DEFINÍCIA
Chemická reakcia sa nazýva transformácia látok, pri ktorých dochádza k zmene ich zloženia a (alebo) štruktúry.
Najčastejšie sa chemickými reakciami rozumie proces premeny počiatočných látok (činidiel) na konečné látky (výrobky).
Chemické reakcie sa píšu pomocou chemických rovníc obsahujúcich vzorce východiskových látok a reakčných produktov. Podľa zákona zachovania hmotnosti je počet atómov každého prvku na ľavej a pravej strane chemickej rovnice rovnaký. Zvyčajne sú vzorce východiskových látok napísané na ľavej strane rovnice a vzorce pre výrobky sú na pravej strane. Rovnosť počtu atómov každého prvku v ľavej a pravej strane rovnice sa dosiahne umiestnením celých stechiometrických koeficientov pred vzorce látok.
Chemické rovnice môžu obsahovať ďalšie informácie o vlastnostiach reakcie: teplota, tlak, žiarenie atď., Ktoré sú označené príslušným symbolom nad (alebo „pod“) znakom rovnosti.
Všetky chemické reakcie možno rozdeliť 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 kombinácie, rozkladu, substitúcie, výmeny.
Ako výsledok zložené reakcie jedna nová látka sa vytvorí z dvoch alebo viacerých (zložitých alebo jednoduchých) látok. Všeobecne bude rovnica pre takúto chemickú reakciu vyzerať takto:
Napríklad:
CaC03 + C02 + H20 = Ca (HCO3) 2
S03 + H20 = H2S04
2Mg + 02 = 2MgO.
2FеСl 2 + Сl 2 = 2FеСl 3
Reakcie zlúčeniny sú vo väčšine prípadov exotermické, t.j. pokračujte v uvoľňovaní tepla. Ak sú do reakcie zapojené jednoduché látky, potom sú takými reakciami najčastejšie redoxné reakcie (ORR), t.j. pokračovať v zmene oxidačných stavov prvkov. Nie je možné jednoznačne povedať, či reakcia zlúčeniny medzi komplexnými látkami patrí do OVR.
Reakcie, v dôsledku ktorých sa z jednej komplexnej látky vytvorí niekoľko ďalších nových látok (komplexných alebo jednoduchých), sa označujú ako rozkladné reakcie... Všeobecne bude rovnica pre reakciu chemického rozkladu vyzerať takto:
Napríklad:
CaCO 3 CaO + CO 2 (1)
2H20 = 2H2 + 02 (2)
CuSO 4 × 5H20 = CuSO4 + 5H20 (3)
Cu (OH) 2 = CuO + H20 (4)
H 2 SiO 3 = SiO 2 + H 2 O (5)
2SO 3 = 2SO 2 + 02 (6)
(NH4) 2Cr207 = Cr203 + N2 + 4H20 (7)
Väčšina rozkladných reakcií sa vyskytuje pri zahrievaní (1,4,5). Možný je 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. tieto reakcie nepatria do OVR. Reakcie rozkladu OVR zahŕňajú rozklad oxidov, kyselín a solí tvorených prvkami vo vyšších oxidačných stavoch (6).
Reakcie rozkladu sa nachádzajú aj v organickej chémii, ale pod inými názvami - cracking (8), dehydrogenation (9):
C18H38 = C9H18 + C9H20 (8)
C4H10 = C4H6 + 2H2 (9)
O substitučné reakcie jednoduchá látka interaguje s komplexnou látkou a vytvára novú jednoduchú a novú komplexnú látku. Všeobecne bude rovnica chemickej substitúcie vyzerať takto:
Napríklad:
2Al + Fe 2O 3 = 2Fе + Аl 2 О 3 (1)
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 (2)
2KBr + Cl2 = 2KCl + Br2 (3)
2KLO 3 + l 2 = 2 KlO 3 + Cl 2 (4)
CaCO 3 + SiO 2 = CaSiO 3 + CO 2 (5)
Ca 3 (PO 4) 2 + 3SiO 2 = 3CaSiO 3 + P205 (6)
CH4 + Cl2 = CH3CI + HCl (7)
Substitučné reakcie sú väčšinou redoxné reakcie (1 - 4, 7). Príklady rozkladných reakcií, pri ktorých nedochádza k žiadnym zmenám v oxidačných stavoch, je niekoľko (5, 6).
Výmenné reakcie nazývať reakcie, ktoré prebiehajú medzi komplexnými látkami, pri ktorých si vymieňajú svoje základné časti. Zvyčajne sa tento výraz používa pre reakcie zahŕňajúce ióny vo vodnom roztoku. Všeobecne bude rovnica reakcie chemickej výmeny vyzerať takto:
AB + CD = AD + CB
Napríklad:
CuO + 2HCl = CuCl2 + H20 (1)
NaOH + HCl = NaCl + H20 (2)
NaHC03 + HCl = NaCl + H20 + CO2 (3)
AgNO 3 + KBr = AgBr ↓ + KNO 3 (4)
СrСl 3 + ЗNаОН = Сr (ОН) 3 ↓ + ЗNаСl (5)
Metabolické reakcie nie sú redoxnými reakciami. Špeciálnym prípadom týchto výmenných reakcií sú neutralizačné reakcie (reakcie interakcie kyselín s zásadami) (2). Výmenné reakcie prebiehajú v smere, v ktorom je z reakčnej sféry odstránená najmenej jedna z látok vo forme plynnej látky (3), zrazeniny (4, 5) alebo nízko disociujúcej zlúčeniny, najčastejšie vody (1) , 2).
Klasifikácia chemických reakcií zmenami v oxidačných stavoch
V závislosti na zmene oxidačných stavov prvkov, ktoré tvoria činidlá a reakčné produkty, sa všetky chemické reakcie rozdelia na redox (1, 2) a prebiehajú bez zmeny oxidačného stavu (3, 4).
2 mg + CO 2 = 2 mg Mg + C (1)
Mg 0 - 2e = Mg 2+ (redukčné činidlo)
C 4+ + 4e = C 0 (oxidačné činidlo)
FeS 2 + 8 HNO 3 (konc.) = Fe (NO 3) 3 + 5NO + 2H 2 SO 4 + 2 H 2 O (2)
Fe 2+ -e = Fe 3+ (redukčné činidlo)
N 5+ + 3e = N 2+ (oxidačné činidlo)
AgNO 3 + HCl = AgCl ↓ + HNO 3 (3)
Ca (OH) 2 + H2S04 = CaSO4 ↓ + H20 (4)
Tepelná klasifikácia chemických reakcií
V závislosti od toho, či sa teplo (energia) počas reakcie uvoľňuje alebo absorbuje, sa všetky chemické reakcie zvyčajne delia na exo (1, 2) a endotermické (3). Množstvo tepla (energie) uvoľneného alebo absorbovaného počas reakcie sa nazýva tepelný účinok reakcie. Ak je množstvo uvoľneného alebo absorbovaného tepla uvedené v rovnici, potom sa tieto rovnice nazývajú termochemické.
N 2 + 3H 2 = 2NH3 +46,2 kJ (1)
2Mg + 02 = 2MgO + 602,5 kJ (2)
N 2 + O 2 = 2NO - 90,4 kJ (3)
Klasifikácia chemických reakcií podľa smeru reakcie
V smere reakcie sú reverzibilné (chemické procesy, ktorých produkty sú schopné vzájomnej reakcie za rovnakých podmienok, v akých boli získané, s tvorbou počiatočných látok) a nezvratné (chemické procesy, ktorých produkty nie sú schopné reagovať s navzájom s tvorbou počiatočných látok).
Pre reverzibilné reakcie je všeobecná rovnica obvykle napísaná takto:
A + B ↔ AB
Napríklad:
CH3COOH + C2H5OH↔ H3COOC2H5 + H20
Medzi príklady nevratných reakcií patria nasledujúce reakcie:
2KSlO 3 → 2KSl + 3O 2
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H20
Dôkazom nezvratnosti reakcie môže byť uvoľnenie plynnej látky, zrazeniny alebo nízko disociujúcej zlúčeniny, najčastejšie vody, ako reakčných produktov.
Klasifikácia chemických reakcií prítomnosťou katalyzátora
Z tohto hľadiska sa rozlišujú katalytické a nekatalytické reakcie.
Katalyzátor je látka, ktorá urýchľuje priebeh chemickej reakcie. Reakcie zahŕňajúce katalyzátory sa nazývajú katalytické. Niektoré reakcie sú všeobecne nemožné bez prítomnosti katalyzátora:
2H202 = 2H20 + 02 (katalyzátor MnO2)
Jeden z reakčných produktov často slúži ako katalyzátor, ktorý urýchľuje túto reakciu (autokatalytické reakcie):
MeO + 2HF = MeF2 + H20, kde Me je kov.
Príklady riešenia problémov
PRÍKLAD 1
Sonochémia je použitie ultrazvuku v chemických reakciách a procesoch. Fenomén akustickej kavitácie je mechanizmus, ktorý spôsobuje zvukovo-chemické účinky v kvapalinách.
Hielscherove ultrazvukové laboratórium a priemyselné prístroje sa používajú v širokej škále zvukových chemických procesov.
Zvukové chemické reakcie
Pri chemických reakciách a procesoch možno pozorovať tieto zvukovo-chemické účinky:
- Zvýšená rýchlosť reakcie
- Zvýšený výťažok reakcie
- Efektívnejšie využitie energie
- Zvukovo-chemické metódy prechodu z jednej reakcie na druhú
- Vylepšenie katalyzátora fázového prenosu
- Eliminácia katalyzátora fázového prenosu
- Použitie surových alebo technických reagencií
- Aktivácia kovov a pevných látok
- Zvyšovanie reaktivity činidiel alebo katalyzátorov ()
- Zlepšenie syntézy častíc
- Povlak nanočastíc
Ultrazvuková kavitácia v kvapalinách
Kavitácia znamená „vznik, rast a explozívne ničenie bublín v kvapaline. Kavitačná explózia produkuje intenzívne miestne vykurovanie (~ 5 000 K), vysoký tlak (~ 1 000 atm.), Obrovské rýchlosti ohrievania / ochladzovania (> 109 K / s.) A prúdy kvapalných lúčov (~ 400 km / h) "
Kavitačné bubliny sú vákuové bubliny. Vákuum je tvorené rýchlo sa pohybujúcim povrchom na jednej strane a inertnou kvapalinou na druhej strane. Výsledný pokles tlaku slúži tiež na prekonanie adhéznych síl v kvapaline. Kavitáciu je možné vyrobiť rôznymi spôsobmi, napríklad Venturiho dýzami, vysokotlakovými dýzami, vysokorýchlostnou rotáciou alebo ultrazvukovými meničmi. Vo všetkých týchto systémoch sa prichádzajúca energia premieňa na trenie, turbulencie, vlny a kavitáciu. Časť prichádzajúcej energie, ktorá sa transformuje na kavitáciu, závisí od niekoľkých faktorov charakterizujúcich pohyb zariadenia, ktoré vytvára kavitáciu v kvapaline.
Rýchlosť zrýchlenia je jedným z najdôležitejších faktorov ovplyvňujúcich účinnosť transformácie energie na kavitáciu. Vyššie zrýchlenie vytvára väčší pokles tlaku, čo zase zvyšuje pravdepodobnosť vytvárania vákuových bublín namiesto vĺn šíriacich sa kvapalinou. Čím väčšie je zrýchlenie, tým väčšia je časť energie, ktorá sa premení na kavitáciu. V prípade ultrazvukových senzorov je intenzita zrýchlenia charakterizovaná amplitúdou vibrácií. Vyššie amplitúdy vedú k efektívnejšej kavitácii. Priemyselné zariadenia spoločnosti Hielscher Ultrasonics môžu generovať amplitúdy až 115 mikrónov. Tieto vysoké amplitúdy umožňujú vysoký pomer prenosu energie, čo umožňuje vysoké hustoty energie až 100 W / cm3.
Okrem intenzity musí byť kvapalina urýchľovaná tak, aby sa vytvorili minimálne straty z hľadiska turbulencie, trenia a tvorby vĺn. Z tohto dôvodu bude najlepším spôsobom jednosmerný smer pohybu. Ultrazvuk sa používa kvôli svojim nasledujúcim akciám:
- príprava aktivovaných kovov redukciou solí kovov
- tvorba aktivovaných kovov pôsobením ultrazvuku
- zvukovo-chemická syntéza častíc zrážaním oxidov kovov (Fe, Cr, Mn, Co), napríklad na použitie ako katalyzátory
- impregnácia kovov alebo halogenidov kovov na podkladoch
- príprava roztokov aktivovaných kovov
- reakcie zahŕňajúce kovy prostredníctvom miestnej tvorby organických látok
- reakcie zahŕňajúce nekovové pevné látky
- kryštalizácia a zrážanie kovov, zliatin, zeolitov a iných pevných látok
- zmena povrchovej morfológie a veľkosti častíc v dôsledku vysokorýchlostných zrážok častíc navzájom
- tvorba amorfných nanostrukturovaných materiálov vrátane prechodných kovov, zliatin, karbidov, oxidov a koloidov s veľkým povrchom
- zväčšenie kryštálov
- vyrovnanie a odstránenie povlakov z pasivujúcich oxidov
- mikromanipulácia (rozdelenie na frakcie) malých častíc
- príprava koloidov (Ag, Au, Q-rozmerný CdS)
- zahrnutie hosťujúcich molekúl do pevných látok s anorganickou vrstvou
- sonochémia polymérov
- degradácia a modifikácia polymérov
- syntéza polymérov
- sonolýza organických znečisťujúcich látok vo vode
Zvukovo-chemické zariadenie
Väčšina z uvedených zvukovo-chemických procesov môže byť prispôsobená na prevádzku s priamym tokom. Radi vám pomôžeme s výberom zvukového chemického zariadenia pre vaše potreby. Na výskum a testovanie procesov odporúčame používať naše laboratórne prístroje alebo zariadenia
Neuveriteľné fakty
Molekulárny materiál v našom každodennom živote je tak predvídateľný, že často zabúdame, aké úžasné veci sa môžu stať so základnými prvkami.
Aj vo vnútri nášho tela prebieha veľa úžasných chemických reakcií.
Tu je niekoľko zábavných a pôsobivých chemických a fyzikálnych reakcií vo forme GIF, ktoré vám pripomenú kurz chémie.
Chemické reakcie
1. „Faraónov had“ - rozpad tiokyanátu ortuťnatého
Spaľovanie tiokyanátu ortuťového spôsobuje jeho rozklad na ďalšie tri chemikálie. Tieto tri chemikálie sa zase rozkladajú na ďalšie tri látky, čo vedie k nasadeniu obrovského „hada“.
2. Horiaci zápas
Hlava zápalky obsahuje červený fosfor, síru a bertholletovu soľ. Teplo generované fosforom rozkladá soľ bertholletu a uvoľňuje kyslík v procese. Kyslík v kombinácii so sírou produkuje krátkodobý plameň, ktorý používame napríklad na zapálenie sviečky.
3. Oheň + vodík
Plynný vodík je ľahší ako vzduch a môže sa zapáliť plameňom alebo iskrou, čo vedie k veľkolepej explózii. To je dôvod, prečo sa hélium dnes na naplnenie balónov používa bežnejšie ako vodík.
4. Ortuť + hliník
Ortuť preniká do ochrannej oxidovej vrstvy (hrdze) hliníka a spôsobuje jeho hrdzavenie oveľa rýchlejšie.
Príklady chemických reakcií
5. Hadí jed + krv
Jedna kvapka jedu zmije zachytená v Petriho miske s krvou spôsobí, že sa stočí do hustej hrudky. To sa deje v našom tele, keď nás uhryzne jedovatý had.
6. Železo + roztok síranu meďnatého
Železo nahrádza v roztoku meď a premieňa síran meďnatý na síran železitý. Čistá meď sa zhromažďuje na železe.
7. Zapálenie nádoby s plynom
8. Chlórová tableta + lekársky alkohol v uzavretej fľaši
Reakcia vedie k zvýšeniu tlaku a končí prasknutím zásobníka.
9. Polymerizácia p-nitroanilínu
Na GIF sa pridá niekoľko kvapiek koncentrovanej kyseliny sírovej k pol čajovej lyžičke p-nitroanilínu alebo 4-nitroanilínu.
10. Krv v peroxide vodíka
Enzým v krvi nazývaný kataláza prevádza peroxid vodíka na vodu a plynný kyslík a vytvára penu kyslíkových bublín.
Chemické pokusy
11. Gálium v horúcej vode
Gálium, ktoré sa používa hlavne v elektronike, má teplotu topenia 29,4 stupňov Celzia, čo znamená, že sa bude topiť vo vašich rukách.
12. Pomalý prechod modifikácie beta-cínu na alfa
Za nízkych teplôt sa beta alotrop cínu (striebro, kov) spontánne transformuje na alfa alotrop (sivý, práškový).
13. Polyakrylát sodný + voda
Polyakrylát sodný - rovnaký materiál, aký sa používa v detských plienkach, pôsobí ako špongia a absorbuje vlhkosť. Po zmiešaní s vodou sa zlúčenina zmení na tuhý gél a voda už nie je tekutá a nemožno ju vylievať.
14. Plynový radón 220 vstreknutý do hmlovej komory
Stopy v tvare V sú dôsledkom dvoch alfa častíc (jadrá hélia-4), ktoré sa uvoľňujú, keď sa radón rozpadne na polónium a potom vedú.
Domáce chemické pokusy
15. Hydrogélové gule a zafarbená voda
V tomto prípade funguje difúzia. Hydrogél je polymérny granulát, ktorý veľmi dobre absorbuje vodu.
16. Acetón + polystyrén
Polystyrénová pena sa skladá z expandovaného polystyrénu, ktorý po rozpustení v acetóne uvoľňuje vzduch do peny, takže vyzerá, akoby ste rozpúšťali veľké množstvo materiálu v malom množstve kvapaliny.
17. Suchý ľad + kvapalina na umývanie riadu
Suchý ľad umiestnený vo vode vytvára oblak, zatiaľ čo čistiaci prostriedok na umývanie riadu vo vode zachytáva oxid uhličitý a vodnú paru v bubline.
18. Kvapka čistiaceho prostriedku pridaného do mlieka s potravinárskymi farbami
Mlieko je väčšinou voda, ale obsahuje aj vitamíny, minerály, bielkoviny a malé kvapôčky tuku suspendované v roztoku.
Čistiaci prostriedok na umývanie riadu uvoľňuje chemické väzby, ktoré udržujú bielkoviny a tuky v roztoku. Molekuly tuku sa zmätia, keď sa molekuly mydla ponáhľajú spojiť s molekulami tuku, kým sa roztok rovnomerne nezmieša.
19. „Slonia zubná pasta“
Kvasinky a teplá voda sa nalejú do nádoby naplnenej saponátom, peroxidom vodíka a potravinárskymi farbami. Kvasinky katalyzujú uvoľňovanie kyslíka z peroxidu vodíka a vytvárajú veľa bublín. Vďaka tomu vzniká exotermická reakcia s tvorbou peny a uvoľňovaním tepla.
Chemické experimenty (video)
20. Vyhorenie žiarovky
Volfrámové vlákno sa pretrhne a spôsobí elektrický skrat, ktorý spôsobí jeho rozsvietenie.
21. Feromagnetická kvapalina v sklenenej nádobe
Ferrofluid je kvapalina, ktorá je v prítomnosti magnetického poľa vysoko magnetizovaná. Používa sa v pevných diskoch a strojárstve.
Ďalšia feromagnetická kvapalina.
22. Jód + hliník
Oxidácia jemne rozptýleného hliníka nastáva vo vode a vytvára tmavo fialové pary.
23. Rubídium + voda
Rubídium veľmi rýchlo reaguje s vodou za vzniku hydroxidu rubídneho a plynného vodíka. Reakcia je taká rýchla, že ak by sa uskutočnila v sklenenej nádobe, mohla by sa zlomiť.
Odošlite svoju dobrú prácu do znalostnej bázy je jednoduché. Použite nasledujúci formulár
Študenti, doktorandi, mladí vedci, ktorí využívajú vedomostnú základňu pri štúdiu a práci, vám budú veľmi vďační.
Zverejnené dňa http://www.allbest.ru/
- Úvod
- 1. Pojem zvuk. Zvukové vlny
- 1.1 Študijný odbor zvukových účinkov na chemické procesy
- 1.2 Metódy zvukovej chémie
- 2. Použitie infrazvuku ako metódy intenzifikácie procesy chemickej technológie
- 3. Použitie ultrazvuku ako spôsobu na zintenzívnenie chemických procesov
- Záver
- Úvod
- Dvadsiate prvé storočie je storočím bio- a nanotechnológií, univerzálnej informatizácie, elektroniky, infrazvuku a ultrazvuku. Ultrazvuk a infrazvuk predstavujú vlnovitý šíriaci sa oscilačný pohyb častíc média a vyznačujú sa mnohými charakteristickými znakmi v porovnaní s osciláciami počuteľného rozsahu. V ultrazvukovom frekvenčnom rozsahu je pomerne 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 pevných látkach vytvárajú zvukové vibrácie jedinečné javy, z ktorých mnohé našli praktické uplatnenie v rôznych oblastiach vedy a techniky, objavili sa desiatky vysoko efektívnych zvukových technológií šetriacich zdroje. V posledných rokoch začalo v priemysle a výskume hrať čoraz väčšiu úlohu použitie zvukových vibrácií. Úspešne sa uskutočnili teoretické a experimentálne štúdie v oblasti ultrazvukovej kavitácie a akustických tokov, ktoré umožnili vyvinúť nové technologické procesy, ktoré nastávajú pri pôsobení ultrazvuku v kvapalnej fáze.
- V súčasnosti sa formuje nový smer chémie - sonická chémia, ktorá umožňuje urýchliť mnoho chemicko-technologických procesov a získať nové látky, spolu s teoretickými a experimentálnymi štúdiami v oblasti zvukovo-chemických reakcií bolo vykonaných mnoho praktických prác uskutočnené. Vývoj a aplikácia zvukových technológií v súčasnosti otvára nové vyhliadky pri vytváraní nových látok a materiálov, pri udeľovaní nových vlastností známym materiálom a médiám, a preto si vyžaduje pochopenie javov a procesov prebiehajúcich pri pôsobení ultrazvuku a infrazvuku, možnosti nových technológií a perspektívy ich uplatnenia.
- 1. Pojem zvuk. Zvukové vlny
Zvuk je fyzikálny jav, ktorým je šírenie mechanických vibrácií vo forme elastických vĺn v pevnom, kvapalnom alebo plynnom prostredí. V užšom zmysle slova zvuk znamená tieto vibrácie, ktoré sa berú do úvahy v súvislosti s tým, ako ich vnímajú zmyslové orgány zvierat a ľudí.
Ako každá vlna, aj zvuk sa vyznačuje amplitúdovým a frekvenčným spektrom. Priemerný človek je schopný počuť zvukové vibrácie vo frekvenčnom rozsahu od 16-20 Hz do 15-20 kHz. Zvuk pod dosahom ľudského sluchu sa nazýva infrazvuk; vyššie: do 1 GHz - ultrazvuk, od 1 GHz - hypersound. Hlasitosť zvuku závisí komplexne od efektívneho akustického tlaku, frekvencie a formy vibrácií a výška zvuku závisí nielen od frekvencie, ale aj od veľkosti zvukového tlaku.
Zvukové vlny vo vzduchu sú striedajúcimi sa oblasťami kompresie a zriedenia. Zvukové vlny sú príkladom oscilačného procesu. Akákoľvek oscilácia je spojená s narušením rovnovážneho stavu systému a je vyjadrená odchýlkou jeho charakteristík od rovnovážnych hodnôt s následným návratom k pôvodnej hodnote. Pre zvukové vibrácie je touto charakteristikou tlak v bode média a jeho odchýlkou je zvukový tlak.
Ak prudko posuniete častice elastického média na jednom mieste, napríklad pomocou piestu, potom sa na tomto mieste zvýši tlak. Vďaka elastickým väzbám častíc sa tlak prenáša na susedné častice, ktoré naopak pôsobia na ďalšie a oblasť zvýšeného tlaku sa zdá, že sa pohybuje v elastickom prostredí. Za oblasťou so zvýšeným tlakom nasleduje oblasť so zníženým tlakom, a tak sa vytvorí rad striedajúcich sa oblastí kompresie a depresie, ktoré sa v médiu šíria vo forme vlny. V tomto prípade bude každá častica elastického média kmitať.
Obrázok 1 - Pohyb častíc počas šírenia vlny a) pohyb stredných častíc počas šírenia pozdĺžnej vlny; b) pohyb častíc média počas šírenia priečnej vlny.
Obrázok 2 - Charakteristiky oscilačného procesu
V kvapalných a plynných médiách, kde nedochádza k významným výkyvom hustoty, majú akustické vlny pozdĺžny charakter, to znamená, že smer vibrácií častíc sa zhoduje so smerom pohybu vlny. 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 vĺn. Rýchlosť šírenia pozdĺžnych vĺn je oveľa vyššia ako rýchlosť šírenia strihových vĺn.
1.1 Študijný odbor zvukových účinkov na chemické procesy
Odvetvie chémie, ktoré študuje interakciu silných akustických vĺn a výsledné chemické a fyzikálno-chemické účinky, sa nazýva zvuková chémia (sonochémia). Zvuková chémia skúma kinetiku a mechanizmus zvukových chemických reakcií prebiehajúcich v objeme zvukového poľa. Do oblasti zvukovej chémie patria aj niektoré fyzikálno-chemické procesy vo zvukovom poli: sonoluminiscencia, disperzia látky pôsobením zvuku, emulgácia a ďalšie koloidno-chemické procesy. Sonoluminiscencia je jav záblesku svetla, keď sa zrútia kavitačné bubliny generované v kvapaline silnou ultrazvukovou vlnou. Typický experiment na pozorovaní sonoluminiscencie je nasledovný: rezonátor sa vloží do nádoby s vodou a vytvorí sa v nej stojatá sférická ultrazvuková vlna. Pri dostatočnom ultrazvukovom výkone sa v samom strede nádrže objaví zdroj jasného bodu modrastého svetla - zvuk sa zmení na svetlo. Sonochémia sa zameriava na štúdium chemických reakcií, ktoré sa vyskytujú pod vplyvom akustických vibrácií - zvukových chemických reakcií.
Zvukovo-chemické procesy sa spravidla skúmajú v ultrazvukovom rozsahu (od 20 kHz do niekoľkých MHz). Zvukové vibrácie v rozsahu kilohertzov a infrazvukového rozsahu sa študujú oveľa menej často.
Zvuková chémia skúma procesy kavitácie. Kavitamácia (z lat. Cavita - prázdnota) je proces odparovania a následnej kondenzácie parných bublín v prúde kvapaliny, sprevádzaný hlukom a hydraulickými nárazmi, tvorbou dutín (kavitačné bubliny alebo kaverny) v kvapaline naplnených parou samotnej kvapaliny, v ktorej sa vyskytuje. Kavitácia nastáva v dôsledku lokálneho poklesu tlaku v kvapaline, ku ktorému môže dôjsť buď zvýšením jeho rýchlosti (hydrodynamická kavitácia), alebo prechodom vysoko intenzívnej akustickej vlny počas polpermódy zriedenia (akustická kavitácia); existujú aj ďalšie príčiny účinku. Pri pohybe s prúdom do oblasti s vyšším tlakom alebo počas polovičnej doby stlačenia sa kavitačná bublina zrúti a súčasne emituje rázovú vlnu.
1.2 Metódy zvukovej chémie
Na štúdium zvukovo-chemických reakcií sa používajú tieto metódy: reverzný piezoelektrický jav a účinok magnetostrikcie na generovanie vysokofrekvenčných zvukových vibrácií v kvapaline, analytická chémia na štúdium produktov zvukovo-chemických reakcií, reverzný piezoelektrický efekt - výskyt mechanických deformácií pôsobením elektrického poľa (používa sa v akustických žiaričoch, v systémoch mechanické pohyby - aktivátory).
Magnetostrikcia je jav, pri ktorom sa mení stav magnetizácie tela, mení sa jeho objem a lineárne rozmery (používajú sa na generovanie ultrazvuku a hyperzvuku).
Infrazvuk - zvukové vlny s frekvenciou nižšou, než akú vníma ľudské ucho. Pretože ľudské ucho je zvyčajne schopné počuť zvuky vo frekvenčnom rozsahu 16 - 20 000 000 Hz, za hornú hranicu frekvenčného rozsahu infrazvuku sa zvyčajne považuje 16 Hz, zatiaľ čo dolná hranica infrazvukového rozsahu je obvykle definovaná ako 0,001 Hz. .
Infrazvuk má množstvo funkcií spojených s nízkou frekvenciou vibrácií elastického média: má oveľa väčšie amplitúdy vibrácií; vo vzduchu sa šíri oveľa ďalej, pretože jeho absorpcia v atmosfére je zanedbateľná; vykazuje fenomén difrakcie, v dôsledku čoho ľahko preniká do miestností a ohýba sa okolo prekážok, ktoré bránia počuteľným zvukom; vibruje veľké predmety v dôsledku rezonancie.
vlnová ultrazvuková chemická kavitácia
2. Použitie infrazvuku ako metódy na zintenzívnenie chemických technologických procesov
V tomto prípade sa fyzikálny účinok na chemické reakcie vykonáva v infrazvukových zariadeniach,- zariadenia, v ktorých sa nízkofrekvenčné akustické vibrácie používajú na zintenzívnenie technologických procesov v kvapalných médiách (v skutočnosti infrazvukové frekvencie do 20 Hz, zvukové frekvencie do 100 Hz). Oscilácie sa vytvárajú priamo v médiu, ktoré sa má spracovať, pomocou flexibilných žiaričov rôznych konfigurácií a tvarov alebo tuhých kovových piestov spojených so stenami technologických nádob pomocou elastických prvkov (napr. Gumy). To umožňuje zmierniť steny infrazvukového prístroja od kmitov zdroja, významne znížiť ich vibrácie a hladinu hluku v priemyselných objektoch. Oscilácie s veľkými amplitúdami (od jednotiek do desiatok mm) sú v infrazvukových prístrojoch budené.
Nízka absorpcia infrazvuku pracovným médiom a možnosť jeho zladenia s oscilačným žiaričom (výber vhodných parametrov zdroja) a rozmery zariadení (na spracovanie daných objemov kvapaliny) však umožňujú predĺžiť nelineárne vlnové efekty vznikajúce pôsobením infrazvuku na veľké technologické objemy. Z tohto dôvodu sa infrazvukové prístroje zásadne líšia od ultrazvukových, v ktorých sa kvapaliny spracúvajú v malom objeme.
V infrazvukových zariadeniach sa realizujú nasledujúce fyzikálne efekty (jeden alebo viac súčasne): kavitácia, striedavý prúd s vysokou amplitúdou a tlak žiarenia (zvukové žiarenie), striedavé prietoky tekutín, akustické toky (zdravý vietor), odplynenie kvapaliny a tvorba mnohých plynov. bubliny a ich rovnovážné vrstvy v nej., fázový posun oscilácií medzi suspendovanými časticami a kvapalinou. Tieto účinky významne urýchľujú redoxné, elektrochemické a iné reakcie, zosilňujú sa 2-4-násobkom priemyselných procesov miešania, filtrovania, rozpúšťania a disperzie pevných látok v kvapalinách, oddeľovania, klasifikácie a dehydratácie suspenzií, ako aj čistenia častí a mechanizmov atď. ...
Použitie infrazvuku umožňuje niekoľkokrát znížiť špecifickú spotrebu energie a kovov a celkové rozmery prístroja, ako aj spracovávať kvapaliny priamo v toku počas ich prepravy potrubím, čo vylučuje inštaláciu miešačiek a iných zariadení.
Obrázok 3 - Infrazvukové zariadenie na miešanie suspenzií: 1 - membránový oscilátor; 2 - modulátor stlačeného vzduchu; 3 - bootovacie zariadenie; 4 - kompresor
Jednou z najrozšírenejších oblastí aplikácie infrazvuku je miešanie v suspenzii napríklad pomocou trubicových infrazvukových zariadení. Takýto stroj pozostáva z jedného alebo viacerých sériovo zapojených hydropneumatických žiaričov a plniaceho zariadenia.
3. Využitie ultrazvuku na zosilnenie chemických procesov
Ultrazvuk mk - zvukové vlny, ktorých frekvencia je vyššia ako frekvencia vnímaná ľudským uchom, sa ultrazvukom zvyčajne rozumejú frekvencie nad 20 000 Hertzov. Vysokofrekvenčné vibrácie používané v priemysle sa zvyčajne vytvárajú pomocou piezokeramických prevodníkov. V prípadoch, keď má primárny význam sila ultrazvukových vibrácií, sa používajú mechanické zdroje ultrazvuku.
Účinok ultrazvuku na chemické a fyzikálno-chemické procesy prebiehajúce v kvapaline zahŕňa: iniciáciu niektorých chemických reakcií, zmenu rýchlosti a niekedy aj smeru reakcií, výskyt kvapalnej žiary (sonoluminiscencia), tvorbu rázových vĺn v kvapaline , emulgácia nemiešateľných kvapalín a koalescencia (fúzne častice vo vnútri pohybujúceho sa média alebo na povrchu tela) emulzie, disperzia (jemné mletie pevných látok alebo kvapalín) pevných látok a koagulácia (spojenie malých rozptýlených častíc do veľkých agregátov) pevných častíc v kvapalina, odplynenie kvapaliny atď. Na implementáciu technologických procesov sa používajú ultrazvukové prístroje.
Vplyv ultrazvuku na rôzne procesy súvisí s kavitáciou (vznik dutín (kavitačných bublín) naplnených plynom, parou alebo ich zmesou v kvapaline počas prechodu akustickej vlny).
Chemické reakcie, ktoré prebiehajú v kvapaline pôsobením ultrazvuku (zvukovo-chemické reakcie), možno podmienečne rozdeliť na: a) redox, 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 radikálnymi produktmi rozkladu vody, ale niektorou ďalšou látkou disociujúcou v kavitačnej bubline, napríklad izomerizáciou kyseliny maleínovej na kyselinu fumarovú pôsobením Br, ktorá vzniká v dôsledku zvukovo-chemickej disociácie.
d) Reakcie zahŕňajúce makromolekuly. Pre tieto reakcie je dôležitá nielen kavitácia a súvisiace nárazové vlny a kumulatívne trysky, ale aj mechanické sily, ktoré rozdeľujú molekuly. Výsledné makroradikálové látky v prítomnosti monoméru sú schopné iniciovať polymerizáciu.
e) Začiatok výbuchu v kvapalných a tuhých výbušninách.
f) Reakcie v kvapalných nevodných systémoch, napríklad pyrolýza a oxidácia uhľovodíkov, oxidácia aldehydov a alkoholov, alkylácia aromatických zlúčenín atď.
Hlavnou energetickou charakteristikou zvukovo-chemických reakcií je energetický výnos, ktorý je vyjadrený počtom molekúl produktu vytvorených na úkor 100 eV absorbovanej energie. Energetický výťažok produktov redoxných reakcií zvyčajne nepresahuje niekoľko jednotiek a pri reťazových reakciách dosahuje niekoľko tisíc.
Pri pôsobení ultrazvuku sa pri mnohých reakciách môže rýchlosť zvýšiť niekoľkonásobne (napríklad pri reakciách hydrogenácie, izomerizácie, oxidácie atď.), Niekedy sa súčasne zvyšuje aj výťažok.
Je dôležité vziať do úvahy vplyv ultrazvuku na vývoj a implementáciu rôznych technologických procesov (napríklad pri vystavení vode, v ktorej je rozpustený vzduch, sa tvoria oxidy dusíka a), pochopiť procesy sprevádzajúce absorpciu zvuku v médiách.
Záver
V súčasnosti sú zvukové vibrácie v priemysle veľmi rozšírené, čo je sľubný technologický faktor, ktorý v prípade potreby umožňuje prudko zintenzívniť výrobné procesy.
Použitie silného ultrazvuku v technologických procesoch na výrobu a spracovanie materiálov a látok umožňuje:
Znížiť náklady na proces alebo výrobok,
Prijímať nové výrobky alebo zlepšovať kvalitu existujúcich,
Zintenzívniť tradičné technologické procesy alebo stimulovať implementáciu nových,
Prispieť k zlepšeniu situácie v životnom prostredí znížením agresivity procesných tekutín.
Je však potrebné poznamenať, že ultrazvuk má mimoriadne nepriaznivý vplyv na živé organizmy. Na zníženie týchto účinkov sa odporúča umiestniť ultrazvukové inštalácie do osobitných miestností s využitím systémov diaľkového ovládania technologických procesov. Automatizácia týchto inštalácií je veľmi efektívna.
Ekonomickejším spôsobom ochrany pred expozíciou ultrazvuku je použitie zvukovoizolačných puzdier, ktoré zakrývajú ultrazvukové inštalácie alebo clony umiestnené v ceste šírenia ultrazvuku. Tieto clony 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); štúdium. manuál pre chem. a chemický technológ. Špeciality univerzít / M.A. Margulis. M.: Vyššia škola, 1984,272 s.
2. Suslisk K.S. Ultrazvuk. Jeho chemické, fyzikálne a biologické účinky. Vyd.: VCH, N. Y., 336 s.
3. Kardašev G.A. Fyzikálne metódy intenzifikácie procesov chemickej technológie. Moskva: Chemistry, 1990, 208 s.
5. Luminiscencia
6. Ultrazvuk
Zverejnené na Allbest.ru
Podobné dokumenty
Chemicko-technologické procesy. Vypracovanie schémy chemicko-technologického procesu. Kritériá optimalizácie. Topologická metóda a CTS. Pojmy a definície teórie grafov. Parametre technologického režimu prvkov systému chladenia. Štúdium stochastických procesov.
prednáška, pridané 18. 2. 2009
Teória chemických procesov v organickej syntéze. Riešenie: keď je benzén alkylovaný propylénom v prítomnosti akýchkoľvek katalyzátorov, sú atómy vodíka postupne nahradené tvorbou zmesi produktov rôzneho stupňa alkylácie.
semestrálna práca, pridané 1. 4. 2009
Organická syntéza ako odvetvie chémie, predmet a metódy jej štúdia. Podstata procesov alkylácie a acylácie, charakteristické reakcie a princípy toku. Opis kondenzačných reakcií. Charakteristika, významnosť reakcií nitrácie, halogenácie.
prednáška, pridané 28.12.2009
Fázy štúdia procesov spaľovania a výbuchov. Hlavné typy výbuchov, ich klasifikácia podľa typu chemických reakcií a hustoty látky. Dekompozičné reakcie, redoxné reakcie, polymerizácia, izomerizácia a kondenzácia, zmesi na základe výbuchov.
abstrakt, pridané 06.06.2011
Úprava priemyselnej vody. Komplex operácií na čistenie vody. Homogénne a heterogénne nekatalytické procesy v kvapalnej a plynnej fáze, ich vzorce a metódy intenzifikácie. Porovnanie rôznych typov chemických reaktorov.
prednáška pridaná 29.03.2009
Metódy získavania farbív. Získanie sulfanylátu sodného syntézou. Vlastnosti suroviny a výsledného produktu. Výpočet chemicko-technologických procesov a zariadení. Matematický popis chemickej metódy výroby sulfanilátu sodného.
diplomová práca, pridané 21.10.2013
Pojem a výpočet rýchlosti chemických reakcií, ich vedecký a praktický význam a použitie. Formulácia zákona pôsobiacich más. Faktory ovplyvňujúce rýchlosť chemických reakcií. Príklady reakcií prebiehajúcich v homogénnych a heterogénnych systémoch.
prezentácia pridaná 30. 4. 2012
Koncepcia a podmienky prechodu chemických reakcií. Charakterizácia reakcií zlúčeniny, rozklad, substitúcia, výmena a ich použitie v priemysle. Redoxné reakcie v srdci metalurgie, podstata valencie, typy transesterifikácie.
abstrakt, pridané 27.01.2012
Dôležitosť vody pre chemický priemysel. Príprava vody pre priemyselné procesy. Katalytické procesy, ich klasifikácia. Vplyv katalyzátora na rýchlosť chemických technologických procesov. Materiálová bilancia pece na spaľovanie síry.
test, pridané 18. 1. 2014
Mechanizmy pôsobenia ultrazvuku na chemické reakcie. Berúc to do úvahy pri vývoji a implementácii technologických procesov. Technológie implementované pomocou ultrazvuku. Presné čistenie a odmasťovanie. Odplynenie taveniny a zváranie polymérov a kovov.