DEFINICIJA
Kemijska reakcija imenujemo transformacija snovi, pri kateri pride do spremembe njihove sestave in (ali) strukture.
Najpogosteje se kemijske reakcije razumejo kot proces pretvorbe začetnih snovi (reagentov) v končne snovi (produkte).
Kemijske reakcije so zapisane s kemičnimi enačbami, ki vsebujejo formule izhodnih materialov in reakcijskih produktov. Po zakonu o ohranjanju mase je število atomov vsakega elementa v levi in desni strani kemične enačbe enako. Običajno so formule izhodnih snovi zapisane na levi strani enačbe, formule produktov pa na desni. Enakost števila atomov posameznega elementa v levem in desnem delu enačbe dosežemo tako, da se pred formule snovi postavijo celi stehiometrični koeficienti.
Kemijske enačbe lahko vsebujejo dodatne informacije o značilnostih reakcije: temperaturi, tlaku, sevanju itd., kar je označeno z ustreznim simbolom nad (ali "pod") znakom enakosti.
Vse kemijske reakcije lahko razvrstimo v več razredov, ki imajo določene značilnosti.
Razvrstitev kemijskih reakcij glede na število in sestavo začetnih in nastalih snovi
Po tej klasifikaciji se kemijske reakcije delijo na reakcije kombinacije, razgradnje, substitucije, izmenjave.
Kot rezultat spojine reakcije iz dveh ali več (kompleksnih ali enostavnih) snovi nastane ena nova snov. Na splošno bo enačba za takšno kemično reakcijo videti takole:
Na primer:
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
Kombinacijske reakcije so v večini primerov eksotermne, t.j. teče s sproščanjem toplote. Če so v reakciji vključene preproste snovi, so takšne reakcije največkrat redoks (ORD), tj. se pojavijo s spremembo oksidacijskih stanj elementov. Nemogoče je nedvoumno reči, ali je reakcijo spojine med kompleksnimi snovmi mogoče pripisati OVR.
Reakcije, pri katerih iz ene kompleksne snovi nastane več drugih novih snovi (kompleksnih ali preprostih), so razvrščene kot reakcije razgradnje. Na splošno bo enačba za reakcijo kemične razgradnje videti tako:
Na primer:
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)
Večina reakcij razgradnje poteka s segrevanjem (1,4,5). Možna je razgradnja z električnim tokom (2). Razgradnja kristalnih hidratov, kislin, baz in soli kislin, ki vsebujejo kisik (1, 3, 4, 5, 7), poteka brez spreminjanja oksidacijskih stanj elementov, t.j. te reakcije ne veljajo za OVR. Reakcije razgradnje OVR vključujejo razgradnjo oksidov, kislin in soli, ki jih tvorijo elementi v višjih oksidacijskih stanjih (6).
Reakcije razgradnje najdemo tudi v organski kemiji, vendar pod drugimi imeni - kreking (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)
Pri substitucijske reakcije preprosta snov sodeluje s kompleksno in tvori novo preprosto in novo kompleksno snov. Na splošno bo enačba za reakcijo kemične substitucije videti tako:
Na primer:
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)
Substitucijske reakcije so večinoma redoks reakcije (1 - 4, 7). Primerov razgradnih reakcij, pri katerih ni sprememb oksidacijskih stanj, je malo (5, 6).
Reakcije izmenjave imenujemo reakcije, ki potekajo med kompleksnimi snovmi, pri katerih si izmenjujejo svoje sestavne dele. Običajno se ta izraz uporablja za reakcije, ki vključujejo ione v vodni raztopini. Na splošno bo enačba za reakcijo kemične izmenjave videti tako:
AB + CD = AD + CB
Na primer:
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 izmenjave niso redoks. Poseben primer teh reakcij izmenjave so nevtralizacijske reakcije (reakcije interakcije kislin z alkalijami) (2). Izmenjevalne reakcije potekajo v smeri, ko se vsaj ena od snovi odstrani iz reakcijske krogle v obliki plinaste snovi (3), oborine (4, 5) ali slabo disociacijske spojine, največkrat vode (1, 2). ).
Razvrstitev kemijskih reakcij glede na spremembe v oksidacijskih stanjih
Glede na spremembo oksidacijskih stanj elementov, ki sestavljajo reaktante in reakcijske produkte, se vse kemijske reakcije delijo na redoks (1, 2) in tiste, ki potekajo brez spreminjanja oksidacijskega 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)
Razvrstitev kemijskih reakcij glede na toplotni učinek
Glede na to, ali se med reakcijo toplota (energija) sprosti ali absorbira, so vse kemične reakcije pogojno razdeljene na ekso - (1, 2) in endotermne (3). Količina toplote (energije), ki se sprosti ali absorbira med reakcijo, se imenuje toplota reakcije. Če enačba kaže količino sproščene ali absorbirane toplote, se takšne enačbe imenujejo termokemične.
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)
Razvrstitev kemijskih reakcij glede na smer reakcije
Glede na smer reakcije so reverzibilni (kemični procesi, katerih produkti lahko reagirajo med seboj pod enakimi pogoji, v katerih nastanejo, s tvorbo izhodnih snovi) in ireverzibilni (kemični procesi, katerih produkti med seboj ne morejo reagirati s tvorbo izhodnih snovi).
Za reverzibilne reakcije je enačba v splošni obliki običajno zapisana na naslednji način:
A + B ↔ AB
Na primer:
CH 3 COOH + C 2 H 5 OH ↔ H 3 COOS 2 H 5 + H 2 O
Primeri ireverzibilnih reakcij so naslednje reakcije:
2KSlO 3 → 2KSl + ZO 2
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O
Dokaz o ireverzibilnosti reakcije lahko služijo kot reakcijski produkti plinaste snovi, oborine ali nizko disociirajoče spojine, največkrat vode.
Razvrstitev kemijskih reakcij glede na prisotnost katalizatorja
S tega vidika ločimo katalitične in nekatalitične reakcije.
Katalizator je snov, ki pospeši kemično reakcijo. Reakcije, ki vključujejo katalizatorje, se imenujejo katalitične. Nekatere reakcije so na splošno nemogoče brez prisotnosti katalizatorja:
2H 2 O 2 \u003d 2H 2 O + O 2 (katalizator MnO 2)
Pogosto eden od reakcijskih produktov služi kot katalizator, ki pospešuje to reakcijo (avtokatalitične reakcije):
MeO + 2HF \u003d MeF 2 + H 2 O, kjer je Me kovina.
Primeri reševanja problemov
PRIMER 1
Sonokemija je uporaba ultrazvoka v kemičnih reakcijah in procesih. Mehanizem, ki povzroča zvočno-kemične učinke v tekočinah, je pojav akustične kavitacije.
Hielscherjev ultrazvočni laboratorij in industrijske naprave se uporabljajo v številnih zvočno-kemičnih procesih.
Zvočne kemične reakcije
Pri kemičnih reakcijah in procesih je mogoče opaziti naslednje sonokemične učinke:
- Povečanje hitrosti reakcije
- Povečanje izkoristka reakcije
- Učinkovitejša raba energije
- Zvočno-kemijske metode za prehod iz ene reakcije v drugo
- Izboljšanje katalizatorja medfaznega prenosa
- Izključitev katalizatorja faznega prenosa
- Uporaba surovih ali tehničnih reagentov
- Aktivacija kovin in trdnih snovi
- Povečanje reaktivnosti reagentov ali katalizatorjev ()
- Izboljšanje sinteze delcev
- Prevleka iz nanodelcev
Ultrazvočna kavitacija v tekočinah
Kavitacija pomeni "nastajanje, rast in eksplozivno uničenje mehurčkov v tekočini. Kavitacijska eksplozija povzroči intenzivno lokalno segrevanje (~5000 K), visok tlak (~1000 atm.) in ogromne hitrosti ogrevanja/hlajenja (>109 K/s) in pretoke tekočega curka (~400 km/h)"
Kavitacijski mehurčki so vakuumski mehurčki. Vakuum nastane zaradi hitro premikajoče se površine na eni strani in inertne tekočine na drugi strani. Nastala razlika tlaka služi tudi za premagovanje kohezijskih sil v tekočini. Kavitacijo lahko pridobimo na različne načine, kot so Venturi šobe, visokotlačne šobe, visoko hitrost vrtenja ali ultrazvočni senzorji. V vseh teh sistemih se vhodna energija pretvori v trenje, turbulenco, valove in kavitacijo. Del vhodne energije, ki se pretvori v kavitacijo, je odvisen od več dejavnikov, ki so značilni za gibanje opreme, ki ustvarja kavitacijo v tekočini.
Intenzivnost pospeška je eden najpomembnejših dejavnikov, ki vplivajo na učinkovitost transformacije energije v kavitacijo. Večji pospešek povzroči večji padec tlaka, kar posledično poveča možnost ustvarjanja vakuumskih mehurčkov namesto valov, ki se širijo skozi tekočino. Tako večji kot je pospešek, večji je delež energije, ki se pretvori v kavitacijo. Pri ultrazvočnih senzorjih je za intenzivnost pospeška značilna amplituda nihanja. Večje amplitude povzročijo učinkovitejšo tvorbo kavitacije. Industrijske naprave podjetja Hielscher Ultrasonics lahko proizvedejo amplitude do 115 µm. Te visoke amplitude omogočajo visoko razmerje prenosa moči, kar posledično omogoča visoko gostoto energije do 100 W/cm³.
Poleg intenzivnosti je treba tekočino pospeševati tako, da ustvari minimalne izgube v smislu turbulence, trenja in tvorbe valov. Za to bi bila najboljša pot enosmerna smer gibanja. Ultrazvok se uporablja zaradi naslednjih učinkov:
- priprava aktiviranih kovin z redukcijo kovinskih soli
- pridobivanje aktiviranih kovin z ultrazvočno obdelavo
- zvočno-kemična sinteza delcev s precipitacijo kovinskih oksidov (Fe, Cr, Mn, Co), npr. za uporabo kot katalizatorji
- impregnacija kovin ali kovinskih halogenidov na substrate
- priprava raztopin aktivnih kovin
- reakcije, ki vključujejo kovine z lokalno tvorbo organskih snovi
- reakcije, ki vključujejo nekovinske trdne snovi
- kristalizacija in obarjanje kovin, zlitin, zeolitov in drugih trdnih snovi
- sprememba morfologije površine in velikosti delcev kot posledica hitrih trkov med delci
- tvorba amorfnih nanostrukturnih materialov, vključno s prehodnimi kovinami z veliko površino, zlitinami, karbidi, oksidi in koloidi
- povečanje kristalov
- izravnavanje in odstranjevanje pasivizirajočih oksidnih premazov
- mikromanipulacija (frakcioniranje) majhnih delcev
- priprava koloidov (Ag, Au, Q-velikost CdS)
- vključitev gostujočih molekul v trdne snovi z anorgansko plastjo
- sonokemija polimerov
- razgradnja in modifikacija polimerov
- sinteza polimerov
- sonoliza organskih onesnaževal v vodi
Zvočno-kemijska oprema
Večino omenjenih zvočno-kemijskih procesov je mogoče prilagoditi delovanju z neposrednim tokom. Z veseljem vam bomo pomagali pri izbiri zvočne kemične opreme za vaše potrebe. Za raziskave in testiranje procesov priporočamo uporabo naših laboratorijskih instrumentov ali naprav
Neverjetna dejstva
Molekularni material v našem vsakdanjem življenju je tako predvidljiv, da pogosto pozabimo, katere neverjetne stvari se lahko zgodijo osnovnim elementom.
Tudi v našem telesu se odvijajo številne neverjetne kemične reakcije.
Tukaj je nekaj fascinantnih in impresivnih kemijskih in fizikalnih reakcij v obliki GIF, ki vas bodo spomnile na tečaj kemije.
kemične reakcije
1. "faraonova kača" - razpad živosrebrovega tiocianata
Izgorevanje živosrebrovega tiocianata povzroči, da se razgradi na tri druge kemikalije. Te tri kemikalije se nato razgradijo v še tri snovi, kar vodi v razporeditev ogromne "kače".
2. Goreča vžigalica
Vžigalica vsebuje rdeči fosfor, žveplo in Bertoletovo sol. Toplota, ki jo ustvari fosfor, razgradi Bertoletovo sol in pri tem sprosti kisik. Kisik se združi z žveplom, da nastane kratkotrajen plamen, s katerim na primer prižgemo svečo.
3. Ogenj + vodik
Plin vodik je lažji od zraka in se lahko vžge s plamenom ali iskro, kar povzroči spektakularno eksplozijo. Zato se helij zdaj pogosteje uporablja kot vodik za polnjenje balonov.
4. Živo srebro + aluminij
Živo srebro prodre v zaščitno oksidno plast (rjo) aluminija, zaradi česar ta rjavi veliko hitreje.
Primeri kemičnih reakcij
5. Kačji strup + kri
Ena kapljica gadovega strupa v petrijevki krvi povzroči, da se zvije v gosto kepo trdne snovi. To se zgodi v našem telesu, ko nas ugrizne strupena kača.
6. Raztopina železa + bakrovega sulfata
Železo nadomesti baker v raztopini, pri čemer bakrov sulfat spremeni v železov sulfat. Čisti baker se zbira na železu.
7. Vžig posode za plin
8. Tableta klora + medicinski alkohol v zaprti steklenici
Reakcija vodi do povečanja tlaka in se konča z razpokom posode.
9. Polimerizacija p-nitroanilina
Na gifu se pol čajne žličke p-nitroanilina ali 4-nitroanilina doda nekaj kapljic koncentrirane žveplove kisline.
10. Kri v vodikovem peroksidu
Encim v krvi, imenovan katalaza, pretvori vodikov peroksid v vodo in plin kisik, pri čemer nastane pena iz kisikovih mehurčkov.
Kemični poskusi
11. Galij v vroči vodi
Galij, ki se uporablja predvsem v elektroniki, ima tališče 29,4 stopinje Celzija, kar pomeni, da se bo stopil v vaših rokah.
12. Počasen prehod beta kositra v alfa modifikacijo
Pri nizkih temperaturah se beta alotrop kositra (srebro, kovina) spontano spremeni v alfa alotrop (siv, praškast).
13. Natrijev poliakrilat + voda
Natrijev poliakrilat, isti material, ki se uporablja v otroških plenicah, deluje kot goba, da absorbira vlago. Pri mešanju z vodo se spojina spremeni v trden gel, voda pa ni več tekoča in je ni mogoče izliti.
14. Plin radon 220 bo vbrizgan v komoro za meglo
Sled v obliki črke V je posledica dveh alfa delcev (jeder helija-4), ki se sprostita, ko se radon razgradi v polonij in nato svinec.
Poskusi domače kemije
15. Hidrogel kroglice in pisana voda
V tem primeru pride do difuzije. Hidrogel je polimerna zrnca, ki zelo dobro absorbirajo vodo.
16. Aceton + stiropor
Stiropor je izdelan iz stiropora, ki ob raztapljanju v acetonu spusti zrak v peno, zaradi česar je videti, kot da v majhni količini tekočine raztopite veliko količino materiala.
17. Suhi led + milo za posodo
Suh led, položen v vodo, ustvari oblak, detergent za pomivanje posode v vodi pa zadrži ogljikov dioksid in vodno paro v obliki mehurčkov.
18. Kapljica detergenta dodana mleku z barvilom za živila
Mleko je večinoma voda, vsebuje pa tudi vitamine, minerale, beljakovine in drobne kapljice maščobe, suspendirane v raztopini.
Detergent za pomivanje posode zrahlja kemične vezi, ki držijo beljakovine in maščobe v raztopini. Molekule maščobe se zmedejo, ko se molekule mila začnejo premetavati, da se povežejo z molekulami maščobe, dokler se raztopina ne zmeša enakomerno.
19. Slonova zobna pasta
Kvas in toplo vodo vlijemo v posodo z detergentom, vodikovim peroksidom in barvilom za hrano. Kvas služi kot katalizator za sproščanje kisika iz vodikovega peroksida in ustvarja številne mehurčke. Posledično nastane eksotermna reakcija s tvorbo pene in sproščanjem toplote.
Kemični poskusi (video)
20. Izgorevanje žarnice
Volframova žarilna nitka se zlomi, kar povzroči električni kratek stik, ki povzroči, da žarilna nitka sveti.
21. Ferofluid v steklenem kozarcu
Ferofluid je tekočina, ki postane močno magnetizirana v prisotnosti magnetnega polja. Uporablja se v trdih diskih in v strojništvu.
Še en ferofluid.
22. Jod + aluminij
Oksidacija fino razpršenega aluminija se pojavi v vodi, pri čemer nastane temno vijolične hlape.
23. Rubidij + voda
Rubidij zelo hitro reagira z vodo, da nastane rubidijev hidroksid in vodikov plin. Reakcija je tako hitra, da se lahko zlomi, če jo izvedemo v stekleni posodi.
Pošljite svoje dobro delo v bazo znanja je preprosto. Uporabite spodnji obrazec
Študentje, podiplomski študenti, mladi znanstveniki, ki uporabljajo bazo znanja pri študiju in delu, vam bodo zelo hvaležni.
Objavljeno na http://www.allbest.ru/
- Uvod
- 1. Koncept zvoka. zvočni valovi
- 1.1 Področje preučevanja zvočnih učinkov na kemične procese
- 1.2 Metode zvočne kemije
- 2. Uporaba infrazvoka kot metode intenziviranja kemično-tehnološki procesi
- 3. Uporaba ultrazvoka kot načina za intenziviranje kemičnih procesov
- Zaključek
- Uvod
- Enaindvajseto stoletje je stoletje bio- in nanotehnologij, univerzalne informatizacije, elektronike, infrazvoka in ultrazvoka. Ultrazvok in infrazvok sta valovno širitveno nihajoče gibanje delcev medija in zanje so značilne številne posebnosti v primerjavi z nihanji slišnega območja. V ultrazvočnem frekvenčnem območju je razmeroma enostavno pridobiti usmerjeno sevanje; ultrazvočne vibracije so primerne za fokusiranje, zaradi česar se intenzivnost ultrazvočnih vibracij na določenih območjih vpliva poveča. Zvočne vibracije pri širjenju v plinih, tekočinah in trdnih snoveh ustvarjajo edinstvene pojave, od katerih so mnogi našli praktično uporabo na različnih področjih znanosti in tehnologije, pojavilo se je na desetine visoko učinkovitih zvočnih tehnologij, ki varčujejo z viri. V zadnjih letih je uporaba zvočnih vibracij začela igrati vse pomembnejšo vlogo v industriji in znanstvenih raziskavah. Uspešno so bile izvedene teoretične in eksperimentalne študije na področju ultrazvočne kavitacije in akustičnih tokov, ki so omogočile razvoj novih tehnoloških procesov, ki nastanejo pod vplivom ultrazvoka v tekoči fazi.
- Trenutno se oblikuje nova smer v kemiji - zvočna kemija, ki omogoča pospeševanje številnih kemijsko-tehnoloških procesov in pridobivanje novih snovi, skupaj s teoretičnimi in eksperimentalnimi študijami na področju zvočno-kemijskih reakcij, veliko praktičnih delo je bilo opravljeno. Razvoj in uporaba zvočnih tehnologij trenutno odpira nove možnosti pri ustvarjanju novih snovi in materialov, pri dajanju novih lastnosti znanim materialom in medijem, zato zahteva razumevanje pojavov in procesov, ki se pojavljajo pod vplivom ultrazvoka in infrazvoka, možnosti novih tehnologij in možnosti za njihovo uporabo.
- 1. Pojem zvoka. zvočni valovi
Zvok je fizični pojav, ki je širjenje mehanskih nihanj v obliki elastičnih valov v trdnem, tekočem ali plinastem mediju. V ožjem smislu se zvok nanaša na te vibracije, obravnavane v povezavi s tem, kako jih zaznavajo čutilni organi živali in ljudi.
Kot vsak val je za zvok značilen amplituda in frekvenčni spekter. Običajna oseba lahko sliši zvočne vibracije v frekvenčnem območju od 16-20 Hz do 15-20 kHz. Zvok pod človeškim slušnim območjem se imenuje infrazvok; višje: do 1 GHz - z ultrazvokom, od 1 GHz - s hiperzvokom. Glasnost zvoka je na kompleksen način odvisna od efektivnega zvočnega tlaka, frekvence in oblike tresljajev, višina zvoka pa ni odvisna samo od frekvence, temveč tudi od velikosti zvočnega tlaka.
Zvočni valovi v zraku so izmenična področja stiskanja in redčenja. Zvočni valovi so lahko primer nihajnega procesa. Vsako nihanje je povezano s kršitvijo ravnotežnega stanja sistema in se izraža v odstopanju njegovih značilnosti od ravnotežnih vrednosti z naknadno vrnitvijo na prvotno vrednost. Za zvočne vibracije je taka značilnost tlak v točki medija, njegovo odstopanje pa zvočni tlak.
Če naredite oster premik delcev elastičnega medija na enem mestu, na primer z batom, se bo pritisk na tem mestu povečal. Zahvaljujoč elastičnim vezjem delcev se tlak prenese na sosednje delce, ki pa delujejo na naslednje, območje povečanega tlaka pa se tako rekoč premika v elastičnem mediju. Območju visokega tlaka sledi območje nizkega tlaka in tako nastane vrsta izmeničnih območij stiskanja in redčenja, ki se v mediju širijo v obliki vala. Vsak delec elastičnega medija bo v tem primeru nihal.
Slika 1 - Gibanje delcev med širjenjem vala a) gibanje delcev medija med širjenjem vzdolžnega vala; b) gibanje delcev medija med širjenjem prečnega vala.
Slika 2 - Značilnosti nihajnega procesa
V tekočih in plinastih medijih, kjer ni bistvenih nihanj gostote, so akustični valovi vzdolžne narave, to pomeni, da smer nihanja delcev sovpada s smerjo gibanja valov. V trdnih snoveh poleg vzdolžnih deformacij nastanejo tudi elastične strižne deformacije, ki povzročajo vzbujanje prečnih (strižnih) valov; v tem primeru delci nihajo pravokotno na smer širjenja valov. Hitrost širjenja vzdolžnih valov je veliko večja od hitrosti širjenja strižnih valov.
1.1 Področje preučevanja zvočnih učinkov na kemične procese
Veja kemije, ki proučuje interakcijo močnih akustičnih valov in posledičnih kemičnih in fizikalno-kemijskih učinkov, se imenuje sonokemija (sonokemija). Sonokemija raziskuje kinetiko in mehanizem sonokemijskih reakcij, ki se pojavljajo v volumnu zvočnega polja. Področje zvočne kemije zajema tudi nekatere fizikalne in kemijske procese v zvočnem polju: sonoluminiscenco, disperzijo snovi pod delovanjem zvoka, emulgiranje in druge koloidne kemijske procese. Sonoluminiscenca je pojav pojava svetlobnega bliska med kolapsom kavitacijskih mehurčkov, ki jih v tekočini ustvari močan ultrazvočni val. Tipična izkušnja za opazovanje sonoluminiscence je naslednja: v posodo z vodo postavimo resonator in v njem nastane stoječi sferični ultrazvočni val. Z zadostno močjo ultrazvoka se v samem središču rezervoarja pojavi svetel točkovni vir modrikaste svetlobe - zvok se spremeni v svetlobo. Sonokemija posveča glavno pozornost proučevanju kemičnih reakcij, ki nastanejo pod delovanjem akustičnih vibracij - sonokemijskih reakcij.
Zvočno-kemijske procese praviloma preučujemo v ultrazvočnem območju (od 20 kHz do nekaj MHz). Zvočne vibracije v kilohertznem in infrazvočnem območju se preučujejo veliko manj pogosto.
Zvočna kemija raziskuje procese kavitacije. Kavitacija (iz latinskega cavita - praznina) je proces izhlapevanja in naknadne kondenzacije parnih mehurčkov v tekočem toku, ki ga spremljajo hrup in hidravlični udarci, nastajanje votlin v tekočini (kavitacijski mehurčki ali kaverne), napolnjenih s hlapi tekočine. sama tekočina, v kateri se pojavlja. Kavitacija nastane kot posledica lokalnega zmanjšanja tlaka v tekočini, ki se lahko pojavi bodisi s povečanjem njene hitrosti (hidrodinamična kavitacija) bodisi s prehodom akustičnega vala visoke intenzivnosti med polciklom redčenja (akustična kavitacija ), obstajajo še drugi razlogi za učinek. Ko se s tokom premika na območje z višjim tlakom ali med polovičnim ciklom stiskanja, se kavitacijski mehurček sesede, medtem ko oddaja udarni val.
1.2 Metode zvočne kemije
Za preučevanje zvočno-kemijskih reakcij se uporabljajo naslednje metode: inverzni piezoelektrični učinek in magnetostrikcijski učinek za generiranje visokofrekvenčnih zvočnih vibracij v tekočini, analitična kemija za preučevanje produktov zvočno-kemijskih reakcij, inverzni piezoelektrični učinek - pojav mehanskih deformacij pod delovanjem električnega polja (uporablja se v akustičnih oddajnikih, v sistemih mehanskih premikov - aktivatorjev).
Magnetostrimkcija je pojav, ki sestoji v tem, da se ob spremembi stanja magnetiziranosti telesa spremeni njegova prostornina in linearne dimenzije (uporabljajo se za ustvarjanje ultrazvoka in hiperzvoka).
Infrazvok so zvočni valovi, katerih frekvenca je nižja od frekvence, ki jo zaznava človeško uho. Ker je človeško uho običajno sposobno slišati zvoke v frekvenčnem območju 16-20 "000 Hz, se za zgornjo mejo infrazvočnega frekvenčnega območja običajno vzame 16 Hz. Spodnja meja infrazvočnega območja je pogojno opredeljena kot 0,001 Hz .
Infrazvok ima številne značilnosti, povezane z nizko frekvenco nihanja elastičnega medija: ima veliko večje amplitude nihanja; širi se veliko dlje v zraku, saj je njegova absorpcija v atmosferi zanemarljiva; kaže pojav difrakcije, zaradi česar zlahka prodre v prostore in zaobide ovire, ki zadržujejo zvočne zvoke; povzroči, da veliki predmeti vibrirajo zaradi resonance.
valovna ultrazvočna kemična kavitacija
2. Uporaba infrazvoka kot načina intenziviranja kemijsko-tehnoloških procesov
Fizični vpliv na kemične reakcije se v tem primeru izvaja v infrazvočnih napravah,- naprave, v katerih se nizkofrekvenčne akustične vibracije uporabljajo za intenziviranje tehnoloških procesov v tekočih medijih (pravzaprav infrazvočni s frekvenco do 20 Hz, zvok s frekvenco do 100 Hz). Nihanja se ustvarjajo neposredno v obdelanem mediju s pomočjo fleksibilnih oddajnikov različnih konfiguracij in oblik ali trdih kovinskih batov, ki so preko elastičnih elementov (npr. gume) povezanih s stenami tehnoloških posod. To omogoča razbremenitev sten infrazvočne naprave pred vibracijami vira, znatno zmanjša njihove vibracije in raven hrupa v industrijskih prostorih. V infrazvočnih napravah se vzbujajo nihanja z velikimi amplitudami (od enot do desetin mm).
Vendar pa nizka absorpcija infrazvoka s strani delovnega medija in možnost njegovega ujemanja z oddajnikom nihanj (izbira ustreznih parametrov vira) in velikost aparata (za obdelavo danih volumnov tekočine) omogočata razširitev nelinearnega valovni učinki, ki nastanejo pod vplivom infrazvoka na velike tehnološke količine. Zaradi tega se infrazvočne naprave bistveno razlikujejo od ultrazvočnih, v katerih se tekočine obdelujejo v majhni količini.
V infrazvočnih napravah se uresničujejo naslednji fizični učinki (en ali več hkrati): kavitacija, visokoamplitudni izmenični in sevalni (zvočno sevanje) tlaki, izmenični tokovi tekočine, akustični tokovi (zvočni veter), razplinjevanje tekočine in nastanek množica plinskih mehurčkov in njihovih ravnotežnih plasti v njem, fazni premik nihanja med suspendiranimi delci in tekočino. Ti učinki bistveno pospešijo redoks, elektrokemične in druge reakcije, za 2-4 krat intenzivirajo industrijske procese mešanja, filtriranja, raztapljanja in dispergiranja trdnih materialov v tekočinah, ločevanja, razvrščanja in dehidracije suspenzij, pa tudi čiščenja delov in mehanizmov itd. .
Uporaba infrazvoka omogoča večkratno zmanjšanje specifične porabe energije in kovin ter skupnih dimenzij aparata, pa tudi procesnih tekočin neposredno v toku pri transportu po cevovodih, kar odpravlja namestitev mešalnikov in drugih naprav.
Slika 3 - Infrazvočna naprava za mešanje suspenzij: 1 - membranski oddajnik vibracij; 2 - modulator stisnjenega zraka; 3 - naprava za zagon; 4 - kompresor
Ena najpogostejših aplikacij infrazvoka je mešanje suspenzij s pomočjo, na primer, cevnega infrazvočnega aparata. Tak stroj je sestavljen iz enega ali več serijsko povezanih hidropnevmatskih oddajnikov in nakladalne naprave.
3. Uporaba ultrazvoka pri intenziviranju kemičnih procesov
ultrazvok mikroni - zvočni valovi, katerih frekvenca je višja od frekvence, ki jo zazna človeško uho, običajno se ultrazvok razume kot frekvence nad 20.000 Hertz. Visokofrekvenčne vibracije, ki se uporabljajo v industriji, se običajno ustvarijo s piezokeramičnimi pretvorniki. V primerih, ko je moč ultrazvočnih vibracij primarnega pomena, se uporabljajo mehanski viri ultrazvoka.
Vpliv ultrazvoka na kemične in fizikalno-kemijske procese, ki potekajo v tekočini, vključuje: sprožitev nekaterih kemičnih reakcij, spremembo hitrosti in včasih smeri reakcij, pojav sijaja v tekočini (sonoluminiscenca), nastanek šoka. valovanje v tekočini, emulgiranje nemešljivih tekočin in koalescentnih delcev znotraj gibljivega medija ali na površini telesa), emulzije, disperzija (fino mletje trdnih snovi ali tekočin) trdnih snovi in koagulacija (združevanje majhnih razpršenih delcev v večje agregate) trdni delci v tekočinah, razplinjevanje tekočin itd. Za izvajanje tehnoloških procesov se uporabljajo ultrazvočne naprave.
Vpliv ultrazvoka na različne procese je povezan s kavitacijo (nastajanje v tekočini med prehodom akustičnega vala votlin (kavitacijskih mehurčkov), napolnjenih s plinom, paro ali mešanico le-teh).
Kemične reakcije, ki nastanejo v tekočini pod vplivom ultrazvoka (zvočno-kemijske reakcije), lahko razdelimo na: a) redoks reakcije, ki se pojavljajo v vodnih raztopinah med raztopljenimi snovmi in produkti razgradnje molekul vode znotraj kavitacijskega mehurčka (H, OH,) , na primer:
b) Reakcije med raztopljenimi plini in snovmi z visokim parnim tlakom znotraj kavitacijskega mehurčka:
c) Verižne reakcije, ki jih ne sprožijo radikalni produkti razgradnje vode, ampak neka druga snov, ki disociira v kavitacijskem mehurčku, na primer izomerizacija maleinske kisline v fumarno kislino pod delovanjem Br, ki nastane kot posledica sonokemične disociacije.
d) Reakcije, ki vključujejo makromolekule. Za te reakcije niso pomembne samo kavitacija in s tem povezani udarni valovi in kumulativni curki, temveč tudi mehanske sile, ki cepijo molekule. Nastali makroradikali v prisotnosti monomera so sposobni sprožiti polimerizacijo.
e) Začetek eksplozije v tekočih in trdnih eksplozivih.
f) Reakcije v tekočih nevodnih sistemih, na primer piroliza in oksidacija ogljikovodikov, oksidacija aldehidov in alkoholov, alkilacija aromatskih spojin itd.
Glavna energetska značilnost sonokemijskih reakcij je energijski izkoristek, ki je izražen s številom molekul produkta, ki nastanejo s ceno 100 eV absorbirane energije. Energijski izkoristek produktov redoks reakcij običajno ne presega nekaj enot, pri verižnih reakcijah pa doseže nekaj tisoč.
Pod delovanjem ultrazvoka je pri številnih reakcijah mogoče večkrat povečati hitrost (na primer pri reakcijah hidrogenacije, izomerizacije, oksidacije itd.), včasih se hkrati poveča tudi izkoristek.
Pomembno je upoštevati vpliv ultrazvoka pri razvoju in izvajanju različnih tehnoloških procesov (na primer ob izpostavljenosti vodi, v kateri se raztaplja zrak, nastajajo dušikovi oksidi), da bi razumeli procese, ki spremljajo. absorpcijo zvoka v medijih.
Zaključek
Trenutno se zvočne vibracije pogosto uporabljajo v industriji, saj so obetaven tehnološki dejavnik, ki omogoča, če je potrebno, močno intenziviranje proizvodnih procesov.
Uporaba močnega ultrazvoka v tehnoloških procesih za proizvodnjo in predelavo materialov in snovi omogoča:
Zmanjšajte stroške procesa ali izdelka,
Prejemanje novih izdelkov ali izboljšanje kakovosti obstoječih,
Intenzivirati tradicionalne tehnološke procese ali spodbuditi uvedbo novih,
Prispevajte k izboljšanju okoljske situacije z zmanjšanjem agresivnosti procesnih tekočin.
Vendar je treba opozoriti, da ultrazvok izjemno škodljivo vpliva na žive organizme. Da bi zmanjšali tovrstne vplive, je ultrazvočne inštalacije priporočljivo namestiti v posebne prostore s sistemi za daljinsko vodenje tehnoloških procesov. Avtomatizacija teh inštalacij ima velik učinek.
Bolj ekonomičen način zaščite pred učinki ultrazvoka je uporaba zvočno izoliranih ohišij, ki zapirajo ultrazvočne instalacije, ali zaslonov, ki se nahajajo na poti ultrazvoka. Ti zasloni so izdelani iz jeklene ali duraluminijske pločevine, plastike ali posebne gume.
Seznam uporabljenih virov
1. Margulis M.A. Osnove zvočne kemije (kemijske reakcije v akustičnih poljih); učbenik dodatek za kem. in kemijski tehnolog. Posebnosti univerz / M.A. Margulis. M.: Višja šola, 1984. 272 str.
2. Suslik K.S. ultrazvok. Njegovi kemični, fizikalni in biološki učinki. Izd.: VCH, N. Y., 336 str.
3. Kardašev G.A. Fizikalne metode intenziviranja kemijsko-tehnoloških procesov. Moskva: Kemija, 1990, 208 str.
5. Luminescenca
6. Ultrazvok
Gostuje na Allbest.ru
Podobni dokumenti
Postopki kemijske tehnologije. Razvoj sheme kemijsko-tehnološkega procesa. Merila za optimizacijo. Topološka metoda in HTS. Pojmi in definicije teorije grafov. Parametri tehnološkega načina elementov CTS. Študija stohastičnih procesov.
predavanje, dodano 18.02.2009
Teorija kemijskih procesov organske sinteze. Rešitev: med alkiliranjem benzena s propilenom v prisotnosti kakršnih koli katalizatorjev pride do zaporedne substitucije vodikovih atomov s tvorbo zmesi produktov različnih stopenj alkilacije.
seminarska naloga, dodana 04.01.2009
Organska sinteza kot veja kemije, predmet in metode njenega preučevanja. Bistvo procesov alkilacije in acilacije, značilne reakcije in principi pretoka. Opis kondenzacijskih reakcij. Značilnosti, pomen nitriranja, reakcije halogeniranja.
predavanje, dodano 28.12.2009
Faze preučevanja procesov izgorevanja in eksplozij. Glavne vrste eksplozij, njihova razvrstitev glede na vrsto kemičnih reakcij in gostoto snovi. Reakcije razgradnje, redoks, polimerizacija, izomerizacija in kondenzacija, mešanice na osnovi eksplozij.
povzetek, dodan 6.6.2011
Industrijska obdelava vode. Nabor operacij, ki zagotavljajo čiščenje vode. Homogeni in heterogeni nekatalitski procesi v tekoči in plinski fazi, njihove zakonitosti in metode intenziviranja. Primerjava različnih vrst kemičnih reaktorjev.
predavanje, dodano 29.03.2009
Metode za pridobivanje barvil. Pridobivanje natrijevega sulfanilata s sintezo. Značilnosti surovine in nastalega izdelka. Izračun kemijsko-tehnoloških procesov in opreme. Matematični opis kemične metode za pridobivanje natrijevega sulfanilata.
diplomsko delo, dodano 21.10.2013
Koncept in izračun hitrosti kemičnih reakcij, njegov znanstveni in praktični pomen in uporaba. Formulacija zakona množičnega delovanja. Dejavniki, ki vplivajo na hitrost kemičnih reakcij. Primeri reakcij, ki se pojavljajo v homogenih in heterogenih sistemih.
predstavitev, dodano 30.4.2012
Pojem in pogoji za potek kemičnih reakcij. Karakterizacija reakcij povezovanja, razgradnje, substitucije, izmenjave in njihova uporaba v industriji. Redoks reakcije v središču metalurgije, bistvo valence, vrste transesterifikacije.
povzetek, dodan 27.01.2012
Vrednost vode za kemično industrijo. Priprava vode za industrijske procese. Katalitski procesi, njihova razvrstitev. Vpliv katalizatorja na hitrost kemijsko-tehnoloških procesov. Materialna bilanca peči za kurjenje žvepla.
test, dodano 18.01.2014
Mehanizmi vpliva ultrazvoka na kemijske reakcije. Obračunavanje pri razvoju in izvajanju tehnoloških procesov. Tehnologije, ki se izvajajo s pomočjo ultrazvoka. Natančno čiščenje in razmaščevanje. Razplinjevanje talin in varjenje polimerov in kovin.