Predgovor
Uvod
§ 1. Predmet zvučne kemije
§ 2. Esej o razvoju zvučne kemije
§ 3. Eksperimentalne metode zvučne kemije
Poglavlje 1. Zvučno polje i ultrazvučna kavitacija
§ 4. Akustičko polje i veličine koje ga karakteriziraju (osnovni pojmovi)
§ 5. Akustična kavitacija u tekućinama
§ 6. Začeci kavitacije u tekućinama
§ 7. Pulsiranje i kolaps kavitacijskih mjehurića
§ 8. Dinamika razvoja područja kavitacije
Poglavlje 2. Eksperimentalna i teorijska istraživanja sonokemijskih reakcija i koioluminiscencije
§ 9. Utjecaj razni faktori te tijek zvučno-kemijskih reakcija i ko-ioluminiscencije
§ 10. Soioluminiscencija u raznim tekućinama
§ 11. Fizikalni procesi koji dovode do pojave zvučno-kemijskih reakcija i soioluminiscencije
§ 12. Spektralna istraživanja koioluminiscencije
§ 13. Primarni i sekundarni elementarni procesi u kavitacijskom mjehuru
§ 14. Klasifikacija ultrazvučnih kemijskih reakcija
§ 15. O mehanizmu utjecaja plinova na tijek zvučno-kemijskih reakcija
§ 16. Akustična polja niskih intenziteta
§ 17. Niskofrekventna akustička polja
Poglavlje 3
§ 18. Glavni načini pretvorbe energije akustičnih vibracija
§ 19. Kemijsko-akustički prinos produkata reakcije (energijski prinos)
§ 20. Početni kemijsko-akustički prinosi proizvoda ultrazvučnog cijepanja vode
§ 21. Energetski prinos koioluminiscencije
§ 22. Ovisnost brzine zvučno-kemijskih reakcija o intenzitetu ultrazvučnih valova
§ 23. Ovisnost brzine fizikalno-kemijskih procesa izazvanih kavitacijom o intenzitetu ultrazvučnih valova
§ 24. Opći kvantitativni obrasci
§ 25. O odnosu između energetskih prinosa sonokemijskih reakcija i sonoluminiscencije
Poglavlje 4. Kinetika ultrazvučnih kemijskih reakcija
Odjeljak 26. Stacionarno stanje za koncentraciju radikala u prosjeku tijekom perioda oscilacije i volumena (prva aproksimacija)
§ 27. Promjena koncentracije radikala, u prosjeku po volumenu (druga aproksimacija)
§ 28. Kavitacijsko-difuzijski model prostorno-vremenske raspodjele radikala (treća aproksimacija)
§ 29. Mjesto energije ultrazvučnih valova među drugim fizičkim metodama utjecaja na tvar
§ 30. Značajke širenja topline iz kavitacijskog mjehurića
5. poglavlje
§ 31. Glavne značajke dobivenih eksperimentalnih rezultata
§ 32. Sonoliza otopina kloroctene kiseline. O pojavi hidratiziranih elektrona u polju ultrazvučnih valova
§ 33. Oksidacija željeznog sulfata (II) u polju ultrazvučnih valova
§ 34. Oporaba cerijevog sulfata (IV) u polju ultrazvučnih valova
§ 35. Sinteza vodikovog peroksida tijekom sonolize vode i vodenih otopina formata
§ 36. Izračun vrijednosti početnih kemijsko-akustičkih izlaza
§ 37. Zvučno-kemijske reakcije u vodi i vodenim otopinama u atmosferi dušika
§ 38. Pokretanje ultrazvučnim valovima lančane reakcije stereoizomerizacije etilen-1,2-dikarboksilne kiseline i njezinih estera
Zaključak. Perspektive uporabe ultrazvučnih valova u znanosti, tehnologiji i medicini
Književnost
Indeks predmeta

Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja jednostavno je. Koristite obrazac u nastavku

Studenti, diplomanti, mladi znanstvenici koji koriste bazu znanja u svom studiju i radu bit će vam vrlo zahvalni.

Objavljeno na http://www.allbest.ru/

• Uvod
• 1. Pojam zvuka. zvučni valovi
• 1.1 Područje proučavanja utjecaja zvuka na kemijske procese
• 1.2 Metode zvučne kemije
• 2. Korištenje infrazvuka kao metode intenzifikacije procesi kemijske tehnologije
• 3. Korištenje ultrazvuka kao načina intenziviranja kemijskih procesa
• Zaključak
• Uvod
• Dvadeset i prvo stoljeće je stoljeće bio- i nanotehnologija, univerzalne informatizacije, elektronike, infrazvuka i ultrazvuka. Ultrazvuk i infrazvuk su valno propagirajuće oscilatorno gibanje čestica medija i karakterizirani su nizom razlikovna obilježja u usporedbi s čujnim rasponom. U ultrazvučnom frekvencijskom području relativno je lako dobiti usmjereno zračenje; ultrazvučne vibracije dobro se fokusiraju, zbog čega se povećava intenzitet ultrazvučnih vibracija u određenim zonama utjecaja. Kada se razmnožava u plinovima, tekućinama i čvrste tvari ah, zvučne vibracije dovode do jedinstvenih fenomena, od kojih su mnogi pronađeni praktičnu upotrebu u raznim područjima znanosti i tehnologije pojavili su se deseci visoko učinkovitih zvučnih tehnologija koje štede resurse. U posljednjih godina uporaba zvučnih vibracija počinje igrati sve veću ulogu u industriji i znanstveno istraživanje. Teorijska i eksperimentalna istraživanja u području ultrazvučna kavitacija i akustičnih strujanja, što je omogućilo razvoj novih tehnoloških procesa koji se odvijaju pod utjecajem ultrazvuka u tekućoj fazi.
• Trenutačno se formira novi smjer u kemiji - zvučna kemija, koja omogućuje ubrzanje mnogih kemijsko-tehnoloških procesa i dobivanje novih tvari, uz teorijska i eksperimentalna istraživanja u području zvučno-kemijskih reakcija, mnogo je istraženo. učinjeno. praktični rad. Razvoj i primjena zvučnih tehnologija trenutno otvara nove perspektive u stvaranju novih tvari i materijala, u davanju novih svojstava poznatim materijalima i medijima, te stoga zahtijeva razumijevanje pojava i procesa koji se odvijaju pod djelovanjem ultrazvuka i infrazvuka, mogućnosti novih tehnologija i perspektive njihove primjene.
• 1. Pojam zvuka. zvučni valovi

Zvuk -- fizički fenomen, što je širenje mehaničkih vibracija u obliku elastičnih valova u čvrstom, tekućem ili plinovitom mediju. U užem smislu, zvuk se odnosi na te vibracije, razmatrane u vezi s načinom na koji ih percipiraju osjetilni organi životinja i ljudi.

Kao i svaki val, zvuk karakterizira amplituda i frekvencijski spektar. Obična osoba sposobni čuti zvučne vibracije u frekvencijskom rasponu od 16-20 Hz do 15-20 kHz. Zvuk ispod raspona ljudskog sluha naziva se infrazvuk; više: do 1 GHz - ultrazvukom, od 1 GHz - hiperzvukom. Glasnoća zvuka na složen način ovisi o efektivnom zvučnom tlaku, frekvenciji i načinu vibracije, a visina zvuka ne ovisi samo o frekvenciji, već i o veličini zvučnog tlaka.

Zvučni valovi u zraku izmjenična su područja kompresije i razrjeđivanja. Zvučni valovi mogu poslužiti kao primjer oscilatornog procesa. Svaka fluktuacija povezana je s kršenjem ravnotežnog stanja sustava i izražava se u odstupanju njegovih karakteristika od ravnotežnih vrijednosti s naknadnim povratkom na izvornu vrijednost. Za zvučne vibracije takva je karakteristika tlak u točki medija, a njegovo odstupanje je zvučni tlak.

Ako napravite oštar pomak čestica elastičnog medija na jednom mjestu, na primjer, pomoću klipa, tada će se pritisak povećati na ovom mjestu. Zbog elastičnih veza čestica, pritisak se prenosi na susjedne čestice, koje pak djeluju na sljedeće, a površina visoki krvni tlak kao da se kreće u elastičnom mediju. Područje visokog tlaka praćeno je područjem niskog tlaka i tako nastaje niz izmjeničnih područja kompresije i razrijeđenosti koja se u mediju šire u obliku vala. Svaka će čestica elastičnog medija u tom slučaju oscilirati.

Slika 1 - Gibanje čestica tijekom širenja vala a) gibanje čestica medija tijekom širenja uzdužnog vala; b) kretanje čestica medija tijekom širenja transverzalnog vala.

Slika 2 - Karakteristike oscilatornog procesa

U tekućim i plinovitim medijima, gdje nema značajnih fluktuacija gustoće, akustični valovi su longitudinalne prirode, odnosno smjer titranja čestica poklapa se sa smjerom gibanja valova. U čvrstim tijelima, osim uzdužnih, nastaju i elastične posmične deformacije koje uzrokuju pobudu transverzalnih (posmičnih) valova; u tom slučaju čestice osciliraju okomito na smjer širenja vala. Brzina širenja longitudinalnih valova mnogo je veća od brzine širenja posmičnih valova.

1.1 Područje proučavanja zvučnih učinaka na kemijske procese

Grana kemije koja proučava interakciju snažnih akustičnih valova i rezultirajuće kemijske i fizikalno-kemijske učinke naziva se sonokemija (sonokemija). Sonokemija istražuje kinetiku i mehanizam sonokemijskih reakcija koje se odvijaju u volumenu zvučnog polja. Područje zvučne kemije uključuje i neke fizikalne i kemijske procese u zvučnom polju: sonoluminiscenciju, disperziju tvari pod djelovanjem zvuka, emulgiranje i druge koloidne kemijske procese. Sonoluminiscencija je fenomen pojave bljeska svjetlosti tijekom kolapsa kavitacijskih mjehurića koje u tekućini stvara snažan ultrazvučni val. Tipično iskustvo za promatranje sonoluminiscencije je sljedeće: rezonator se stavi u posudu s vodom iu njemu se stvara stojeći sferni ultrazvučni val. S dovoljnom snagom ultrazvuka, svijetli točkasti izvor plavičastog svjetla pojavljuje se u samom središtu spremnika - zvuk se pretvara u svjetlost. Sonokemija glavnu pozornost posvećuje proučavanju kemijskih reakcija koje se odvijaju pod djelovanjem akustičnih vibracija - sonokemijske reakcije.

U pravilu se proučavaju zvučno-kemijski procesi u ultrazvučnom području (od 20 kHz do nekoliko MHz). Zvučne vibracije u području kiloherca i infrazvučnom području proučavaju se znatno rjeđe.

Kemija zvuka istražuje procese kavitacije. Kavitacija (od latinskog cavita - praznina) je proces isparavanja i naknadne kondenzacije mjehurića pare u struji tekućine, praćen bukom i hidrauličkim udarima, stvaranjem šupljina u tekućini (kavitacijski mjehurići ili kaverne) ispunjenih parom sama tekućina u kojoj se pojavljuje. Kavitacija nastaje kao rezultat lokalnog smanjenja tlaka u tekućini, što se može dogoditi ili povećanjem njezine brzine (hidrodinamička kavitacija), ili prolaskom akustičnog vala visokog intenziteta tijekom poluciklusa razrjeđivanja (akustična kavitacija). ), postoje i drugi razlozi za učinak. Kretanje s protokom prema području s više visokotlačni ili tijekom poluciklusa kompresije, kavitacijski mjehurić kolabira, emitirajući pritom udarni val.

1.2 Ispravne kemijske metode

Za proučavanje zvučno-kemijskih reakcija koriste se sljedeće metode: inverzni piezoelektrični efekt i magnetostrikcijski efekt za generiranje visokofrekventnih zvučnih vibracija u tekućini, analitička kemija za proučavanje produkata zvučno-kemijskih reakcija, inverzni piezoelektrični efekt - pojava mehaničkih deformacija pod utjecajem električnog polja (koriste se u mehaničkim gibanjima – aktivatori).

Magnetostrimcija je pojava koja se sastoji u tome da se pri promjeni stanja magnetizacije tijela mijenjaju njegov volumen i linearne dimenzije (služe za generiranje ultrazvuka i hiperzvuka).

Infrazvuk -- zvučni valovi imaju frekvenciju ispod percipirane ljudsko uho. Budući da ljudsko uho obično može čuti zvukove u frekvencijskom rasponu od 16-20 "000 Hz, 16 Hz se obično uzima kao gornja granica frekvencijskog raspona infrazvuka. Donja granica raspona infrazvuka uvjetno je definirana kao 0,001 Hz .

Infrazvuk ima niz značajki povezanih s niskom frekvencijom oscilacija elastičnog medija: ima mnogo veće amplitude oscilacija; širi se mnogo dalje u zraku, jer je njegova apsorpcija u atmosferi zanemariva; pokazuje fenomen difrakcije, zbog čega lako prodire u prostorije i obilazi prepreke koje usporavaju zvučne zvukove; uzrokuje vibriranje velikih predmeta zbog rezonancije.

val ultrazvuk chemical cavitation

2. Korištenje infrazvuka kao načina intenziviranja kemijsko-tehnoloških procesa

Fizički utjecaj na kemijske reakcije u ovom slučaju provodi se u infrazvučnim uređajima,- uređaji u kojima se za pojačavanje tehnološki procesi u tekućim medijima koriste se niskofrekventne akustične oscilacije (zapravo infra frekvencija zvuka do 20 Hz, frekvencija zvuka do 100 Hz). Oscilacije se stvaraju izravno u obrađenom mediju uz pomoć fleksibilnih emitera različitih konfiguracija i oblika ili krutih metalnih klipova povezanih sa stijenkama tehnoloških spremnika pomoću elastičnih elemenata (npr. gume). To omogućuje oslobađanje stijenki infrazvučnog aparata od vibracija izvora, značajno smanjuje njihovu vibraciju i razinu buke u industrijski prostori. U infrazvučnim uređajima pobuđuju se oscilacije velikih amplituda (od jedinica do desetaka mm).

Međutim, niska apsorpcija infrazvuka od strane radnog medija i mogućnost njegovog usklađivanja s emiterom oscilacija (odabir odgovarajućih parametara izvora) i veličina aparata (za obradu zadanih volumena tekućine) omogućuju produljenje ne -linearni valni efekti koji nastaju pod utjecajem infrazvuka na velike tehnološke količine. Zbog toga se infrazvučni uređaji bitno razlikuju od ultrazvučnih, u kojima se tekućine obrađuju u malom volumenu.

U infrazvučnim uređajima implementirano je sljedeće: fizički učinci(jedan ili više istovremeno): kavitacija, izmjenični i radijacijski (zvučno zračenje) tlakovi velike amplitude, izmjenični tokovi fluida, akustična strujanja (sonični vjetar), rasplinjavanje tekućine i stvaranje mnoštva plinskih mjehurića i njihovih ravnotežnih slojeva u njoj, fazni pomak oscilacija između suspendiranih čestica i tekućine. Ovi učinci značajno ubrzavaju redoks, elektrokemijske i druge reakcije, intenziviraju 2-4 puta industrijske procese miješanja, filtriranja, otapanja i dispergiranja čvrstih materijala u tekućinama, odvajanja, klasificiranja i dehidriranja suspenzija, kao i čišćenja dijelova i mehanizama itd. .

Korištenje infrazvuka omogućuje nekoliko puta smanjenje specifične potrošnje energije i metala dimenzije uređaja, kao i procesne tekućine izravno u struji dok se transportiraju kroz cjevovode, što eliminira ugradnju miješalica i drugih uređaja.

Slika 3 - Infrazvučni aparat za miješanje suspenzija: 1 - membranski emiter vibracija; 2 - modulator komprimiranog zraka; 3 - uređaj za pokretanje; 4 - kompresor

Jedna od najčešćih primjena infrazvuka je miješanje suspenzija pomoću, na primjer, cijevnih infrazvučnih aparata. Takav se stroj sastoji od jednog ili više serijski povezanih hidropneumatskih emitera i uređaja za punjenje.

3. Primjena ultrazvuka u intenzifikaciji kemijskih procesa

Ultrazvuk mikroni - zvučni valovi koji imaju frekvenciju višu od one koju percipira ljudsko uho, obično se pod ultrazvukom podrazumijevaju frekvencije iznad 20 000 Hertza. Visokofrekventne vibracije koje se koriste u industriji obično se stvaraju pomoću piezokeramičkih pretvarača. U slučajevima kada je snaga ultrazvučnih vibracija od primarne važnosti, koriste se mehanički izvori ultrazvuka.

Utjecaj ultrazvuka na kemijske i fizikalno-kemijske procese koji se odvijaju u tekućini uključuje: pokretanje nekih kemijskih reakcija, promjenu brzine, a ponekad i smjera reakcija, pojavu sjaja tekućine (sonoluminiscencija), stvaranje udarnih valova u tekućini. , emulgiranje tekućina koje se ne miješaju i koalescencija čestica unutar pokretnog medija ili na površini tijela) emulzije, disperzija (fino mljevenje krutina ili tekućina) krutina i koagulacija (spajanje malih raspršenih čestica u veće agregate) krutih čestica u tekućini , otplinjavanje tekućine itd. Za izvođenje tehnoloških procesa koriste se ultrazvučni uređaji.

Utjecaj ultrazvuka na različite procese povezuje se s kavitacijom (stvaranjem u tekućini tijekom prolaska akustičnog vala šupljina (kavitacijskih mjehurića) ispunjenih plinom, parom ili njihovom mješavinom).

Kemijske reakcije koje se odvijaju u tekućini pod djelovanjem ultrazvuka (zvučno-kemijske reakcije) mogu se podijeliti na: a) redoks reakcije koje se odvijaju u vodenim otopinama između otopljenih tvari i produkata razgradnje molekula vode unutar kavitacijskog mjehurića (H, OH,) , na primjer:

b) Reakcije između otopljenih plinova i tvari s visokim tlakom pare unutar kavitacijskog mjehurića:

c) Lančane reakcije koje ne pokreću radikalni produkti razgradnje vode, već neka druga tvar koja disocira u kavitacijskom mjehuru, na primjer, izomerizacija maleinske kiseline u fumarnu kiselinu pod djelovanjem Br nastalog kao rezultat sonokemijske disocijacije.

d) Reakcije koje uključuju makromolekule. Za te reakcije nije važna samo kavitacija i s njom povezani udarni valovi i kumulativni mlazevi, nego također mehaničke sile cijepanje molekula. Rezultirajući makroradikali u prisutnosti monomera sposobni su inicirati polimerizaciju.

e) Pokretanje eksplozije u tekućim i krutim eksplozivima.

f) Reakcije u tekućim nevodenim sustavima, na primjer, piroliza i oksidacija ugljikovodika, oksidacija aldehida i alkohola, alkilacija aromatskih spojeva itd.

Glavna energetska karakteristika sonokemijskih reakcija je energetski prinos, koji se izražava brojem molekula produkta nastalih uz cijenu od 100 eV apsorbirane energije. Energetski prinos proizvoda redoks reakcija obično ne prelazi nekoliko jedinica, a za lančane reakcije doseže nekoliko tisuća.

Pod djelovanjem ultrazvuka u mnogim reakcijama moguće je višestruko povećati brzinu (na primjer, u reakcijama hidrogenacije, izomerizacije, oksidacije itd.), ponekad se istodobno povećava i prinos.

Važno je uzeti u obzir utjecaj ultrazvuka u razvoju i provedbi različitih tehnoloških procesa (primjerice, pri izlaganju vodi, u kojoj je otopljen zrak, nastaju dušikovi oksidi i oksidi), kako bi se razumjeli procesi koji prate apsorpcija zvuka u medijima.

Zaključak

Trenutačno se zvučne vibracije naširoko koriste u industriji, budući da su obećavajući tehnološki čimbenik koji omogućuje, ako je potrebno, oštro intenziviranje proizvodnih procesa.

Primjena snažnog ultrazvuka u tehnološkim procesima proizvodnje i obrade materijala i tvari omogućuje:

Smanjite troškove procesa ili proizvoda,

Dobiti nove proizvode ili poboljšati kvalitetu postojećih,

Intenzivirati tradicionalne tehnološke procese ili poticati uvođenje novih,

Doprinijeti poboljšanju stanja okoliša smanjenjem agresivnosti procesnih tekućina.

Međutim, treba napomenuti da ultrazvuk ima izrazito nepovoljan učinak na žive organizme. Kako bi se smanjili takvi utjecaji, preporučuje se postavljanje ultrazvučnih instalacija u posebne prostorije, koristeći sustave za vođenje tehnoloških procesa na njima. daljinski upravljač. Automatizacija ovih instalacija ima veliki učinak.

Ekonomičniji način zaštite od utjecaja ultrazvuka je uporaba zvučno izoliranih kućišta koja zatvaraju ultrazvučne instalacije, odnosno zaslona koji se nalaze na putu ultrazvuka. Ovi zasloni izrađeni su od čeličnog lima ili duraluminija, plastike ili posebne gume.

Popis korištenih izvora

1. Margulis M.A. Osnove kemije zvuka (kemijske reakcije u akustičkim poljima); udžbenik dodatak za kem. i kemijski tehnolog. Specijalnosti sveučilišta / M.A. Margulis. M.: Viša škola, 1984. 272 ​​​​str.

2. Šušlik K.S. Ultrazvuk. Njegovi kemijski, fizički i biološki učinci. Izd.: VCH, N. Y., 336 str.

3. Kardashev G.A. Fizikalne metode intenzifikacija procesa kemijske tehnologije. Moskva: Kemija, 1990, 208 str.

5. Luminescencija

6. Ultrazvuk

Domaćin na Allbest.ru

Slični dokumenti

Procesi kemijske tehnologije. Izrada sheme kemijsko-tehnološkog procesa. Kriteriji optimizacije. Topološka metoda i HTS. Pojmovi i definicije teorije grafova. Parametri tehnološkog načina rada CTS elemenata. Proučavanje stohastičkih procesa.

predavanje, dodano 18.02.2009


Teorija kemijskih procesa organske sinteze. Rješenje: kada se benzen alkilira propilenom u prisutnosti bilo kojeg katalizatora, dolazi do sukcesivne supstitucije atoma vodika uz stvaranje smjese proizvoda različitim stupnjevima alkilacija.

seminarski rad, dodan 01.04.2009


organska sinteza kao dio kemije, predmet i metode njegova proučavanja. Bit procesa alkilacije i acilacije, karakteristične reakcije i principi toka. Opis reakcija kondenzacije. Osobine, značaj nitracije, reakcije halogeniranja.

predavanje, dodano 28.12.2009


Faze proučavanja procesa gorenja i eksplozije. Glavne vrste eksplozija, njihova klasifikacija prema vrsti kemijske reakcije i gustoći tvari. Reakcije razgradnje, redoks, polimerizacija, izomerizacija i kondenzacija, smjese u osnovi eksplozija.

sažetak, dodan 06.06.2011


Industrijska obrada vode. Skup operacija koje osiguravaju pročišćavanje vode. Homogeni i heterogeni nekatalitički procesi u tekućoj i plinovitoj fazi, njihove zakonitosti i metode intenzifikacije. Usporedba različitih vrsta kemijskih reaktora.

predavanje, dodano 29.03.2009


Metode dobivanja bojila. Dobivanje natrijeva sulfanilata sintezom. Karakteristike sirovine i dobivenog proizvoda. Proračun kemijsko-tehnoloških procesa i opreme. Matematički opis kemijska metoda dobivanje natrijeva sulfonata.

diplomski rad, dodan 21.10.2013


Pojam i proračun brzine kemijskih reakcija, njegov znanstveni i praktični značaj i primjena. Formulacija zakona djelovanja mase. Čimbenici koji utječu na brzinu kemijskih reakcija. Primjeri reakcija koje se odvijaju u homogenim i heterogenim sustavima.

prezentacija, dodano 30.04.2012


Pojam i uvjeti odvijanja kemijskih reakcija. Karakterizacija reakcija spajanja, razgradnje, supstitucije, izmjene i njihova primjena u industriji. Redoks reakcije u srcu metalurgije, bit valencije, vrste transesterifikacije.

sažetak, dodan 27.01.2012


Vrijednost vode za kemijska industrija. Priprema vode za proizvodni procesi. Katalitički procesi, njihova klasifikacija. Utjecaj katalizatora na brzinu kemijsko-tehnoloških procesa. Materijalna bilanca peći za spaljivanje sumpora.

test, dodan 18.01.2014


Mehanizmi utjecaja ultrazvuka na kemijske reakcije. Obračunavanje u razvoju i provedbi tehnoloških procesa. Tehnologije ostvarene uz pomoć ultrazvuka. Precizno čišćenje i odmašćivanje. Otplinjavanje talina i zavarivanje polimera i metala.

DEFINICIJA

Kemijska reakcija zove se transformacija tvari pri kojoj dolazi do promjene njihova sastava i (ili) strukture.

Najčešće se pod kemijskim reakcijama podrazumijevaju procesi pretvorbe početnih tvari (reagensa) u konačne tvari (produkte).

Kemijske reakcije zapisuju se pomoću kemijskih jednadžbi koje sadrže formule početnih materijala i produkata reakcije. Prema zakonu održanja mase, broj atoma svakog elementa u lijevom i desni dijelovi kemijska jednadžba je ista. Obično se na lijevoj strani jednadžbe pišu formule polaznih tvari, a na desnoj formule produkata. Jednakost broja atoma svakog elementa u lijevom i desnom dijelu jednadžbe postiže se stavljanjem cjelobrojnih stehiometrijskih koeficijenata ispred formula tvari.

Kemijske jednadžbe mogu sadržavati dodatne informacije o značajkama reakcije: temperatura, tlak, zračenje itd., što je označeno odgovarajućim simbolom iznad (ili "ispod") znaka jednakosti.

Sve kemijske reakcije mogu se grupirati u nekoliko klasa, koje imaju određene karakteristike.

Podjela kemijskih reakcija prema broju i sastavu početnih i nastalih tvari

Prema ovoj klasifikaciji kemijske reakcije dijele se na reakcije kombinacije, razgradnje, supstitucije, izmjene.

Kao rezultat reakcije spojeva od dvije ili više (složenih ili jednostavnih) tvari nastaje jedna nova tvar. U opći pogled Jednadžba za takvu kemijsku reakciju izgledat će ovako:

Na primjer:

CaCO 3 + CO 2 + H 2 O \u003d Ca (HCO 3) 2

SO 3 + H 2 O \u003d H 2 SO 4

2Mg + O 2 \u003d 2MgO.

2FeCl 2 + Cl 2 = 2FeCl 3

Reakcije kombinacija su u većini slučajeva egzotermne, tj. protok uz oslobađanje topline. Ako reakcija uključuje jednostavne tvari, onda su takve reakcije najčešće redoks (ORD), tj. nastaju s promjenom oksidacijskih stanja elemenata. Nemoguće je jednoznačno reći može li se reakcija spoja između složenih tvari pripisati OVR-u.

Reakcije u kojima iz jedne složene tvari nastaje nekoliko drugih novih tvari (složenih ili jednostavnih) klasificiraju se kao reakcije razgradnje. Općenito, jednadžba za reakciju kemijske razgradnje izgledat će ovako:

Na primjer:

CaCO 3 CaO + CO 2 (1)

2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2 (2)

CuSO 4 × 5H 2 O \u003d CuSO 4 + 5H 2 O (3)

Cu (OH) 2 \u003d CuO + H 2 O (4)

H 2 SiO 3 \u003d SiO 2 + H 2 O (5)

2SO 3 \u003d 2SO 2 + O 2 (6)

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 \u003d Cr 2 O 3 + N 2 + 4H 2 O (7)

Većina reakcija razgradnje odvija se zagrijavanjem (1,4,5). Moguća je razgradnja električnom strujom (2). Razgradnja kristalnih hidrata, kiselina, baza i soli kiselina koje sadrže kisik (1, 3, 4, 5, 7) odvija se bez promjene oksidacijskih stanja elemenata, tj. te se reakcije ne odnose na OVR. OVR reakcije razgradnje uključuju razgradnju oksida, kiselina i soli koje tvore elementi u više stupnjeve oksidacija (6).

Reakcije razgradnje također se nalaze u organskoj kemiji, ali pod drugim nazivima - krekiranje (8), dehidrogenacija (9):

C 18 H 38 \u003d C 9 H 18 + C 9 H 20 (8)

C 4 H 10 \u003d C 4 H 6 + 2H 2 (9)

Na supstitucijske reakcije jednostavna tvar međudjeluje sa složenom, tvoreći novu jednostavnu i novu složenu tvar. Općenito, jednadžba za reakciju kemijske supstitucije izgledat će ovako:

Na primjer:

2Al + Fe 2 O 3 \u003d 2Fe + Al 2 O 3 (1)

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 (2)

2KBr + Cl 2 \u003d 2KCl + Br 2 (3)

2KSlO 3 + l 2 = 2KlO 3 + Cl 2 (4)

CaCO 3 + SiO 2 \u003d CaSiO 3 + CO 2 (5)

Ca 3 (RO 4) 2 + ZSiO 2 = ZCaSiO 3 + P 2 O 5 (6)

CH 4 + Cl 2 = CH 3 Cl + Hcl (7)

Reakcije supstitucije uglavnom su redoks reakcije (1 - 4, 7). Malo je primjera reakcija razgradnje u kojima nema promjene oksidacijskih stanja (5, 6).

Reakcije razmjene nazivaju se reakcije koje se događaju između složenih tvari, u kojima one izmjenjuju svoje sastavni dijelovi. Obično se ovaj izraz koristi za reakcije koje uključuju ione koji se nalaze u Vodena otopina. Općenito, jednadžba za reakciju kemijske izmjene izgledat će ovako:

AB + CD = AD + CB

Na primjer:

CuO + 2HCl \u003d CuCl 2 + H 2 O (1)

NaOH + HCl \u003d NaCl + H 2 O (2)

NaHCO 3 + HCl \u003d NaCl + H 2 O + CO 2 (3)

AgNO 3 + KBr = AgBr ↓ + KNO 3 (4)

CrCl 3 + ZNaOH = Cr(OH) 3 ↓+ ZNaCl (5)

Reakcije izmjene nisu redoks. poseban slučaj te reakcije izmjene su reakcije neutralizacije (reakcije interakcije kiselina s lužinama) (2). Reakcije izmjene odvijaju se u smjeru gdje se barem jedna od tvari uklanja iz reakcijske sfere u obliku plinovite tvari (3), taloga (4, 5) ili slabo disocirajućeg spoja, najčešće vode (1, 2).

Klasifikacija kemijskih reakcija prema promjenama oksidacijskih stanja

Ovisno o promjeni oksidacijskih stanja elemenata koji čine reaktante i produkte reakcije, sve kemijske reakcije dijele se na redoks (1, 2) i one koje se odvijaju bez promjene oksidacijskog stanja (3, 4).

2Mg + CO 2 \u003d 2MgO + C (1)

Mg 0 - 2e \u003d Mg 2+ (reducent)

C 4+ + 4e \u003d C 0 (oksidacijsko sredstvo)

FeS 2 + 8HNO 3 (konc) = Fe(NO 3) 3 + 5NO + 2H 2 SO 4 + 2H 2 O (2)

Fe 2+ -e \u003d Fe 3+ (reducent)

N 5+ + 3e \u003d N 2+ (oksidacijsko sredstvo)

AgNO 3 + HCl \u003d AgCl ↓ + HNO 3 (3)

Ca(OH) 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 ↓ + H 2 O (4)

Klasifikacija kemijskih reakcija prema toplinskom učinku

Ovisno o tome oslobađa li se toplina (energija) tijekom reakcije ili apsorbira, sve kemijske reakcije uvjetno se dijele na egzo - (1, 2) i endotermne (3). Količina topline (energije) oslobođena ili apsorbirana tijekom reakcije naziva se toplina reakcije. Ako jednadžba pokazuje količinu oslobođene ili apsorbirane topline, onda se takve jednadžbe nazivaju termokemijskim.

N 2 + 3H 2 = 2NH 3 +46,2 kJ (1)

2Mg + O 2 \u003d 2MgO + 602,5 kJ (2)

N 2 + O 2 \u003d 2NO - 90,4 kJ (3)

Podjela kemijskih reakcija prema smjeru reakcije

Prema smjeru reakcije razlikuju se reverzibilne (kemijski procesi čiji produkti mogu međusobno reagirati pod istim uvjetima u kojima nastaju, pri čemu nastaju polazne tvari) i ireverzibilne (kemijski procesi čiji produkti ne mogu međusobno reagirati uz stvaranje polaznih tvari).

Za reverzibilne reakcije, jednadžba se u općem obliku obično piše na sljedeći način:

A + B ↔ AB

Na primjer:

CH 3 COOH + C 2 H 5 OH ↔ H 3 COOS 2 H 5 + H 2 O

Primjeri ireverzibilnih reakcija su sljedeće reakcije:

2KSlO 3 → 2KSl + ZO 2

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6CO 2 + 6 H 2 O

Dokaz o nepovratnosti reakcije mogu poslužiti kao produkti reakcije plinovite tvari, talog ili slabo disocirajući spoj, najčešće voda.

Klasifikacija kemijskih reakcija prema prisutnosti katalizatora

S tog gledišta razlikuju se katalitičke i nekatalitičke reakcije.

Katalizator je tvar koja ubrzava kemijsku reakciju. Reakcije u kojima sudjeluju katalizatori nazivaju se katalitičke. Neke reakcije općenito su nemoguće bez prisutnosti katalizatora:

2H 2 O 2 \u003d 2H 2 O + O 2 (MnO 2 katalizator)

Često jedan od produkata reakcije služi kao katalizator koji ubrzava tu reakciju (autokatalitičke reakcije):

MeO + 2HF \u003d MeF 2 + H 2 O, gdje je Me metal.

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

Tijekom kemijskih reakcija, druge tvari se dobivaju iz jedne tvari (ne brkati s nuklearnim reakcijama, u kojima se kemijski element pretvara u drugu).

Svaka kemijska reakcija opisana je kemijskom jednadžbom:

Reagensi → Reakcijski produkti

Strelica pokazuje smjer reakcije.

Na primjer:

U ovoj reakciji metan (CH 4) reagira s kisikom (O 2) pri čemu nastaju ugljikov dioksid (CO 2) i voda (H 2 O), odnosno vodena para. Upravo se takva reakcija događa u vašoj kuhinji kada upalite plinski plamenik. Jednadžbu treba čitati ovako: jedna molekula plinovitog metana reagira s dvije molekule plinovitog kisika, što rezultira jednom molekulom ugljičnog dioksida i dvije molekule vode (pare).

Brojevi ispred komponenata kemijske reakcije nazivaju se koeficijenti reakcije.

Kemijske reakcije su endotermički(s apsorpcijom energije) i egzotermna(s oslobađanjem energije). Izgaranje metana je tipičan primjer egzotermne reakcije.

Postoji nekoliko vrsta kemijskih reakcija. Najčešći:

• reakcije spojeva;
• reakcije razgradnje;
• pojedinačne supstitucijske reakcije;
• dvostruke supstitucijske reakcije;
• reakcije oksidacije;
• redoks reakcije.

Reakcije veze

U reakciji spoja, najmanje dva elementa tvore jedan produkt:

2Na (t) + Cl 2 (g) → 2NaCl (t)- stvaranje soli.

Treba obratiti pozornost na bitnu nijansu reakcija spoja: ovisno o uvjetima reakcije ili omjerima reagensa uključenih u reakciju, njezin rezultat može biti različite proizvode. Na primjer, u normalnim uvjetima izgaranja ugljena, ispada ugljični dioksid:
C (t) + O 2 (g) → CO 2 (g)

Ako nema dovoljno kisika, tada nastaje smrtonosni ugljikov monoksid:
2C (t) + O 2 (g) → 2CO (g)

Reakcije razgradnje

Ove reakcije su, takoreći, u biti suprotne reakcijama spoja. Kao rezultat reakcije razgradnje tvar se raspada na dva (3, 4...) jednostavnija elementa (spoja):

• 2H 2 O (g) → 2H 2 (g) + O 2 (g)- razgradnja vode
• 2H 2 O 2 (g) → 2H 2 (g) O + O 2 (g)- razgradnja vodikovog peroksida

Reakcije pojedinačne supstitucije

Kao rezultat pojedinačnih reakcija supstitucije, aktivniji element zamjenjuje manje aktivni element u spoju:

Zn (t) + CuSO 4 (otopina) → ZnSO 4 (otopina) + Cu (t)

Cink u otopini bakrenog sulfata istiskuje manje aktivni bakar, što rezultira otopinom cinkovog sulfata.

Stupanj aktivnosti metala u rastućem redoslijedu aktivnosti:

• Najaktivniji su alkalijski i zemnoalkalijski metali.

Ionska jednadžba za gornju reakciju bit će:

Zn (t) + Cu 2+ + SO 4 2- → Zn 2+ + SO 4 2- + Cu (t)

Ionska veza CuSO 4, kada se otopi u vodi, raspada se na kation bakra (naboj 2+) i anion sulfat (naboj 2-). Kao rezultat reakcije supstitucije nastaje kation cinka (koji ima isti naboj kao i kation bakra: 2-). Imajte na umu da je sulfatni anion prisutan na obje strane jednadžbe, tj., po svim pravilima matematike, može se reducirati. Rezultat je ionsko-molekularna jednadžba:

Zn (t) + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu (t)

Reakcije dvostruke supstitucije

U reakcijama dvostruke supstitucije dva elektrona su već zamijenjena. Takve se reakcije također nazivaju reakcije razmjene. Ove se reakcije odvijaju u otopini i nastaju:

• netopljiv čvrsta(reakcije taloženja);
• vode (reakcije neutralizacije).

Reakcije taloženja

Pri miješanju otopine srebrnog nitrata (soli) s otopinom natrijeva klorida nastaje srebrni klorid:

Molekularna jednadžba: KCl (otopina) + AgNO 3 (p-p) → AgCl (t) + KNO 3 (p-p)

Ionska jednadžba: K + + Cl - + Ag + + NO 3 - → AgCl (t) + K + + NO 3 -

Molekularno-ionska jednadžba: Cl - + Ag + → AgCl (t)

Ako je spoj topiv, bit će u otopini u ionskom obliku. Ako je spoj netopljiv, istaložit će se, stvarajući krutinu.

Reakcije neutralizacije

To su reakcije između kiselina i baza, pri čemu nastaju molekule vode.

Na primjer, reakcija miješanja otopine sumporne kiseline i otopine natrijevog hidroksida (lužine):

Molekularna jednadžba: H 2 SO 4 (p-p) + 2NaOH (p-p) → Na 2 SO 4 (p-p) + 2H 2 O (l)

Ionska jednadžba: 2H + + SO 4 2- + 2Na + + 2OH - → 2Na + + SO 4 2- + 2H 2 O (l)

Molekularno-ionska jednadžba: 2H + + 2OH - → 2H 2 O (g) ili H + + OH - → H 2 O (g)

Reakcije oksidacije

To su reakcije međudjelovanja tvari s plinovitim kisikom u zraku, pri čemu se u pravilu veliki broj energije u obliku topline i svjetlosti. Tipična reakcija oksidacije je izgaranje. Na samom početku ove stranice dana je reakcija interakcije metana s kisikom:

CH 4 (g) + 2O 2 (g) → CO 2 (g) + 2H 2 O (g)

Metan se odnosi na ugljikovodike (spojeve ugljika i vodika). Kada ugljikovodik reagira s kisikom, oslobađa se mnogo toplinske energije.

Redoks reakcije

To su reakcije u kojima dolazi do izmjene elektrona između atoma reaktanata. Gore spomenute reakcije su također redoks reakcije:

• 2Na + Cl 2 → 2NaCl - reakcija spoja
• CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O - reakcija oksidacije
• Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu - reakcija jednostruke supstitucije

Najdetaljnije redoks reakcije s velikim brojem primjera rješavanja jednadžbi metodom elektronske ravnoteže i metodom polureakcije opisane su u odjeljku

Oslobađanje zvuka u kemijskim reakcijama najčešće se opaža tijekom eksplozija, kada naglo povećanje temperature i tlaka uzrokuje vibracije u zraku. Ali možete i bez eksplozija. Ako na sodu bikarbonu ulijete malo octa, čuje se šištanje i oslobađa se ugljični dioksid: NaHCO3 + CH3COOH \u003d CH3COONa + H2O + CO2. Jasno je da se u vakuumu neće čuti ni ova reakcija ni eksplozija.

Drugi primjer: ako se malo teške koncentrirane sumporne kiseline izlije na dno staklenog cilindra, zatim se sloj laganog alkohola izlije na vrh, a zatim se kristali kalijevog permanganata (kalijevog permanganata) postave na granicu između dvije tekućine, a čuti će se prilično glasno pucketanje, au mraku su vidljive svijetle iskre. A evo i vrlo zanimljivog primjera "zvučne kemije".

Svi su čuli kako zuji plamen u peći.

Zujanje se također čuje ako se vodik koji izlazi iz cijevi zapali i kraj cijevi spusti u posudu stožastog ili sferičnog oblika. Ova pojava je nazvana pjevajući plamen.

Poznata je i suprotna pojava - djelovanje zvuka zviždaljke na plamen. Plamen može, takoreći, "osjetiti" zvuk, pratiti promjene u njegovom intenzitetu, stvoriti svojevrsnu "svjetlosnu kopiju" zvučnih vibracija.

Dakle, sve je na svijetu međusobno povezano, uključujući i tako naizgled daleke znanosti poput kemije i akustike.

Razmotrite posljednji od gore navedenih znakova kemijskih reakcija - taloženje taloga iz otopine.

U Svakidašnjica takve reakcije su rijetke. Neki vrtlari znaju da ako pripremite takozvanu bordošku tekućinu za suzbijanje štetočina (nazvanu po gradu Bordeauxu u Francuskoj, gdje su njom prskani vinogradi) i za to pomiješate otopinu bakrenog sulfata s vapnenim mlijekom, tada će se pojaviti talog. formirat će se.

Sada rijetko tko priprema bordošku tekućinu, ali svatko je vidio kamenac u kotliću. Ispostavilo se da je i to talog koji se taloži tijekom kemijske reakcije!

Ova reakcija je ovakva. U vodi ima nešto topljivog kalcijevog bikarbonata Ca(HCO3)2. Ova tvar nastaje kada podzemna voda, u kojoj je otopljen ugljični dioksid, prodire kroz vapnenačko kamenje.

U ovom slučaju dolazi do reakcije otapanja kalcijevog karbonata (od njega se sastoji vapnenac, kreda, mramor): CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3) 2. Ako sada voda ispari iz otopine, tada reakcija počinje ići u suprotnom smjeru.

Voda može ispariti kada se otopina kalcijevog bikarbonata skupi kap po kap na stropu podzemne špilje i te kapljice povremeno padnu.

Tako nastaju stalaktiti i stalagmiti. Povratne informacije nastaje kada se otopina zagrijava.

Tako nastaje kamenac u kuhalu za vodu.

I što je više bikarbonata bilo u vodi (tada se voda naziva tvrdom), to se više kamenca stvara. A nečistoće željeza i mangana čine kamenac ne bijelim, već žutim ili čak smeđim.

Lako je provjeriti da je kamenac doista karbonatan. Da biste to učinili, morate djelovati na njega s octom - otopinom octene kiseline.

Kao rezultat reakcije CaCO3 + 2CH3COOH = (CH3COO)2Ca + + H2O + CO2 oslobodit će se mjehurići ugljičnog dioksida, a kamenac će se početi otapati.

Navedeni znakovi (ponavljamo ih još jednom: oslobađanje svjetla, topline, plina, taloga) ne dopuštaju uvijek reći da se reakcija stvarno odvija.

Na primjer, na vrlo visoka temperatura kalcijev karbonat CaCO3 (kreda, vapnenac, mramor) se razgrađuje i nastaju kalcijev oksid i ugljikov dioksid: CaCO3 \u003d CaO + CO2, a tijekom te reakcije toplinska energija se ne oslobađa, već apsorbira i izgled materija se malo mijenja.

Još jedan primjer. Ako pomiješate razrijeđene otopine klorovodične kiseline i natrijevog hidroksida, tada nema vidljivih promjena, iako je reakcija HC1 + NaOH = NaCl + H2O. U ovoj reakciji kaustične tvari - kiselina i lužina međusobno su se "gasile", a rezultat je bio bezopasni natrijev klorid (kuhinjska sol) i voda.

Ali ako pomiješate otopine klorovodične kiseline i kalijevog nitrata (kalijev nitrat), tada neće doći do kemijske reakcije.

Dakle, samo za vanjski znakovi nije uvijek moguće reći je li došlo do reakcije.

Razmotrite najčešće reakcije na primjeru kiselina, baza, oksida i soli - glavnih klasa anorganskih spojeva.