กระบวนการทางเคมี กระบวนการทางเคมี ตามผลความร้อนของปฏิกิริยา

อย่าตัดสินสิ่งที่สำคัญที่สุดเร็วเกินไป

เฮราคลิตุส

กระบวนการทางเคมี(ตั้งแต่ lat. กระบวนการ- ความก้าวหน้า) คือการเปลี่ยนแปลงตามลำดับในสถานะของสสาร ซึ่งเป็นการเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดระหว่างขั้นตอนการพัฒนาที่ต่อเนื่องกัน ซึ่งแสดงถึงการเคลื่อนไหวที่ต่อเนื่องและเป็นหนึ่งเดียว การศึกษากระบวนการทางเคมีเป็นสาขาวิชาวิทยาศาสตร์ที่มีการแทรกซึมของฟิสิกส์ เคมี และชีววิทยาที่ลึกที่สุด กระบวนการทางเคมีแบ่งออกเป็น: โฮโม-และ ต่างกัน(ขึ้นอยู่กับ สถานะของการรวมตัวระบบปฏิกิริยา) นอก-และ ดูดความร้อน(ขึ้นอยู่กับปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาและดูดซับ) ออกซิไดซ์ลด(ขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์กับออกซิเจน) เป็นต้น

กระบวนการทั้งหมดที่เกิดขึ้นรอบตัวเราสามารถรวมกันเป็นสามกลุ่มใหญ่ได้

1. กระบวนการที่เกิดขึ้นเองที่สามารถใช้ได้
เพื่อผลิตพลังงานหรือทำงาน เงื่อนไข
กระบวนการที่เกิดขึ้นเองหรือกฎของเทอร์โม
พลวัตที่มีลักษณะเฉพาะคือ: ก) โดดเดี่ยว
ระบบเช่นในระบบที่ไม่รวมเนื้อหาใด ๆ
นิวยอร์กหรือ การเผาผลาญพลังงานกับ สิ่งแวดล้อม, รวม
พลังงานทุกประเภทมีความคงที่ ข) การเปลี่ยนแปลง
เอนทาลปี (ผลกระทบทางความร้อนของกระบวนการ AH) ขึ้นอยู่กับเท่านั้น
ชนิดและสถานะของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์และไม่ขึ้นอยู่กับ
จากเส้นทางการเปลี่ยนผ่าน มันถูกเรียกว่ากฎของเฮสส์และมีการกำหนดไว้
ก่อตั้งโดยเขาในปี พ.ศ. 2383

2. กระบวนการที่ต้องใช้ต้นทุน
พลังงานหรืองานที่ทำ

3. การจัดระบบสารเคมีด้วยตนเอง เช่น การผลิตด้วยตนเอง
กระบวนการอิสระที่เกิดขึ้นโดยไม่เปลี่ยนพลังงาน
ระบบสำรองเกิดขึ้นเฉพาะในทิศทางที่เท่านั้น

ลำดับในระบบเพิ่มขึ้น เช่น เมื่อเอนโทรปีลดลง

ความสามารถของรีเอเจนต์เคมีต่างๆ ในการโต้ตอบนั้นถูกกำหนดไม่เพียงแต่โดยโครงสร้างอะตอม-โมเลกุลเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่เกิดปฏิกิริยาเคมีด้วย กระบวนการเปลี่ยนสารหนึ่งเป็นอีกสารหนึ่งเรียกว่าปฏิกิริยาเคมี เงื่อนไขสำหรับการเกิดกระบวนการทางเคมี ประการแรกคือปัจจัยทางอุณหพลศาสตร์ที่แสดงถึงลักษณะการพึ่งพาปฏิกิริยากับอุณหภูมิ ความดัน และเงื่อนไขอื่น ๆ อัตราของปฏิกิริยาเคมียังได้รับผลกระทบจากเงื่อนไขและพารามิเตอร์ต่อไปนี้:

1) ธรรมชาติสารตั้งต้น (เช่น โลหะอัลคาไลละลายในน้ำด้วยการก่อตัวของอัลคาไลและการปล่อยไฮโดรเจนและปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นทันทีภายใต้สภาวะปกติและสังกะสีเหล็กและอื่น ๆ จะทำปฏิกิริยาอย่างช้าๆและมีการก่อตัวของออกไซด์และโลหะมีตระกูลจะไม่ทำปฏิกิริยาเลย)

2) อุณหภูมิ สำหรับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 10 °C อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้น 2-4 เท่า (กฎของแวนต์ฮอฟฟ์) ออกซิเจนเริ่มทำปฏิกิริยากับสารหลายชนิดด้วยความเร็วที่เห็นได้ชัดเจนที่อุณหภูมิปกติ (ออกซิเดชันช้า) เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ปฏิกิริยารุนแรง (การเผาไหม้) จะเริ่มขึ้น

3) ความเข้มข้น.สำหรับสารและก๊าซที่ละลาย อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยา การเผาไหม้ของสารในออกซิเจนบริสุทธิ์เกิดขึ้นอย่างเข้มข้นกว่าในอากาศ โดยที่ความเข้มข้นของออกซิเจนจะน้อยกว่าเกือบ 5 เท่า กฎหมายมีความเป็นธรรมที่นี่ มวลชนที่ใช้งานอยู่: ที่อุณหภูมิคงที่ อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของความเข้มข้นของสารตั้งต้น

4) พื้นที่ผิวของปฏิกิริยาสำหรับสารที่อยู่ในสถานะของแข็ง อัตราจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับพื้นที่ผิวของสารที่ทำปฏิกิริยา เหล็กและกำมะถันในสถานะของแข็งจะทำปฏิกิริยาได้เร็วเพียงพอเฉพาะกับการบดและการผสมเบื้องต้นเท่านั้น: การเผาไม้พุ่มและท่อนไม้

5) ตัวเร่งปฏิกิริยาความเร็วของปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งเป็นสารที่เร่งตัว ปฏิกิริยาเคมีแต่พวกมันเองก็ไม่ได้ถูกเผาผลาญไป การสลายตัวของเกลือเบิร์ตทอลเล็ตและไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์จะถูกเร่งเมื่อมีแมงกานีส (IV) ออกไซด์ ฯลฯ

ในการเข้าสู่ปฏิกิริยาเคมีจำเป็นต้องเอาชนะอุปสรรคพลังงานบางอย่างที่สอดคล้องกับพลังงานกระตุ้นซึ่งความเป็นไปได้ของการสะสมนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างมาก ปฏิกิริยาหลายอย่างไม่สามารถยุติได้เป็นเวลานาน ในกรณีนี้พวกเขาบอกว่าเกิดปฏิกิริยาแล้ว สมดุลเคมี- ระบบเคมีจะอยู่ในสภาวะสมดุลหากตรงตามเงื่อนไขสามประการต่อไปนี้:

1) ไม่มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานเกิดขึ้นในระบบ (H = 0)

2) ไม่มีการเปลี่ยนแปลงระดับความผิดปกติ (, S = 0);

3) ศักย์ไอโซบาริกไม่เปลี่ยนแปลง (J = 0)

Van't Toff ใช้วิธีทางอุณหพลศาสตร์เพื่อจำแนกปฏิกิริยาเคมีและกำหนดหลักการพื้นฐานของจลนศาสตร์เคมีด้วย จลนพลศาสตร์เคมีศึกษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี Le Chatelier กำหนดกฎการกระจัดของสมดุลเคมีในปฏิกิริยาเคมีภายใต้อิทธิพลของปัจจัยภายนอก - อุณหภูมิ, ความดัน ฯลฯ ตามหลักการของ Le Chatelier หากระบบในสภาวะสมดุลเคมีอยู่ภายใต้อิทธิพลภายนอก (อุณหภูมิ ความดันหรือความเข้มข้นเปลี่ยนแปลงไป) จากนั้นตำแหน่งสมดุลของปฏิกิริยาเคมีจะเปลี่ยนไปในทิศทางที่ทำให้ผลกระทบนี้อ่อนลง

ปฏิกิริยาเคมีแบ่งตามการเปลี่ยนแปลงคุณภาพของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาเป็นประเภทต่อไปนี้:

ปฏิกิริยาการเชื่อมต่อ- ปฏิกิริยาที่สารหลายชนิดก่อตัวเป็นสารเดียวซึ่งซับซ้อนกว่าสารดั้งเดิม

ปฏิกิริยาการสลายตัว- ปฏิกิริยาที่มีสารหลายชนิดเกิดขึ้นจากสารเชิงซ้อนเดียว

ปฏิกิริยาการทดแทน- ปฏิกิริยาที่อะตอมขององค์ประกอบหนึ่งแทนที่อะตอมขององค์ประกอบอื่นในสารเชิงซ้อนและในเวลาเดียวกันก็มีการสร้างอะตอมใหม่สองชนิด - ง่ายและซับซ้อน

ปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยน- ปฏิกิริยาที่สารทำปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนกัน ส่วนประกอบเป็นผลให้

จากสารเชิงซ้อนสองชนิดที่เกิดขึ้นเป็นสารเชิงซ้อนใหม่สองชนิด

โดย ผลความร้อนปฏิกิริยาเคมีสามารถแบ่งออกได้เป็น คายความร้อน- มีการปล่อยความร้อนและ ดูดความร้อน- มีระบบดูดซับความร้อน โดยคำนึงถึงปรากฏการณ์ของการเร่งปฏิกิริยาปฏิกิริยาสามารถทำได้ ตัวเร่งปฏิกิริยา- การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาและ ไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยา- โดยไม่ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ขึ้นอยู่กับการพลิกกลับได้ ปฏิกิริยาจะแบ่งออกเป็น ย้อนกลับได้และ กลับไม่ได้

ใน. Ostwald ซึ่งศึกษาเงื่อนไขของสมดุลเคมีได้ค้นพบปรากฏการณ์การเร่งปฏิกิริยา มันกลับกลายเป็นว่าใน ในระดับใหญ่ธรรมชาติและโดยเฉพาะอย่างยิ่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับสภาวะจลน์ ซึ่งถูกกำหนดโดยการมีตัวเร่งปฏิกิริยาและสารเติมแต่งอื่นๆ ให้กับรีเอเจนต์ เช่นเดียวกับอิทธิพลของตัวทำละลาย ผนังเครื่องปฏิกรณ์ และเงื่อนไขอื่นๆ ปรากฏการณ์ การเร่งปฏิกิริยา- การเร่งแบบเลือกสรรของกระบวนการทางเคมีเมื่อมีสาร (ตัวเร่งปฏิกิริยา) ที่มีส่วนร่วมในกระบวนการขั้นกลางแต่ถูกสร้างใหม่เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยา ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม เช่น การตรึงไนโตรเจนและไฮโดรเจน วิธีการสัมผัสเพื่อการผลิตซัลฟิวริก กรดและอื่น ๆ อีกมากมาย การสังเคราะห์แอมโมเนียดำเนินการครั้งแรกในปี พ.ศ. 2461 โดยอาศัยงานของ Haber, K. Bosch และ A. Mittash โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ประกอบด้วยเหล็กโลหะโดยเติมโพแทสเซียมและอะลูมิเนียมออกไซด์ ที่อุณหภูมิ 450-550 °C และ ความกดอากาศ 300-1,000 บรรยากาศ ในปัจจุบัน มีความสนใจอย่างมากต่อการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาออร์กาโนเมทัลลิกและโลหะที่ซับซ้อน โดยมีลักษณะเฉพาะด้วยการคัดเลือกและการดำเนินการที่เลือกสรรสูง กระบวนการเดียวกันของการสังเคราะห์แอมโมเนียโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาออร์กาโนเมทัลลิกก็สามารถทำได้เช่นกัน อุณหภูมิปกติ(18 °C) และปกติ ความดันบรรยากาศซึ่งเปิดโอกาสที่ดีในการผลิตปุ๋ยไนโตรเจนแร่ บทบาทของตัวเร่งปฏิกิริยามีความสำคัญอย่างยิ่งใน การสังเคราะห์สารอินทรีย์- ความสำเร็จสูงสุดในทิศทางนี้ต้องได้รับการยอมรับจากการผลิตยางสังเคราะห์เทียมจาก เอทิลแอลกอฮอล์ดำเนินการโดยนักวิชาการโซเวียต S.V. Lebedev ในช่วงทศวรรษที่ 20 ของศตวรรษที่ XX

เอนไซม์หรือตัวเร่งปฏิกิริยาชีวภาพมีบทบาทสำคัญในกระบวนการทางชีวภาพและเทคโนโลยีของสารที่มีต้นกำเนิดจากพืชและสัตว์ ตลอดจนในทางการแพทย์ ปัจจุบันมีเอนไซม์มากกว่า 750 ชนิดที่เป็นที่รู้จัก และมีจำนวนเพิ่มขึ้นทุกปี เอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบสองฟังก์ชันและแบบหลายฟังก์ชัน เนื่องจากที่นี่มีผลกระทบที่ประสานกันของตัวเร่งปฏิกิริยาสองหรือหลายกลุ่มที่มีลักษณะแตกต่างกันในศูนย์กลางที่ทำงานอยู่ของเอนไซม์ต่อโพลาไรเซชันของพันธะของสารตั้งต้นบางชนิด แนวคิดเดียวกันนี้เป็นรากฐานของการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์และทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของการกระทำของเอนไซม์ ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเอนไซม์และตัวเร่งปฏิกิริยาอื่นๆ ก็คือมีฤทธิ์สูงเป็นพิเศษและมีความจำเพาะที่เด่นชัด

การจัดระเบียบตนเอง ระบบเคมีในด้านชีววิทยา ความสามัคคีและการเชื่อมต่อระหว่างกันได้รับการยืนยันโดยการสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์จากสารอนินทรีย์ ในปี 1824 นักเคมีชาวเยอรมัน F. Wöhler ซึ่งเป็นลูกศิษย์ของ Berzelius ได้รับกรดออกซาลิก HOOC-COOH เป็นครั้งแรกจากไซยาโนเจนอนินทรีย์ N-C-C-N โดยให้ความร้อนด้วยน้ำ สารประกอบอินทรีย์- เรายังได้รับใหม่ สารอินทรีย์- ยูเรีย (urea) จากแอมโมเนียมไซยาไนด์ ในปี ค.ศ. 1854 ในประเทศฝรั่งเศส M. Berthelot ได้รับไขมันสังเคราะห์ ความสำเร็จสูงสุดของวิชาเคมีคือช่วงทศวรรษที่ 50 และ 60 ศตวรรษที่ XX เป็นการสังเคราะห์โปรตีนเชิงเดี่ยวครั้งแรก - ฮอร์โมนอินซูลินและเอนไซม์ไรโบนิวคลีโอซิส

ปฏิกิริยาเคมี- นี่คือการเปลี่ยนแปลงของสารตั้งต้นตั้งแต่หนึ่งชนิดขึ้นไปไปเป็นสารที่แตกต่างจากองค์ประกอบหรือโครงสร้างทางเคมี เรียกว่าวัสดุตั้งต้นที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมี รีเอเจนต์ - สารที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาของรีเอเจนต์เรียกว่า ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา - ต่างจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในระหว่างปฏิกิริยาเคมีเช่นกัน จำนวนทั้งหมดอะตอมในระบบที่ทำปฏิกิริยาหรือองค์ประกอบไอโซโทปขององค์ประกอบทางเคมี นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่ากระบวนการทางเคมีไม่ส่งผลกระทบต่อนิวเคลียสของอะตอมที่ประกอบเป็นโมเลกุลของรีเอเจนต์ กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ของเวเลนซ์อิเล็กตรอนและมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเปลือกอิเล็กทรอนิกส์ด้านนอกของอะตอมของสารตั้งต้น

ตามจำนวนและองค์ประกอบของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยา ปฏิกิริยาเคมีมีสี่ประเภทหลัก:

 คการรวมกัน – จากสารที่เรียบง่ายหรือซับซ้อนหลายชนิดเกิดสารที่ซับซ้อนขึ้นมา: 2Cu + O 2 = 2CuO;

 การสลายตัว– สารเชิงเดี่ยวหรือเชิงซ้อนหลายชนิดเกิดจากสารเชิงซ้อน: 2H 2 O = 2H g + O 2;

 การทดแทน– อะตอมของสารเชิงเดี่ยวเข้ามาแทนที่อะตอมหนึ่งของสารเชิงซ้อน:

เฟ+ซูโอ 4 =เฟโซ 4 +คู;

 แลกเปลี่ยนก – สารที่ซับซ้อนแลกเปลี่ยนส่วนประกอบ:

โซเดียมคลอไรด์ + H 2 SO 4 = HCl + NaHSO 4

โดยการเปลี่ยนสถานะออกซิเดชันของอะตอม เน้น:

 ปฏิกิริยา โดยไม่เปลี่ยนสถานะออกซิเดชัน (เช่น ปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยนไอออน):

NaOH+HCl=NaCl+H 2 O;

 ปฏิกิริยากับ การเปลี่ยนแปลงสถานะออกซิเดชัน (ปฏิกิริยารีดอกซ์): H 2 + Cl 2 = 2HCl

โดยผลกระทบจากความร้อน ปฏิกิริยามีความโดดเด่น:

 คายความร้อน– ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นกับการปล่อยพลังงาน:

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

 ดูดความร้อน– ปฏิกิริยาที่มาพร้อมกับการดูดซับพลังงาน:

CaCO 3 = CaO + CO 2 – Q.

โดย ความจำเป็นในการมีสารอื่นอยู่ ปฏิกิริยามีความโดดเด่น:

 ตัวเร่งปฏิกิริยา– เกิดขึ้นเฉพาะกับการมีส่วนร่วมของตัวเร่งปฏิกิริยา: SO 2 + O 2 SO 3 ;

 ไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยา– เกิดขึ้นโดยไม่ต้องมีส่วนร่วมของตัวเร่งปฏิกิริยา: 2NO + O 2 = 2NO 2

โดย การย้อนกลับได้ ปฏิกิริยามีความโดดเด่น:

 กลับไม่ได้– ดำเนินการจนกว่าสารเริ่มต้นจะถูกเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์โดยสมบูรณ์ ในระหว่างปฏิกิริยาที่ไม่สามารถย้อนกลับได้สารที่แยกตัวออกเล็กน้อยจะเกิดขึ้นในสารละลาย - ตะกอน, ก๊าซ, น้ำ: BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 ↓ + 2HCl;

 ย้อนกลับได้– ดำเนินการทั้งต่อการผลิตผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาและต่อการผลิตสารตั้งต้น: N 2 + 3H 2 ↔2CO 2

ความสามารถของรีเอเจนต์เคมีต่างๆ ในการโต้ตอบนั้นถูกกำหนดไม่เพียงแต่โดยโครงสร้างอะตอม-โมเลกุลเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่เกิดปฏิกิริยาเคมีด้วย ซึ่งรวมถึงปัจจัยทางอุณหพลศาสตร์ (อุณหภูมิ ความดัน ฯลฯ) และปัจจัยจลน์ (ทุกอย่างที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนของสารและการก่อตัวของรูปแบบขั้นกลางของสาร) อิทธิพลของปฏิกิริยาเคมีที่มีต่อปฏิกิริยาเคมีถูกเปิดเผยในระดับแนวคิดทางเคมี ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่าหลักคำสอนของ กระบวนการทางเคมี .

การศึกษากระบวนการทางเคมีเป็นพื้นที่ของการแทรกซึมเชิงลึกของฟิสิกส์เคมีและชีววิทยาแท้จริงแล้วหลักคำสอนนี้มีพื้นฐานมาจาก เคมี อุณหพลศาสตร์ และ จลนศาสตร์ซึ่งใช้กับเคมีและฟิสิกส์ได้เท่าเทียมกัน และเซลล์ที่มีชีวิตซึ่งศึกษาโดยวิทยาศาสตร์ชีวภาพ ในขณะเดียวกันก็เป็นเครื่องปฏิกรณ์เคมีระดับจุลภาคซึ่งเกิดการเปลี่ยนแปลง ซึ่งหลายเซลล์เป็นการศึกษาทางเคมีและพยายามนำไปใช้ในระดับมหภาค ดังนั้นบุคคลจึงเผยให้เห็นความเชื่อมโยงอย่างลึกซึ้งที่มีอยู่ระหว่างปรากฏการณ์ทางกายภาพ เคมี และชีวภาพ และในขณะเดียวกันก็นำประสบการณ์ที่เขาต้องการจากธรรมชาติที่มีชีวิตมาใช้เพื่อให้ได้สารและวัสดุใหม่

เทคโนโลยีเคมีสมัยใหม่ส่วนใหญ่ถูกนำมาใช้โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา - สารที่เพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาโดยไม่ต้องบริโภคเข้าไป

ในเคมีสมัยใหม่ทิศทางก็ได้รับการพัฒนาเช่นกันโดยมีหลักการดังนี้ การกระตุ้นพลังงาน รีเอเจนต์ (นั่นคือการจ่ายพลังงานจากภายนอก) จนกว่าพันธะเริ่มต้นจะถูกทำลายจนหมด ในกรณีนี้ เรากำลังพูดถึงพลังงานสูง นี่คือสิ่งที่เรียกว่า เคมีของรัฐสุดโต่งโดยใช้อุณหภูมิสูง ความดันสูง การแผ่รังสีที่มีพลังงานควอนตัมจำนวนมาก (อัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา) บริเวณนี้ได้แก่ เคมีพลาสมา(เคมีขึ้นอยู่กับสถานะพลาสมาของรีเอเจนต์) เช่นเดียวกับเทคโนโลยีที่กระตุ้นกระบวนการได้สำเร็จผ่านลำแสงอิเล็กตรอนหรือไอออนโดยตรง (เทคโนโลยีเอลีออน)

เคมีของสภาวะสุดขั้วทำให้สามารถรับสารและวัสดุที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัวได้: วัสดุคอมโพสิต โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงและผงโลหะ ไนไตรด์ ซิลิไซด์และคาร์ไบด์ของโลหะทนไฟ การเคลือบคุณสมบัติต่างๆ

เมื่อแก้ไขปัญหาทางอุณหพลศาสตร์ต่างๆ จะใช้ฟังก์ชันพิเศษ - ศักย์ทางอุณหพลศาสตร์เมื่อทราบการแสดงออกของศักย์ทางอุณหพลศาสตร์ คุณลักษณะอื่นๆ ของกระบวนการสามารถคำนวณได้ผ่านพารามิเตอร์อิสระของระบบ เรามาแสดงรายการบางส่วนกัน

แทนลงในนิพจน์สำหรับกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ ดีคิว= ดียู+ ดีเอ สูตรในการทำงาน ดีเอ= พีดีวีและปริมาณความร้อนในกระบวนการผันกลับได้ ดีคิว= ทีดีเอสเราได้รับ ดียู= ทีดีเอส– พีดีวี (1).

นิพจน์นี้ซึ่งรวมกฎข้อที่หนึ่งและสองของอุณหพลศาสตร์เข้าด้วยกัน คือผลต่างรวมของพลังงานภายใน และสมการทั่วไปของผลต่างรวมคือ:

เมื่อเปรียบเทียบกับนิพจน์ (1) เราจะได้:

ดังนั้น อนุพันธ์ย่อยของพลังงานภายในเทียบกับเอนโทรปีจะเท่ากับอุณหภูมิ อนุพันธ์เทียบกับปริมาตรที่มีเครื่องหมายตรงกันข้ามจะเท่ากับความดัน และพลังงานภายในเองก็คือศักย์ทางอุณหพลศาสตร์ ศักยภาพทางอุณหพลศาสตร์อีกอย่างหนึ่งได้รับการแนะนำโดย G. Helmholtz (1877) เขาแสดงให้เห็นว่าฟังก์ชั่น เอฟ = คุณ– ที.เอส.เรียกว่าพลังงานอิสระ สามารถใช้เป็นเกณฑ์สำหรับสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ได้

มาหาส่วนต่างของพลังงานอิสระทั้งหมดกัน: ดีเอฟ= ดียู– ทีดีเอส– สททจากนั้นใช้นิพจน์ (1) เราสามารถเขียนได้: ดีเอฟ= ทีดีเอส– พีดีวี– ทีดีเอส– สทท= – สทท– พีดีวี- เมื่อพิจารณา(เช่นเดิม)ว่า ดีเอฟ คือผลต่างรวมของตัวแปร ตและ วี, เราได้รับ:

.

ความหมายทางกายภาพของพลังงานอิสระ เอฟชัดเจนจากสำนวนสำหรับ ดีเอฟ. ที่ ต= ค่าคงที่ ดีที= 0 แล้ว ดีเอฟ= – พีดีวี= – ดีเอนั่นคือการลดลงของพลังงานอิสระเท่ากับงานที่ทำโดยระบบในกระบวนการไอโซเทอร์มอล การเก็บรักษาอุณหภูมิร่างกายให้คงที่ในสิ่งมีชีวิตช่วยให้เราสรุปได้ว่างานที่พวกเขาทำนั้นทำได้โดยการลดพลังงานอิสระ

สิ่งสำคัญสำหรับกระบวนการทางเคมีคือ ศักยภาพทางอุณหพลศาสตร์ที่เรียกว่า ฟังก์ชันกิ๊บส์ (ช): ช= เอฟ+ พีวี= คุณ– ที.เอส.+ พีวี. การสร้างความแตกต่างเราได้รับ: ดีจี= ดียู– ทีดีเอส– สทท+ พีดีวี+ วีดีพี- เมื่อคำนึงถึงสมการบัญชี (1) สมการสุดท้ายสามารถเขียนใหม่ได้ดังนี้: ดีจี= ทีดีเอส– พีดีวี– ทีดีเอส– สทท+ พีดีวี+ วีดีพี= – สทท+ วีดีพี- เมื่อเปรียบเทียบสมการผลลัพธ์กับนิพจน์สำหรับผลต่างรวมเราเขียนว่า:

.

ศักย์กิ๊บส์ใช้ในการคำนวณเอนโทรปีและปริมาตรในกระบวนการไอโซบาริก-ไอโซเทอร์มอล เมื่อระบบมีแนวโน้มที่จะสมดุลในกระบวนการไอโซบาริก-ไอโซเทอร์มอลที่ไม่สามารถกลับคืนสภาพเดิมได้ ดีคิว  ทีดีเอสและสำหรับค่าดิฟเฟอเรนเชียลของ Gibbs จะใช้สิ่งต่อไปนี้แทนความเท่าเทียมกันที่เขียนไว้ด้านบน: ดีจี– สทท+ วีดีพี- แต่เนื่องจากในกระบวนการนี้ ดีที = 0,DP= 0 แล้ว ดีจี0. และจะดำเนินการนี้ไปจนกว่าสภาวะสมดุลจะเกิดขึ้นเมื่อใด ดีจี จะกลายเป็นศูนย์ เราสามารถพูดได้ว่าในกระบวนการไอโซบาริก-ไอโซเทอร์มอลที่ไม่มีความสมดุล ฟังก์ชันกิ๊บส์จะลดลงเหลือน้อยที่สุดในสภาวะสมดุล ในกระบวนการไอโซเทอร์มอลที่เกิดขึ้นโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตร ศักย์ของเฮล์มโฮลทซ์ซึ่งเป็นพลังงานอิสระก็จะลดลงเช่นกัน

เมื่อจำนวนอนุภาคในระบบเปลี่ยนแปลงจึงเรียกว่า ศักยภาพทางเคมี(). แทนที่จะเป็นสมการ (1) คุณควรเขียน: ดียู= ทีดีเอส– พีดีวี+ ดีเอ็นเอ. ที่นี่ ดีเอ็นเอ – การเปลี่ยนแปลงจำนวนอนุภาคในระบบ การแสดงออกของศักยภาพอื่น ๆ จะเปลี่ยนไปตาม: ดีเอฟ= – สทท– พีดีวี+ ดีเอ็นเอ,ดีจี= – สทท+ วีดีพี+ ดีเอ็นเอ. จากนั้นสำหรับศักยภาพทางเคมีที่คู่คงที่ของพารามิเตอร์ที่สอดคล้องกัน ( ส,วี), (ต,วี), (ต,พี) สามารถเขียนได้:

.

ดังนั้นศักย์ทางอุณหพลศาสตร์จึงเท่ากับการเปลี่ยนแปลงศักย์ต่ออนุภาคในกระบวนการที่สอดคล้องกัน และปฏิกิริยาอาจเกิดขึ้นได้หากมีศักยภาพลดลง เมื่อก้อนหินตกลงไปในสนามโน้มถ่วง พลังงานศักย์ของมันจะลดลง กระบวนการที่คล้ายกันนี้พบได้ในปฏิกิริยาเคมี: เมื่อมันเกิดขึ้น พลังงานอิสระของมันจะเคลื่อนไปที่ระดับที่ต่ำกว่า ในตัวอย่างเหล่านี้ การเปรียบเทียบเสร็จสมบูรณ์ เนื่องจากไม่มีการเปลี่ยนแปลงในเอนโทรปี แต่ในปฏิกิริยาเคมี จะต้องคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีด้วย และความเป็นไปได้ของปฏิกิริยาไม่ได้หมายความว่าจะเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ อุณหพลศาสตร์อธิบายว่า: ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อพลังงานของสารลดลงและเอนโทรปีเพิ่มขึ้น เอนโทรปีเพิ่มขึ้นเนื่องจากการจัดเรียงอะตอมในโมเลกุลขนาดเล็กมีลำดับน้อยกว่าในโมเลกุลขนาดใหญ่

แต่กระบวนการและสถานะที่แท้จริงมักไม่มีความสมดุล และระบบเปิดกว้าง กระบวนการดังกล่าวจะกล่าวถึงใน อุณหพลศาสตร์ที่ไม่สมดุล

กระบวนการทางเคมีรองรับเทคโนโลยีเคมี ซึ่งเป็นศาสตร์แห่งวิธีการที่ประหยัดที่สุดและวิธีการแปรรูปสารเคมีจำนวนมากจากวัตถุดิบธรรมชาติและเกษตรกรรมเป็นสินค้าอุปโภคบริโภคและผลิตภัณฑ์ที่ใช้ในภาคการผลิตวัสดุอื่น ๆ

ทุกสิ่งที่เกี่ยวข้องกับการใช้จ่ายทรัพยากรวัสดุค่ะ เศรษฐกิจของประเทศสามในสี่ขึ้นอยู่กับการใช้ความรู้ทางเคมีและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเคมี “ทักษะทางเคมี” นอกจากนี้เทคโนโลยีเคมีสมัยใหม่ยังใช้ความสำเร็จของผู้อื่น วิทยาศาสตร์ธรรมชาติ- กลศาสตร์ประยุกต์ วัสดุศาสตร์ และไซเบอร์เนติกส์ ศึกษาและพัฒนาชุดของกระบวนการทางกายภาพและเคมี เครื่องจักรและอุปกรณ์ วิธีที่เหมาะสมที่สุดในการนำกระบวนการเหล่านี้ไปใช้และจัดการในอุตสาหกรรมต่างๆ1 เกี่ยวกับการผลิตสาร ผลิตภัณฑ์ วัสดุและผลิตภัณฑ์ต่างๆ เทคโนโลยีเคมีเป็น พื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ปิโตรเคมี โค้ก เยื่อและกระดาษ อาหาร อุตสาหกรรมจุลชีววิทยา วัสดุก่อสร้างโลหะวิทยาที่มีเหล็กและอโลหะและอุตสาหกรรมอื่น ๆ

ในทศวรรษที่ผ่านมา สารเคมี กระบวนการทางเทคโนโลยีถูกนำมาใช้ในการผลิตภาคอุตสาหกรรมเกือบทุกสาขา

กระบวนการเคมี-เทคโนโลยี(XTII) สามารถแบ่งได้เป็น 3 ระยะที่สัมพันธ์กัน:

การจัดหาสารตั้งต้นไปยังโซนปฏิกิริยา

จริงๆ แล้วปฏิกิริยาเคมี

การกำจัดผลิตภัณฑ์ที่เป็นผลลัพธ์ออกจากโซนปฏิกิริยา

การจัดหาสารตั้งต้นสามารถทำได้โดยการดูดซับ การดูดซับ หรือการคายก๊าซ การควบแน่นของไอระเหย การละลายส่วนประกอบที่เป็นของแข็งหรือการละลายในของเหลว การระเหยของของเหลว หรือการระเหิด ของแข็ง(ดูย่อหน้าย่อย 4.2.3, 4.2.4)

ปฏิกิริยาเคมีในขั้นตอนที่สอง CTP มักจะดำเนินการในหลายขั้นตอนตามลำดับหรือคู่ขนาน ซึ่งนำไปสู่การผลิตผลิตภัณฑ์หลัก เช่นเดียวกับผลพลอยได้ (ของเสีย) จำนวนหนึ่งที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาระหว่างสิ่งเจือปนกับสารตั้งต้นหลัก เมื่อวิเคราะห์กระบวนการผลิต มักจะไม่ได้คำนึงถึงปฏิกิริยาทั้งหมด แต่จะพิจารณาเฉพาะปฏิกิริยาที่มีอิทธิพลชี้ขาดต่อคุณภาพและปริมาณของผลิตภัณฑ์เป้าหมายที่ได้รับเท่านั้น

การกำจัดผลิตภัณฑ์ที่เป็นผลลัพธ์ออกจากโซนปฏิกิริยาสามารถทำได้ในลักษณะเดียวกันกับการจัดหา รวมถึงผ่านการแพร่กระจาย การพาความร้อน และการเปลี่ยนผ่านของสารจากเฟสหนึ่ง (ก๊าซ ของแข็ง ของเหลว) ไปยังอีกเฟสหนึ่ง ในกรณีนี้ ความเร็วโดยรวมของกระบวนการทางเทคโนโลยีจะถูกกำหนดโดยความเร็วของหนึ่งในสามองค์ประกอบของกระบวนการพื้นฐาน ซึ่งดำเนินการช้ากว่าองค์ประกอบอื่น

กระบวนการทางเทคโนโลยีเคมีประเภทต่อไปนี้มีความโดดเด่น:

เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกัน (สามารถคายความร้อนและดูดความร้อนได้ย้อนกลับได้และไม่สามารถย้อนกลับได้);

เคมีไฟฟ้า;

ตัวเร่งปฏิกิริยา

เป็นเนื้อเดียวกันกระบวนการเรียกว่าสารที่สารทำปฏิกิริยาทั้งหมดอยู่ในเฟสเดียว: แก๊ส (g), ของแข็ง (s), ของเหลว (l) ในกระบวนการเหล่านี้ปฏิกิริยามักจะเกิดขึ้นเร็วกว่าปฏิกิริยาที่ต่างกัน โดยทั่วไป กลไกของกระบวนการทางเทคโนโลยีทั้งหมดในระบบที่เป็นเนื้อเดียวกันจะง่ายกว่า เช่นเดียวกับการควบคุมกระบวนการ ด้วยเหตุนี้ ในทางปฏิบัติพวกเขาจึงมักจะพยายามดำเนินกระบวนการที่เป็นเนื้อเดียวกัน เช่น ถ่ายโอนส่วนประกอบที่ทำปฏิกิริยาไปยังเฟสใดเฟสหนึ่ง

ใน กระบวนการที่แตกต่างกัน สารที่อยู่ในสถานะต่างๆ (ระยะ) เข้ามาเกี่ยวข้อง เช่น ในสองหรือสามขั้นตอน ตัวอย่างของระบบสองเฟสอาจเป็น: g - (ผสมไม่ได้); g - t;zh - t;t - t (ประเภทต่างๆ) ใน การปฏิบัติด้านการผลิตระบบที่พบบ่อยที่สุดคือ g - g, g - t, g - t บ่อยครั้งที่กระบวนการเกิดขึ้นในระบบที่ต่างกันที่ซับซ้อน (g - g - t, g - t - t, g - t - t)

กระบวนการที่ไม่เหมือนกัน ได้แก่ การเผาไหม้ (ออกซิเดชัน) ของของแข็งและของเหลว การละลายของโลหะในกรดและด่าง เป็นต้น

กระบวนการทางเคมีทั้งหมดเกิดขึ้นพร้อมกับการปล่อยหรือการดูดซับความร้อน: อย่างแรกเรียกว่า คายความร้อน,ที่สอง - ดูดความร้อนปริมาณที่จัดสรร

ฉัน หรือความร้อนที่ถูกดูดซับในกรณีนี้เรียกว่าผลกระทบทางความร้อนของกระบวนการ (ความร้อนของกระบวนการ)

ตามทฤษฎีแล้ว ปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดที่เกิดขึ้นใน CTP สามารถย้อนกลับได้ พวกมันสามารถไหลได้ทั้งในทิศทางไปข้างหน้าและย้อนกลับขึ้นอยู่กับเงื่อนไข ในหลายกรณี สมดุลของปฏิกิริยาจะเปลี่ยนไปสู่ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาโดยสิ้นเชิง และตามกฎแล้วจะไม่เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ ด้วยเหตุนี้ กระบวนการทางเทคโนโลยีจึงถูกแบ่งออกเป็น ย้อนกลับได้และ กลับไม่ได้ส่วนหลังไหลไปในทิศทางเดียวเท่านั้น

กระบวนการไฟฟ้าเคมีเกี่ยวข้องกับวิทยาศาสตร์เช่นไฟฟ้าเคมีซึ่งตรวจสอบและศึกษากระบวนการเปลี่ยนแปลง พลังงานเคมีเป็นไฟฟ้าและในทางกลับกัน เนื่องจากกระแสไฟฟ้าคือการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า โดยเฉพาะอิเล็กตรอน เคมีไฟฟ้าจึงมุ่งเน้นไปที่ปฏิกิริยาที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากสารหนึ่งไปยังอีกสารหนึ่ง ปฏิกิริยาเคมีดังกล่าวเรียกว่าปฏิกิริยารีดอกซ์

ตัวอย่างของการนำไปปฏิบัติ การเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าเซลล์กัลวานิกที่ออกแบบมาสำหรับการปล่อยกระแสไฟฟ้าเพียงครั้งเดียว: สามารถให้บริการอย่างต่อเนื่องหรือไม่สม่ำเสมอ เมื่อถูกปลดประจำการก็จะไร้ผล ความหลากหลาย เซลล์กัลวานิกเป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ เช่น แบตเตอรี่ตะกั่ว- ต่างจากเซลล์กัลวานิก ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่หลังจากการคายประจุสามารถคืนสภาพได้โดยการส่งกระแสตรงผ่านแบตเตอรี่จากแหล่งภายนอก

กระบวนการ การเปลี่ยนแปลง พลังงานไฟฟ้าไปจนถึงสารเคมีเรียกว่าอิเล็กโทรไลซิส ตามทฤษฎีไอออนิกของอิเล็กโทรไลซิส การผ่านของค่าคงที่ กระแสไฟฟ้าผ่านอิเล็กโทรไลต์จะดำเนินการโดยใช้ไอออน ที่อิเล็กโทรดที่จ่ายกระแสไฟฟ้า อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยังหรือจากไอออน ในกรณีนี้ ในสนามไฟฟ้า ไอออนที่มีประจุบวก (แคตไอออน) จะเคลื่อนไปทางแคโทด ส่วนไอออนที่มีประจุลบ (แอนไอออน) จะเคลื่อนไปทางขั้วบวก การรีดักชันเกิดขึ้นที่แคโทด และการเกิดออกซิเดชันของไอออนหรือโมเลกุลที่ประกอบเป็นอิเล็กตรอนเกิดขึ้นที่แอโนด

อิเล็กโทรไลซิสพบการใช้งานอย่างกว้างขวางในกระบวนการทางอุตสาหกรรมหลักดังต่อไปนี้: การสกัดโลหะ (อะลูมิเนียม สังกะสี ทองแดงบางส่วน); การทำให้บริสุทธิ์ (การกลั่น) โลหะ (ทองแดง, สังกะสี ฯลฯ ); การชุบด้วยไฟฟ้า; พื้นผิวอโนไดซ์ (ออกซิไดซ์)

การชุบด้วยไฟฟ้า (อิเล็กโทรด) ดำเนินการบนแคโทด ในกรณีนี้แคโทดจะจมอยู่

อิเล็กโทรไลต์ที่มีไอออนของโลหะที่มีอิเล็กโทรดโพซิต อิเล็กโทรดที่ทำจากโลหะที่ใช้เคลือบจะถูกใช้เป็นขั้วบวก

วิธีการวางตำแหน่งด้วยไฟฟ้าประกอบด้วยการชุบด้วยไฟฟ้า โดยเคลือบหนา 5-50 มม. และกัลวาโนพลาสตี้ ทำให้เกิดชั้นที่ค่อนข้างหนาแต่ลอกออกได้ง่าย

การชุบด้วยไฟฟ้าใช้เพื่อปกป้องผลิตภัณฑ์จากการกัดกร่อน เพิ่มความต้านทานการสึกหรอ ให้ความสามารถในการสะท้อนแสง การนำไฟฟ้า ทนความร้อน ต้านแรงเสียดทาน และคุณสมบัติอื่น ๆ เช่นเดียวกับการตกแต่งตกแต่ง

การชุบด้วยไฟฟ้าช่วยให้ได้สำเนาที่สร้างรายละเอียดที่เล็กที่สุดของลวดลายหรือการนูนของพื้นผิวได้

อโนไดซ์หรือออกซิเดชันขั้วบวกคือการก่อตัวของชั้นออกไซด์บนพื้นผิวของโลหะในระหว่างการอิเล็กโทรไลซิส โลหะผสมที่มีส่วนประกอบของโลหะเบามักจะผ่านกระบวนการนี้ ชั้นออกไซด์ที่เกิดขึ้นอาจเป็นชั้นบางหรือเป็นชั้นกั้น (น้อยกว่า 1 ไมครอน) และหนา - เฟสหรือคล้ายเคลือบฟัน (หลายสิบหรือหลายร้อยไมครอน) โครงสร้างและ องค์ประกอบทางเคมีออกไซด์ขึ้นอยู่กับลักษณะของโลหะ อิเล็กโทรไลต์ และสภาวะของกระบวนการ ในกรณีนี้ บนโลหะชนิดเดียวกัน เป็นไปได้ที่จะได้รับเฟสออกไซด์ที่มีโครงสร้างต่างกัน ดังนั้นจึงมีคุณสมบัติต่างกัน (ความแข็ง สี การนำไฟฟ้า ฯลฯ) ชั้นบางๆ ส่วนใหญ่จะใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางวิทยุ ชั้นเฟสช่วยปกป้องโลหะจากการกัดกร่อน รับประกันความทนทานต่อการสึกหรอของผลิตภัณฑ์ และสร้างสารเคลือบตกแต่งแบบโปร่งใสหรือแบบมีสี

กระบวนการเร่งปฏิกิริยาเรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา (catalysis) เป็นการดำเนินการเพื่อเปลี่ยนอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

มีการเร่งปฏิกิริยาทั้งเชิงบวกและเชิงลบ ขึ้นอยู่กับว่าตัวเร่งปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาหรือช้าลง โดยทั่วไปแล้วคำว่า "ตัวเร่งปฏิกิริยา*หมายถึงการเร่งปฏิกิริยาในขณะที่เรียกว่าสารที่ทำให้ปฏิกิริยาช้าลง สารยับยั้ง

ส่วนประกอบสำคัญของตัวเร่งปฏิกิริยาทางอุตสาหกรรมได้แก่ โปรโมเตอร์- สารซึ่งการเติมเข้าไปในตัวเร่งปฏิกิริยาในปริมาณเล็กน้อย (โดยปกติจะเป็นเศษส่วนของเปอร์เซ็นต์) จะเพิ่มกิจกรรม การเลือกสรร หรือความเสถียร

สารที่ออกฤทธิ์ต่อตัวเร่งปฏิกิริยาทำให้กิจกรรมลดลงหรือหยุดการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาโดยสมบูรณ์เรียกว่า สารพิษเร่งปฏิกิริยา

แพลตตินัม เหล็ก นิกเกิล โคบอลต์และออกไซด์ วาเนเดียม (V) ออกไซด์ อลูมิโนซิลิเกต กรดแร่บางชนิดมักใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในอุตสาหกรรม

จำนวนมากและเกลือ ตัวเร่งปฏิกิริยาถูกใช้ทั้งในปฏิกิริยารีดอกซ์และกรดเบส

กระบวนการเร่งปฏิกิริยาที่เกิดจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจัดอยู่ในประเภทตัวเร่งปฏิกิริยารีดอกซ์ ใช้ในการผลิตแอมโมเนีย กรดไนตริก, กรดซัลฟูริก เป็นต้น

การเร่งปฏิกิริยาด้วยกรด-เบสรวมถึงการแตกตัวของตัวเร่งปฏิกิริยา การให้น้ำ การขาดน้ำ ปฏิกิริยาไอโซเมอไรเซชันหลายชนิด และการควบแน่นของสารอินทรีย์

ในอุตสาหกรรม ยังมีสิ่งที่เรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาแบบมัลติฟังก์ชั่น ซึ่งประกอบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่สำคัญที่สุดสองประเภทที่กล่าวถึงข้างต้นมารวมกัน