemie ist eine Sozialwissenschaft. Ihr oberstes Ziel ist die Befriedigung der Bedürfnisse jedes Einzelnen und der gesamten Gesellschaft. Viele Hoffnungen der Menschheit richten sich auf die Chemie. Molekularbiologie, Gentechnik und Biotechnologie sowie Materialwissenschaften sind im Wesentlichen chemische Wissenschaften. Der Fortschritt der Medizin und des Gesundheitswesens ist die Probleme der Chemie von Krankheiten, Medikamenten und Lebensmitteln; Neurophysiologie und Gehirnfunktion sind in erster Linie Neurochemie, Chemie und die Chemie des Gedächtnisses. Die Menschheit erwartet von der Chemie neue Materialien mit magischen Eigenschaften, neue Energiequellen und Batterien, neue saubere und sichere Technologien usw.

Als grundlegende Wissenschaft entstand die Chemie zu Beginn des 20. Jahrhunderts zusammen mit der neuen Quantenmechanik. Und das ist eine unbestreitbare Wahrheit, denn alle Objekte der Chemie sind Atome, Moleküle, Ionen usw. - sind Quantenobjekte. Die Hauptereignisse in der Chemie sind chemische Reaktionen und chemische Prozesse, d. h. Auch die Neuanordnung von Atomkernen und die Umwandlung von Elektronenhüllen, elektronischen Hüllen von Reaktantenmolekülen in Produktmoleküle, ist ein Quantenereignis.

Der Bedarf an chemischen Prozessen entsteht unter dem Einfluss neuer Produktionsanforderungen. Methoden zur Lösung des Hauptproblems der Chemie, die auf der zuvor untersuchten Zusammensetzungslehre und Strukturtheorien basieren, reichten hier eindeutig nicht aus und es entsteht eine neue Ebene – die Ebene des chemischen Wissens – das Wissen über chemische Prozesse. Die Chemie wird nicht mehr nur zu einer Wissenschaft von Substanzen als vollständigen Objekten, sondern zu einer Wissenschaft von Prozessen und Mechanismen der Veränderung in der Materie. Dadurch wurde die Produktion synthetischer Materialien sichergestellt.

In der modernen Gesellschaft ist das Studium chemischer Prozesse ein notwendiges Wissen, da sich die Wissenschaft weiterentwickeln und nach neuen Entdeckungen streben muss, und nur der Mensch kann dazu beitragen.

Liste der verwendeten Literatur

1. Bochkarev A. I. – Konzepte der modernen Naturwissenschaften: ein Lehrbuch für Universitätsstudenten A. I. Bochkarev, T. S. Bochkareva, S. V. Saksonov; bearbeitet von Prof. A. I. Bochkareva. - Toljatti: TGUS, 2008. - 386 S. [elektronische Ressource]www.tolgas.ru (Zugriffsdatum 14.11.2102)

2. Sadokhin A.P. Konzepte der modernen Naturwissenschaften: ein Lehrbuch für Universitätsstudenten der Geisteswissenschaften und der Fachrichtungen Wirtschaft und Management / A.P. Sadochin. – 2. Auflage, überarbeitet. und zusätzlich - M.: UNITY-DANA, 2006. - 447 S. [elektronische Ressource] http://www.twirpx.com/file/20132/ (Zugriffsdatum: 10.12.2002)

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Chemische Reaktion- Dies ist die Umwandlung eines oder mehrerer Ausgangsstoffe in Stoffe, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung oder Struktur von ihnen unterscheiden. Als Ausgangsstoffe werden die an einer chemischen Reaktion beteiligten Stoffe bezeichnet Reagenzien . Stoffe, die bei der Wechselwirkung von Reagenzien entstehen, werden genannt Reaktionsprodukte . Im Gegensatz zu Kernreaktionen ändert sich bei chemischen Reaktionen weder die Gesamtzahl der Atome im reagierenden System noch die Isotopenzusammensetzung der chemischen Elemente. Dies liegt daran, dass chemische Prozesse keinen Einfluss auf die Kerne der Atome haben, aus denen die Reagenzmoleküle bestehen. Diese Prozesse werden durch die Wechselwirkung von Valenzelektronen abgewickelt und gehen mit einer Veränderung der Struktur der äußeren Elektronenhüllen der Reaktantenatome einher.

Je nach Anzahl und Zusammensetzung der Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte Es gibt vier Haupttypen chemischer Reaktionen:

 CVereinigung – aus mehreren einfachen oder komplexen Stoffen entsteht ein komplexer Stoff: 2Cu + O 2 = 2CuO;

 Zersetzung– Aus einem komplexen Stoff entstehen mehrere einfache oder komplexe Stoffe: 2H 2 O = 2H g + O 2;

 Auswechslung– Ein Atom einer einfachen Substanz ersetzt eines der Atome einer komplexen Substanz:

Fe+CuSO 4 =FeSO 4 +Cu;

 AustauschA– komplexe Stoffe tauschen ihre Bestandteile aus:

NaCl + H 2 SO 4 = HCl + NaHSO 4.

Durch Änderung des Oxidationszustands von Atomen Markieren:

 Reaktionen ohne Änderung der Oxidationsstufe (z. B. Ionenaustauschreaktionen):

NaOH+HCl=NaCl+H 2 O;

 Reaktionen mit Änderung der Oxidationsstufe (Redoxreaktionen): H 2 + Cl 2 = 2HCl.

Durch thermische Wirkung Reaktionen werden unterschieden:

 exotherm– Reaktionen, die unter Energiefreisetzung auftreten:

4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 + Q;

 endothermisch– Reaktionen, die mit Energieabsorption einhergehen:

CaCO 3 = CaO + CO 2 – Q.

Von die Notwendigkeit der Anwesenheit anderer Substanzen Reaktionen werden unterschieden:

 katalytisch– Verfahren nur unter Beteiligung von Katalysatoren: SO 2 + O 2 SO 3 ;

 nicht katalytisch– ohne Beteiligung von Katalysatoren auftreten: 2NO + O 2 = 2NO 2.

Von Reversibilität Reaktionen werden unterschieden:

 irreversibel– bis zur vollständigen Umwandlung der Ausgangsstoffe in Produkte entsteht bei einer irreversiblen Reaktion ein leicht dissoziierender Stoff in der Lösung – ein Niederschlag, Gas, Wasser: BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 ↓ + 2HCl;

 reversibel– sowohl zur Herstellung von Reaktionsprodukten als auch zur Herstellung von Ausgangsstoffen vorgehen: N 2 + 3H 2 ↔2CO 2.

Die Fähigkeit verschiedener chemischer Reagenzien zur Wechselwirkung wird nicht nur durch ihre atomar-molekulare Struktur bestimmt, sondern auch durch die Bedingungen, unter denen chemische Reaktionen ablaufen. Dazu gehören thermodynamische Faktoren (Temperatur, Druck usw.) und kinetische (alles, was mit der Übertragung von Stoffen und der Bildung ihrer Zwischenformen zusammenhängt). Ihr Einfluss auf chemische Reaktionen zeigt sich auf der konzeptionellen Ebene der Chemie, die allgemein als Lehre von Chemie bezeichnet wird Chemische Prozesse .

Das Studium chemischer Prozesse ist ein Bereich tiefer Durchdringung der Physik,Chemie und Biologie. Tatsächlich basiert diese Lehre auf chemisch Thermodynamik Und Kinetik, die gleichermaßen für Chemie und Physik gelten. Und eine lebende Zelle, die von der Biowissenschaft untersucht wird, ist gleichzeitig ein mikroskopischer chemischer Reaktor, in dem Transformationen stattfinden, von denen die Chemie viele untersucht und auf makroskopischer Ebene umzusetzen versucht. So offenbart der Mensch den tiefen Zusammenhang, der zwischen physikalischen, chemischen und biologischen Phänomenen besteht, und übernimmt gleichzeitig aus der belebten Natur die Erfahrungen, die er zur Gewinnung neuer Stoffe und Materialien benötigt.

Die meisten modernen chemischen Technologien werden mithilfe von Katalysatoren umgesetzt – Substanzen, die die Geschwindigkeit einer Reaktion erhöhen, ohne dabei verbraucht zu werden.

Auch in der modernen Chemie hat sich eine Richtung entwickelt, deren Prinzip ist Energieaktivierung Reagens (d. h. die Zufuhr von Energie von außen), bis die anfänglichen Bindungen vollständig aufgebrochen sind. In diesem Fall sprechen wir von hohen Energien. Dies ist das sogenannte Chemie extremer Zustände, unter Verwendung hoher Temperaturen, hoher Drücke und Strahlung mit großer Quantenenergie (Ultraviolett, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung). Dieser Bereich umfasst Plasmachemie(Chemie basierend auf dem Plasmazustand von Reagenzien) sowie Technologien, bei denen die Aktivierung des Prozesses durch gerichtete Elektronen- oder Ionenstrahlen erreicht wird (Elion-Technologien).

Die Chemie extremer Zustände ermöglicht die Gewinnung von Stoffen und Materialien, die in ihren Eigenschaften einzigartig sind: Verbundwerkstoffe, Hochtemperaturlegierungen und Metallpulver, Nitride, Silizide und Karbide von Refraktärmetallen, Beschichtungen mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Bei der Lösung verschiedener thermodynamischer Probleme werden spezielle Funktionen verwendet - thermodynamische Potentiale. Wenn man den Ausdruck thermodynamischer Potentiale kennt, können andere Eigenschaften von Prozessen anhand unabhängiger Parameter des Systems berechnet werden. Lassen Sie uns einige davon auflisten.

Einsetzen in den Ausdruck für den ersten Hauptsatz der Thermodynamik dQ= du+ dA Formeln zum Funktionieren dA= pdV und die Wärmemenge in einem reversiblen Prozess dQ= TdS, wir bekommen du= TdS– pdV (1).

Dieser Ausdruck, der den ersten und zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kombiniert, ist das Gesamtdifferential der inneren Energie, und die allgemeine Gleichung für das Gesamtdifferential lautet:

Wenn wir es mit Ausdruck (1) vergleichen, erhalten wir:

Die partielle Ableitung der inneren Energie nach der Entropie ist also gleich der Temperatur, die Ableitung nach dem Volumen mit umgekehrtem Vorzeichen ist gleich dem Druck und die innere Energie selbst ist das thermodynamische Potential. Ein weiteres thermodynamisches Potential wurde von G. Helmholtz (1877) eingeführt. Er zeigte, dass die Funktion F = U– T.S., freie Energie genannt, kann ein Kriterium für das thermodynamische Gleichgewicht sein.

Lassen Sie uns die gesamte Differenz der freien Energie ermitteln: dF= du– TdS– SDT Dann können wir mit Ausdruck (1) schreiben: dF= TdS– pdV– TdS– SDT= – SDT– pdV. In Anbetracht dessen (wie zuvor). dF ist das Gesamtdifferential der Variablen T Und V, wir bekommen:

.

Physikalische Bedeutung von freier Energie F ergibt sich aus dem Ausdruck für dF. Bei T= const dT= 0 also dF= – pdV= – dA, das heißt, die Abnahme der freien Energie ist gleich der vom System in einem isothermen Prozess geleisteten Arbeit. Die Aufrechterhaltung einer konstanten Körpertemperatur in lebenden Organismen lässt vermuten, dass ihre Arbeit durch die Reduzierung freier Energie verrichtet wird.

Das thermodynamische Potential, das sogenannte Gibbs-Funktion (G): G= F+ pV= U– T.S.+ pV. Durch Differenzieren erhalten wir: dG= du– TdS– SDT+ pdV+ VdP. Unter Berücksichtigung von Gleichung (1) kann die letzte Gleichung wie folgt umgeschrieben werden: dG= TdS– pdV– TdS– SDT+ pdV+ Vdp= – SDT+ Vdp. Wenn wir die resultierende Gleichung mit dem Ausdruck für das Gesamtdifferential vergleichen, schreiben wir:

.

Das Gibbs-Potenzial wird zur Berechnung von Entropie und Volumen in isobar-isothermen Prozessen verwendet. Wenn das System in einem irreversiblen isobar-isothermen Prozess zum Gleichgewicht neigt dQ  TdS, und für das Gibbs-Differential wird anstelle der oben geschriebenen Gleichheit Folgendes verwendet: dG– SDT+ VdP. Aber da in diesem Prozess dT = 0,dp= 0 also dG0. Und dies wird so lange durchgeführt, bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt dG wird gleich Null. Wir können sagen, dass in isobar-isothermen Nichtgleichgewichtsprozessen die Gibbs-Funktion im Gleichgewichtszustand auf ein Minimum abnimmt. Bei isothermen Prozessen, die ohne Volumenänderung ablaufen, nimmt auch das Helmholtz-Potenzial – die freie Energie – ab.

Wenn sich die Anzahl der Teilchen im System ändert, wird die sogenannte Chemisches Potential(). Dann sollten Sie anstelle von Gleichung (1) schreiben: du= TdS– pdV+ dN. Hier dN – Änderung der Anzahl der Teilchen im System. Die Ausdrücke für andere Potenziale ändern sich entsprechend: dF= – SDT– pdV+ dN,dG= – SDT+ Vdp+ dN. Dann gilt für das chemische Potential bei konstanten Paaren entsprechender Parameter ( S,V), (T,V), (T,P) kann geschrieben werden:

.

Das thermodynamische Potenzial ist also gleich der Potenzialänderung pro Teilchen im entsprechenden Prozess. Und eine Reaktion ist möglich, wenn sie mit einer Verringerung des Potenzials einhergeht. Wenn ein Stein in ein Gravitationsfeld fällt, nimmt seine potentielle Energie ab. Ein ähnlicher Prozess wird bei einer chemischen Reaktion beobachtet: Wenn sie stattfindet, sinkt ihre freie Energie auf ein niedrigeres Niveau. In diesen Beispielen ist die Analogie vollständig, da es keine Änderung der Entropie gibt. Bei chemischen Reaktionen muss jedoch die Änderung der Entropie berücksichtigt werden, und die Möglichkeit einer Reaktion bedeutet nicht, dass diese spontan abläuft. Die Thermodynamik erklärt: Eine Reaktion findet nur dann statt, wenn die Energie von Stoffen abnimmt und die Entropie zunimmt. Die Entropie nimmt zu, weil die Anordnung der Atome in einem kleinen Molekül weniger geordnet ist als in einem großen.

Aber reale Prozesse und Zustände sind meistens ungleichgewichtig und die Systeme sind offen. Solche Prozesse werden in besprochen Nichtgleichgewichtsthermodynamik.

Ein chemisch-technologischer Prozess ist, wie oben dargestellt, eine Kombination aus miteinander verbundenen chemischen, physikalisch-chemischen, physikalischen und mechanischen Vorgängen, die in einer bestimmten Reihenfolge durchgeführt werden, um das Endprodukt zu erhalten. Der chemische Prozess selbst ist das zweite und wichtigste Teilsystem des chemischen Systems. Seine Wirksamkeit setzt die Einhaltung bestimmter Bedingungen voraus, deren Inhalt durch das technische Regime bestimmt wird.

Technologischer Modus– Hierbei handelt es sich um eine Reihe von Parametern, die einen stabilen und möglichst effizienten Ablauf des chemischen Prozesses gewährleisten.

Prozessparameter Nennen Sie die Menge , Charakterisierung eines der Indikatoren für den Betriebsmodus des Geräts. In der Regel handelt es sich bei einem Parameter um einen quantitativen Wert, der es ermöglicht, den Betrieb des Geräts zu quantifizieren. Die Hauptparameter des chemischen Prozesses sind Temperatur, Druck, Verhältnis der Reagenzien, ihr Verbrauch pro Zeiteinheit, Kontaktzeit, volumetrische Zufuhrrate der Rohstoffe, Katalysatoraktivität, Rezirkulationskoeffizient, Stromstärke, Spannung usw. Die Kombination optimaler Parameter ermöglicht die Durchführung des Prozesses mit höchstmöglicher Ausbeute und Qualität des Zielprodukts bei hoher Geschwindigkeit und minimalen Kosten.

Wie oben erwähnt, stellt der chemische Prozess das wichtigste Teilsystem dar – die chemische Umwandlung von Rohstoffen. Es läuft in einer oder mehreren chemischen Reaktionen ab, begleitet von den Phänomenen der Stoff- und Wärmeübertragung. Wenn ein chemischer Umwandlungsprozess gemäß der stöchiometrischen Gleichung einstufig abläuft, wird er als einfach bezeichnet. Die übrigen Reaktionen sind komplex. Dazu gehören reversible, Ketten-, parallele, sequentielle, konjugierte und andere Reaktionen. Chemische Reaktionen werden nach einer Reihe von Kriterien klassifiziert:

Von Phasenzustand Reaktionssystem ( homophasisch oder heterophasisch);

Nach dem Interaktionsmechanismus;

Durch Reversibilität ( reversibel und irreversibel);

Nach dem Vorzeichen des thermischen Effekts [ exotherm(+ N) Und endothermisch (- N)];

Je nach Katalysatoreinsatz ( katalytisch und nichtkatalytisch);

Nach Temperatur ( niedrige temperatur und hohe temperatur);

In der Reihenfolge der Reaktion.

Unten finden Sie die Tabelle. 5.1 Technologische Klassifizierung chemischer Reaktionen.

Intensivierung homogener Prozesse. Wenn die Reaktion in der Masse der Phase stattfindet, wird sie als homogen bezeichnet. Zu den homogenen Reaktionen zählen beispielsweise Reaktionen in Lösungen . In homogenen Systemen findet die Reaktion im gesamten Reaktorvolumen statt. Die Reaktionsgeschwindigkeit in solchen Prozessen kann durch Veränderung der Zusammensetzung des Reaktionsmediums, der Temperatur und des Drucks gesteigert werden.

Einfluss der Zusammensetzung des Reaktionsmediums hängt von der Konzentration der Reagenzien und ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften ab.

Es ist bekannt, dass es sich nach dem Massenwirkungsgesetz um eine homogene Reaktion handelt
aA + bB cC + dD wird wie folgt geschrieben:

(- V A) = kC a A C b B , (5.1)

Wo ( V A) – Geschwindigkeit der chemischen Reaktion;

S A, S B– molare Konzentrationen der Reagenzien A und B;

a, b- Reaktionsreihenfolge für die Reagenzien A und B;

k- Reaktionsgeschwindigkeitskonstante.

Tabelle 5.1

Klassifizierungszeichen	Beispiele für chemische Reaktionen
1. Mechanismus und Chemie der Reaktion: - einfach irreversibel - einfach reversibel - mit ungünstigem Gleichgewicht - komplex irreversibel - parallel zur vorherigen - sequentiell (aufeinanderfolgende) - komplex reversibel	2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 SO 2 + 0,5O 2 SO 3 3H 2 + N 2 2NH 3 NH 3 + 1,25 O 2 = NO + 1,5H 2 O NH 3 + 1,5 O 2 = N 2 + 3H 2 O C 6 H 5 CH 3 +O 2 = C 6 H 5 CH 2 UN= C 6 H 5 CHO +H 2 O CO + H 2 O CO 2 + H 2 CO + H 2 O CH 3 OH
2. Größe und Vorzeichen des thermischen Effekts der Reaktion: - stark exotherm - schwach exotherm - stark endotherm - schwach endotherm	SO 2 + O 2 + 297 kJ/mol C 6 H 12 = CH 3 (CH 2) 2 CH = CH-CH 3 + 59,9 kJ/mol C 6 H 12 = C 6 H 6 + 3 H 2 – 221 kJ/mol ROH + R 1 COOH RCOOR 1 + H 2 O – 50 kJ/mol
3. Kinetisches Modell – Reaktionsreihenfolge: - Null - Erste - Zweite - Dritte - Bruchzahl	Reaktionsgeschwindigkeitsgleichung: -V A = kC A =k -V A = kC A -V = kC A C B ; -V = kC 2 A ; -V = kC 2 B -V = kC 2 A C B ; -V = k C A C B 2 -V = kC A C D 1,5
4. Systemaktivierungsmethode: Einfluss der Reaktionstemperatur: - hohe Temperatur (mehr als 500 °C) - mittlere Temperatur (160-500 °C) - niedrige Temperatur (weniger als 160 °C) - Reaktion unter Druck - katalytisch, elektrochemisch, photochemische usw. Reaktionen	Pyrolyse von Kohlenwasserstoffrohstoffen, Oxidation von Paraffinen, Alkylierung von Isobutan mit Olefinen, katalytisches Cracken, katalytische Reformierung, Halogenierung von Paraffinen

A, B – Ausgangsreagenzien;

V – Reaktionsgeschwindigkeit;

k – Geschwindigkeitskonstante;

C – Konzentration.

Somit ist die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zum Produkt der Konzentrationen der Reaktanten, gemessen in Potenzen gleich der Reihenfolge der Reaktion, auf deren Grundlage die Schlussfolgerungen folgen:

1) je höher der Konzentrationswert, desto größer die Reaktionsgeschwindigkeit;

2) Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt in größerem Maße von dem in der Geschwindigkeitsgleichung enthaltenen Reagens in höherem Maße ab;

3) Wenn Reaktionen unterschiedlicher Ordnung gleichzeitig ablaufen, hat eine Konzentrationsänderung einen stärkeren Einfluss auf die Geschwindigkeit der Reaktion höherer Ordnung.

Diese Muster liegen der technologischen Technik zugrunde – einem Überschuss eines der Reagenzien. In diesem Fall ist es rentabler, das in der Reaktionsgleichung enthaltene Reagens mit einem höheren stöchiometrischen Koeffizienten im Überschuss zu verwenden. Es gibt jedoch eine Reihe von Gründen, warum in vielen Gasphasen- und Flüssigphasenprozessen die Reaktanten mit einem Lösungsmittel verdünnt werden, d. h. ihre Konzentration herabsetzen. Dafür gibt es mehrere Gründe:

a) die Möglichkeit einer Überhitzung der Reaktionsmasse bei der Durchführung einer stark exothermen Reaktion mit hoher Geschwindigkeit;

b) die Verwendung niedriger Konzentrationen – die Voraussetzung für das selektive Auftreten komplexer Reaktionen, wenn die Nebenreaktion höherer Ordnung ist;

c) Verbesserung der Bedingungen für das Auftreten physikalischer Prozesse, die die Reaktion begleiten, weil Durch die Verdünnung können Sie die Viskosität senken, eine gleichmäßige Durchmischung der Reaktionsmasse und deren Transport erleichtern und eine intensivere und gleichmäßigere Wärmeübertragung gewährleisten.

Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit wird durch die Arrhenius-Gleichung beschrieben:

k = A e - E / RT(5.2)

Wo k- Geschwindigkeitskonstante;

A– präexponentieller Faktor;

E- Aktivierungsenergie, kJ/mol;

R- Gaskonstante, kJ/mol;

T– Temperatur, o ZU.

Aus dieser Gleichung folgt, dass die Temperatur, da sie im Exponenten enthalten ist, einen sehr großen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit hat. Aus dem gleichen Grund hat die Aktivierungsenergie einen erheblichen Einfluss auf die Geschwindigkeit, jedoch mit einem anderen Vorzeichen.

Der Druckbereich in der chemischen Technik ist sehr breit. Bei der Ölraffinierung liegt der Druck in den meisten Prozessen im Bereich von 1–5 MPa, aber es gibt Prozesse mit Druck bis zu 32 MPa(Hydrocracken) und im Vakuum (Rektifikation von Heizöl). In der Petrochemie sind Prozesse bei Drücken bis zu bekannt 100 MPa(Polymerisation von Ethylen). Es gibt mehrere Gründe, warum Hochdruck trotz hoher Energiekosten in der chemischen Technologie weit verbreitet ist:

1. Druck erhöht die Geschwindigkeit von Gasphasenprozessen erheblich, weil in diesem Fall steigt die Konzentration der Reagenzien stark an.

2. Der Druck beeinflusst die Lage des chemischen Gleichgewichts bei reversiblen Reaktionen, wobei ein Anstieg des Drucks das Gleichgewicht in Richtung einer direkten Reaktion verschiebt, wenn der Prozess mit einer Volumenabnahme abläuft.

3. Druck erhöht Siede- und Schmelzpunkte. Dieser Effekt wird genutzt, um Flüssigphasenprozesse für Stoffe durchzuführen, die bei Normaldruck im gasförmigen Zustand vorliegen.

4. Durch die Erhöhung des Drucks kann in vielen Fällen die Synthesetemperatur gesenkt werden, was in Systemen mit geringer thermischer Stabilität der Reagenzien oder Prozessprodukte wichtig ist.

Intensivierung heterogener Prozesse. Heterogene Systeme bestehen aus einem kontinuierlichen (kontinuierlichen) Medium und einer diskreten Phase, einschließlich einer oder mehrerer Komponenten. Beispiele für solche Systeme sind in der Tabelle aufgeführt. 5.2.

In einem heterogenen System ist der Bereich der chemischen Wechselwirkung die Phasengrenzfläche.

Die Geschwindigkeit einer heterogenen Reaktion ist eine komplexe Funktion der Parameter mehrerer parallel ablaufender Prozesse: Stofftransport von außen in das Reaktionsmedium, die chemische Reaktion selbst und die Entfernung von Prozessprodukten aus dem Reaktionsraum.

Die Elementarstufen einer heterogenen Reaktion laufen unterschiedlich schnell ab. Darüber hinaus sind unter den Bedingungen eines stationären Prozesses die Geschwindigkeiten aller Stufen gleich und entsprechen der Geschwindigkeit der langsamsten Stufe. Diese Phase wird aufgerufen einschränkend. Daher ist bei heterogenen Prozessen ihre Intensivierung mit der Beschleunigung des Grenzstadiums verbunden.

Um dieses Problem zu lösen, wurde das Konzept einer Reaktionsregion in die Theorie heterogener Prozesse eingeführt. Nach dieser Theorie kann eine heterogene Reaktion auftreten Kinetik, Diffusion oder Übergang (Diffusionskinetik) Bereiche. Der Name dieser Bereiche steht in direktem Zusammenhang mit der Grenzstufe.

Tabelle 5.2

Arten disperser Systeme

Dispergierte Phase – dispergiertes Medium	Art der Systeme	Beispiele
T-F	Sols, Suspensionen, Suspensionen	Metallsohlen, hydraulische Aufhängungen
F - F	Emulsionen	Prozessemulsionen, Schmierstoffe
G – F	Schäume, Gasemulsionen	Schäume, sprudelnde Schicht, siedende und kavitierende Flüssigkeit
T – T	Feste Kolloide	Legierungen
F – T	Poröse Körper, Kapillarsysteme	Adsorbentien, Nasskörper, Ionenaustauscher, Filterschichten
G – T	Poröse und kapillare Systeme	Kieselgel, Aktivkohlen, Zeolithe, Katalysatoren, Membranen, Filter
T–G	Aerosole, Suspensionen	Dämpfe, Wirbelschicht
F – G	Aerosole	Nebel, Tröpfchen
G - G	Heterogene Gase	Trennen von Gasen, Dichteschwankungen in Gasen

G – Gas; F – flüssig; T – fest

Wenn das begrenzende Stadium eine chemische Umwandlung ist, dann sagen sie über den kinetischen Bereich Fortschritt des Prozesses. Zur Nummer kinetische Faktoren Dazu gehören Temperatur, Druck, Konzentration der Reagenzien und des Katalysators, Art und Aktivität des letzteren usw.

Wenn die Geschwindigkeit des Stoffübergangs die limitierende Stufe ist, dann läuft die Reaktion ab Diffusionsbereich. Es ist bekannt, dass bei in diesem Bereich ablaufenden Prozessen die Geschwindigkeit proportional zur Fläche der Grenzfläche und der treibenden Kraft des Prozesses (Konzentrationsänderung) ist, unter deren Einfluss ein Stoffübergang stattfindet:

V = k S C , (5.3)

Wo k– Proportionalitätskoeffizient;

S– Bereich der Phasenschnittstelle;

C– Konzentrationsänderung.

Aus dieser Gleichung folgt, dass die Geschwindigkeit des Prozesses durch Vergrößerung der Kontaktfläche der Phasen erhöht werden kann. Dieses Ziel wird erreicht, indem der feste Katalysator gemahlen und seine innere Struktur (Porosität) entwickelt wird. In Systemen mit flüssigen Produkten werden Techniken wie der Einsatz von Packvorrichtungen, Blasenbildung, einer Schaumschicht usw. eingesetzt, um die Kontaktoberfläche zu vergrößern. Der Wert der Geschwindigkeitskonstante wird durch die folgende Beziehung bestimmt:

k = D/ (5.4)

Wo D- Diffusionskoeffizient;

Dicke der Diffusionsgrenzschicht.

Mit steigender Temperatur steigt der Diffusionskoeffizient, allerdings in deutlich geringerem Maße als die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion. Allerdings wird der Temperaturfaktor häufig genutzt, um die Geschwindigkeit von Diffusionsprozessen zu erhöhen. Eine effektivere Technik besteht darin, die Vermischung der Kontaktphasen zu intensivieren, wodurch eine Verringerung der Dicke der Diffusionsschicht erreicht wird, was zu einem starken Anstieg der Geschwindigkeitskonstante des Stoffübertragungsprozesses führt.

Um die treibende Kraft von Stoffaustauschprozessen zu erhöhen ( MIT), das ist der Konzentrationsgradient:

C = C – C *,

Wo C und C*- Tatsächliche und Gleichgewichtskonzentrationen der Komponente in der Übertragungsphase. Verwenden Sie die folgenden Techniken:

1) Erhöhung der Konzentration der Rohstoffkomponenten;

2) Entfernung von Prozessprodukten aus der Reaktionszone;

3) Gleichgewichtsverschiebung in Richtung Erhöhung des Konzentrationsgradienten MIT.

Zu den Diffusionsfaktoren, die die Intensität von Stoffübergangsprozessen bestimmen, gehören somit die linearen Geschwindigkeiten der Phasenbewegung, die Drehzahl von Mischgeräten, die Eigenschaften der Phasengrenzfläche usw. Da Diffusionsfaktoren weitgehend durch die Hydrodynamik von Strömungen bestimmt werden, Sie werden oft als hydrodynamisch bezeichnet.

Wenn die Geschwindigkeiten des Stofftransports und der Reaktion vergleichbar sind, spricht man von einem Prozess, der in abläuft Übergangsbereich.

Die Durchführung der Reaktion im kinetischen Bereich (keine Diffusionshemmung) ist aus kinetischer Sicht am günstigsten, eine Reihe industrieller Prozesse werden jedoch tatsächlich im Diffusionsbereich durchgeführt. Dies gilt vor allem für Hochtemperaturprozesse, bei denen eine Diffusionshemmung aufgrund hoher chemischer Reaktionsgeschwindigkeiten nur schwer zu vermeiden ist.

Zusammenfassend können wir folgende Schlussfolgerungen ziehen:

Die Geschwindigkeit einer heterogenen Reaktion wird durch die Geschwindigkeit der geschwindigkeitsbestimmenden Stufe bestimmt;

Sowohl chemische Umwandlungsprozesse als auch Stoffübertragungsprozesse können limitierend sein;

Um eine heterogene Reaktion zu intensivieren, sollten sowohl kinetische als auch Diffusionsfaktoren verwendet werden;

Zur Intensivierung der im kinetischen Bereich ablaufenden Prozesse sollten kinetische Faktoren und im Diffusionsbereich Diffusionsfaktoren eingesetzt werden.

Intensivierung von Prozessen basierend auf irreversiblen Reaktionen.Zu den irreversiblen Reaktionen gehören Reaktionen, die nur in Vorwärtsrichtung ablaufen. Bei der Technologieentwicklung zur Durchführung eines solchen Verfahrens werden vor allem zwei Ziele verfolgt: die Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit und der Ausbeute des Zielprodukts. Die Produktausbeute bei solchen Verfahren ist proportional zum Grad der Umwandlung. Bei der Entwicklung von Technologien zur Durchführung einer komplexen irreversiblen Reaktion wird größtes Augenmerk auf die Erhöhung der Selektivität des Prozesses gelegt. Dieses Ziel wird durch die Auswahl optimaler Reagenzienkonzentrationen und -temperaturen sowie die Auswahl der selektivsten Katalysatoren erreicht.

Selektivität S Reaktionen können anhand des Verhältnisses der Geschwindigkeiten der Haupt- und Nebenreaktionen abgeschätzt werden:

S = V 1 / V 2 =k 1 C A a / k 2 C A b = k C A a – b, (5.5)

Wo k = k 1 / k 2 .

Basierend auf dieser Gleichung können Rückschlüsse auf den Einfluss der Konzentration auf die Selektivität gezogen werden:

1) bei a>b(die Reihenfolge der Zielreaktion ist höher als die der Nebenreaktion) Selektivität ist proportional zum maximalen Konzentrationswert;

2) wann A< b die Selektivität ist proportional zu den Mindestkonzentrationswerten;

3) wann a = b Konzentration hat keinen Einfluss auf die Selektivität: S = kC A 0 = k.

Die Katalyse hat den stärksten Einfluss auf die Reaktionsselektivität. Die Katalyse ist ein komplexes Reaktionssystem, wodurch viele Schwierigkeiten im Reaktionsablauf im Vergleich zu einem nichtkatalysierten Prozess reduziert werden. Dieser Effekt ist mit einer Abnahme der Aktivierungsenergie und/oder einer Zunahme des präexponentiellen Faktors in der kinetischen Gleichung der Reaktion verbunden.

Intensivierung von Prozessen basierend auf reversiblen Reaktionen.Reversible Reaktionen umfassen Reaktionen, die gleichzeitig in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ablaufen.

In einer reversiblen Reaktion aA + bB = dD Gemäß dem Massenwirkungsgesetz sind die Geschwindigkeiten der Vorwärts- und Rückreaktionen wie folgt:

V pr = k / C A a C B b ; (5.6)

V rev = k // C D d, (5.7)

Wo MIT– Konzentration;

k / , k //- Geschwindigkeitskonstanten von Vorwärts- und Rückwärtsreaktionen;

a, b, d–stöchiometrische Koeffizienten (Reaktionsordnungen) für Prozessteilnehmer A, B, D.

Die Gesamtgeschwindigkeit einer reversiblen Reaktion entspricht der Differenz zwischen den Geschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktion: V = V pr - V arr Im Moment des Gleichgewichts Vpr = Vbr

C D d / C A a C B b = k / / k // = K r, (5.8)

Wo K R- Gleichgewichtskonstante.

Der Transformationsgrad, bei dem sich ein Gleichgewicht einstellt, wird als Gleichgewicht bezeichnet. Unter Produktionsbedingungen wird das System in der Regel nicht in einen Gleichgewichtszustand gebracht, weil Im Gleichgewichtszustand ist die Reaktorproduktivität Null. Der Reaktor arbeitet in einem vom Gleichgewichtszustand entfernten Modus, abhängig von den Kosten für die Verschiebung des Gleichgewichts in Richtung der Bildung von Reaktionsprodukten.

Es gibt Reaktionen mit leicht verschobenem Gleichgewicht und mit ungünstigen Gleichgewichtslagen, bei denen der akzeptable Umsatz 30 % oder sogar weniger betragen kann.

Die Verschiebung des Gleichgewichts bei Druck-, Temperatur- oder Konzentrationsänderungen unterliegt dem Prinzip von Le Chatelier, das besagt: Ein äußerer Einfluss auf ein System mit etabliertem Gleichgewicht verschiebt es in Richtung einer Abnahme dieses Einflusses.

Betrachten Sie als Beispiel für die Wirkung des Prinzips von Le Chatelier die Reaktion der Ammoniaksynthese: 3H 2 + N 2 2NH 3. Diese Reaktion ist einfach, reversibel, exotherm und verläuft mit einer Volumenabnahme. Eine Erhöhung der Konzentration eines der Reagenzien führt zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit der direkten Reaktion, d.h. zur Bildung des Zielprodukts. In diesem Fall ist die treibende Kraft des Prozesses die Größe des äußeren Einflusses.

Der gleiche Effekt kann durch eine Erhöhung des Drucks im System erzielt werden. Durch die Erhöhung des Drucks erhöhen wir zwar die Konzentration aller am Prozess Beteiligten, aber die Erhöhung der Konzentration der Reagenzien wird bedeutender sein, weil Die Molzahl der Ausgangsstoffe ist größer als die Zahl der Reaktionsprodukte. Die treibende Kraft dieses Prozesses ist der Mengenunterschied zwischen End- und Ausgangsprodukt. Daher ist es bei gleichen Volumina von End- und Ausgangsprodukt nicht möglich, das Gleichgewicht durch Änderung des Drucks im System zu verschieben.

Die Auswirkung von Temperaturänderungen auf die Gleichgewichtsverschiebung in dieser Reaktion ist wie folgt. Da die Reaktion exotherm ist, ist es möglich, das Gleichgewicht durch Senkung der Prozesstemperatur in Richtung Ammoniakbildung zu verschieben. Die treibende Kraft ist in diesem Fall die absolute Größe dieser Temperaturänderung.

Das Prinzip von Le Chatelier ermöglicht es uns, den Einfluss der wichtigsten Prozessparameter auf die Richtung einer reversiblen chemischen Reaktion qualitativ zu beurteilen. Eine quantitative Bewertung der Gleichgewichtsverschiebung bei einer Temperaturänderung oder der bloßen Möglichkeit, dass eine bestimmte Reaktion bei konstantem Druck abläuft (nämlich bei konstantem Druck in industriellen chemisch-technologischen Prozessen werden in der Regel chemische Reaktionen durchgeführt) ist möglich, wenn das Vorzeichen und die Größe der Änderung der freien Energie in diesem Prozess bekannt sind. Gibbs:

G = G con. - G-Start . , (5.9)

Wo G-Start Und G con. – Werte der freien Gibbs-Energie der Reaktanten und Produkte des Prozesses.

Der negative Wert dieser Differenz bedeutet, dass die Reaktion grundsätzlich in Vorwärtsrichtung ablaufen kann. Je größer der absolute Wert dieser Differenz ist, desto größer ist die treibende Kraft des Prozesses.

Wie bekannt:

G = H - T S, (5.10)

Wo H = H con. - H-Start. – Enthalpieänderung;

S = S con. – S bitte.– Entropieänderung;

N Anfang , N con. , S Anfang, S Ende. – Zustände des Systems, die den Anfangs- und Endwerten der Enthalpie bzw. Entropie entsprechen.

Nach dieser Gleichung werden Wert und Vorzeichen von G durch die Werte bestimmt , S, Und T.

Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik:

N = U-P V, (5.11)

Wo U- Veränderung der inneren Energie;

V– Volumenänderung bei P = const.

Unter den betrachteten Bedingungen N im absoluten Wert gleich, aber im Vorzeichen entgegengesetzt zum thermischen Effekt der Reaktion Q (Q = - H).

Die Entropieänderung lässt sich in erster Näherung abschätzen, indem man berücksichtigt, dass sie als Maß für die Unordnung des Systems angesehen werden kann. Prozesse, die mit seiner Zunahme ablaufen (Gasausdehnung, Auflösung, Verdampfung, Schmelzen, Zersetzungsreaktionen), die mit einer Volumenzunahme ablaufen, sind durch eine Zunahme der Entropie gekennzeichnet. Prozesse, die mit einer Abnahme der Unordnung ablaufen (Kondensation, Kristallisation, Additionsreaktionen, Komplexbildung), entsprechen einer Abnahme der Entropie.

Bei der Wahl der optimalen Parameter für die Durchführung eines technologischen Prozesses bei reversiblen Reaktionen sind neben den thermodynamischen Gesetzen auch die mit ihrer Kinetik verbundenen Besonderheiten der Prozesse zu berücksichtigen. Der Einfluss der Temperatur auf Geschwindigkeit und Gleichgewichtslage bei reversiblen exo- und endothermen Reaktionen ist unterschiedlich.

Bei einer reversiblen exothermen Reaktion bei niedrigen Umwandlungsgraden verläuft die reversible Reaktion irreversibel, wenn die Konzentration der Ausgangsprodukte in der Reaktionsmasse ausreichend hoch und die Konzentration der Reaktionsprodukte niedrig ist. Daher erhöht sich mit steigender Temperatur auch seine Geschwindigkeit. Wenn die Konzentration der Endprodukte zunimmt und die Konzentration der Ausgangsprodukte abnimmt, nimmt der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Hin- und Rückreaktion ab und es kommt ein Moment, in dem sie verglichen werden und ein Gleichgewicht eintritt und der technologische Prozess stoppt. Um dies zu verhindern, erfolgt bei kontinuierlichen chemisch-technologischen Prozessen im stationären Betrieb eine kontinuierliche Versorgung mit frischen Rohstoffen und eine kontinuierliche Produktion von Prozessprodukten.

Bei einer reversiblen endothermen Reaktion nimmt die Geschwindigkeit der Vorwärtsreaktion mit steigender Temperatur schneller zu als die der Rückreaktion. Dadurch vergrößert sich auch der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Vorwärts- und Rückwärtsreaktion.

Auf dieser Grundlage lässt sich die Wahl des Temperaturregimes des chemisch-technologischen Prozesses für reversible Reaktionen wie folgt begründen:

1) Da sich bei einer reversiblen endothermen Reaktion eine Temperaturerhöhung positiv auf beide Optimierungskriterien (Geschwindigkeit und Gleichgewichtsverschiebung) auswirkt, lässt sich eine solche Reaktion besser bei konstant erhöhter Temperatur durchführen.

2) Der mehrdeutige Einfluss der Temperatur auf die Optimierungskriterien für eine reversible exotherme Reaktion erfordert die Verwendung eines Modus mit abnehmender Temperatur: Der Prozess beginnt bei einer höheren Temperatur und wird dann entlang der Linie optimaler Temperaturen reduziert. Diese Technik ist für periodische Prozesse anwendbar. Bei kontinuierlichen Prozessen wird eine konstante Temperatur aufrechterhalten, da es nicht zu einer Ansammlung von Endprodukten und einem nicht erneuerbaren Verbrauch von Rohstoffen kommt.

Kontrollfragen

1. Erklären Sie das Konzept des „chemischen technologischen Prozesses“.

2. Definieren Sie das Konzept des „technologischen Modus“. Welche Parameter bestimmen es?

3. Präsentieren Sie die Klassifizierung der Reaktionen, die die Grundlage von CTP bestimmen.

4. Schreiben Sie die Gleichung für das Massenwirkungsgesetz. Erklären Sie aus der Perspektive dieses Gesetzes den Einfluss der Konzentration auf Methoden zur Intensivierung homogener Prozesse.

5. Schreiben Sie die Arrhenius-Gleichung. Erklären Sie anhand dieser Gleichung den Einfluss von Temperatur und Aktivierungsenergie auf die Geschwindigkeit chemischer Prozesse.

6. Erklären Sie den Einfluss von Druck auf die Geschwindigkeit homogener Prozesse. Welche absoluten Drücke werden in der chemischen Technologie verwendet? Nenne Beispiele.

7. Geben Sie eine Klassifikation heterogener Systeme an. Nenne Beispiele.

8. Nennen Sie die Elementarstadien heterogener Prozesse.

9. Definieren Sie die Grenzphase des Prozesses. In welchen Bereichen kann eine heterogene Reaktion auftreten?

10. Von welchen Faktoren hängt die Geschwindigkeit einer heterogenen Reaktion im Diffusionsbereich ab? Geben Sie die entsprechende Gleichung für diese Beziehung an.

11. Was ist die treibende Kraft des Stoffübergangsprozesses? Wie wirkt es sich auf die Geschwindigkeit heterogener Prozesse aus? Wie kann der Konzentrationsgradient erhöht werden?

12. Definieren Sie das Konzept des „chemischen Gleichgewichts“. Wie kann es kaputt gehen? Das Prinzip von Le Chatelier.

13. Schreiben Sie die Gibbs-Gleichung. Erklären Sie darauf aufbauend die grundsätzliche Möglichkeit des Auftretens einer chemischen Reaktion und die Größe der treibenden Kraft des Prozesses.

THEMA 6

INDUSTRIELLE KATALYSE

Der Einsatz von Katalysatoren ist heute aus der modernen Erdölraffination und Petrochemie nicht mehr wegzudenken. Etwa 90 % der industriellen chemisch-technologischen Prozesse werden unter Verwendung von Katalysatoren als Aktivatoren durchgeführt. Beispiele hierfür sind Technologien zur Herstellung von Ammoniak, Salpeter- und Schwefelsäure, Methanol, Styrol, Butadien; bei der Ölraffinierung sind dies katalytisches Cracken und Reformieren, Hydrotreating und Hydrocracken, Isobutan-Alkylierung und Isomerisierung von Paraffin-Kohlenwasserstoffen, Herstellung von Oxygenaten usw.

Katalytische Verfahren haben gegenüber nichtkatalytischen Verfahren eine Reihe wichtiger Vorteile. Abgesehen davon, dass der Einsatz von Katalysatoren die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen stark beschleunigt, können Prozesse mit ihnen kontinuierlich, abfallfrei und weniger energieintensiv organisiert werden. Sie zeichnen sich durch hohe technische und wirtschaftliche Indikatoren aus und bieten eine höhere Ausbeute an Zielprodukten.

Der Einsatz von Katalysatoren ermöglicht die Intensivierung chemisch-technologischer Prozesse und teilweise auch die Durchführung von Prozessen, die ohne den Einsatz von Katalysatoren in der Praxis nicht umsetzbar sind. Von besonderer Bedeutung ist der Einsatz von Katalysatoren in reversiblen exothermen Prozessen, bei denen durch den Einsatz von Katalysatoren die Prozesstemperatur deutlich gesenkt und ein akzeptabler Grad der Rohstoffumwandlung erreicht werden kann.

Die Katalyse ist die effektivste Methode zur Steigerung der Geschwindigkeit und Selektivität chemischer Reaktionen. Der Begriff der Katalyse umfasst ein komplexes System von Reaktionen, wodurch energetische, sterische und andere Hindernisse im Reaktionsweg im Vergleich zu einem Prozess ohne Katalysator reduziert werden. Abhängig vom Phasenzustand der Reagenzien und des Katalysators gibt es homogene und heterogene Katalyse. Befinden sich die Reagenzien und der Katalysator in derselben flüssigen oder gasförmigen Phase, handelt es sich um eine homogene Katalyse, liegen sie in unterschiedlichen Phasen (Gas – fest oder flüssig – fest) vor, handelt es sich um eine heterogene Katalyse. Es gibt auch eine homogen-heterogene Katalyse, bei der eine Reaktion, die an einem heterogenen Katalysator beginnt, dann im Volumen einer anderen Phase fortgesetzt wird.

Heterogene Katalyse

Diese Art der Katalyse kommt am häufigsten in der chemischen Technologie vor. Es bietet eine Reihe von Vorteilen, beispielsweise eine einfache Abtrennung von Prozessprodukten, eine hohe Hitzebeständigkeit und eine vergleichsweise einfache Regeneration.

Katalytische heterogene Reaktionen gehen mit einer Reihe von Phänomenen einher, die mit den Eigenschaften von Feststoffen verbunden sind, die in ihrer chemischen Zusammensetzung und Phasenzusammensetzung heterogen sind. Die wichtigste Rolle spielen Störungen in der Struktur (Defekte) des Kristallgitters von Katalysatoren. Diese Störungen bestimmen die Energieheterogenität der Oberflächenatome und sorgen für eine gewisse Sorptionskapazität der Katalysatoroberfläche. Im Allgemeinen wird die Wirksamkeit des Einsatzes von Katalysatoren durch den Komplex ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften bestimmt.

Chemische Eigenschaften von Katalysatoren. Zu den Haupteigenschaften von Katalysatoren gehören: Aktivität (A), Selektivität (S) und Produktivität (P).

Aktivität ( kg/m 2 h) ist die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit am Katalysator und kann mit der Formel berechnet werden

A = Gp / F, (6.1)

Wo G p– die Menge des umgewandelten Reagenzes pro Flächeneinheit pro Zeit F.

Der gesamte Katalysatorbetriebszyklus kann in drei Zeiträume unterteilt werden:

1) Entwicklung eines Katalysators;

2) Zeitraum konstanter Aktivität – die Lebensdauer des Katalysators;

3) Desaktivierung des Katalysators.

Der Begriff „Entwicklung“ bezieht sich auf die spontane Erhöhung der Katalysatoraktivität unter dem Einfluss des Reaktionsmediums. Die Dauer der kontinuierlichen Aktivität verschiedener Katalysatoren kann stark variieren: von einigen Minuten bis zu mehreren Jahren; die Anforderungen an die Lebensdauer des Katalysators werden durch die Kosten für den Austausch eines deaktivierten Katalysators durch einen neuen und die Möglichkeit seiner Regeneration bestimmt. Angesichts der hohen Ersatzkosten hat die Reduzierung der Anzahl dieser Eingriffe einen deutlich spürbaren wirtschaftlichen Effekt. Das Phänomen einer Abnahme der Katalysatoraktivität wird als Alterung, Ermüdung oder Vergiftung bezeichnet.

Altern ist ein natürlicher Prozess, bei dem die Aktivität in der gesamten Katalysatorschicht abnimmt. Ermüdung - Dieser ungleichmäßige Aktivitätsabfall in der Katalysatorschicht ist ein gefährlicher Prozess, weil manifestiert sich lange vor Ablauf der Lebensdauer des Katalysators als Folge seines unsachgemäßen Betriebs.

Zu den Hauptursachen für die Desaktivierung des Katalysators zählen: Karbonisierung, Versinterung, Vergiftung durch Kontaktgifte und Mineralisierung.

Verkohlung tritt bei der Verarbeitung von Kohlenwasserstoff-Rohstoffen auf. Der Katalysator ist mit Kohlenstoffablagerungen (Koks) in Form hochkondensierter aromatischer Strukturen bedeckt, die durch tiefgreifende chemische Umwandlungen entstehen. Zu diesen Prozessen gehören katalytisches Cracken und Reformieren, Hydrocracken, Dehydrierung und Isomerisierung. Koksablagerungen verstopfen die Oberfläche des Katalysators, wodurch seine Aktivität in kurzer Zeit, die manchmal 10-30 beträgt, stark abnimmt Mindest.

Sintern (Sintern) normalerweise das Ergebnis einer oxidativen Regeneration, bei der die Katalysatortemperatur 600 °C erreicht MIT und höher oder eine Folge eines Hochtemperaturprozesses mit schlecht organisierter Wärmeabfuhr. Das Sintern verringert die Größe der aktiven Oberfläche infolge der Vergrößerung der Kristallite des Metall- oder Oxidkatalysators und erhöht den hydraulischen Widerstand der Vorrichtung. Daher besteht eine der Aufgaben bei der Lösung dieses Problems darin, die Struktur der Katalysatorkomponenten zu stabilisieren. Die Stabilisierung erfolgt durch Strukturförderung. Ein solcher Promotor ist beispielsweise bei der Ammoniaksynthese Aluminiumoxid Al2O3, das zwischen Eisenkristallen eingebracht wird und deren Agglomeration verhindert. Eine ähnliche Wirkung hat Chromoxid auf den Nickelkatalysator bei der Hydrierung von Kohlenwasserstoffen. Cr2O3. Nicht weniger wichtig ist die Stabilisierung des Trägers, da er dem Metallkatalysator eine hochentwickelte Oberfläche verleiht.

Vergiftung– Hierbei handelt es sich um einen teilweisen oder vollständigen Verlust der Katalysatoraktivität unter dem Einfluss von Substanzen, die als Kontaktgifte bezeichnet werden. Bei einer Vergiftung wird eine spezifische Wirkung des Giftes sowohl in Bezug auf den Katalysator als auch auf die Reaktion selbst beobachtet.

Der Vergiftungsmechanismus ist unterschiedlich. Aufgrund ihrer Wirkung auf Metallkatalysatoren lassen sich Kontaktgifte in drei Typen einteilen:

1) Moleküle, die Nichtmetalle enthalten N, P, As, O, S, Se, inkl. und freie Elemente aus dieser Gruppe, außer Stickstoff, die das Katalysatormetall aufgrund freier Elektronenpaare binden (Schwefelwasserstoff, Thiophen, Arsin, Phosphin usw.);

2) Ablösung von Metallen (Ionen von Quecksilber, Blei, Wismut, Zinn, Cadmium, Eisen usw.) unter Bildung intermetallischer Verbindungen D–Elektronen;

3) Moleküle mit Mehrfachbindungen ( CO, HCN usw.), mit höheren Adsorptionseigenschaften als andere Substanzen in der Reaktionsmasse.

Katalysatoren werden auf verschiedene Weise vor Kontaktgiften geschützt:

1) Überführen des Giftes in einen inaktiven Zustand;

2) Reinigung der Rohstoffe von Kontaktgiften im Stadium ihrer Herstellung;

3) die Verwendung von Katalysatoren, die gegen Kontaktgifte resistent sind.

Ein Beispiel für die Verwendung der ersten Schutzmethode ist die Entfernungstechnik CO enthalten im Wasserstoff, der der Ammoniaksynthese mit Hilfe von Wasserstoff selbst zugeführt wird ( CO– Kontaktgift für Eisenkatalysator):

CO + 3H 2 CH 4 + H 2 O.

Das entstehende Methan ist eine inerte Verunreinigung von Wasserstoff und stellt daher keinen Schaden für den Katalysator dar.

Ein Beispiel für die zweite Methode zum Schutz des Katalysators ist die vorläufige Hydrobehandlung von Benzinfraktionen aus schwefel-, stickstoff- und sauerstoffhaltigen Verbindungen, bevor sie zur Reformierung auf einem Platinkatalysator geschickt werden:

RSH + H 2 = RH + H 2 S;

RNH 2 + H 2 = RH + NH 3;

ROH + H 2 = RH + H 2 O.

Die oben genannten Reaktionen finden an einem Aluminium-Kobalt-Molybdän-Katalysator statt ( AKM).

Die interessanteste und vielversprechendste Richtung ist die Entwicklung katalytischer Zusammensetzungen, die gegen Gifte resistent sind.

Die oben genannten Methoden zum Schutz von Katalysatoren vor Giften sind nicht unabhängig voneinander und können daher in einem Prozess gleichzeitig verwendet werden.

Ein weiterer Grund für die Abnahme der Katalysatoraktivität ist die Ablagerung von im Rohmaterial enthaltenen mineralischen Verunreinigungen auf seiner Oberfläche. Diese Verunreinigungen werden chemisorbiert und verändern die chemische Zusammensetzung der Katalysatoroberfläche.

Selektivität (Selektivität)– der wichtigste Indikator für die Qualität eines Katalysators, der in der bevorzugten Beschleunigung der Zielreaktion im Vergleich zu Nebenreaktionen besteht. Sie wird anhand der relativen Bildungsgeschwindigkeit des Zielprodukts gemessen:

S = - V A / R = - V A / A. (6.2)

Wo V A– Bildungsrate des Zielprodukts, berechnet aus dem Reagenz A;

A=R– Gesamtreaktionsgeschwindigkeit (Aktivität).

7. Prinzip der Quantenmechanik: Diskretion der Energie, Welle-Teilchen-Dualität, Heisenbergsche Unschärfeprinzipien.

13. Periodisches Recht D.I. Mendelejew. Periodizität bei Änderungen verschiedener Eigenschaften von Elementen (Ionisationspotential, Elektronenaffinitäten, Atomradien usw.)

14. Ähnlichkeiten und Unterschiede in den chemischen Eigenschaften von Elementen der Haupt- und Nebennebengruppen im Zusammenhang mit der elektronischen Struktur des Atoms.

15. Chemische Bindung. Arten chemischer Bindungen. Energie- und geometrische Eigenschaften der Verbindung

16. Die Natur chemischer Bindungen. Energieeffekte im Prozess der Bildung chemischer Bindungen

17. Grundprinzipien der Sonnenmethode. Austausch- und Donor-Akzeptor-Mechanismen der kovalenten Bindungsbildung

18. Valenzmöglichkeiten von Atomen von Elementen im Grund- und angeregten Zustand

20. Sättigung einer kovalenten Bindung. Das Konzept der Valenz.

21. Polarität einer kovalenten Bindung. Theorie der Hybridisierung. Arten der Hybridisierung. Beispiele.

22. Polarität einer kovalenten Bindung. Dipolmoment.

23. Vor- und Nachteile der All-Methode.

24. Methode der Molekülorbitale. Grundlegendes Konzept.

26. Ionenbindung als Grenzfall einer kovalenten polaren Bindung. Eigenschaften ionischer Bindungen. Haupttypen von Kristallgittern für Verbindungen mit Ionenbindungen.

27. Metallverbindung. Besonderheiten. Elemente der Bandtheorie zur Erklärung der Merkmale metallischer Bindungen.

28. Intermolekulare Interaktion. Orientierungs-, Induktions- und Dispersionseffekte.

29. Wasserstoffbindung.

30. Grundtypen von Kristallgittern. Merkmale jedes Typs.

31. Gesetze der Thermochemie. Folgerungen aus Hess‘ Gesetzen.

32. Das Konzept der inneren Energie eines Systems, Enthalpie und Entropie

33. Gibbs-Energie, ihr Zusammenhang mit Enthalpie und Entropie. Änderung der Gibbs-Energie bei spontanen Prozessen.

34. Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. Massenwirkungsgesetz für homogene und heterogene Reaktionen. Das Wesen der Geschwindigkeitskonstante. Ordnung und Molekularität der Reaktion.

35. Faktoren, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflussen

36. Der Einfluss der Temperatur auf die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. Van't Hoffs Regel. Aktivierungsenergie. Arrhenius-Gleichung.

37. Merkmale des Verlaufs heterogener Reaktionen. Der Einfluss der Diffusion und der Grad der Diskretion der Materie.

38. Der Einfluss eines Katalysators auf die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. Gründe für den Einfluss des Katalysators.

39. Reversible Prozesse. Chemisches Gleichgewicht. Gleichgewichtskonstante.

41. Bestimmung der Lösung. Physikalisch-chemische Prozesse bei der Lösungsbildung. Änderung der Enthalpie und Entropie während der Auflösung.

42. Methoden zur Angabe der Konzentration von Lösungen.

43. Raoults Gesetz

44. Osmose. Osmotischer Druck. Van't Hoffs Gesetz.

45. Elektrolytlösungen. Starke und schwache Elektrolyte. Grad der elektrolytischen Dissoziation. Isotonischer Koeffizient.

47. Reaktion in Elektrolytlösungen, ihre Richtung. Verschiebung ionischer Gleichgewichte.

48. Ionisches Produkt von Wasser. Wasserstoffindex als chemische Eigenschaft einer Lösung.

49. Heterogene Gleichgewichte in Elektrolytlösungen. Löslichkeitsprodukt

50. Hydrolyse von Salzen, ihre Abhängigkeit von Temperatur, Verdünnung und der Art der Salze (drei typische Fälle). Hydrolysekonstante. Praktische Bedeutung bei Metallkorrosionsprozessen.

51. Chemisches Gleichgewicht an der Grenzfläche Metall-Lösung. Elektrische Doppelschicht. Möglicher Sprung. Wasserstoff-Referenzelektrode. Eine Reihe von Standard-Elektrodenpotentialen.

52. Abhängigkeit des Elektrodenpotentials von der Art der Stoffe, Temperatur und Konzentration der Lösung. Nernsts Formel.

53. Galvanische Zellen. Prozesse an Elektroden. EMK einer galvanischen Zelle.

56. Elektrolyse von Lösungen und Schmelzen. Ablauf der Elektrodenprozesse. Überspannung und Polarisation.

57. Wechselwirkung von Metallen mit Säuren und Laugen.

58. Korrosion von Metallen in Salzlösungen.

59. Anwendung der Elektrolyse in der Industrie.

61. Methoden zur Korrosionsbekämpfung.

41. Bestimmung der Lösung. Physikalisch-chemische Prozesse bei der Lösungsbildung. Änderung der Enthalpie und Entropie während der Auflösung.

Eine Lösung ist ein homogenes System bestehend aus zwei oder mehr Komponenten (Komponenten), deren relative Mengen in weiten Grenzen schwanken können. Jede Lösung besteht aus gelösten Stoffen und einem Lösungsmittel, also eine Umgebung, in der diese Stoffe gleichmäßig in Form von Molekülen oder Ionen verteilt sind. Typischerweise wird als Lösungsmittel die Komponente angesehen, die in reiner Form im gleichen Aggregatzustand vorliegt wie die resultierende Lösung. Wenn sich beide Komponenten vor der Auflösung im gleichen Aggregatzustand befanden, gilt die Komponente, die in größerer Menge vorhanden ist, als Lösungsmittel. Eine Lösung, die mit dem gelösten Stoff im Gleichgewicht steht, wird als gesättigte Lösung bezeichnet. Ungesättigte Lösungen mit einem geringen Gehalt an löslichen Stoffen werden verdünnt; mit hoch – konzentriert.

1. Thermischer Auflösungseffekt. Abhängig von der Art der Stoffe geht die Auflösung mit der Freisetzung (KOH) oder Aufnahme (NH4NO3) von Wärme einher. 2. Volumenänderung 3. Farbänderung der Lösung

Änderung der Enthalpie und Entropie während der Auflösung: Die Auflösung wird als eine Reihe physikalischer und chemischer Phänomene betrachtet, die drei Hauptprozesse hervorheben: 1. Zerstörung chemischer und intermolekularer Bindungen bei der Auflösung von Substanzen, was einen Energieaufwand erfordert (Enthalpieerhöhung). 2. Chemische Wechselwirkung des Lösungsmittels mit dem sich lösenden Stoff, Freisetzung von Energie (Enthalpie sinkt). 3. Spontanes Mischen der Lösung, verbunden mit Diffusion und Energiebedarf. Beim Auflösen von flüssigen und festen Stoffen nimmt in der Regel die Entropie des Systems zu, da die gelösten Stoffe von einem geordneteren in einen weniger geordneten Zustand übergehen. Wenn sich Gase in Flüssigkeiten lösen, nimmt die Entropie ab, wenn sich die lösliche Substanz von einem größeren Volumen in ein kleineres bewegt.

42. Methoden zur Angabe der Konzentration von Lösungen.

Konzentration ist die Menge eines Stoffes pro Volumeneinheit einer Lösung oder eines Lösungsmittels.

Der Massenanteil ist das Verhältnis der Masse des gelösten Stoffes zur Masse der Lösung. w=(mb/m)*100 %

Volumenanteil – das Verhältnis des Volumens einer Substanz zum Volumen der gesamten Lösung

Der Molenbruch ist das Verhältnis der Menge des gelösten Stoffes zur Summe der Mengen aller Stoffe, aus denen die Lösung besteht. w=nb/(na+nb) nb=mb/µb

Die molare Konzentration (Molalität) ist das Verhältnis der Menge des gelösten Stoffes zum Volumen der Lösung. w=nb/V

Die Molkonzentration (Molalität) ist das Verhältnis der Menge des gelösten Stoffes zur Masse des Lösungsmittels. w=nb/ma

Die molare Äquivalentkonzentration ist das Verhältnis der Anzahl der Äquivalente eines gelösten Stoffes zum Volumen der Lösung. w=ne/V

43. Raoults Gesetz

Bei einer bestimmten Temperatur ist der Sättigungsdampfdruck über jeder Flüssigkeit ein konstanter Wert. Die Erfahrung zeigt, dass beim Auflösen eines Stoffes in einer Flüssigkeit der Sättigungsdampfdruck dieser Flüssigkeit abnimmt. Daher ist der Sättigungsdampfdruck eines Lösungsmittels über einer Lösung bei gleicher Temperatur immer niedriger als über einem reinen Lösungsmittel. Die Differenz zwischen diesen Werten wird üblicherweise als Abnahme des Dampfdrucks über der Lösung bezeichnet. Das Verhältnis der Größe dieser Abnahme zum Sättigungsdampfdruck über einem reinen Lösungsmittel wird als relative Abnahme des Dampfdrucks über der Lösung bezeichnet. Raoults Gesetz: Die relative Abnahme des Sättigungsdampfdrucks eines Lösungsmittels über einer Lösung ist gleich dem Molenbruch des gelösten Stoffes. Das Phänomen einer Abnahme des Sättigungsdampfdrucks über einer Lösung ergibt sich aus dem Prinzip von Le Chatelier. Flüssigkeit und Dampf befinden sich zunächst im Gleichgewicht. Wenn ein Stoff in einer Flüssigkeit gelöst wird, nimmt die Konzentration der Lösungsmittelmoleküle ab. Das System ist bestrebt, diese Auswirkungen zu kompensieren. Die Dampfkondensation beginnt und es stellt sich ein neues Gleichgewicht bei einem niedrigeren Sättigungsdampfdruck ein.