9.4. Химические процессы
О значительнейших вещах не будем судить слишком быстро.
Гераклит
Химический процесс (от лат. processus — продвижение) представляет собой последовательную смену состояний вещества, тесную связь следующих друг за другом стадий развития, представляющую непрерывное, единое движение. Учение о химических процессах — это область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. Химические процессы подразделяются на: гомо- и гетерогенные (в зависимости от агрегатного состояния реагирующих систем), экзо- и эндотермические (в зависимости от количества выделяющейся и поглощаемой теплоты), окислительные, восстановительные (в зависимости от отношения к кислороду) и др.
Все процессы, которые протекают вокруг нас, можно объединить в три большие группы.
1. Самопроизвольные процессы, которые можно использо вать для получения энергии или совершения работы. Условиями протекания самопроизвольных процессов или законами термо динамики, характеризуемыми их, являются: а) в изолированной системе, т. е. в системе, для которой исключен любой материаль ный или энергетический обмен с окружающей средой, сумма всех видов энергии есть величина постоянная; б) изменение энтальпии (тепловой эффект процесса, АН) зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов и не зависит от пути перехода. Он носит название закона Гесса и сформули рован им в 1840 г.
2. Процессы, для осуществления которых требуется затрата энергии или совершение работы.
3. Самоорганизация химической системы, т. е. самопроиз вольный процесс, проходящий без изменения энергетического запаса системы, совершается только в направлении, при котором
213
порядок в системе увеличивается, т. е. где энтропия уменьшается.
Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. Процесс превращения одних веществ в другие называется химической реакцией. К условиям протекания химических процессов относятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. На скорость химической реакции также влияют следующие условия и параметры:
природа реагирующих веществ (например, щелочные металлы растворяются в воде с образованием щелочей и выделением водорода и реакция протекает при обычных условиях моментально, а цинк, железо и другие реагируют медленно и с образованием оксидов, а благородные металлы не реагируют вообще);
температура. При повышении температуры на каждые 10 °С скорость реакции увеличивается в 2-4 раза (правило Вант-Гоффа). Со многими веществами кислород начинает реагировать с заметной скоростью уже при обыкновенной температуре (медленное окисление). При повышении температуры начинается бурная реакция (горение);
концентрация. Для веществ в растворенном состоянии и газов скорость химических реакций зависит от концентрации реагирующих веществ. Горение веществ в чистом кислороде происходит интенсивнее, чем в воздухе, где концентрация кислорода почти в 5 раз меньше. Здесь справедлив закон действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ;
площадь поверхности реагирования. Для веществ в твердом состоянии скорость прямо пропорциональна поверхности реагирующих веществ. Железо и сера в твердом состоянии реагируют достаточно быстро лишь при предварительном измельчении и перемешивании: горение хвороста и полена;
214
5) катализатор. Скорость реакции зависит от катализаторов, веществ которые ускоряют химические реакции, но сами при этом не расходуются. Разложение бертолетовой соли и пероксида водорода ускоряется в присутствии оксида марганца (IV) и др.
Для вступления в химическую реакцию необходимо преодолеть некоторый энергетический барьер, соответствующий энергии активации, возможность накопления которой сильно зависит от температуры. Многие реакции долгое время не могут закончиться. В таком случае говорят, что реакция достигла химического равновесия. Химическая система находится в состоянии равновесия, если выполняются следующие три условия:
в системе не происходит энергетических изменений (Н = 0);
не происходит изменений степени беспорядка (,S = 0);
не изменяется изобарный потенциал (J = 0).
Вант-Тофф, используя термодинамический подход, классифицировал химические реакции, а также сформулировал основные положения химической кинетики. Химическая кинетика изучает скорости протекания химических реакций. Ле Шателье сформулировал закон смещения химического равновесия в химических реакциях под влиянием внешних факторов — температуры, давления и др. Согласно принципу Ле Шателье, если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказывается внешнее воздействие (изменяется температура, давление или концентрация), то положение равновесия химической реакции смещается в ту сторону, которая ослабляет данное воздействие.
Химические реакции классифицируют по изменению качества исходных веществ и продуктов реакции на следующие виды:
реакции соединения — реакции, при которых из нескольких веществ образуется одно вещество, более сложное, чем исходные;
реакции разложения — реакции, при которых из одного сложного вещества образуется несколько веществ;
реакции замещения — реакции, при которых атомы одного элемента замещают атом другого элемента в сложном веществе и при этом образуются два новых — простое и сложное;
реакции обмена — реакции, при которых реагирующие вещества обмениваются своими составными частями, в результате
215
чего из двух сложных веществ образуются два новых сложных вещества.
По тепловому эффекту химические реакции можно подразделить на экзотермические — с выделением теплоты и эндотермические — с поглощением теплоты. С учетом явления катализа реакции могут быть каталитические — с применением катализаторов и некаталитические — без применения катализаторов. По признаку обратимости реакции делят на обратимые и необратимые.
В. Оствальд, исследуя условия химического равновесия, пришел к открытию явления катализа. Оказалось, что в большой степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий. Явление катализа — селективного ускорения химических процессов в присутствии веществ (катализаторов), которые принимают участие в промежуточных процессах, но регенерируются в конце реакции, широко используется в промышленности, например фиксация азота и водорода, контактный способ производства серной кислоты и многие другие. Впервые синтез аммиака был осуществлен в 1918 г. на основе работ Габера, К. Боша и А. Митташа с помощью катализатора, представляющего собой металлическое железо с добавками окисей калия и алюминия, при температуре 450-550 °С и давлении 300-1000 атмосфер. В настоящее время большое внимание уделяют применению металлоорганических и металлокомплексных катализаторов, отличающихся высокими селективностью и избирательностью действия. Тот же самый процесс синтеза аммиака при использовании металлоорганического катализатора удалось осуществить при обычной температуре (18 °С) и нормальном атмосферном давлении, что открывает большие перспективы в производстве минеральных азотных удобрений. Особенно велика роль катализа в органическом синтезе. Крупнейшим успехом в этом направлении надо признать получение искусственного синтетического каучука из этилового спирта, осуществленное советским академиком С. В. Лебедевым в 20-х годах XX века.
216
Ферменты, или биокатализаторы, играют исключительную роль в биологических процессах и технологии веществ растительного и животного происхождения, а также в медицине. В настоящее время известно свыше 750 ферментов, и их число ежегодно увеличивается. Ферменты являются бифункциональными и полифункциональными катализаторами, так как здесь имеет место согласованное воздействие двух или нескольких групп катализаторов различной природы в составе активного центра фермента на поляризацию определенных связей субстрата. Эта же концепция лежит в основе каталитического действия фермента и теории кинетики действия ферментов. Главное отличие ферментов от других катализаторов заключается в исключительно высокой активности и ярко выраженной специфичности.
Самоорганизация химических систем в биологические, их единство и взаимосвязь подтверждает синтез органических соединений из неорганических. В 1824 г. немецкий химик Ф. Велер, ученик Берцелиуса, впервые получил из неорганического дициана N-C-C-N при нагревании его с водой щавелевую кислоту НООС-СООН — органическое соединение. Также было получено новое органическое вещество — мочевина (карбамид) из цианистого аммония. В 1854 г. во Франции М. Бертло синтетическим путем получил жир. Наибольшим успехом химии 50-60-х гг. XX в. явился первый синтез простых белков — гормона инсулина и фермента рибонуклерозы.
- Концепции современного естествознания
- Рецензенты:
- Ihtik.Lib.Ru
- Глава 1. Естествозн ан и е как единая наука о природе
- 1.1. Естественно-научная и гуманитарная культуры
- 1.2. Месте науки в системе культуры и ее структура
- 1.3. Характерные черты науки
- 1.4. Естествознание - фундаментальная наука
- Глава 2. Характеристика естественно-научного познания
- 2.1. Структура научного познания
- 2.2. Основные методы научного исследования
- 2.3. Динамика развития науки. Принцип соответствия
- Глава 3. Важнейшие этапы развития естествознания
- 3.1. Система мира ангинных философов
- 3.2. Геоцентрическая и гелиоцентрическая системы строения мира
- 3.3. Механистическая и электромагнитная картины мира
- 3.4. Современная естественно-научная картина мира
- Глава 4. Концепция относительности пространства и времени
- 4.1. Понятие пространства и времени
- 4.2. Измерение времени
- 4.3. Пространство и время в специальной теории относительности
- 4.4. Общая теория относительности о пространстве и времени
- Глава 5. Строение материального мира
- 5.1. Структурное строение материального мира
- 5.2. Краткая характеристика микромира
- 5.3. Краткая характеристика макромира
- 5.4. Краткая характеристика мегамира
- Глава 6. Взаимодействия и движение структур мира
- 6.1. Четыре вида взаимодействий и их характеристика
- 6.2. Концепции близкодействия и дальнодействия
- 6.3. Вещество, поле, вакуум. Принцип суперпозиции
- 6.4. Фундаментальные постоянные мироздания
- 6.5. Антропный космологический принцип
- 6.6. Характер движения структур мира
- Глава 7. Основные закономерности микромира
- 7.1. Элементарные частицы
- 7.2. Корпускулярно-волновая природа микрообъектов
- 7.3. Концепция дополнительности
- 7.4. Вероятностный характер законов микромира. Концепции неопределенности и причинности
- 7.5. Электронная оболочка атома
- Глава 8. Концепции вещества и энергии
- 8.1. Многообразие форм материи
- 8.2. Вещество и его состояния
- 8.3. Энергия и ее проявления в природе
- 8.4. Законы сохранения в природе
- 8.5. Законы сохранения и принципы симметрии
- Глава 9. Состав, структура и взаимопревращения веществ
- 9.1. Концептуальные уровни в познании веществ
- 9.2. Состав вещества и химические системы
- 9.3. Структура вещества и его свойства
- 9.4. Химические процессы
- 9.5. Эволюция химических систем и перспективы химии
- Глава 10. Природа мегамира
- 10.1. Расстояния и размеры в мегамире
- 10.2. Земля как планета и природное тело
- 10.3. Состав и строение Солнечной системы
- 10.4. Солнце, звезды и межзвездная среда
- 10.5. Галактики
- Глава 11. Характер естествен нон ауч н ых закономерностей природы
- 11.1. Детерминизм процессов природы
- 11.2. Термодинамика и концепция необратимости
- 11.3. Проблема "тепловой смерти Вселенной"
- Глава 12. Происхождение и эволюция вселенной
- 12.1. Большой взрыв и расширяющаяся Вселенная
- 12.2. Начальная стадия Вселенной
- 12.3. Космологические модели Вселенной
- Глава 13. Происхождение и эволюция небесных тел, земли
- 13.1. Происхождение и эволюция галактик и звезд
- 13.2. Происхождение планет Солнечной системы
- 13.3. Происхождение и эволюция Земли
- 13.4. Космос и Земля
- Глава 14. Концепции происхождения жизни
- 14.1. Концепции происхождения жизни но Земле
- 14.2. Классификация уровней биологических структур и организация живых систем
- 14.3. Генная инженерия и биотехнология
- 14.4. Проблемы происхождения жизни во Вселенной
- Глава 15. Эволюция живой природы
- 15.1. Доказательства эволюции живого
- 15.2. Пути и причины эволюции живого
- 15.3. Эволюционная теория Дарвина
- 15.4. Современная теория органической эволюции
- 15.5. Синтетическая теория эволюции
- 15.6. Другие концепции эволюции живого
- Глава 16. Концепция происхождения и эволюции человека
- 16.1. Человек как предмет естественно-научного познания
- 16.2. Сходства и отличия человека от животных
- 16.3. Концепции появления человека на Земле. Антропология
- 16.4. Эволюция культуры человека. Социобиология
- 16.5. Проблемы поиска внеземных цивилизаций
- 16.6. Проблема связи с внеземными цивилизациями
- Глава 17. Человек
- 17.1. Физиология человека
- 17.2. Эмоции и творчество
- 17.3. Здоровье и работоспособность
- 17.4. Вопросы биомедицинской этики
- Глава 18. Учение о биосфере и экологии
- 18.1. Биосфера
- 18.2. Экология
- 18.3. Современные проблемы экологии
- 18.4. Ноосфера
- 18.5. Демографическая проблема
- Глава 19. Методы современного естествознания
- 19.1. Системный метод исследования
- 19.2. Кибернетика - наука о сложных системах
- 19.3. Методы математического моделирования
- 19.4. Математическое моделирование в экологии
- Глава 20. Самоорганизация в природе
- 20.1. Парадигма самоорганизации
- 20.2. Синергетика
- 20.3. Особенности эволюции неравновесных систем
- 20.4. Самоорганизация - источник и основа эволюции
- 20.5. Самоорганизация в различных видах эволюции
- Глава 21. Современное естествознание и будущее науки
- 21.1. Особенности современного этапа развития науки
- 21.2. Естествознание и мировоззрение
- 21.5. Общие закономерности современного естествознания
- 21.6. Современная естественно-научная картина мира и Человек
- 21.7. Особенности в развитии современной науки
- Литература
- 140010, Г. Люберцы Московской обл., Октябрьский пр-т, 403. Тел.: 554-21-86