Химические процессы

Классификация химических реакций.

Химические реакции подразделяются на окислительно-восстановительные и обменные. Если при реакции происходит изменение степени окисляющегося вещества, то такая реакция называется окислительно-восстановительной. Взаимодействие без изменения степени окисления вещества получило название обменной реакции.

Тепловой эффект химических реакций и проблемы производства и рационального потребления тепловой энергии

Энергия существует в различных формах, в том числе тепловой, химической, электрической. Например, двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию горючего в тепловую энергию; батарея преобразует химическую энергию в электрическую. Несмотря на возможность преобразования из одной формы в другую, энергия не может быть создана или уничтожена. Это означает, что полная энергия в замкнутой системе остается постоянной.

Термодинамическая система при протекании в ней химической реакции может выделять или поглощать теплоту. Реакции, сопровождающиеся выделением теплоты, называются экзотермическими, поглощением теплоты – эндотермическими.

Фазы состояния вещества – это газ, жидкость и твердое вещество. Изменение (обычно повышение) концентрации вещества на границе раздела фаз называется адсорбцией. Адсорбция – это разновидность сорбции, т.е. поглощения одного вещества другим. Если же вещество поглощается всем объемом другого вещества, то происходит абсорбция, если вещество концентрируется на поверхности раздела фаз, то имеет место адсорбция.

Рассмотрим пример адсорбции на границе раздела твердое тело-газ. В 18 веке открыли адсорбцию газов углем. В начале 20 века разработали способ получения активированного угля, который был использован в противогазах. Уголь также адсорбирует органические вещества из раствора. С повышением температуры адсорбция уменьшается.

Эффект адсорбции широко применяется в разных областях техники. Так, на явлении адсорбции основаны способы очистки газов и жидкостей от различных примесей, в том числе при подготовке питьевой воды, при осушке газов. В медицине адсорбирующий метод используется для извлечения вредных веществ из крови (гемособция). Особое значение приобретает адсорбционная техника в решении экологических задач (очистка сточных вод, выбросов электростанций и различных предприятий).

Катализ и катализаторы

Неотъемлемой частью современной химической промышленности является катализ – ускорение химических реакций путем добавления катализатора. Одна молекула катализатора может преобразовать несколько миллионов молекул реагента в минуту. Катализаторы могут быть газообразными, жидкими или твердыми веществами. Они необходимы для проведения практически всех промышленных химических реакций, особенно для переработки нефти и производства синтетических органических химических продуктов. Вода, в особенности морская, катализирует окисление и коррозию. Из известных катализаторов самыми активными являются ферменты. Брожение вина, разрыхление теста дрожжами, створаживание молока и пивоварение – все это реакции под действием ферментов. Ферменты используют в медицине для уничтожения болезнетворных микроорганизмов, ускорения заживления ран и диагностики некоторых заболеваний.

Преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую

Излучение Солнца может создавать теплоту, производить электроэнергию или вызывать химические реакции. Солнечная энергия неисчерпаема и экологически чиста, однако не является эффективным источником энергии, поскольку атмосфера Земли поглощает или рассеивает более 50 % падающего солнечного излучения. Солнечные накопители собирают это излучение и преобразуют его в теплоту, воспринимаемую текущей жидкостью и впоследствии используемую для обогрева.

Существует два типа использования солнечной энергии для нагревания воды или воздуха в помещении: пассивное и активное. Пассивное основано на максимальном использовании тепла, попадающего в здание; при строительстве для него выбирают соответствующее местоположение, ориентацию, планировку, материалы и конструкцию. Например, здание с хорошей теплоизоляцией и с большим окном, выходящим на юг, в солнечные дни можно обогревать естественным теплом, меньше полагаясь на газ, нефть или электричество. Для поглощения солнечного тепла и последующего его излучения во внутренних помещениях часто ставят теплоемкие кирпичные, каменные или черепичные стены.

В жидкостную систему солнечного отопления входит установленная снаружи зачерненная металлическая пластина, поглощающая солнечный свет и улавливающая тепло, которое передается жидкости-переносчику. Поглотившую тепло коллектора жидкость перекачивают затем в емкость-хранилище. Таким способом можно снабжать дом горячей водой или обогревать жилые помещения, заставив нагретую воду циркулировать по размещенным под полом или на потолке трубам.

Устройства, непосредственно преобразующие энергию света в электрическую на основе фотоэффекта – это солнечные батареи. Большие конструкции могут содержать тысячи фотогальванических солнечных элементов и работают как электростанции аналогично атомным или тепловым электростанциям. Устройства много меньших размеров используются для снабжения электроэнергией удаленных объектов, включая космические аппараты. Солнечные батареи являются идеальным источником энергии для космической техники, поскольку не имеют подвижных частей и не требуют запасов топлива.

2.4. Экономические и социальные аспекты современной химии.

Масштабы химического производства. Способы оценки и прогнозирования возможных негативных воздействий производства на окружающую среду

С увеличением в атмосфере углекислого и некоторых других газов усиливается нагревание поверхности Земли и нижних слоев атмосферы. Излучение Солнца нагревает поверхность Земли. Значительная часть этого излучения поглощается молекулами углекислого газа и водяного пара в атмосфере и вновь излучается обратно к поверхности как добавочное тепло. Так действуют стеклянные покрытия теплиц, которые пропускают солнечный свет, но удерживают тепло. Широко распространенное сжигание ископаемого топлива увеличивает количество углекислого газа в атмосфере и усиливает парниковый эффект, что может вызвать климатические изменения, вплоть до глобального потепления.

Истощение природных ресурсов и проблема сырья. Новые виды топлива. Экологически безопасные технологии «зеленой химии»

Основной источник энергии на Земле – химическая энергия топлива. Топливо разделяется по агрегатному состоянию на твердое, жидкое и газообразное, а по способу получения – на естественное и искусственное. К твердым видам топливам относятся каменные и бурые угли, горючие сланцы, торф, дрова; к жидким видам топлива относится нефть и продукты ее переработки: бензин, керосин, мазут и др. К газовым видам топлива относится природный газ и газообразные продукты переработки жидкого и твердого топлива.

Важнейшей характеристикой топлива является теплота, выделяемая при его сгорании. Чем больше будет получено тепловой энергии, тем топливо ценнее.

Основной компонент твердого топлива – углерод, который входит в горючую часть. К негорючей части относятся неорганические вещества, переходящие после сгорания в золу и влагу. Твердые топлива располагаются в порядке возрастания по удельной теплоемкости сгорания так: древесина, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, древесный уголь.

Естественным жидким топливом является нефть. Она состоит в основном из смеси различных углеводородов. Нефть обязательно подвергается перегонке или крекингу, а также очищению от серы. Чем меньше содержится серы в сырой нефти, тем она выше по качеству.

Газовое топливо – это, во-первых, природный газ из газовых месторождений, во-вторых, попутные газы при добыче нефти и, наконец, газы газовых конденсатов – продуктов, выделенных из природного газа и представляющих собой смесь жидких углеводородов.