Քիմիական գործընթացներ. Քիմիական գործընթացներ. Ըստ ռեակցիայի ջերմային ազդեցության

Եկեք արագ չդատենք ամենակարևոր բաները։

Հերակլիտոսը

Քիմիական գործընթաց(լատ. գործընթաց- առաջխաղացում) նյութի վիճակների հաջորդական փոփոխություն է, սերտ կապ զարգացման հաջորդական փուլերի միջև, որը ներկայացնում է շարունակական, միասնական շարժում: Քիմիական գործընթացների ուսումնասիրությունը գիտության մի ոլորտ է, որտեղ առկա է ֆիզիկայի, քիմիայի և կենսաբանության ամենախորը փոխներթափանցումը: Քիմիական գործընթացները բաժանվում են. հոմո-Եվ տարասեռ(կախված ագրեգացման վիճակարձագանքող համակարգեր), էկզո-Եվ էնդոթերմիկ(կախված արձակված և կլանված ջերմության քանակից), օքսիդացնող, նվազեցնող(կախված թթվածնի հետ կապից) և այլն:

Բոլոր գործընթացները, որոնք տեղի են ունենում մեր շուրջը, կարելի է միավորել երեք մեծ խմբերի.

1. Ինքնաբուխ գործընթացներ, որոնք կարող են օգտագործվել
էներգիա արտադրել կամ աշխատանք կատարել։ Պայմաններ
ինքնաբուխ պրոցեսների ընթացքը կամ թերմոյի օրենքները
դրանցով բնութագրվող դինամիկան հետևյալն է՝ ա) մեկուսացված
համակարգ, այսինքն՝ համակարգում, որի համար բացառված է ցանկացած նյութ
ny կամ էներգիայի նյութափոխանակությունՀետ միջավայրը, գումար
էներգիայի բոլոր տեսակները մշտական ​​են. բ) փոփոխություն
էնթալպիան (գործընթացի ջերմային ազդեցություն, ԱՀ) կախված է միայն
սկզբնական նյութերի և արտադրանքի տեսակը և վիճակը և կախված չէ
անցումային ճանապարհից։ Այն կոչվում է Հեսսի օրենք և ձևակերպված է
հիմնադրվել է նրա կողմից 1840 թ

2. Գործընթացներ, որոնք պահանջում են ծախսեր
էներգիա կամ կատարված աշխատանք:

3. Քիմիական համակարգի ինքնակազմակերպում, այսինքն՝ ինքնաարտադրություն
ազատ գործընթաց, որը տեղի է ունենում առանց էներգիան փոխելու
համակարգի պահուստը, տեղի է ունենում միայն այն ուղղությամբ, որտեղ

համակարգում կարգը մեծանում է, այսինքն՝ որտեղ էնտրոպիան նվազում է:

Տարբեր քիմիական ռեակտիվների փոխազդեցության ունակությունը որոշվում է ոչ միայն նրանց ատոմային-մոլեկուլային կառուցվածքով, այլև այն պայմաններով, որոնցում տեղի են ունենում քիմիական ռեակցիաներ։ Մի նյութը մյուսի վերածելու գործընթացը կոչվում է քիմիական ռեակցիա։ Քիմիական պրոցեսների առաջացման պայմանները ներառում են, առաջին հերթին, թերմոդինամիկական գործոններ, որոնք բնութագրում են ռեակցիաների կախվածությունը ջերմաստիճանից, ճնշումից և որոշ այլ պայմաններից։ Քիմիական ռեակցիայի արագության վրա ազդում են նաև հետևյալ պայմաններն ու պարամետրերը.

1) բնությունըռեակտիվներ (օրինակ, ալկալիական մետաղներջրի մեջ լուծվում է ալկալիների ձևավորմամբ և ջրածնի արտազատմամբ, և ռեակցիան ակնթարթորեն ընթանում է նորմալ պայմաններում, իսկ ցինկը, երկաթը և մյուսները արձագանքում են դանդաղ և օքսիդների ձևավորմամբ, իսկ ազնիվ մետաղները ընդհանրապես չեն արձագանքում.

2) ջերմաստիճան. Ջերմաստիճանի յուրաքանչյուր 10 °C բարձրացման դեպքում ռեակցիայի արագությունը մեծանում է 2-4 անգամ (վանտ Հոֆի կանոն)։ Թթվածինը սկսում է շատ նյութերի հետ արձագանքել նկատելի արագությամբ արդեն սովորական ջերմաստիճանում (դանդաղ օքսիդացում): Երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է, սկսվում է բուռն ռեակցիա (այրում);

3) կենտրոնացում.Լուծված նյութերի և գազերի դեպքում քիմիական ռեակցիաների արագությունը կախված է արձագանքող նյութերի կոնցենտրացիայից: Մաքուր թթվածնի մեջ նյութերի այրումը տեղի է ունենում ավելի ինտենսիվ, քան օդում, որտեղ թթվածնի կոնցենտրացիան գրեթե 5 անգամ պակաս է։ Օրենքն այստեղ արդար է ակտիվ զանգվածներհաստատուն ջերմաստիճանում քիմիական ռեակցիայի արագությունը ուղիղ համեմատական ​​է ռեակտիվների կոնցենտրացիայի արտադրյալին.

4) ռեակցիայի մակերեսը.Պինդ վիճակում գտնվող նյութերի համար արագությունը ուղիղ համեմատական ​​է արձագանքող նյութերի մակերեսին: Երկաթը և ծծումբը պինդ վիճակում բավական արագ արձագանքում են միայն նախնական հղկման և խառնման դեպքում.

5) կատալիզատոր.Ռեակցիայի արագությունը կախված է կատալիզատորներից, նյութերից, որոնք արագանում են քիմիական ռեակցիաներ, բայց իրենք իրենք չեն սպառվում։ Բերտոլետի աղի և ջրածնի պերօքսիդի տարրալուծումը արագանում է մանգանի (IV) օքսիդի առկայության դեպքում և այլն։

Քիմիական ռեակցիայի մեջ մտնելու համար անհրաժեշտ է հաղթահարել ակտիվացման էներգիային համապատասխան որոշակի էներգետիկ արգելք, որի կուտակման հնարավորությունը խիստ կախված է ջերմաստիճանից։ Շատ ռեակցիաներ երկար ժամանակ չեն կարող ավարտվել։ Այս դեպքում ասում են, որ արձագանքը հասել է քիմիական հավասարակշռություն. Քիմիական համակարգը գտնվում է հավասարակշռության վիճակում, եթե բավարարված են հետևյալ երեք պայմանները.

1) համակարգում էներգիայի փոփոխություն տեղի չի ունենում (H = 0);

2) խանգարման աստիճանի փոփոխություն չկա (, S = 0);

3) իզոբարային պոտենցիալը չի ​​փոխվում (J = 0):

Վանթ Թոֆը, օգտագործելով թերմոդինամիկական մոտեցումը, դասակարգեց քիմիական ռեակցիաները և ձևակերպեց նաև քիմիական կինետիկայի հիմնական սկզբունքները։ Քիմիական կինետիկաուսումնասիրում է քիմիական ռեակցիաների արագությունները. Լե Շատելյեն ձևակերպել է քիմիական ռեակցիաներում քիմիական հավասարակշռության տեղաշարժի օրենքը արտաքին գործոնների ազդեցության տակ՝ ջերմաստիճան, ճնշում և այլն: Լե Շատելիեի սկզբունքի համաձայն, եթե քիմիական հավասարակշռության վիճակում գտնվող համակարգը ենթակա է արտաքին ազդեցության (ջերմաստիճան ճնշումը կամ կոնցենտրացիան փոխվում է), այնուհետև քիմիական ռեակցիայի հավասարակշռության դիրքը փոխվում է այն ուղղությամբ, որը թուլացնում է այս ազդեցությունը:

Ըստ սկզբնական նյութերի և ռեակցիայի արտադրանքի որակի փոփոխության, քիմիական ռեակցիաները դասակարգվում են հետևյալ տեսակների.

կապի ռեակցիաներ- ռեակցիաներ, որոնցում մի քանի նյութեր կազմում են մեկ նյութ, ավելի բարդ, քան սկզբնականները.

տարրալուծման ռեակցիաներ- ռեակցիաներ, որոնցում մեկ բարդ նյութից առաջանում են մի քանի նյութեր.

փոխարինման ռեակցիաներ- ռեակցիաներ, որոնցում մի տարրի ատոմները բարդ նյութում փոխարինում են մեկ այլ տարրի ատոմին և միևնույն ժամանակ ձևավորվում են երկու նոր՝ պարզ և բարդ.

փոխանակման ռեակցիաներ- ռեակցիաներ, որոնցում արձագանքող նյութերը փոխանակում են իրենց բաղադրիչները, արդյունքում

որից երկու բարդ նյութեր ձևավորվում են երկու նոր բարդ նյութերի։

Ըստ ջերմային ազդեցությունՔիմիական ռեակցիաները կարելի է բաժանել էկզոտերմիկ- ջերմության արձակմամբ և էնդոթերմիկ- ջերմության կլանմամբ. Հաշվի առնելով կատալիզի ֆենոմենը՝ ռեակցիաները կարող են լինել կատալիտիկ- օգտագործելով կատալիզատորներ և ոչ կատալիտիկ- առանց կատալիզատորների օգտագործման: Ելնելով շրջելիությունից՝ ռեակցիաները բաժանվում են շրջելիԵվ անշրջելի.

IN.Օստվալդը, ուսումնասիրելով քիմիական հավասարակշռության պայմանները, հանգեց կատալիզի ֆենոմենի բացահայտմանը։ Պարզվեց, որ ներս մեծ չափովռեակցիաների բնույթը և հատկապես արագությունը կախված են կինետիկ պայմաններից, որոնք որոշվում են ռեակտիվներին կատալիզատորների և այլ հավելումների առկայությամբ, ինչպես նաև լուծիչների, ռեակտորի պատերի և այլ պայմանների ազդեցությամբ: Երևույթ կատալիզ- քիմիական գործընթացների ընտրովի արագացում նյութերի (կատալիզատորների) առկայության դեպքում, որոնք մասնակցում են միջանկյալ գործընթացներին, բայց վերականգնվում են ռեակցիայի վերջում, որոնք լայնորեն կիրառվում են արդյունաբերության մեջ, օրինակ՝ ազոտի և ջրածնի ֆիքսացիա, ծծմբի արտադրության կոնտակտային մեթոդ թթու և շատ ուրիշներ: Ամոնիակի սինթեզն առաջին անգամ իրականացվել է 1918 թվականին՝ հիմնվելով Հաբերի, Կ. Բոշի և Ա. Միտտաշի աշխատանքի վրա՝ օգտագործելով մետաղական երկաթից կազմված կատալիզատոր՝ կալիումի և ալյումինի օքսիդների ավելացմամբ, 450-550 °C ջերմաստիճանում և ճնշում 300-1000 մթնոլորտ: Ներկայումս մեծ ուշադրություն է դարձվում մետաղական օրգանական և մետաղական բարդ կատալիզատորների օգտագործմանը, որոնք բնութագրվում են բարձր ընտրողականությամբ և ընտրողական գործողությամբ։ Ամոնիակի սինթեզի նույն գործընթացը՝ օգտագործելով օրգանամետաղական կատալիզատոր, ձեռք է բերվել նորմալ ջերմաստիճան(18 °C) և նորմալ մթնոլորտային ճնշում, ինչը մեծ հեռանկարներ է բացում հանքային ազոտական ​​պարարտանյութերի արտադրության մեջ։ Հատկապես կարևոր է կատալիզի դերը օրգանական սինթեզ. Այս ուղղությամբ ամենամեծ հաջողությունը պետք է ճանաչել արհեստական ​​սինթետիկ կաուչուկի արտադրությունը էթիլային սպիրտ 20-րդ դարի 20-ական թվականներին խորհրդային ակադեմիկոս Ս.Վ.

Ֆերմենտները կամ կենսակատալիզատորները բացառիկ դեր են խաղում կենսաբանական գործընթացների և բուսական և կենդանական ծագման նյութերի տեխնոլոգիայի, ինչպես նաև բժշկության մեջ: Ներկայումս հայտնի է ավելի քան 750 ֆերմենտ, որոնց թիվը տարեցտարի ավելանում է։ Ֆերմենտները երկֆունկցիոնալ և բազմաֆունկցիոնալ կատալիզատորներ են, քանի որ այստեղ կա ֆերմենտի ակտիվ կենտրոնում տարբեր բնույթի կատալիզատորների երկու կամ մի քանի խմբերի համակարգված ազդեցություն որոշակի սուբստրատային կապերի բևեռացման վրա: Նույն հայեցակարգը ընկած է ֆերմենտի կատալիտիկ գործողության և ֆերմենտի գործողության կինետիկայի տեսության հիմքում։ Ֆերմենտների և այլ կատալիզատորների հիմնական տարբերությունը նրանց բացառիկ բարձր ակտիվությունն է և ընդգծված առանձնահատկությունը:

Ինքնակազմակերպում քիմիական համակարգերկենսաբանականների, դրանց միասնությունն ու փոխկապակցումը հաստատվում է օրգանական միացությունների անօրգանականներից սինթեզով։ 1824 թվականին գերմանացի քիմիկոս Ֆ.Վոլերը՝ Բերցելիուսի աշակերտը, առաջին անգամ ստացավ HOOC-COOH օքսալաթթու HOOC-COOH անօրգանական ցիանոգենից N-C-C-N՝ այն տաքացնելով ջրով։ օրգանական միացություն. Ստացանք նաև նոր օրգանական նյութեր- միզանյութ (urea) ամոնիումի ցիանիդից: 1854թ.-ին Ֆրանսիայում Մ.Բերթելոտը ճարպ է ստացել սինթետիկ ճանապարհով: Քիմիայի ամենամեծ հաջողությունը եղել է 50-60-ական թվականներին։ XX դար եղել է պարզ սպիտակուցների՝ ինսուլին հորմոնի և ռիբոնուկլեոզ ֆերմենտի առաջին սինթեզը։

Քիմիական ռեակցիա- սա մեկ կամ մի քանի սկզբնական նյութերի փոխակերպումն է նյութերի, որոնք տարբերվում են դրանցից քիմիական կազմով կամ կառուցվածքով: Քիմիական ռեակցիայի մեջ ներգրավված մեկնարկային նյութերը կոչվում են ռեակտիվներ . Ռեակտիվների փոխազդեցության ժամանակ առաջացած նյութերը կոչվում են ռեակցիայի արտադրանք . Ի տարբերություն միջուկային ռեակցիաների, քիմիական ռեակցիաների ժամանակ ոչ մեկը ընդհանուր թիվըատոմները արձագանքող համակարգում, ոչ էլ քիմիական տարրերի իզոտոպային կազմը։ Դա պայմանավորված է նրանով, որ քիմիական գործընթացները չեն ազդում ռեագենտի մոլեկուլները կազմող ատոմների միջուկների վրա։ Այս գործընթացներն իրականացվում են վալենտային էլեկտրոնների փոխազդեցության շնորհիվ և ուղեկցվում են ռեակտիվ ատոմների արտաքին էլեկտրոնային թաղանթների կառուցվածքի փոփոխությամբ։

Ըստ սկզբնական նյութերի և ռեակցիայի արտադրանքի քանակի և բաղադրության Քիմիական ռեակցիաների չորս հիմնական տեսակ կա.

 գմիավորում – մի քանի պարզ կամ բարդ նյութերից առաջանում է մեկ բարդ նյութ՝ 2Cu + O 2 = 2CuO;

 տարրալուծում– բարդ նյութից առաջանում են մի քանի պարզ կամ բարդ նյութեր՝ 2H 2 O = 2H g + O 2;

 փոխարինում- պարզ նյութի ատոմը փոխարինում է բարդ նյութի ատոմներից մեկին.

Fe+CuSO 4 =FeSO 4 +Cu;

 փոխանակումԱ – բարդ նյութերփոխանակել դրանց բաղադրիչները.

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

Ատոմների օքսիդացման վիճակը փոխելով կարեւորում:

 ռեակցիաներ առանց օքսիդացման վիճակի փոփոխության (օրինակ՝ իոնափոխանակման ռեակցիաներ):

NaOH+HCl=NaCl+H2O;

 ռեակցիաներ հետ օքսիդացման վիճակի փոփոխություն (Redox ռեակցիաներ H 2 + Cl 2 = 2 HCl:

Ջերմային ազդեցությամբ ռեակցիաները առանձնանում են.

 էկզոտերմիկ- ռեակցիաներ, որոնք տեղի են ունենում էներգիայի արտանետմամբ.

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

 էնդոթերմիկ- էներգիայի կլանմամբ ուղեկցվող ռեակցիաներ.

CaCO 3 = CaO + CO 2 – Q.

Ըստ այլ նյութերի առկայության անհրաժեշտությունը ռեակցիաները առանձնանում են.

 կատալիտիկ– առաջանում է միայն կատալիզատորների մասնակցությամբ՝ SO 2 + O 2 SO 3;

 ոչ կատալիտիկ– տեղի է ունենում առանց կատալիզատորների մասնակցության՝ 2NO + O 2 = 2NO 2:

Ըստ շրջելիություն ռեակցիաները առանձնանում են.

 անշրջելի– շարունակելով մինչև սկզբնական նյութերն ամբողջությամբ չվերածվեն արտադրանքի, լուծույթում ձևավորվում է մի փոքր տարանջատող նյութ՝ նստվածք, գազ, ջուր՝ BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 ↓ + 2HCl;

 շրջելի– ընթանալով և՛ ռեակցիայի արտադրանքի, և՛ սկզբնական նյութերի արտադրության ուղղությամբ՝ N 2 + 3H 2 ↔2CO 2:

Տարբեր քիմիական ռեակտիվների փոխազդեցության ունակությունը որոշվում է ոչ միայն նրանց ատոմային-մոլեկուլային կառուցվածքով, այլև այն պայմաններով, որոնցում տեղի են ունենում քիմիական ռեակցիաներ։ Դրանք ներառում են թերմոդինամիկ գործոններ (ջերմաստիճան, ճնշում և այլն) և կինետիկ գործոններ (ամեն ինչ կապված է նյութերի տեղափոխման և դրանց միջանկյալ ձևերի առաջացման հետ)։ Դրանց ազդեցությունը քիմիական ռեակցիաների վրա բացահայտվում է քիմիայի հայեցակարգային մակարդակում, որն ընդհանուր առմամբ կոչվում է ուսմունք. քիմիական գործընթացներ .

Քիմիական գործընթացների ուսումնասիրությունը ֆիզիկայի խորը փոխներթափանցման ոլորտ է,քիմիա և կենսաբանություն։Իսկապես, այս վարդապետությունը հիմնված է քիմիական թերմոդինամիկա Եվ կինետիկա, որոնք հավասարապես վերաբերում են քիմիային և ֆիզիկային։ Եվ կենսաբանական գիտության կողմից ուսումնասիրված կենդանի բջիջը միևնույն ժամանակ միկրոսկոպիկ քիմիական ռեակտոր է, որում տեղի են ունենում փոխակերպումներ, որոնցից շատերը քիմիան ուսումնասիրում և փորձում է իրականացնել մակրոսկոպիկ մասշտաբով: Այսպիսով, մարդը բացահայտում է ֆիզիկական, քիմիական և կենսաբանական երևույթների միջև առկա խորը կապը և միևնույն ժամանակ կենդանի բնությունից ընդունում է այն փորձը, որն անհրաժեշտ է նոր նյութեր և նյութեր ստանալու համար:

Ժամանակակից քիմիական տեխնոլոգիաների մեծ մասն իրականացվում է կատալիզատորների միջոցով՝ նյութեր, որոնք մեծացնում են ռեակցիայի արագությունը՝ առանց դրա մեջ սպառվելու:

Ժամանակակից քիմիայում նույնպես զարգացել է մի ուղղություն, որի սկզբունքն է էներգիայի ակտիվացում ռեագենտ (այսինքն՝ էներգիայի մատակարարումը դրսից) մինչև սկզբնական կապերը ամբողջությամբ կոտրվեն։ Այս դեպքում խոսքը բարձր էներգիաների մասին է։ Սա այսպես կոչված ծայրահեղ վիճակների քիմիա, օգտագործելով բարձր ջերմաստիճաններ, բարձր ճնշումներ, մեծ քանակությամբ քվանտային էներգիայով ճառագայթում (ուլտրամանուշակագույն, ռենտգենյան ճառագայթներ, գամմա ճառագայթում)։ Այս տարածքը ներառում է պլազմայի քիմիա(քիմիա՝ հիմնված ռեագենտների պլազմային վիճակի վրա), ինչպես նաև տեխնոլոգիաներ, որոնցում գործընթացի ակտիվացումն իրականացվում է ուղղորդված էլեկտրոնային կամ իոնային ճառագայթների միջոցով. (էլիոն տեխնոլոգիաներ):

Ծայրահեղ վիճակների քիմիան հնարավորություն է տալիս ձեռք բերել նյութեր և նյութեր, որոնք եզակի են իրենց հատկություններով. կոմպոզիտային նյութեր, բարձր ջերմաստիճանի համաձուլվածքներ և մետաղական փոշիներ, նիտրիդներ, հրակայուն մետաղների սիլիցիդներ և կարբիդներ, տարբեր հատկությունների ծածկույթներ:

Տարբեր թերմոդինամիկական խնդիրներ լուծելիս օգտագործվում են հատուկ գործառույթներ. թերմոդինամիկական պոտենցիալներ.Իմանալով թերմոդինամիկական պոտենցիալների արտահայտումը, գործընթացների այլ բնութագրերը կարող են հաշվարկվել համակարգի անկախ պարամետրերի միջոցով: Թվարկենք դրանցից մի քանիսը.

Փոխարինելով թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի արտահայտության մեջ dQ= dU+ dA բանաձևեր աշխատելու համար dA= pdVև ջերմության քանակությունը շրջելի գործընթացում dQ= TdS, ստանում ենք dU= TdS– pdV (1).

Այս արտահայտությունը, որը միավորում է թերմոդինամիկայի առաջին և երկրորդ օրենքները, ներքին էներգիայի ընդհանուր դիֆերենցիալն է, իսկ ընդհանուր դիֆերենցիալի ընդհանուր հավասարումը հետևյալն է.

Համեմատելով այն (1) արտահայտության հետ՝ ստանում ենք.

Այսպիսով, էնտրոպիայի նկատմամբ ներքին էներգիայի մասնակի ածանցյալը հավասար է ջերմաստիճանին, հակառակ նշանով վերցված ծավալի նկատմամբ ածանցյալը հավասար է ճնշմանը, իսկ ներքին էներգիան ինքնին թերմոդինամիկական ներուժն է։ Մեկ այլ ջերմադինամիկ պոտենցիալ ներկայացրեց Գ. Հելմհոլցը (1877): Նա ցույց տվեց, որ գործառույթը Ֆ = U– Տ.Ս., որը կոչվում է ազատ էներգիա, կարող է լինել թերմոդինամիկական հավասարակշռության չափանիշ։

Եկեք գտնենք ընդհանուր ազատ էներգիայի դիֆերենցիալը. dF= dU– TdS– SDT, ապա, օգտագործելով (1) արտահայտությունը, կարող ենք գրել. dF= TdS– pdV– TdS– SDT= – SDT– pdV. Նկատի ունենալով (ինչպես նախկինում), որ dF փոփոխականների ընդհանուր դիֆերենցիալն է ՏԵվ Վ, մենք ստանում ենք.

.

Ազատ էներգիայի ֆիզիկական իմաստը Ֆպարզ է for արտահայտությունից dF. ժամը Տ= հաստատ dT= 0, ապա dF= – pdV= – dA, այսինքն՝ ազատ էներգիայի նվազումը հավասար է իզոթերմային գործընթացում համակարգի կատարած աշխատանքին։ Կենդանի օրգանիզմներում մարմնի մշտական ​​ջերմաստիճանի պահպանումը թույլ է տալիս ենթադրել, որ նրանց կատարած աշխատանքը կատարվում է ազատ էներգիայի կրճատման հաշվին։

Քիմիական գործընթացների համար կարևոր է թերմոդինամիկական ներուժ, այսպես կոչված Գիբսի ֆունկցիան (Գ): Գ= Ֆ+ pV= U– Տ.Ս.+ pV. Տարբերակելով՝ մենք ստանում ենք. դԳ= dU– TdS– SDT+ pdV+ VdP. Հաշվի առնելով (1) հավասարումը, վերջին հավասարումը կարող է վերաշարադրվել հետևյալ կերպ. դԳ= TdS– pdV– TdS– SDT+ pdV+ Vdp= – SDT+ Vdp. Ստացված հավասարումը համեմատելով ընդհանուր դիֆերենցիալի արտահայտության հետ՝ գրում ենք.

.

Գիբսի պոտենցիալը օգտագործվում է իզոբար-իզոթերմային գործընթացներում էնտրոպիայի և ծավալի հաշվարկման համար։ Երբ համակարգը հակված է հավասարակշռության անշրջելի իզոբար-իզոթերմային գործընթացում dQ  TdS, իսկ Գիբսի դիֆերենցիալի համար վերը գրված հավասարության փոխարեն օգտագործվում է հետևյալը. դԳ– SDT+ VdP. Բայց քանի որ այս գործընթացում dT = 0,dp= 0, ապա դԳ0. Եվ դա կիրականացվի այնքան ժամանակ, քանի դեռ չի հաստատվել հավասարակշռության վիճակ, երբ դԳ կդառնա հավասար զրոյի: Կարելի է ասել, որ ոչ հավասարակշռված իզոբար-իզոթերմային գործընթացներում Գիբսի ֆունկցիան հավասարակշռության վիճակում նվազում է մինչև նվազագույնը։ Իզոթերմային գործընթացներում, որոնք տեղի են ունենում առանց ծավալի փոփոխության, նվազում է նաև Հելմհոլցի պոտենցիալը՝ ազատ էներգիան։

Երբ համակարգում մասնիկների թիվը փոխվում է, այսպես կոչված քիմիական ներուժ(). Այնուհետև (1) հավասարման փոխարեն պետք է գրել. dU= TdS– pdV+ dN. Այստեղ dN – համակարգում մասնիկների քանակի փոփոխություն. Այլ պոտենցիալների արտահայտությունները համապատասխանաբար կփոխվեն. dF= – SDT– pdV+ dN,դԳ= – SDT+ Vdp+ dN. Այնուհետև համապատասխան պարամետրերի մշտական ​​զույգերով քիմիական ներուժի համար ( Ս,Վ), (Տ,Վ), (Տ,էջ) կարելի է գրել.

.

Այսպիսով, թերմոդինամիկական պոտենցիալը հավասար է համապատասխան գործընթացում մեկ մասնիկի պոտենցիալի փոփոխությանը։ Իսկ ռեակցիան հնարավոր է, եթե այն ուղեկցվի ներուժի նվազմամբ։ Երբ քարն ընկնում է գրավիտացիոն դաշտի մեջ, նրա պոտենցիալ էներգիան նվազում է։ Նմանատիպ պրոցես նկատվում է քիմիական ռեակցիայի դեպքում՝ երբ այն տեղի է ունենում, նրա ազատ էներգիան տեղափոխվում է ավելի ցածր մակարդակ։ Այս օրինակներում անալոգիան ամբողջական է, քանի որ էնտրոպիայի փոփոխություն չկա: Բայց քիմիական ռեակցիաներում պետք է հաշվի առնել էնտրոպիայի փոփոխությունը, իսկ ռեակցիայի հավանականությունը չի նշանակում, որ այն ընթանալու է ինքնաբուխ։ Թերմոդինամիկան բացատրում է. ռեակցիան տեղի կունենա միայն այն դեպքում, եթե նյութերի էներգիան նվազի և էնտրոպիան մեծանա: Էնտրոպիան մեծանում է, քանի որ փոքր մոլեկուլում ատոմների դասավորությունը ավելի քիչ է դասավորված, քան մեծում։

Բայց իրական գործընթացները և վիճակները ամենից հաճախ անհավասարակշիռ են, իսկ համակարգերը բաց են: Նման գործընթացները քննարկվում են ոչ հավասարակշռված թերմոդինամիկա.

Քիմիական պրոցեսների հիմքում ընկած է քիմիական տեխնոլոգիան, որը բնական և գյուղատնտեսական հումքի զանգվածային քիմիական վերամշակման առավել խնայող մեթոդների և միջոցների գիտությունն է` սպառողական ապրանքների և նյութական արտադրության այլ ոլորտներում օգտագործվող ապրանքների մեջ:

Այն ամենը, ինչ կապված է նյութական ռեսուրսների ծախսման հետ ազգային տնտեսություն, երեք քառորդը կախված է քիմիական գիտելիքների կիրառությունից և քիմիական տեխնոլոգիաների կիրառումից, «քիմիական հմտություններից»: Ընդ որում՝ ժամանակակից քիմիական տեխնոլոգիա՝ օգտագործելով ուրիշների ձեռքբերումները բնական գիտություններ- կիրառական մեխանիկա, նյութերի գիտություն և կիբեռնետիկա, ուսումնասիրում և մշակում է ֆիզիկական և քիմիական պրոցեսների, մեքենաների և սարքերի մի շարք, այդ գործընթացները իրականացնելու և դրանք կառավարելու օպտիմալ եղանակներ բազմաթիվ ոլորտներում1 տարբեր նյութերի, արտադրանքի, նյութերի և արտադրանքի արտադրության վերաբերյալ: Քիմիական տեխնոլոգիաէ գիտական ​​հիմքընավթաքիմիական, կոքսի, ցելյուլոզայի և թղթի, սննդի, մանրէաբանական արդյունաբերություն շինանյութեր, սեւ և գունավոր մետալուրգիա և այլ արդյունաբերություններ։

Վերջին տասնամյակների ընթացքում քիմ տեխնոլոգիական գործընթացներօգտագործվում են արդյունաբերական արտադրության գրեթե բոլոր ճյուղերում։

Քիմիական-տեխնոլոգիական գործընթաց(XTII) կարելի է բաժանել երեք փոխկապակցված փուլերի.

Ռեակտիվ նյութերի մատակարարում ռեակցիայի գոտի;

Իրականում քիմիական ռեակցիաներ;

Ստացված արտադրանքի հեռացում ռեակցիայի գոտուց.

Ռեակտիվների մատակարարումկարող է իրականացվել գազերի կլանման, կլանման կամ կլանման, գոլորշիների խտացման, պինդ բաղադրիչների հալման կամ հեղուկի մեջ լուծելու, հեղուկների գոլորշիացման կամ սուբլիմացիայի միջոցով։ պինդ նյութեր(տես 4.2.3, 4.2.4 ենթակետերը):

Քիմիական ռեակցիաներՈրպես երկրորդ փուլ, CTP-ն սովորաբար ընթանում է մի քանի հաջորդական կամ զուգահեռ փուլերով, ինչը հանգեցնում է հիմնական արտադրանքի, ինչպես նաև մի շարք կողմնակի արտադրանքների (թափոնների) արտադրությանը, որոնք ձևավորվում են հիմնական մեկնարկային նյութերի հետ կեղտերի փոխազդեցության ժամանակ: Արտադրության գործընթացները վերլուծելիս հաճախ հաշվի են առնվում ոչ բոլոր ռեակցիաները, այլ միայն նրանք, որոնք որոշիչ ազդեցություն ունեն ստացված նպատակային արտադրանքի որակի և քանակի վրա:

Ստացված արտադրանքի հեռացում ռեակցիայի գոտուցկարող է իրականացվել մատակարարման նման, այդ թվում՝ դիֆուզիայի, կոնվեկցիայի և նյութի մի փուլից (գազ, պինդ, հեղուկ) մյուսին անցման միջոցով։ Այս դեպքում տեխնոլոգիական գործընթացի ընդհանուր արագությունը որոշվում է տարրական գործընթացների երեք բաղադրիչներից մեկի արագությամբ, որն ավելի դանդաղ է ընթանում, քան մյուսները։

Առանձնացվում են քիմիական-տեխնոլոգիական գործընթացների հետևյալ տեսակները.

Միատարր և տարասեռ (կարող է լինել էկզոթերմիկ և էնդոթերմ, շրջելի և անշրջելի);

Էլեկտրաքիմիական;

Կատալիզատոր.

Միատարրգործընթացներըկոչվում են նրանք, որոնցում արձագանքող բոլոր նյութերը գտնվում են մեկ փուլում՝ գազ (g), պինդ (ներ), հեղուկ (l): Այս գործընթացներում ռեակցիան սովորաբար ավելի արագ է ընթանում, քան տարասեռներում։ Ընդհանուր առմամբ, միատարր համակարգերում ամբողջ տեխնոլոգիական գործընթացի մեխանիզմն ավելի պարզ է, ինչպես և գործընթացի վերահսկումը: Այդ իսկ պատճառով գործնականում հաճախ ձգտում են միատարր գործընթացներ իրականացնել, այսինքն. փոխադրել արձագանքող բաղադրիչները ցանկացած մեկ փուլի:

IN տարասեռ գործընթացներ ներգրավված են նյութեր, որոնք գտնվում են տարբեր վիճակներում (փուլերում), այսինքն. երկու կամ երեք փուլով. Երկու փուլային համակարգերի օրինակներ կարող են լինել. g - (անխառնելի); g - t;zh - t;t - t (տարբեր տեսակներ): IN արտադրական պրակտիկաԱմենատարածված համակարգերն են g - g, g - t, g - t Հաճախ գործընթացները տեղի են ունենում բարդ տարասեռ համակարգերում (g - g - t, g - t - t, g - t - t):

Հետերոգեն պրոցեսները ներառում են պինդ և հեղուկների այրումը (օքսիդացումը), թթուների և ալկալիների մեջ մետաղների տարրալուծումը և այլն։

Բոլոր քիմիական գործընթացները տեղի են ունենում կա՛մ ջերմության արտազատմամբ, կա՛մ կլանմամբ. առաջինները կոչվում են էկզոտերմիկ,երկրորդ - էնդոթերմիկ.Հատկացված քանակությունը

իմ կամ այս դեպքում կլանված ջերմությունը կոչվում է պրոցեսի ջերմային ազդեցություն (գործընթացի ջերմություն):

Տեսականորեն CTP-ում իրականացվող բոլոր քիմիական ռեակցիաները շրջելի են: Կախված պայմաններից, դրանք կարող են հոսել ինչպես առաջ, այնպես էլ հետադարձ ուղղությամբ: Շատ դեպքերում ռեակցիաների հավասարակշռությունն ամբողջությամբ տեղափոխվում է դեպի ռեակցիայի արտադրանքները, իսկ հակադարձ ռեակցիան, որպես կանոն, չի առաջանում։ Այդ պատճառով տեխնոլոգիական գործընթացները բաժանվում են շրջելիԵվ անշրջելի.Վերջիններս հոսում են միայն մեկ ուղղությամբ.

Էլեկտրաքիմիական գործընթացներվերաբերում են այնպիսի գիտության, ինչպիսին է էլեկտրաքիմիան, որն ուսումնասիրում և ուսումնասիրում է փոխակերպման գործընթացները քիմիական էներգիադեպի էլեկտրական և հակառակը։ Քանի որ էլեկտրական հոսանքը էլեկտրական լիցքերի, մասնավորապես էլեկտրոնների շարժումն է, էլեկտրաքիմիան կենտրոնանում է ռեակցիաների վրա, որոնցում էլեկտրոնները տեղափոխվում են մի նյութից մյուսը: Նման ռեակցիաները քիմիայում կոչվում են ռեդոքս ռեակցիաներ։

Իրականացման օրինակներ քիմիական էներգիայի անցում էլեկտրական էներգիայիգալվանական բջիջները, որոնք նախատեսված են մեկ էլեկտրական լիցքաթափման համար՝ շարունակական կամ ընդհատվող, կարող են ծառայել: Լիցքաթափվելուց հետո դրանք դառնում են անարդյունավետ: Բազմազանություն գալվանական բջիջներվերալիցքավորվող մարտկոցներ են, օրինակ. կապարի մարտկոց. Ի տարբերություն գալվանական բջիջների, մարտկոցի աշխատանքը լիցքաթափվելուց հետո կարող է վերականգնվել՝ դրա միջով ուղղակի հոսանք անցնելով արտաքին աղբյուրից:

Գործընթացներ անցում էլեկտրական էներգիադեպի քիմիականկոչվում է էլեկտրոլիզ: Համաձայն էլեկտրոլիզի իոնային տեսության՝ հաստատունի անցումը էլեկտրական հոսանքէլեկտրոլիտի միջոցով իրականացվում է իոնների միջոցով: Այն էլեկտրոդներում, որոնք ապահովում են էլեկտրական հոսանք, էլեկտրոնները փոխանցվում են իոններին կամ դրանցից: Այս դեպքում էլեկտրական դաշտում դրական լիցքավորված իոնները (կատիոնները) շարժվում են դեպի կաթոդ, բացասական լիցքավորվածները (անիոնները) շարժվում են դեպի անոդ։ Կրճատումը տեղի է ունենում կաթոդում, իսկ իոնների կամ մոլեկուլների օքսիդացում, որոնք կազմում են էլեկտրոնը, անոդում:

Էլեկտրոլիզը լայն կիրառություն է գտել հետևյալ հիմնական արդյունաբերական գործընթացներում. մետաղների արդյունահանում (ալյումին, ցինկ, մասամբ պղինձ); մետաղների (պղինձ, ցինկ և այլն) մաքրում (զտում); էլեկտրապատում; անոդացնող (օքսիդացնող) մակերեսներ.

Կաթոդի վրա կատարվում է էլեկտրապատում (էլեկտրահավաքում)։ Այս դեպքում կաթոդը ընկղմվում է

էլեկտրոլիտ, որը պարունակում է էլեկտրոդեզոնացված մետաղի իոններ: Որպես անոդ օգտագործվում է մետաղից պատրաստված էլեկտրոդը, որով կիրառվում է ծածկույթը։

Էլեկտրական նստվածքի մեթոդը ներառում է էլեկտրապատում` 5-50 մմ հաստությամբ ծածկույթի կիրառում և գալվանոպլաստիկա` համեմատաբար հաստ, բայց հեշտությամբ կեղևվող շերտերի արտադրություն:

Էլեկտրապատումը օգտագործվում է արտադրանքը կոռոզիայից պաշտպանելու, դրանց մաշվածության դիմադրությունը բարձրացնելու, լույսը արտացոլելու, էլեկտրական հաղորդունակության, ջերմակայունության, հակաշփման և այլ հատկությունների, ինչպես նաև դեկորատիվ հարդարման հնարավորություն տալու համար:

Էլեկտրապատումը հնարավորություն է տալիս ստանալ օրինակներ, որոնք վերարտադրում են նախշի կամ մակերեսային ռելիեֆի ամենափոքր մանրամասները:

Անոդացումը կամ անոդային օքսիդացումը մետաղի մակերեսի վրա էլեկտրոլիզի ժամանակ դրա օքսիդի շերտի առաջացումն է։ Թեթև մետաղների վրա հիմնված համաձուլվածքները սովորաբար ենթարկվում են այս գործընթացին: Ստացված օքսիդային շերտերը կարող են լինել բարակ, կամ պատնեշ (1 մկմ-ից պակաս), իսկ հաստ՝ փուլային կամ էմալանման (տասնյակ և հարյուրավոր միկրոններ): Կառուցվածքներ և քիմիական կազմըօքսիդները կախված են մետաղի բնույթից, էլեկտրոլիտից և գործընթացի պայմաններից: Այս դեպքում միևնույն մետաղի վրա կարելի է ստանալ տարբեր կառուցվածքներով, հետևաբար և տարբեր հատկություններով (կարծրություն, գույն, էլեկտրական հաղորդունակություն և այլն) ֆազային օքսիդներ։ Բարակ շերտերն օգտագործվում են հիմնականում ռադիոէլեկտրոնիկայի մեջ։ Ֆազային շերտերը պաշտպանում են մետաղը կոռոզիայից, ապահովում են արտադրանքի մաշվածության դիմադրությունը և ձևավորում թափանցիկ կամ գունավոր դեկորատիվ ծածկույթներ:

կատալիտիկ գործընթացներկոչվում են կատալիզ, իրականացվում են քիմիական ռեակցիաների արագությունը փոխելու համար:

Կան դրական և բացասական կատալիզներ՝ կախված նրանից՝ կատալիզատորը արագացնում է ռեակցիան, թե դանդաղեցնում է այն։ Սովորաբար տերմինը «կատալիզի*սահմանվում է որպես ռեակցիայի արագացում, մինչդեռ այն դանդաղեցնող նյութերը կոչվում են արգելակիչներ.

Արդյունաբերական կատալիզատորների կարևոր բաղադրիչներն են խթանողներ- նյութեր, որոնց ավելացումը կատալիզատորին փոքր քանակությամբ (սովորաբար տոկոսային մաս) մեծացնում է նրա ակտիվությունը, ընտրողականությունը կամ կայունությունը:

Այն նյութերը, որոնց ազդեցությունը կատալիզատորի վրա հանգեցնում է նրա ակտիվության նվազմանը կամ կատալիտիկ գործողության ամբողջական դադարեցմանը, կոչվում են. կատալիտիկ թույներ.

Արդյունաբերության մեջ որպես կատալիզատոր առավել հաճախ օգտագործվում են պլատինը, երկաթը, նիկելը, կոբալտը և դրանց օքսիդները, վանադիումի (V) օքսիդը, ալյումինոսիլիկատները, որոշ հանքային թթուներ։

շատ և աղեր; կատալիզատորները օգտագործվում են ինչպես ռեդոքս, այնպես էլ թթու-բազային ռեակցիաներում:

Էլեկտրոնների փոխանցման հետևանքով առաջացած կատալիտիկ պրոցեսները դասակարգվում են որպես ռեդոքս կատալիզ: Այն օգտագործվում է ամոնիակի արտադրության մեջ, ազոտական ​​թթու, ծծմբաթթու և այլն։

Թթու-բազային կատալիզը ներառում է կատալիտիկ ճեղքում, խոնավացում, ջրազրկում, իզոմերացման բազմաթիվ ռեակցիաներ և օրգանական նյութերի խտացում։

Արդյունաբերության մեջ կա նաև այսպես կոչված բազմաֆունկցիոնալ կատալիզ, որում համակցված են վերը քննարկված կատալիզի երկու կարևորագույն տեսակները։