Predslov
Úvod
§ 1. Predmet zvuková chémia
§ 2. Esej o vývoji zvukovej chémie
§ 3. Experimentálne metódy zvukovej chémie
Kapitola 1. Zvukové pole a ultrazvuková kavitácia
§ 4. Akustické pole a veličiny, ktoré ho charakterizujú (základné pojmy)
§ 5. Akustická kavitácia v kvapalinách
§ 6. Zárodky kavitácie v kvapalinách
§ 7. Pulzácia a kolaps kavitačných bublín
§ 8. Dynamika rozvoja kavitačnej oblasti
Kapitola 2. Experimentálne a teoretické štúdie sonochemických reakcií a koioluminiscencie
§ 9. Vplyv rôznych faktorov a priebeh zvukovo-chemických reakcií a koiluminiscencie
§ 10 Soioluminiscencia v rôznych kvapalinách
§ 11. Fyzikálne procesy vedúce k vzniku zvukovo-chemických reakcií a soioluminiscencie
§ 12. Spektrálne štúdie koioluminiscencie
§ 13. Primárne a sekundárne elementárne procesy v kavitačnej bubline
§ 14. Klasifikácia ultrazvukových chemických reakcií
§ 15. O mechanizme vplyvu plynov na priebeh zvukovo-chemických reakcií
§ 16. Akustické polia pri nízkych intenzitách
§ 17. Nízkofrekvenčné akustické polia
Kapitola 3
§ 18. Hlavné spôsoby premeny energie akustických vibrácií
§ 19 Chemicko-akustický výťažok produktov reakcie (energetický výťažok)
§ 20. Počiatočné chemicko-akustické výťažky produktov ultrazvukového štiepenia vody
§ 21. Energetický výťažok koioluminiscencie
§ 22. Závislosť rýchlosti zvukovo-chemických reakcií od intenzity ultrazvukových vĺn
§ 23. Závislosť rýchlosti fyzikálno-chemických procesov spôsobených kavitáciou od intenzity ultrazvukových vĺn
§ 24. Všeobecné kvantitatívne vzorce
§ 25. O vzťahu medzi energetickými výťažkami sonochemických reakcií a sonoluminiscenciou
Kapitola 4. Kinetika ultrazvukových chemických reakcií
§ 26. Stacionárny stav pre koncentráciu radikálov spriemerovanú počas periódy oscilácie a objemu (prvá aproximácia)
§ 27. Zmena koncentrácie radikálov, spriemerovaná na objem (druhá aproximácia)
§ 28. Kavitačno-difúzny model časopriestorového rozloženia radikálov (tretia aproximácia)
§ 29. Miesto energie ultrazvukových vĺn medzi ostatnými fyzikálnymi spôsobmi ovplyvňovania látky
§ 30. Vlastnosti šírenia tepla z kavitačnej bubliny
Kapitola 5
§ 31. Hlavné znaky získaných experimentálnych výsledkov
§ 32. Sonolýza roztokov kyseliny chlóroctovej. O výskyte hydratovaných elektrónov v oblasti ultrazvukových vĺn
§ 33. Oxidácia síranu železnatého (II) v oblasti ultrazvukových vĺn
§ 34. Zhodnocovanie síranu ceritého (IV) v oblasti ultrazvukových vĺn
§ 35. Syntéza peroxidu vodíka pri sonolýze vody a vodných roztokov mravčanov
§ 36. Výpočet hodnôt počiatočných chemicko-akustických výstupov
§ 37. Zvukovo-chemické reakcie vo vode a vodných roztokoch v dusíkovej atmosfére
§ 38. Spustenie reťazovej reakcie stereoizomerizácie kyseliny etylén-1,2-dikarboxylovej a jej esterov ultrazvukovými vlnami
Záver. Perspektívy využitia ultrazvukových vĺn vo vede, technike a medicíne
Literatúra
Predmetový index

Odoslanie dobrej práce do databázy znalostí je jednoduché. Použite nižšie uvedený formulár

Študenti, postgraduálni študenti, mladí vedci, ktorí pri štúdiu a práci využívajú vedomostnú základňu, vám budú veľmi vďační.

Uverejnené dňa http://www.allbest.ru/

• Úvod
• 1. Pojem zvuku. zvukové vlny
• 1.1 Oblasť štúdia zvukových účinkov na chemické procesy
• 1.2 Metódy zvukovej chémie
• 2. Využitie infrazvuku ako metódy zosilnenia chemicko-technologické procesy
• 3. Použitie ultrazvuku ako spôsobu zintenzívnenia chemických procesov
• Záver
• Úvod
• Dvadsiate prvé storočie je storočím bio- a nanotechnológií, univerzálnej informatizácie, elektroniky, infrazvuku a ultrazvuku. Ultrazvuk a infrazvuk sú vlnovo sa šíriaci kmitavý pohyb častíc média a sú charakterizované množstvom charakteristické rysy v porovnaní s počuteľným rozsahom. V ultrazvukovom frekvenčnom rozsahu je relatívne ľahké získať smerové žiarenie; ultrazvukové vibrácie sú vhodné na zaostrovanie, v dôsledku čoho sa zvyšuje intenzita ultrazvukových vibrácií v určitých zónach vplyvu. Pri šírení v plynoch, kvapalinách a pevné látky ach, zvukové vibrácie vedú k jedinečným javom, z ktorých sa našlo veľa praktické využitie v rôznych oblastiach vedy a techniky sa objavili desiatky vysoko účinných zvukových technológií šetriacich zdroje. IN posledné roky používanie zvukových vibrácií začína hrať čoraz väčšiu úlohu v priemysle a vedecký výskum. Teoretické a experimentálne štúdie v oblasti ultrazvuková kavitácia a akustické toky, ktoré umožnili vyvinúť nové technologické procesy prebiehajúce pod vplyvom ultrazvuku v kvapalnej fáze.
• V súčasnosti sa formuje nový smer v chémii - zvuková chémia, ktorá umožňuje urýchliť mnohé chemicko-technologické procesy a získať nové látky, popri teoretických a experimentálnych štúdiách v oblasti zvukovo-chemických reakcií sa veľa hotový. praktická práca. Vývoj a aplikácia zvukových technológií v súčasnosti otvára nové perspektívy pri vytváraní nových látok a materiálov, v udeľovaní nových vlastností známym materiálom a médiám, a preto si vyžaduje pochopenie javov a procesov vyskytujúcich sa pri pôsobení ultrazvuku a infrazvuku, možnosti nových technológií a perspektívy ich uplatnenia.
• 1. Pojem zvuk. zvukové vlny

zvuk -- fyzikálny jav, čo je šírenie vo forme elastických vĺn mechanických kmitov v pevnom, kvapalnom alebo plynnom prostredí. V užšom zmysle sa zvuk vzťahuje na tieto vibrácie, uvažované v súvislosti s tým, ako ich vnímajú zmyslové orgány zvierat a ľudí.

Ako každá vlna, aj zvuk sa vyznačuje amplitúdou a frekvenčným spektrom. Obyčajný človek schopný počuť zvukové vibrácie vo frekvenčnom rozsahu od 16-20 Hz do 15-20 kHz. Zvuk pod rozsahom ľudského sluchu sa nazýva infrazvuk; vyššie: do 1 GHz - ultrazvukom, od 1 GHz - hyperzvukom. Hlasitosť zvuku závisí komplexným spôsobom od efektívneho akustického tlaku, frekvencie a spôsobu vibrácií a výška zvuku závisí nielen od frekvencie, ale aj od veľkosti akustického tlaku.

Zvukové vlny vo vzduchu sú striedavé oblasti kompresie a riedenia. Zvukové vlny môžu slúžiť ako príklad oscilačného procesu. Akékoľvek kolísanie je spojené s porušením rovnovážneho stavu systému a je vyjadrené odchýlkou ​​jeho charakteristík od rovnovážnych hodnôt s následným návratom k pôvodnej hodnote. Pre zvukové vibrácie je takouto charakteristikou tlak v určitom bode média a jeho odchýlka je akustický tlak.

Ak urobíte prudký posun častíc elastického média na jednom mieste, napríklad pomocou piestu, potom sa v tomto mieste zvýši tlak. V dôsledku elastických väzieb častíc sa tlak prenáša na susedné častice, ktoré zase pôsobia na ďalšie častice a oblasť vysoký krvný tlak akoby sa pohyboval v elastickom médiu. Po oblasti vysokého tlaku nasleduje oblasť nízkeho tlaku, a tak sa vytvára séria striedajúcich sa oblastí kompresie a zriedenia, ktoré sa šíria v médiu vo forme vlny. Každá častica elastického média bude v tomto prípade oscilovať.

Obrázok 1 - Pohyb častíc pri šírení vlny a) pohyb častíc média pri šírení pozdĺžnej vlny; b) pohyb častíc média pri šírení priečnej vlny.

Obrázok 2 - Charakteristika oscilačného procesu

V kvapalných a plynných médiách, kde nedochádza k výrazným výkyvom hustoty, sú akustické vlny svojou povahou pozdĺžne, to znamená, že smer oscilácie častíc sa zhoduje so smerom pohybu vĺn. V pevných látkach vznikajú okrem pozdĺžnych deformácií aj elastické šmykové deformácie, ktoré spôsobujú budenie priečnych (šmykových) vĺn; v tomto prípade častice kmitajú kolmo na smer šírenia vlny. Rýchlosť šírenia pozdĺžnych vĺn je oveľa väčšia ako rýchlosť šírenia šmykových vĺn.

1.1 Oblasť štúdia zvukových účinkov na chemické procesy

Odvetvie chémie, ktoré študuje interakciu silných akustických vĺn a výsledné chemické a fyzikálno-chemické účinky, sa nazýva sonochémia (sonochémia). Sonochémia skúma kinetiku a mechanizmus sonochemických reakcií vyskytujúcich sa v objeme zvukového poľa. Do oblasti zvukovej chémie patria aj niektoré fyzikálne a chemické procesy vo zvukovom poli: sonoluminiscencia, disperzia látky pôsobením zvuku, emulgácia a iné koloidné chemické procesy. Sonoluminiscencia je fenomén objavenia sa záblesku svetla počas kolapsu kavitačných bublín generovaných v kvapaline silnou ultrazvukovou vlnou. Typický zážitok pre pozorovanie sonoluminiscencie je nasledovný: do nádoby s vodou sa vloží rezonátor a v ňom sa vytvorí stojatá sférická ultrazvuková vlna. Pri dostatočnom výkone ultrazvuku sa v samom strede nádrže objaví jasný bodový zdroj modrastého svetla - zvuk sa zmení na svetlo. Sonochémia venuje hlavnú pozornosť štúdiu chemických reakcií, ktoré sa vyskytujú pri pôsobení akustických vibrácií - sonochemické reakcie.

Zvukovo-chemické procesy sa spravidla študujú v ultrazvukovom rozsahu (od 20 kHz do niekoľkých MHz). Zvukové vibrácie v kilohertzovom rozsahu a infrazvukovom rozsahu sa skúmajú oveľa menej často.

Zvuková chémia skúma procesy kavitácie. Kavitácia (z lat. cavita - prázdnota) je proces vyparovania a následnej kondenzácie bublín pary v prúde kvapaliny, sprevádzaný hlukom a hydraulickými rázmi, vznikom dutín v kvapaline (kavitačných bublín, resp. kaverien) naplnených parou. samotná kvapalina, v ktorej sa vyskytuje. Kavitácia vzniká v dôsledku lokálneho poklesu tlaku v kvapaline, ktorý môže nastať buď zvýšením jej rýchlosti (hydrodynamická kavitácia), alebo prechodom akustickej vlny vysokej intenzity počas polcyklu riedenia (akustická kavitácia). ), existujú aj iné dôvody účinku. Pohybujte sa s prúdom do oblasti s viac vysoký tlak alebo počas polovičného cyklu kompresie sa kavitačná bublina zrúti, pričom v procese vyžaruje rázovú vlnu.

1.2 Metódy zvukovej chémie

Na štúdium zvukovo-chemických reakcií sa používajú tieto metódy: inverzný piezoelektrický efekt a magnetostrikčný efekt na generovanie vysokofrekvenčných zvukových vibrácií v kvapaline, analytická chémia na štúdium produktov zvukovo-chemických reakcií, inverzný piezoelektrický efekt - výskyt mechanických deformácií pod vplyvom elektrického poľa (používa sa pri mechanických pohyboch - aktivátoroch).

Magnetostrikcia je jav spočívajúci v tom, že pri zmene stavu magnetizácie telesa sa mení jeho objem a lineárne rozmery (využívajú sa na generovanie ultrazvuku a hyperzvuku).

Infrazvuk -- zvukové vlny s frekvenciou pod vnímanou ľudské ucho. Keďže ľudské ucho je zvyčajne schopné počuť zvuky vo frekvenčnom rozsahu 16-20 "000 Hz, 16 Hz sa zvyčajne považuje za hornú hranicu infrazvukového frekvenčného rozsahu. Spodná hranica infrazvukového rozsahu je podmienene definovaná ako 0,001 Hz .

Infrazvuk má množstvo vlastností spojených s nízkou frekvenciou kmitov elastického média: má oveľa väčšie amplitúdy kmitov; šíri sa oveľa ďalej vo vzduchu, pretože jeho absorpcia v atmosfére je zanedbateľná; prejavuje fenomén difrakcie, v dôsledku čoho ľahko preniká do miestností a obchádza prekážky, ktoré oneskorujú počuteľné zvuky; spôsobuje vibrácie veľkých predmetov v dôsledku rezonancie.

vlnová ultrazvuková chemická kavitácia

2. Využitie infrazvuku ako spôsobu zintenzívnenia chemicko-technologických procesov

Fyzikálny vplyv na chemické reakcie sa v tomto prípade uskutočňuje v infrazvukových zariadeniach,- zariadenia, v ktorých na zosilnenie technologických procesov v kvapalných médiách sa využívajú nízkofrekvenčné akustické vibrácie (v skutočnosti infra frekvencia zvuku do 20 Hz, zvuková frekvencia do 100 Hz). Kmity vznikajú priamo v spracovávanom médiu pomocou pružných žiaričov rôznych konfigurácií a tvarov alebo pevných kovových piestov spojených so stenami technologických nádob pomocou elastických prvkov (napr. gumy). To umožňuje odľahčiť steny infrazvukového prístroja od vibrácií zdroja, výrazne znižuje ich vibrácie a hladinu hluku v priemyselné priestory. V infrazvukových prístrojoch sú vybudené kmity s veľkými amplitúdami (od jednotiek do desiatok mm).

Nízka absorpcia infrazvuku pracovným prostredím a možnosť jeho zosúladenia s emitorom kmitov (voľba vhodných parametrov zdroja) a veľkosť aparatúry (na spracovanie daných objemov kvapaliny) však umožňujú predĺžiť -lineárne vlnové efekty vznikajúce vplyvom infrazvuku na veľké technologické objemy. Vďaka tomu sa infrazvukové zariadenia zásadne líšia od ultrazvukových, v ktorých sa kvapaliny spracúvajú v malom objeme.

V infrazvukových zariadeniach sú implementované nasledovné: fyzické účinky(jeden alebo viac súčasne): kavitácia, vysokoamplitúdové striedavé a radiačné (zvukové žiarenie) tlaky, striedavé prúdenie tekutín, akustické prúdy (zvukový vietor), odplyňovanie kvapaliny a tvorba množstva bublín plynu a ich rovnovážnych vrstiev v nej, fázový posun oscilácií medzi suspendovanými časticami a kvapalinou. Tieto účinky výrazne urýchľujú redoxné, elektrochemické a iné reakcie, zintenzívňujú 2-4 násobok priemyselných procesov miešania, filtrovania, rozpúšťania a dispergovania pevných látok v kvapalinách, separácie, triedenia a dehydratácie suspenzií, ako aj čistenia častí a mechanizmov atď. .

Použitie infrazvuku umožňuje niekoľkokrát znížiť mernú spotrebu energie a kovu a rozmery zariadenia, ako aj spracovávať kvapaliny priamo v prúde pri ich preprave potrubím, čím odpadá inštalácia miešačiek a iných zariadení.

Obrázok 3 - Infrazvukové zariadenie na miešanie suspenzií: 1 - membránový vibračný žiarič; 2 - modulátor stlačeného vzduchu; 3 - zavádzacie zariadenie; 4 - kompresor

Jednou z najbežnejších aplikácií infrazvuku je miešanie suspenzií napríklad pomocou trubicových infrazvukových prístrojov. Takýto stroj pozostáva z jedného alebo viacerých sériovo zapojených hydropneumatických žiaričov a nakladacieho zariadenia.

3. Využitie ultrazvuku pri intenzifikácii chemických procesov

Ultrazvuk mikróny - zvukové vlny s frekvenciou vyššou ako je vnímaná ľudským uchom, pod ultrazvukom sa zvyčajne rozumejú frekvencie nad 20 000 Hertzov. Vysokofrekvenčné vibrácie používané v priemysle sa zvyčajne vytvárajú pomocou piezokeramických meničov. V prípadoch, keď má primárny význam sila ultrazvukových vibrácií, sa používajú mechanické zdroje ultrazvuku.

Vplyv ultrazvuku na chemické a fyzikálno-chemické procesy prebiehajúce v kvapaline zahŕňa: iniciáciu niektorých chemických reakcií, zmenu rýchlosti a niekedy aj smeru reakcií, objavenie sa žiary kvapaliny (sonoluminiscencia), vytváranie rázových vĺn v kvapaline , emulgácia nemiešateľných kvapalín a koalescenčných častíc vo vnútri pohybujúceho sa média alebo na povrchu tela) emulzie, disperzia (jemné mletie pevných látok alebo kvapalín) pevných látok a koagulácia (spájanie malých dispergovaných častíc do väčších agregátov) pevných častíc v kvapaline , odplynenie kvapaliny a pod. Na realizáciu technologických procesov sa používajú ultrazvukové zariadenia.

Vplyv ultrazvuku na rôzne procesy je spojený s kavitáciou (vznik v kvapaline pri prechode akustickej vlny dutín (kavitačných bublín) naplnených plynom, parou alebo ich zmesou).

Chemické reakcie prebiehajúce v kvapaline pôsobením ultrazvuku (zvukovo-chemické reakcie) možno podmienečne rozdeliť na: a) redoxné reakcie prebiehajúce vo vodných roztokoch medzi rozpustenými látkami a produktmi rozkladu molekúl vody vo vnútri kavitačnej bubliny (H, OH, ), napríklad:

b) Reakcie medzi rozpustenými plynmi a látkami s vysokým tlakom pár vo vnútri kavitačnej bubliny:

c) Reťazové reakcie iniciované nie radikálovými produktmi rozkladu vody, ale nejakou inou látkou disociujúcou v kavitačnej bubline, napríklad izomerizáciou kyseliny maleínovej na kyselinu fumarovú pôsobením Br vznikajúceho ako výsledok sonochemickej disociácie.

d) Reakcie zahŕňajúce makromolekuly. Pre tieto reakcie je dôležitá nielen kavitácia a súvisiace rázové vlny a kumulatívne prúdy, ale aj mechanické silyštiepenie molekúl. Výsledné makroradikály v prítomnosti monoméru sú schopné iniciovať polymerizáciu.

e) Iniciácia výbuchu v kvapalných a pevných výbušninách.

f) Reakcie v kvapalných nevodných systémoch, napríklad pyrolýza a oxidácia uhľovodíkov, oxidácia aldehydov a alkoholov, alkylácia aromatických zlúčenín atď.

Hlavnou energetickou charakteristikou sonochemických reakcií je energetický výťažok, ktorý je vyjadrený počtom molekúl produktu vytvorených za cenu 100 eV absorbovanej energie. Energetický výťažok produktov redoxných reakcií zvyčajne nepresahuje niekoľko jednotiek a pre reťazové reakcie dosahuje niekoľko tisíc.

Pôsobením ultrazvuku pri mnohých reakciách je možné niekoľkonásobne zvýšiť rýchlosť (napríklad pri reakciách hydrogenácie, izomerizácie, oxidácie atď.), niekedy sa súčasne zvyšuje aj výťažok.

Je dôležité vziať do úvahy vplyv ultrazvuku pri vývoji a realizácii rôznych technologických procesov (napríklad pri pôsobení vody, v ktorej sa rozpúšťa vzduch, oxidy dusíka a vznikajú), aby sme pochopili procesy, ktoré sprevádzajú absorpcia zvuku v médiách.

Záver

V súčasnosti sú v priemysle široko používané zvukové vibrácie, ktoré sú sľubným technologickým faktorom, ktorý umožňuje v prípade potreby výrazne zintenzívniť výrobné procesy.

Použitie výkonného ultrazvuku v technologických procesoch na výrobu a spracovanie materiálov a látok umožňuje:

Znížte náklady na proces alebo produkt,

Prijímať nové produkty alebo zlepšovať kvalitu existujúcich produktov,

Zintenzívniť tradičné technologické procesy alebo stimulovať implementáciu nových,

Prispieť k zlepšeniu environmentálnej situácie znížením agresivity procesných kvapalín.

Treba si však uvedomiť, že ultrazvuk má mimoriadne nepriaznivý vplyv na živé organizmy. Na zníženie takýchto vplyvov sa odporúča umiestniť ultrazvukové zariadenia do špeciálnych miestností s použitím systémov na vedenie technologických procesov na nich. diaľkové ovládanie. Automatizácia týchto inštalácií má veľký efekt.

Ekonomickejším spôsobom ochrany pred účinkami ultrazvuku je použitie zvukotesných krytov, ktoré uzatvárajú ultrazvukové inštalácie, alebo clony umiestnené v dráhe ultrazvuku. Tieto sitá sú vyrobené z oceľového plechu alebo duralu, plastu alebo špeciálnej gumy.

Zoznam použitých zdrojov

1. Margulis M.A. Základy zvukovej chémie (chemické reakcie v akustických poliach); učebnica príspevok na chem. a chemický technológ. Špeciality univerzít / M.A. Margulis. M.: Vyššia škola, 1984. 272 ​​​​s.

2. Suslik K.S. Ultrazvuk. Jeho chemické, fyzikálne a biologické účinky. Ed.: VCH, N. Y., 336 s.

3. Kardashev G.A. Fyzikálne metódy zintenzívnenie chemicko-technologických procesov. Moskva: Chémia, 1990, 208 s.

5. Luminiscencia

6. Ultrazvuk

Hostené na Allbest.ru

Podobné dokumenty

Procesy chemickej technológie. Vypracovanie schémy chemicko-technologického procesu. Kritériá optimalizácie. Topologická metóda a HTS. Pojmy a definície teórie grafov. Parametre technologického režimu prvkov CTS. Štúdium stochastických procesov.

prednáška, pridané 18.02.2009


Teória chemických procesov organickej syntézy. Riešenie: keď sa benzén alkyluje propylénom v prítomnosti akýchkoľvek katalyzátorov, dochádza k postupnej substitúcii atómov vodíka za vzniku zmesi produktov rôznej miere alkylácia.

ročníková práca, pridaná 01.04.2009


organická syntéza ako úsek chémie, predmet a metódy jeho štúdia. Podstata procesov alkylácie a acylácie, charakteristické reakcie a princípy prúdenia. Popis kondenzačných reakcií. Charakteristika, význam nitrácie, halogenačné reakcie.

prednáška, pridané 28.12.2009


Etapy štúdia procesov horenia a výbuchov. Hlavné typy výbuchov, ich klasifikácia podľa typu chemických reakcií a hustoty hmoty. Reakcie rozkladu, redox, polymerizácia, izomerizácia a kondenzácia, zmesi na báze výbuchov.

abstrakt, pridaný 6.6.2011


Priemyselná úprava vody. Súbor operácií, ktoré zabezpečujú čistenie vody. Homogénne a heterogénne nekatalytické procesy v kvapalnej a plynnej fáze, ich zákony a spôsoby intenzifikácie. Porovnanie rôznych typov chemických reaktorov.

prednáška, pridané 29.03.2009


Spôsoby získavania farbív. Získanie sulfanilátu sodného syntézou. Charakteristika suroviny a výsledného produktu. Výpočet chemicko-technologických procesov a zariadení. Matematický popis chemická metóda získanie sulfonátu sodného.

práca, pridané 21.10.2013


Pojem a výpočet rýchlosti chemických reakcií, jeho vedecký a praktický význam a aplikácia. Formulácia zákona hromadnej akcie. Faktory ovplyvňujúce rýchlosť chemických reakcií. Príklady reakcií prebiehajúcich v homogénnych a heterogénnych systémoch.

prezentácia, pridané 30.04.2012


Pojem a podmienky prechodu chemických reakcií. Charakterizácia reakcií spojenia, rozkladu, substitúcie, výmeny a ich využitie v priemysle. Redoxné reakcie v srdci metalurgie, podstata valencie, typy transesterifikácie.

abstrakt, pridaný 27.01.2012


Hodnota vody pre chemický priemysel. Príprava vody na výrobné procesy. Katalytické procesy, ich klasifikácia. Vplyv katalyzátora na rýchlosť chemicko-technologických procesov. Materiálová bilancia pece na spaľovanie síry.

test, pridaný 18.01.2014


Mechanizmy vplyvu ultrazvuku na chemické reakcie. Účtovať to pri vývoji a realizácii technologických procesov. Technológie realizované pomocou ultrazvuku. Precízne čistenie a odmasťovanie. Odplyňovanie tavenín a zváranie polymérov a kovov.

DEFINÍCIA

Chemická reakcia nazývaná premena látok, pri ktorej dochádza k zmene ich zloženia a (alebo) štruktúry.

Chemickými reakciami sa najčastejšie rozumie proces premeny východiskových látok (činidiel) na konečné látky (produkty).

Chemické reakcie sú zapísané pomocou chemických rovníc obsahujúcich vzorce východiskových materiálov a reakčných produktov. Podľa zákona zachovania hmotnosti počet atómov každého prvku v ľavom a pravé časti chemická rovnica je rovnaká. Zvyčajne sú vzorce východiskových látok napísané na ľavej strane rovnice a vzorce produktov sú napísané na pravej strane. Rovnosť počtu atómov každého prvku v ľavej a pravej časti rovnice sa dosiahne umiestnením celočíselných stechiometrických koeficientov pred vzorce látok.

Chemické rovnice môžu obsahovať ďalšie informácie o vlastnostiach reakcie: teplota, tlak, žiarenie atď., čo je označené zodpovedajúcim symbolom nad (alebo „pod“) znakom rovnosti.

Všetky chemické reakcie možno zoskupiť do niekoľkých tried, ktoré majú určité vlastnosti.

Klasifikácia chemických reakcií podľa počtu a zloženia východiskových a výsledných látok

Podľa tejto klasifikácie sa chemické reakcie delia na reakcie kombinačné, rozkladné, substitučné, výmenné.

Ako výsledok zložené reakcie z dvoch alebo viacerých (zložitých alebo jednoduchých) látok vzniká jedna nová látka. IN všeobecný pohľad Rovnica pre takúto chemickú reakciu bude vyzerať takto:

Napríklad:

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

S03 + H20 \u003d H2S04

2Mg + O2 \u003d 2MgO.

2FeCl2 + Cl2 = 2FeCl3

Kombinované reakcie sú vo väčšine prípadov exotermické, t.j. prúdiť s uvoľňovaním tepla. Ak sa reakcia týka jednoduché látky, potom sú takéto reakcie najčastejšie redoxné (ORD), t.j. sa vyskytujú so zmenou oxidačných stavov prvkov. Nedá sa jednoznačne povedať, či reakciu zlúčeniny medzi komplexnými látkami možno pripísať OVR.

Reakcie, pri ktorých sa z jednej komplexnej látky vytvorí niekoľko ďalších nových látok (komplexných alebo jednoduchých), sú klasifikované ako rozkladné reakcie. Vo všeobecnosti bude rovnica pre reakciu chemického rozkladu vyzerať takto:

Napríklad:

CaCO 3 CaO + CO 2 (1)

2H20 \u003d 2H2 + O2 (2)

CuSO4 × 5H20 \u003d CuS04 + 5H20 (3)

Cu (OH) 2 \u003d CuO + H20 (4)

H2SiO3 \u003d Si02 + H20 (5)

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

(NH 4) 2 Cr207 \u003d Cr203 + N2 + 4H20 (7)

Väčšina rozkladných reakcií prebieha zahrievaním (1,4,5). Je možný rozklad elektrickým prúdom (2). Rozklad kryštalických hydrátov, kyselín, zásad a solí kyselín obsahujúcich kyslík (1, 3, 4, 5, 7) prebieha bez zmeny oxidačných stavov prvkov, t.j. tieto reakcie sa nevzťahujú na OVR. Rozkladné reakcie OVR zahŕňajú rozklad oxidov, kyselín a solí tvorených prvkami v vyššie stupne oxidácia (6).

Rozkladné reakcie sa vyskytujú aj v organickej chémii, ale pod inými názvami - krakovanie (8), dehydrogenácia (9):

C18H38 \u003d C9H18 + C9H20 (8)

C4H10 \u003d C4H6 + 2H2 (9)

o substitučné reakcie jednoduchá látka interaguje so zložitou, pričom vzniká nová jednoduchá a nová komplexná látka. Vo všeobecnosti bude rovnica pre chemickú substitučnú reakciu vyzerať takto:

Napríklad:

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

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 (2)

2KBr + Cl2 \u003d 2KCl + Br2 (3)

2KS103 + l2 = 2KlO3 + Cl2 (4)

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

Ca3(RO4)2 + ZSi02 = ZCaSi03 + P205 (6)

CH4 + Cl2 = CH3CI + HCl (7)

Substitučné reakcie sú väčšinou redoxné reakcie (1 - 4, 7). Príkladov rozkladných reakcií, pri ktorých nedochádza k zmene oxidačných stavov, je málo (5, 6).

Výmenné reakcie nazývané reakcie, ktoré prebiehajú medzi zložitými látkami, pri ktorých si vymieňajú svoje základné časti. Zvyčajne sa tento výraz používa pre reakcie zahŕňajúce ióny nachádzajúce sa v vodný roztok. Vo všeobecnosti bude rovnica pre chemickú výmennú reakciu vyzerať takto:

AB + CD = AD + CB

Napríklad:

CuO + 2HCl \u003d CuCl2 + H20 (1)

NaOH + HCl \u003d NaCl + H20 (2)

NaHC03 + HCl \u003d NaCl + H20 + CO2 (3)

AgNO 3 + KBr = AgBr ↓ + KNO 3 (4)

CrCl3 + ZNaOH = Cr(OH)3 ↓+ ZNaCl (5)

Výmenné reakcie nie sú redoxné. špeciálny prípad tieto výmenné reakcie sú neutralizačné reakcie (reakcie interakcie kyselín s alkáliami) (2). Výmenné reakcie prebiehajú v smere, kedy sa aspoň jedna z látok odoberá z reakčnej sféry vo forme plynnej látky (3), zrazeniny (4, 5) alebo nízkodisociačnej zlúčeniny, najčastejšie vody (1, 2).

Klasifikácia chemických reakcií podľa zmien oxidačných stavov

V závislosti od zmeny oxidačných stavov prvkov, ktoré tvoria reaktanty a reakčné produkty, sa všetky chemické reakcie delia na redoxné (1, 2) a tie, ktoré prebiehajú bez zmeny oxidačného stavu (3, 4).

2Mg + CO2 \u003d 2MgO + C (1)

Mg 0 - 2e \u003d Mg 2+ (redukčné činidlo)

C 4+ + 4e \u003d C 0 (oxidačné činidlo)

FeS2 + 8HN03 (konc) = Fe(N03)3 + 5NO + 2H2S04 + 2H20 (2)

Fe 2+ -e \u003d Fe 3+ (redukčné činidlo)

N 5+ + 3e \u003d N 2+ (oxidačné činidlo)

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

Ca(OH)2 + H2S04 = CaS04↓ + H20 (4)

Klasifikácia chemických reakcií podľa tepelného účinku

V závislosti od toho, či sa pri reakcii teplo (energia) uvoľňuje alebo absorbuje, sa všetky chemické reakcie podmienečne delia na exo - (1, 2) a endotermické (3). Množstvo tepla (energie) uvoľneného alebo absorbovaného počas reakcie sa nazýva reakčné teplo. Ak rovnica udáva množstvo uvoľneného alebo absorbovaného tepla, potom sa takéto rovnice nazývajú termochemické.

N2 + 3H2 = 2NH3 +46,2 kJ (1)

2Mg + O2 \u003d 2MgO + 602,5 kJ (2)

N2 + O2 \u003d 2NO - 90,4 kJ (3)

Klasifikácia chemických reakcií podľa smeru reakcie

Podľa smeru reakcie sa rozlišujú vratné (chemické procesy, ktorých produkty sú schopné navzájom reagovať za rovnakých podmienok, v akých sa získavajú, za vzniku východiskových látok) a nevratné (chemické procesy, ktorých produkty nie sú schopné vzájomne reagovať za vzniku východiskových látok ).

Pre reverzibilné reakcie sa rovnica vo všeobecnom tvare zvyčajne píše takto:

A + B ↔ AB

Napríklad:

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

Príklady ireverzibilných reakcií sú nasledujúce reakcie:

2KSlO 3 → 2KSl + ZO 2

C6H1206 + 602 → 6CO2 + 6H20

Dôkazom nevratnosti reakcie môžu slúžiť reakčné produkty plynnej látky, zrazeniny alebo nízkodisociujúcej zlúčeniny, najčastejšie vody.

Klasifikácia chemických reakcií podľa prítomnosti katalyzátora

Z tohto hľadiska sa rozlišujú katalytické a nekatalytické reakcie.

Katalyzátor je látka, ktorá urýchľuje chemickú reakciu. Reakcie zahŕňajúce katalyzátory sa nazývajú katalytické. Niektoré reakcie sú vo všeobecnosti nemožné bez prítomnosti katalyzátora:

2H202 \u003d 2H20 + O2 (katalyzátor Mn02)

Často jeden z reakčných produktov slúži ako katalyzátor, ktorý urýchľuje túto reakciu (autokatalytické reakcie):

MeO + 2HF \u003d MeF2 + H20, kde Me je kov.

Príklady riešenia problémov

PRÍKLAD 1

Počas chemických reakcií sa z jednej látky získavajú ďalšie látky (nezamieňať s jadrovými reakciami, pri ktorých jedna chemický prvok sa zmení na inú).

Akákoľvek chemická reakcia je opísaná chemickou rovnicou:

Činidlá → Produkty reakcie

Šípka ukazuje smer reakcie.

Napríklad:

Pri tejto reakcii metán (CH 4) reaguje s kyslíkom (O 2), čo vedie k tvorbe oxidu uhličitého (CO 2) a vody (H 2 O), alebo skôr vodnej pary. Presne takáto reakcia nastáva vo vašej kuchyni, keď zapálite plynový horák. Rovnica by sa mala čítať takto: jedna molekula plynného metánu reaguje s dvoma molekulami plynného kyslíka, výsledkom čoho je jedna molekula oxidu uhličitého a dve molekuly vody (para).

Čísla pred zložkami chemickej reakcie sa nazývajú reakčné koeficienty.

Chemické reakcie sú endotermický(s absorpciou energie) a exotermický(s uvoľňovaním energie). Spaľovanie metánu je typickým príkladom exotermickej reakcie.

Existuje niekoľko typov chemických reakcií. Najčastejšie:

• reakcie zlúčenín;
• rozkladné reakcie;
• jednoduché substitučné reakcie;
• dvojité substitučné reakcie;
• oxidačné reakcie;
• redoxné reakcie.

Reakcie spojenia

V zloženej reakcii aspoň dva prvky tvoria jeden produkt:

2Na (t) + Cl2 (g) → 2NaCl (t)- tvorba soli.

Je potrebné venovať pozornosť podstatným nuansám reakcií spojenia: v závislosti od podmienok reakcie alebo pomerov činidiel zapojených do reakcie môže byť výsledok rôzne produkty. Napríklad za normálnych podmienok spaľovania uhlia sa ukazuje oxid uhličitý:
C (t) + O2 (g) → CO2 (g)

Ak nie je dostatok kyslíka, vytvára sa smrtiaci oxid uhoľnatý:
2C (t) + O2 (g) → 2CO (g)

Reakcie rozkladu

Tieto reakcie sú v podstate opačné ako reakcie zlúčeniny. V dôsledku rozkladnej reakcie sa látka rozloží na dva (3, 4...) jednoduchšie prvky (zlúčeniny):

• 2H20 (g) -> 2H2 (g) + 02 (g)- rozklad vody
• 2H202 (g) -> 2H2 (g) O + 02 (g)- rozklad peroxidu vodíka

Jednotlivé substitučné reakcie

V dôsledku jednotlivých substitučných reakcií aktívnejší prvok nahrádza menej aktívny prvok v zlúčenine:

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

Zinok v roztoku síranu meďnatého vytláča menej aktívnu meď, čo vedie k roztoku síranu zinočnatého.

Stupeň aktivity kovov vo vzostupnom poradí aktivity:

• Najaktívnejšie sú alkalické kovy a kovy alkalických zemín.

Iónová rovnica pre vyššie uvedenú reakciu bude:

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

Iónová väzba CuSO 4 sa po rozpustení vo vode rozkladá na katión medi (náboj 2+) a síran anión (náboj 2-). V dôsledku substitučnej reakcie sa vytvorí katión zinku (ktorý má rovnaký náboj ako katión medi: 2-). Všimnite si, že síranový anión je prítomný na oboch stranách rovnice, t.j. podľa všetkých matematických pravidiel ho možno redukovať. Výsledkom je iónovo-molekulárna rovnica:

Zn (t) + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu (t)

Dvojité substitučné reakcie

Pri dvojitých substitučných reakciách sú už dva elektróny nahradené. Takéto reakcie sa nazývajú aj výmenné reakcie. Tieto reakcie prebiehajú v roztoku za vzniku:

• nerozpustný pevný(zrážacie reakcie);
• voda (neutralizačné reakcie).

Zrážacie reakcie

Pri zmiešaní roztoku dusičnanu strieborného (soli) s roztokom chloridu sodného vzniká chlorid strieborný:

Molekulárna rovnica: KCl (roztok) + AgNO 3 (p-p) → AgCl (t) + KNO 3 (p-p)

Iónová rovnica: K + + Cl - + Ag + + NO 3 - → AgCl (t) + K + + NO 3 -

Molekulárno-iónová rovnica: Cl - + Ag + → AgCl (t)

Ak je zlúčenina rozpustná, bude v roztoku v iónovej forme. Ak je zlúčenina nerozpustná, vyzráža sa a vytvorí pevnú látku.

Neutralizačné reakcie

Ide o reakcie medzi kyselinami a zásadami, v dôsledku ktorých vznikajú molekuly vody.

Napríklad reakcia zmiešania roztoku kyseliny sírovej a roztoku hydroxidu sodného (lúhu):

Molekulárna rovnica: H2S04 (p-p) + 2NaOH (p-p) → Na2S04 (p-p) + 2H20 (1)

Iónová rovnica: 2H+ + SO4 2- + 2Na + + 2OH - → 2Na + + SO4 2- + 2H20 (1)

Molekulárno-iónová rovnica: 2H + + 2OH - → 2H20 (g) alebo H + + OH - → H20 (g)

Oxidačné reakcie

Ide o reakcie interakcie látok s plynným kyslíkom vo vzduchu, pri ktorých spravidla veľké množstvo energie vo forme tepla a svetla. Typickou oxidačnou reakciou je spaľovanie. Na samom začiatku tejto stránky je uvedená reakcia interakcie metánu s kyslíkom:

CH4 (g) + 202 (g) → CO2 (g) + 2H20 (g)

Metán sa vzťahuje na uhľovodíky (zlúčeniny uhlíka a vodíka). Keď uhľovodík reaguje s kyslíkom, uvoľňuje sa veľa tepelnej energie.

Redoxné reakcie

Ide o reakcie, pri ktorých dochádza k výmene elektrónov medzi atómami reaktantov. Vyššie diskutované reakcie sú tiež redoxné reakcie:

• 2Na + Cl 2 → 2NaCl - reakcia zlúčeniny
• CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O - oxidačná reakcia
• Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu - jednoduchá substitučná reakcia

Najpodrobnejšie redoxné reakcie s veľkým množstvom príkladov riešenia rovníc metódou elektrónovej rovnováhy a metódou polovičnej reakcie sú popísané v časti

Uvoľňovanie zvuku pri chemických reakciách sa najčastejšie pozoruje pri výbuchoch, keď prudké zvýšenie teploty a tlaku spôsobuje vibrácie vo vzduchu. Zaobídete sa však aj bez výbuchov. Ak na sódu bikarbónu nalejete trochu octu, ozve sa syčanie a uvoľní sa oxid uhličitý: NaHCO3 + CH3COOH \u003d CH3COONa + H2O + CO2. Je jasné, že vo vákuu túto reakciu ani výbuch nepočuť.

Ďalší príklad: ak sa na dno skleneného valca naleje trochu ťažkej koncentrovanej kyseliny sírovej, potom sa na vrch naleje vrstva ľahkého alkoholu a potom sa na hranicu medzi dvoma kvapalinami umiestnia kryštály manganistanu draselného (manganistanu draselného), a bude počuť dosť hlasné praskanie a v tme sú viditeľné jasné iskry. A tu je veľmi zaujímavý príklad „zvukovej chémie“.

Všetci počuli bzučať plameň v sporáku.

Bzukot je počuť aj vtedy, ak sa vodík unikajúci z trubice zapáli a koniec trubice sa spustí do nádoby kužeľového alebo guľového tvaru. Tento jav sa nazýval spievajúci plameň.

Známy je aj opačný jav – pôsobenie zvuku píšťaly na plameň. Plameň dokáže zvuk akoby „cítiť“, sledovať zmeny jeho intenzity, vytvárať akúsi „svetlú kópiu“ zvukových vibrácií.

Takže všetko na svete je prepojené, vrátane takých zdanlivo vzdialených vied, ako je chémia a akustika.

Zvážte posledný z vyššie uvedených príznakov chemických reakcií - zrážanie zrazeniny z roztoku.

IN Každodenný život takéto reakcie sú zriedkavé. Niektorí záhradníci vedia, že ak pripravíte takzvanú Bordeauxskú tekutinu na hubenie škodcov (pomenovanú podľa mesta Bordeaux vo Francúzsku, kde sa ňou striekali vinohrady) a na tento účel zmiešate roztok síranu meďnatého s vápenným mliekom, vznikne zrazenina. vytvorí sa.

Teraz už len zriedka niekto pripravuje tekutinu Bordeaux, ale každý videl vodný kameň vo vnútri kanvice. Ukazuje sa, že aj toto je zrazenina, ktorá sa vyzráža pri chemickej reakcii!

Táto reakcia je takáto. Vo vode je určitý rozpustný hydrogénuhličitan vápenatý Ca(HCO3)2. Táto látka vzniká, keď podzemná voda, v ktorej je rozpustený oxid uhličitý, presakuje cez vápenaté horniny.

V tomto prípade dochádza k reakcii rozpúšťania uhličitanu vápenatého (konkrétne z neho pozostáva vápenec, krieda, mramor): CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3) 2. Ak sa teraz voda z roztoku odparí, reakcia začne ísť opačným smerom.

Voda sa môže odparovať, keď sa roztok hydrogénuhličitanu vápenatého zbiera po kvapkách na strope podzemnej jaskyne a tieto kvapky občas padajú.

Takto sa rodia stalaktity a stalagmity. Spätná väzba vzniká pri zahrievaní roztoku.

V kanvici sa tak tvorí vodný kameň.

A čím viac bolo bikarbonátu vo vode (vtedy sa voda nazýva tvrdá), tým viac sa tvorí vodný kameň. A nečistoty železa a mangánu spôsobujú, že vodný kameň nie je biely, ale žltý alebo dokonca hnedý.

Je ľahké overiť, že stupnica je skutočne uhličitanová. Aby ste to dosiahli, musíte na to pôsobiť octom - roztokom kyseliny octovej.

V dôsledku reakcie sa CaCO3 + 2CH3COOH = (CH3COO)2Ca + + H2O + CO2 uvoľnia bublinky oxidu uhličitého a vodný kameň sa začne rozpúšťať.

Uvedené znaky (zopakujeme ich ešte raz: uvoľnenie svetla, tepla, plynu, sedimentu) nie vždy dovoľujú povedať, že reakcia naozaj prebieha.

Napríklad pri veľmi vysoká teplota uhličitan vápenatý CaCO3 (krieda, vápenec, mramor) sa rozkladá a vzniká oxid vápenatý a oxid uhličitý: CaCO3 \u003d CaO + CO2 a počas tejto reakcie sa tepelná energia neuvoľňuje, ale absorbuje a vzhľad hmota sa mení málo.

Ďalší príklad. Ak zmiešate zriedené roztoky kyseliny chlorovodíkovej a hydroxidu sodného, ​​nepozorujú sa žiadne viditeľné zmeny, hoci reakcia je HC1 + NaOH = NaCl + H2O. Pri tejto reakcii sa navzájom „uhasili“ žieravé látky – kyselina a zásada a výsledkom bol neškodný chlorid sodný (kuchynská soľ) a voda.

Ak však zmiešate roztoky kyseliny chlorovodíkovej a dusičnanu draselného (dusičnan draselný), nedôjde k žiadnej chemickej reakcii.

Takže len pre vonkajšie znaky nie je vždy možné zistiť, či došlo k reakcii.

Zvážte najbežnejšie reakcie na príklade kyselín, zásad, oxidov a solí - hlavných tried anorganických zlúčenín.