Управление химическими процессами

ПО ХИМИИ НА ТЕМУ: «УПРАВЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ»

2Cl=Cl2

Складывая уравнения процессов, протекающих у электродов, получим суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, происходящей при электролизе расплава MgCl2:

Mg2+ + 2Cl-l=Mg + Cl2

Эта реакция не может протекать самопроизвольно; энергия, необходимая для её осуществления, поступает от внешнего источника тока.

Как и в случае химического источника электрической энергии, электрод, на котором происходит восстановление, называется катодом; электрод, на котором происходит окисление, называется анодом. Но при электролизе катод заряжен отрицательно, а анод--положительно, т.е. распределение знаков заряда электродов противоположно тому, которое имеется при работе гальванического элемента. При электролизе химическая реакция осуществляется за счёт энергии электрического тока, подводимой извне, в то время как при работе гальванического элемента энергия самопроизвольно протекающей в нем химической реакции превращается в электрическую энергию.

При рассмотрении электролиза растворов нельзя упускать из виду, что, кроме ионов электролита, во всяком водном растворе имеются ещё ионы, являющиеся ещё продуктами диссоциации воды - Н+ и ОН-. В электролитическом поле ионы водорода перемещаются к катоду, а гидроксила - к аноду. Таким образом, у катода могут разряжаться как катионы электролита, так и катионы водорода. Аналогично у анода может происходить разряд как анионов электролита, так и ионов гидроксила. Кроме того, молекулы воды также могут подвергаться электрохимическому окислению или восстановлению.

Какие именно электрохимические процессы будут протекать у электродов при электролизе, прежде всего будет зависеть от соотношения электродных потенциалов соответствующих электрохимических систем. Это означает, что на катоде будут восстанавливаться окисленные формы электрохимических систем. Из нескольких возможных процессов будет протекать тот, осуществление которого сопряжено с минимальной затратой энергии. Это означает, что на катоде будут восстанавливаться окисленные формы электрохимических систем, имеющих наибольший электродный потенциал, а на аноде будут окисляться восстановленные формы систем с наименьшим электродным потенциалом. На протекание некоторых электрохимических процессов оказывает тормозящее действие материал электрода.

Рассматривая катодные процессы, протекающие при электролизе водных растворов, нужно учитывать величину потенциала процесса восстановления ионов водорода. Этот потенциал зависит от концентрации ионов водорода и в случае нейтральных растворов (рН=7) имеет значение:

ц=-0,059*7=-0,41 В.

Отсюда ясно, что если электролит образован металлом, электродный потенциал которого значительно положительнее, чем -0,41 В, то из нейтрального раствора у катода будет выделяться металл. Такие металлы находятся в ряду напряжений вблизи водорода (начиная приблизительно от олова) и после него. Наоборот, в случае электролитов, металл которых имеет потенциал значительно более отрицательный, чем -0,41 В, металл восстанавливаться не будет, а произойдёт выделение водорода. К таким металлам относятся металлы начала ряда напряжений--приблизительно до титана. Наконец, если потенциал металла близок к величине -0,41 В (металлы средней части ряда--Zn,Cr,Fe,Ni), то в зависимости от концентрации раствора и условий электролиза возможно как восстановление металла, так и выделение водорода; нередко наблюдается совместное выделение металла и водорода.

Электрохимическое выделение водорода из кислых растворов происходит вследствие разряда ионов водорода. В случае же нейтральных или щелочных сред оно является результатом электрохимического восстановления воды:

2Н2О + 2е- =Н2 + 2ОН-.

Таким образом, характер катодного процесса при электролизе водных растворов определяется прежде всего положением соответствующего металла в ряду напряжений. В ряде случаев большое значение имеют рН раствора, концентрация ионов металла и другие условия электролиза.

При рассмотрении анодных процессов следует иметь в виду, что материал анода в ходе электролиза может окисляться. В связи с этим различают электролиз с инертным анодом и электролиз с активным анодом. Инертным называется анод, материал которого не претерпевает окисления в ходе электролиза. Активным называется анод, материал которого может окисляться в ходе электролиза. В качестве материалов для инертных анодов чаще применяют графит уголь, платину.

На инертном аноде при электролизе водных растворов щелочей, кислородсодержащих кислот и их солей, а также фтористоводородной кислоты и фторидов происходит электрохимическое окисление воды с выделением кислорода. В зависимости от рН раствора этот процесс протекает по-разному и может быть записан различными уравнениями. В щелочной среде уравнение имеет вид:

4ОН- =О2 + 2Н2О + 4е-,

а в кислой или нейтральной:

2Н2О =О2 + 4Н+ + 4е-

В рассматриваемых случаях электрохимическое окисление воды является энергетически наиболее выгодным процессом. Кислородсодержащие анионы или не способны окисляться, или их окисление происходит при очень высоких потенциалах. Например, стандартный потенциал окисления иона SO42-2SO22- =S2O82- + 2e-

При электролизе водных растворов бескислородных кислот и их солей (кроме HF и фторидов) у анода разряжаются анионы. В частности, при электролизе растворов HI,HBr,HCl и их солей у анода выделяется соответствующий галоген. Отметим, что выделение хлора при электролизе HCl и её солей противоречит взаимному положению систем

2Cl- =2Cl + 2e- (ц=1,359 В),

и 2Н2О =О2 + 4Н+ + 4е- (ц =1,228 В)

в ряду стандартных электродных потенциалов. Эта аномалия связана со значительным перенапряжением второго из этих двух электродных процессов--материал анода оказывает тормозящее действие на процесс выделения кислорода.

В случае активного анода число конкурирующих окислительных процессов возрастает до трёх: электрохимическое окисление воды с выделением кислорода, разряд аниона (т.е. его окисление) и электрохимическое окисление металла анода (так называемое анодное растворение металла). Из этих возможных процессов будет идти тот, который энергетически наиболее выгоден. Если металл анода расположен в ряду стандартных потенциалов раньше обеих других электрохимических систем, то будет наблюдаться анодное растворение металла. В противном случае будет идти выделение кислорода или разряд аниона.

Рассмотрим типичный случай электролиза водных растворов.

Электролиз раствора CuCl2 с инертным анодом. Медь в ряду напряжений расположена после водорода; поэтому у катода будет происходить разряд ионов Cu2+ и выделение металлической меди. У анода будут разряжаться хлорид-ионы.

Схема электролиза раствора хлорида меди (II):

CuCl2

Катод < Cu2+ 2Cl- > Анод

Cu2+ + 2e- =Cu 2Cl- =2Cl + 2e-

2Cl=Cl2

Факторы, от которых зависит электролиз

Эффективность электролиза оценивают рядом факторов, к которым относятся: сила тока, напряжение, плотность тока, КПД источника тока, выход по току, выход по веществу, коэффициент полезного действия электроэнергии (выход по энергии), расход электроэнергии на единицу полученного продукта.

Сила тока или нагрузка на электролизёр характеризуют его производительность. Чем выше сила тока, пропускаемого через электролизёр, тем больше продукта можно получить при эксплуатации данного электролизёра. Наблюдается тенденция к созданию мощных электролизёров, рассчитанных в некоторых случаях на десятки и сотни тысяч Ампер (производство хлора, алюминия и т.д.) напряжение на электролизёре складывается из нескольких составляющих:

U=ea-ek + ?ea + ?ek + eэл.-eдиафр.+ eконт.

где: U--общее напряжение на ячейке; ea и ek - равновесные потенциалы анодной и катодной реакции; eэл. и eдиафр - падение напряжения в электролите и в диафрагме; eконт.--падение напряжения в контактах. Сумма ea-ek называется напряжением разложения. Эта величина соответствует расходу на электролиз электроэнергии, которая идёт непосредственно на изменение внутренней энергии веществ.

При электролизе стремятся к уменьшению напряжения на ячейке за счёт величины поляризации и омического состояния баланса напряжения, то есть слагаемых, обусловленных необратимостью процесса. Напряжение разложения обусловлено природой реагирующего вещества, а поэтому не может быть изменено. Значения ?ek и ?ea могут быть изменены в зависимости от характера электрохимической реакции, протекающей на электроде, путём перемешивания, повышения температуры электролита, изменения состояния поверхности электрода и за счёт ряда других факторов.

Падение напряжения в электролите, выражаемое уравнением

R=сl/s,

где с--удельное сопротивление электролита, Ом·см, l - расстояние между электродами, см (без учета диафрагмы), S--площадь поперечного сечения электролита, через которую проходит электрический ток см2, может быть уменьшено, как следует из приведённого выражения, сближением электродов, введением в раствор более электроотрицательных добавок, а также повышением температуры.

Если электролиз сопровождается образованием газов, то приведённое выше выражение не всегда точно соответствует падению напряжения в электролите. Это объясняется тем, что выделяющиеся на электродах пузырьки газов уменьшают активное сечение электролита S и удлиняют путь тока от одного электрода к другому. Это явление называется газонаполнением, которое может быть определено как отношение объёма занимаемого в данный момент пузырьком воздуха к общему объёму электролитической ячейки. Влияние газонаполнения на электропроводность электролита может быть учтено с помощью следующего выражения:

с/с0=1-1.78ц+ц2,

где с и с0 - соответственно удельные сопротивления сплошного и газонаполненного электролита, ц - газонаполнение.

Величина ц может быть уменьшена повышением температуры, а также особым устройством электродов, обеспечивающих свободное удалением газов из ячейки.

Коэффициентом полезного использования напряжения называется отношение напряжения разложения к общему напряжению на ванне:

знапр=(ea-ek)/U

Плотностью тока называется отношение силы, проходящего через электролит тока к величине поверхности электрода; измеряют в А/см2 (дм2 или м2). В промышленности работают с различными плотностями тока - от нескольких сотен А/см2 (гальваностегия, гидроэлектрометаллургия, производство Хлора) до нескольких тысяч А/см2 (электролиз расплавов, электросинтез и т.д.)

Величина плотности тока характеризует количество продукта, получаемого с единицы электродной поверхности, т.е. продуктивность электролизёра. Поэтому, если повышение плотности тока не вызывает падения выхода продукта электролиз, стремятся к проведению процесса с максимально возможными плотностями тока. Однако при выборе оптимальных значений плотностей тока в некоторых случаях необходимо принимать во внимание увеличение себестоимости продукта за счёт повышения расхода электроэнергии на электролиз в следствии увеличения напряжения с ростом плотности тока. При электролизе ток, который пропускают через электролит, может расходоваться на несколько параллельных электрохимических реакций. Например, при электролизе водных растворов реакциям электрохимического окисления или восстановления, сопутствует реакция разложения воды на О2 и Н2, выделяющиеся соответственно на аноде и катоде. При электролизе, криолит-глиноземных расплавов ток в определённых условиях может расходоваться не только на выделение алюминия, но и на образование на катоде металлического натрия.

Следовательно, пропускаемый через электролит ток распределяется между несколькими процессами, протекающими на данном электроде одновременно:

I=i1+i2+i3+…+i n

где: I - ток, протекаемый через электролизёр; i1 и i2 - ток, расходуемый в единицу на первую и второю электролитическую реакцию.

Для того чтобы учитывать эффективность использования пропущенного через электролизёр количества электричества на образования того или иного продукта вводится понятие выхода по току.

Выход по току - отношение количества теоретически необходимого для получения того или иного количества электричества к практически затраченному количеству электричества. С целью уменьшения затрат электроэнергии на побочные электрохимические реакции и повышения по току стремятся проводить электролиз в таких условиях, при которых затруднено разложение растворителя, т.е. велика поляризация при окислении или восстановлении растворителя (например перенапряжение кислорода или водорода). Это достигается повышением плотности тока, изменением температуры электролита, подбором материала электролита и т. д.

Выход по веществу - это отношение количества полученного в результате электрохимических реакций продукта к тому количеству, которое должно образоваться теоретически, исходя из данной загрузки исходного продукта. КПД использования электроэнергии (выход по энергии) - это отношение теоретически необходимого для получения единицы количества вещества электроэнергии к практически израсходованному. Теоретически необходимое количество электроэнергии - то количество ее, которое было бы необходимым для получения единицы количества вещества, если бы процесс происходил со 100% выходом по току и при напряжении, равном напряжению разложения. Следовательно, выход по энергии может быть определен по формуле:

зэ=Wп/N=зтока * знапр

Выход по току зтока и по веществу, а также коэффициент полезного действия использования электроэнергии знапр обычно измеряют в процентах. Расход электроэнергии обычно относят к единице произведенного количества продукта измеряют в вт ч/кг или квт ч/т. Для расчета расхода электроэнергии постоянного тока на 1т произведенного электролизом продукта можно воспользоваться следующей формулой:

W=1*106*U/k зтока *1000

где: W - расход электроэнергии постоянного тока кВтч/т; U - напряжение на электролизере, В; k элктрохимический эквивалент, грамм/а*r; зтока - выход по току, доли единицы; 1000 - коэффициент для перевода вт*ч в квт*ч.

Расход электроэнергии переменного тока на единицу произведенного продукта может быть определен делением расхода электроэнергии постоянного тока на то же количество коэффициента при образовании переменного тока в постоянный.

Между временем пропускания через раствор или расплав электролита электрического тока (количеством электричества) и количеством образующегося и расходуемого вещества имеются строгие количественные соотношения.

Применение электролиза

Электролиз широко применяется в различных отраслях промышленности. В химической промышленности электролизом получают такие важные продукты как хлор и щелочи, хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, перманганат калия, органические соединения, химически чистые водород, кислород, фтор и ряд других ценных продуктов.

В цветной металлургии электролиз используется для рафинирования металлов, для извлечения металлов из руд. Металлы, которые не могут быть выделены из водных растворов вследствие высокого отрицательного потенциала получают в цветной металлургии электролизом расплавленных сред, в качестве которых служат соли этих металлов, содержащие добавки различных соединений, вводимые с целью понижения температуры плавления расплава, повышения электропроводности и т.д. К числу металлов, получаемых электролизом расплавленных сред относятся алюминий, магний, цирконий, титан, уран, бериллий и ряд других металлов.

Электролиз применяют во многих отраслях машиностроения, радиотехники, электронной, полиграфической промышленности для нанесения тонких покрытий металлов на поверхность изделий для защиты их от коррозии, придания декоративного вида, повышения износостойкости, жаростойкости, получения металлических копий.

Несмотря на большое разнообразие электролитов, электродов, электролизеров, имеются общие проблемы технического электролиза. К ним следует отнести перенос зарядов, тепла, массы, распределение электрических полей. Для ускорения процесса переноса целесообразно увеличивать скорости всех потоков и применять принудительную конвекцию. Электродные процессы могут контролироваться путем измерения предельных токов. [2]

Электролиз, как очевидно, может служить методом управления лишь в электролитных (токопроводящих) системах, относительное число которых не столь уж велико.

2.3 Радиационно-химические процессы

Технологические процессы, в которых для изменения химических или физических свойств системы используются ионизирующие излучения. Наблюдаемые при проведении радиационно-химических процессов эффекты являются следствием образования и последующих реакций промежуточных частиц (ионов, возбуждённых молекул и радикалов), возникающих при облучении исходной системы. В цепных радиационно-химических процессах (величина G от 103 до 106) излучение играет роль инициатора. В ряде случаев такое инициирование даёт значительные технологические и экономические преимущества, в том числе лучшую направленность процесса и возможность осуществления его при более низких температурах, а также возможность получения особо чистых продуктов. В нецепных радиационно-химических процессах энергия излучения расходуется непосредственно для осуществления самого акта превращения. Такие процессы связаны с большими затратами энергии излучения и имеют ограниченное применение.

К числу интенсивно изучаемых и практически реализуемых цепных радиационно-химических процессов относятся различные процессы полимеризации, теломеризации, а также синтеза ряда низкомолекулярных соединений. Важное практическое значение приобрели радиационные методы отверждения связующих (полиэфирных и др.) в производстве стеклопластиков и получении лакокрасочных покрытий на металлических, деревянных и пластмассовых изделиях. Значительный интерес представляют радиационно-химические процессы прививочной полимеризации. В этих процессах исходные полимерные или неорганические материалы различного назначения облучаются в присутствии соответствующих мономеров. В результате поверхности этих материалов приобретают новые свойства, в некоторых случаях уникальные радиационно-химические процессы этого типа практически применяются и для модифицирования нитей, тканей, плёнок и минеральных материалов. Большой интерес представляют также радиационно-химические процессы модифицирования пористых материалов (древесины, бетона, туфа и т.д.) путём пропитки их мономерами (метилметакрилатом, стиролом и др.) и последующей полимеризации этих мономеров с помощью g-излучения. Такая обработка значительно улучшает эксплуатационные свойства исходных пористых тел и позволяет получить широкий ассортимент новых строительных и конструкционных материалов. Цепные радиационно-химические процессы осуществляются также с целью синтеза низкомолекулярных продуктов. Установлена высокая эффективность радиационно-химические процессы окисления, галогенирования, сульфохлорирования, сульфоокисления.

Из процессов, в которых излучение инициирует нецепные реакции, широкое распространение получили радиационно-химические процессы «сшивания» отдельных макромолекул при облучении высокомолекулярного соединения. В результате «сшивания» (например, полиэтилена) происходит повышение его термостойкости и прочности, а для каучуков радиационное «сшивание» обеспечивает их вулканизацию. На этой основе разработаны радиационно-химические процессы производства упрочнённых и термостойких полимерных плёнок, кабельной изоляции, труб, вулканизации резинотехнических изделий и др. Особенно интересным является «эффект памяти» облученного полиэтилена. Если облученное изделие из полиэтилена деформировать при температурах выше tпл аморфной фазы полимера, то при последующем охлаждении оно сохранит приданную форму. Однако повторное нагревание возвращает первоначальную форму. Этот эффект даёт возможность получать термоусаживаемые упаковочные плёнки и электроизоляционные трубки.

Разработка промышленных радиационно-химических процессов привела к возникновению радиационно-химической технологии, главная задача которой - создание методов и устройств для экономичного осуществления радиационно-химических процессов в промышленном масштабе.

Для проведения радиационно-химических процессов используются изотопные источники g-излучения, ускорители электронов с энергиями от 0,3 до 10 Мэв и ядерные реакторы. В современных изотопных источниках чаще всего используется 60Co. Перспективными источниками g-излучения считаются и радиационные контуры при ядерных реакторах, состоящие из генератора активности, облучателя радиационной установки, а также соединяющих их коммуникаций и устройств для перемещения по контуру рабочего вещества. В результате захвата нейтронов в генераторе, расположенном в активной зоне ядерного реактора или вблизи от неё, рабочее вещество активизируется, а g-излучение образовавшихся изотопов используется затем в облучателе для проведения радиационно-химических процессов. Для облучения сравнительно тонких слоев материала наиболее эффективным оказывается применение ускоренных электронов, обеспечивающее ряд преимуществ: высокие мощности доз, лучшие для обслуживающего персонала условия радиационной безопасности, отсутствие в выключенном состоянии расхода энергии и т.д. [6]

Схема ядерного топливного цикла представлена на рисунке 2. За основу принят распространенный в настоящее время цикл, связанный с переработкой облученного топлива АЭС водными методами по эстракцинной технологии. [4]

Рисунок 1 - Схема ядерного топливного цикла

В настоящее время наиболее распространенными типами реакторов являются аппараты, в которых в качестве теплоносителя и замедлителя применяется вода. В нашей стране в ядерной энергетике используются два типа реакторов: водо-водяные энергетические реакторы (двухконтурные) ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 и канальные реакторы (одноконтурные) типа РБМК-1000 и РБМК-1500.

В реакторах ВВЭР вода играет роль одновременно теплоносителя и замедлителя : в первом контуре вода циркулирует без кипения под давлением 10 -15, 7 Мпа при температуре на выходе из активной зоны 546-595 К.

В реакторах РБМК замедлителем является графит, а вода - только теплоноситель. В активной зоне происходит парообразование: температура насыщенного пара на выходе составляет 553 К, давление - 6, 5 Мпа.

Однако не следует забывать, что при всех достоинствах, основными проблемами при использовании радиационно-химических методов управления химическими процессами является высокая экологическая опасность эксплуатации данных технологий на всех этапах технологического процесса - от добычи радиоактивного горючего и до уничтожения или захоронения радиоактивных отходов. [4]

2.4 Растворитель как средство управления химическими процессами

Раствором называется твердая или жидкая гомогенная система, состоящая из двух или белее компонентов (составных частей), относительные количества которых могут изменяться в довольно широких пределах. Всякий раствор состоит из растворенного вещества и растворителя, т.е. среды, в которой это вещество равномерно распределено в виде молекул или еще более мелких частиц - ионов. [2]

Все разнообразие процессов в растворах можно свести к нескольким типам:

1. Равновесные процессы

1) Гомомолекулярная ассоциация.

В большинстве случаев растворенное вещество в растворителе существует в нескольких молекулярных формах, между которыми устанавливается равновесие процессов молекулярной ассоциации (диссоциации):

Ах - … хА

Причины образования молекулярных ассоциатов в растворе достаточно разнообразны, но две из них относятся к числу главнейших: диполь-дипольное взаимодействие и химическое взаимодействие между мономерными молекулами. Этот процесс в неводных растворах электролитов заметно сдвинут влево.

Димерные молекулы галогенидов могут образовывать в качестве конечных продуктов заряженные частицы:

А2 - А2 + А-

Этот процесс называется автоинозацией и относиться к числу наиболее общих особенностей жидкого состояния.

Конформерные и таутомерные равновесия, реакция изомеризации.

Соотношение концентраций различных таутомерных форм растворенного вещества, способного к таутомерному равновесию, сильно зависит от физико-химических свойств растворителя. Тут играет роль и диэлектрическая проницаемость растворителя, но прежде всего растворитель оказывает влияние на таутомерное равновесие, образуя более или менее прочные сольваты с различными таутомерными формами:

А(1)Н + S-I А(1) HS -II А(2) -HS+-III А(2) HS-IV А(2) H + S

¦IIIa

А(1) - + HS+

Данная схема включает такие последовательно устанавливающиеся равновесия: I - взаимодействие таутомерной формы А(1)Н с растворителем, приводящее к образованию продукта соединения А(1) HS; II - ионизация сольвата с образованием ионной пары II А(2) -HS+, которая может распадаться на ионы (стадия IIIa); III - переход ионизированного комплекса в продукт присоединения растворителя ко второй таутомерной форме А(2) H; IV - образование свободной второй таутомерной формы.

Весьма распространенный в органической химии процесс перегруппировок часто протекает при участии растворителя:

АCR + S- АCR·S - АCR+S

Поэтому равновесие процессов изомеризации обнаруживает сильную зависимость от физико-химических свойств растворителя.

Гетеромолекулярная ассоциация.

Образование продуктов присоединения двух веществ А и В в растворителе S:

mA + nB- (s) АmBn

Из данной реакции можно выделить подтип - реакции соединения, характеризующиеся тем, что образование продуктов присоединения ведет к глубокой перестройке связей, причем процесс становится практически необратимым:

mA + nB- рС

Обменное взаимодействие.

К этому типу взаимодействий относятся процессы, протекающие по схеме:

mA + nB- рС + qD

Сюда следует отнести реакции этерификации, ацелирования, ацетильного обмена и т.д.

Ионизация гетеромолекулярного ассоциата.

В продуктах присоединения возможно перераспределение связей, приводящее к образованию электронейтрального ионного ассоциата:

Am + Bn- Kq+ pLp- q

Процесс ионизации является необходимой стадией превращений, которым подвергается в растворе ионоген - соединение, в отличие от ионофоров, не содержащее в исходном состоянии ионов.

Электролитическая диссоциация.

Ионные ассоциаты могут в растворах подвергаться распаду на свободные ионы:

Kq+ pLp- qS1- pKq+Sa + pLp- S q

II. Общая схема равновесия в растворах.

Большинство процессов в растворах не являются независимыми, так как ряд химических форм растворенного вещества в растворителе образуется постольку, поскольку прошел процесс образования предшествующей формы. Последовательно протекающие стадии общей схемы равновесия в растворах (по Н.А.Измайлову) выглядят следующим образом:

mA + nB- Кпр АmBn- Кмом[рKq+· qLp-]- КдKa рKq++ qLp-

Из данной схемы вытекает, что процесс электролитической диссоциации, ведущей к образованию свободных ионов в растворе возможен лишь в том случае, если реализуются все предшествующие процессу электролитической диссоциации стадии образования продукта присоединения и ионизации.

III. Сольватация растворов

Сольватация - процесс взаимодействия растворенного вещества с растворителем. Для решения проблем, связанных с влиянием растворителя на протекание процессов в растворах, важен учет изменений, которые претерпевают растворенные соединения при внесении в растворитель либо с переменой растворителя. При этом различают универсальную и специфическую разновидность сольватации.

Универсальная сольватация - это изменение энергии растворенных веществ, произошедшее вследствие электростатических взаимодействий растворенного вещества с растворителем, либо изменений энергии этого типа взаимодействий в результате реакции между растворенными соединениями.

Специфическая сольватация - изменения, произошедшие вследствие химического взаимодействия растворенного соединения с молекулами растворителя.

Различают следующие разновидности электростатических взаимодействий:

Диполь дипольные , энергия которых в приближении жесткости диполей и, следовательно, неизменности расстояния между дипольными молекулами ровна:

ДGэлd-d = - 2м1м2/r3d-dЄ = Єd - d/Є,

где м1, м2 - дипольные моменты двух взаимодействующих молекул, находящихся на расстоянии r d-d; Є - статическая диэлектрическая проницаемость среды.

Ион-дипольные, энергия которых в том же приближении, что и в предыдущем случае, равна:

ДGэлd-d = - zeм/r2i-dЄ = ai - d/Є,

Ион-ионные,

ДGэлi-i = - z 1z 2e 2/ri-iЄ = ai - i/Є,

где z - заряд иона.

Процесс сольватации ионов можно представить схемой:

МrZ(±) + mSж-Мр-р Z(±)-MсольвZ(±) + kSp-p ,

где Sж - молекулы исходного растворителя, находившиеся в непосредственном контакте с ионом; Sp-p - молекулы растворителя, претерпевшие энергетические и взаимно-структурные изменения в результате процесса сольватации.

Общая энергия сольватации представляет собой сумму энергий специфической и универсальной сольватации:

ДGсольв = ДGспец. сольв + ДG унив. сольв

IV. Основные типы процессов переноса в растворах.

Для химических систем в стационарном состоянии особое значение для осуществления и регулирования процессов в растворах имеют процессы переноса. Первый из них - вязкое течение, обусловленное гравитационным полем. Вязкость раствора определяет многие его механические свойства, а также оказывает существенное влияние на электрическую проводимость раствора, коэффициент диффузии и т.п.

В жидких системах и растворах, содержащих ионы, наложение электрического поля приводит к возникновению направленной ионной миграции. Электрическая проводимость раствора определяет многие эксплуатационные свойства систем, режимы электролиза, характеристики химических источников тока, коррозионные процессы и т.д.

Относительная диэлектрическая проницательность (ДП) - описывает влияние полярности среды в физической химии растворов.

Из числа свойств системы, обусловленных наличием химического потенциала, имеющих

значение для осуществления и интерпретации процессов в растворах, наиболее важна

диффузия, - т.е. процесс переноса. [7]

Растворитель как средство управления химическим процессом

Представим равновесный химический процесс, протекающий в растворе, в общем виде:

А - В,

где А - химические формы, вступающие в реакцию; В - химические формы, образующиеся в результате реакции.

Составим термодинамический цикл, включающий стадии:

процесс в растворителе, сопровождающийся изменениями свободной энергии ДG;

перенос А из растворителя в вакуум (десольвация), сопровождающийся изменениями свободной энергии - ДGсольвА;

протекание процесса в вакууме, сопровождающееся изменениями свободной энергии ДGв;

перенос продуктов реакции В из вакуума в растворитель, сопровождающийся сольватацией и изменениями свободной энергии ДGсольвВ;

Так как

У ДGi = 0,

то ДG = ДGсольвА - ДGсольвВ - ДGв.

Изменение свободной энергии в результате протекания любого химического процесса состоит из ковалентной и энергетической составляющих:

ДG = ДGков + ДG эл;

В самой общей форме влияние растворителя на равновесный химический процесс представлено следующим уравнением:

ДG = - ДGВ + (ДGков.сальв А - ДGков.сальв В) + (ДGэл.сальв А - ДGэл.сальв В),

где ДGВ - не зависит от растворителя; разность в первых скобках характеризует специфическую, а во вторых - универсальную сольватацию.

Таким образом, влияние растворителя на равновесный химический процесс определяется энергетикой сольватации участников процесса.

Переходя от свободной энергии к константам равновесия, влияние раствора на константу равновесия будет выглядеть следующим образом:

InK = 1/RT (ДGВ + дДGков.сольв + всольв В - всольв А/е) = 1/RT(ДGВ + д ДGков.сольв + всольв /е),

где в - множители при обратной ДП в уравнениях электростатических взаимодействий.

Из уравнения видно, что константа равновесия (при постоянной температуре) с изменением растворителя изменяется, постольку, поскольку это ведет к изменению дДGков.сольв и всольв.

Вакуумная составляющая свободной энергии равновесного процесса будет представлена следующим уравнением:

ДGВ= RTInKуниве>?.

Зависимость константы равновесия от температуры и ДП для универсальных и условно-универсальных сред, описывается таким уравнением:

LnK = a0 + a1/T + b0/е + b1/еT.

Итак, рассмотренные в самом общем виде закономерности влияния растворителя на константу равновесия показывает, что на положение химического равновесия оказывают влияние два основных фактора: энергия специфической сольватации (иначе - донорно-акцепторная связь в системе растворенное вещество - растворитель) и ДП раствора, определяемая, за исключением умеренно- и высококонцентрированных растворов, ДП растворителя. [7]

Роль и общее значение влияния растворителя обусловлены рядом обстоятельств. Первое из них -- общеизвестный факт: подавляющее большинство процессов, известных современной химии -- примерно 199 из каждых двухсот -- протекает в жидкой фазе, в растворах, реже -- в расплавах. Интенсивное развитие химии растворов за последние десятилетия позволило выдвинуть и обосновать многообразные теоретические и экспериментальные аспекты участия растворителя, которое заключается в том, что растворитель в химической системе является одновременно средой и химическим агентом. Эти обобщения позволяют предложить основанные на ряде положений современной химии растворов методы управления различными химическими и физико-химическими процессами в растворах.

2.5 Современный катализ

химический процесс электролиз катализ

Одним из главнейших способов ускорения химических реакций является использование различных видов катализа.

Катализ - процесс, заключающийся в изменении скорости химических реакций в присутствии веществ, называемых катализаторами. По словам И. Берцелиуса (1837):

«Известные вещества оказывают при соприкосновении с другими веществами такое влияние на последние, что возникает химическое действие - одни вещества разрушаются, другие образуются вновь без того, чтобы тело, присутствие которого вызывает эти превращения, принимало в них какое-либо участие. Мы называем причину, вызывающую эти явления, каталитической силой».

Катализаторы - вещества, изменяющие скорость химической реакции, которые могут участвовать в реакции, входить в состав промежуточных продуктов, но не входят в состав конечных продуктов реакции и после окончания реакции остаются неизменными. Каталитические реакции - реакции, протекающие в присутствии катализаторов.

Положительным называют катализ, при котором скорость реакции возрастает, отрицательным (ингибированием) - при котором она убывает. Примером положительного катализа может служить процесс окисления аммиака на платине при получении азотной кислоты. Примером отрицательного - снижение скорости коррозии при введении в жидкость, в которой эксплуатируется металл, нитрита натрия, хромата и дихромата калия.

Катализаторы, замедляющие химическую реакцию, называются ингибиторами.

В зависимости от того, находится катализатор в той же фазе, что и реагирующие вещества, или образует самостоятельную фазу, говорят о гомогенном или гетерогенном катализе.

Примером гомогенного катализа является разложение ацетальдегида, которое катализируется йодом:

CH3CHO >J2 CH4 + CO

Эта реакция протекает в две стадии:

1) СН3СНО + J2 >CН3J + HJ + CO

2) CH3J + HJ > CH4 + J2

При гомогенном катализе действие катализатора связано с тем, что он вступает во взаимодействие с реагирующими веществами с образованием промежуточных соединений, это приводит к снижению энергии активации.

При гетерогенном катализе ускорение процесса обычно происходит на поверхности твердого тела - катализатора, поэтому активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности. На практике катализатор обычно наносят на твердый пористый носитель. Механизм гетерогенного катализа сложнее, чем у гомогенного.

Механизм гетерогенного катализа включает пять стадий, причем все они обратимы.

1. Диффузия реагирующих веществ к поверхности твердого вещества.

2. Физическая адсорбция на активных центрах поверхности твердого вещества реагирующих молекул и затем хемосорбция их.

3. Химическая реакция между реагирующими молекулами.

4. Десорбция продуктов с поверхности катализатора.

5. Диффузия продукта с поверхности катализатора в общий поток.

Примером гетерогенного катализа является окисление SO2 в SO3 на катализаторе NO при производстве серной кислоты (контактный метод). [1]

При электрокатализе реакция протекает на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока. Электрокатализ позволяет управлять химическим процессов при изменении силы электрического тока.

При фотокатализе химическая реакция стимулируется энергией поглощенного излучения и может происходить на поверхности твердого тела (в том числе на поверхности электрода) или в жидком растворе. [5]

Промоторы (или активаторы) - вещества, повышающие активность катализатора. При этом промоторы могут сами и не обладать каталитическими свойствами.

Каталитические яды - посторонние примеси в реакционной смеси, приводящие к частичной или полной потере активности катализатора. Так, следы мышьяка, фосфора вызывают быструю потерю катализатором NO активности (контактный метод производства H2SO4).

Многие важнейшие химические производства, такие, как получение серной кислоты, аммиака, азотной кислоты, синтетического каучука, ряда полимеров и др., проводятся в присутствии катализаторов.

Биохимические реакции в растительных и животных организмах ускоряются биохимическими катализаторами - ферментами.

«География» катализа необычайно широка и разнообразна - от многотоннажного производства органических веществ до управления жизненно важными биохимическими процессами в живой клетке (а, возможно, также и до «управляемого» ядерного синтеза) - и охватывает поле деятельности исследователей многих профилей и направлений.

Можно начать, например, с проблемы «фиксации» азота воздуха - чрезвычайно инертного вещества, которое даже с кислородом реагирует лишь при 3500-4000° С. Природные ресурсы связанного азота ограниченны, тогда как для производства продуктов сельского хозяйства необходимы огромные количества соединений азота. Ресурсы же свободного азота практически неограниченны. Химики переводят его в связанное (и более реакционноспособное) состояние с помощью реакции:

N2 + 3Н2 -К 2NH3 .

Чтобы скорость этой реакции была приемлема с практической точки зрения, нужны высокие температура и давление. Однако с ростом температуры равновесие реакции постепенно смещается в сторону образования исходных веществ. С другой стороны, чем ниже температура и чем полнее протекает реакция образования аммиака, тем более заметно снижается скорость процесса. Поиск компромисса между действующими в разные стороны факторами привел Габера (1907) к созданию промышленного способа превращения азотоводородной смеси в аммиак при 500° С и 300 атм. Сейчас это главный способ получения аммиака, который широко используется в производстве удобрений, азотной кислоты (каталитическое окисление аммиака над платиной), аммониевых солей, соды, синильной кислоты и т. д.

С помощью катализа осуществляют гидрогенизацию ненасыщенных химических соединений. Так, обрабатывая окись углерода водородом в присутствии цинк-хромовых катализаторов при 400° С и давлении около 300 атм, получают метанол, широко используемый в качестве растворителя исходного продукта для производства других ценных веществ:

СО + 2Н2-ZnО CH3OH.

В частности, окисляя его на серебряном или медном катализаторе, можно получить формальдегид - не менее важное вещество, в больших количествах потребляемое для синтеза пластических масс:

2СН3ОН + O2-Cu 2HCHO + 2H2O.

В результате обработки растительных масел водородом в присутствии никелевых катализаторов образую твердые жиры (в частности, маргарин). Катализ применяется для ускорения процессов гидролиза многоатомных органических соединений, главным образом растительных углеводсодержащих соединений. Здесь катализаторами служат минеральные кислоты. При обработке кислотой растительного сырья (древесные от- ходы, подсолнечная лузга, солома и т. п.) происходит расщепление полисахаридных цепей (целлюлозы, пентозанов) с образованием пищевых и кормовых продуктов, глюкозы, ксилозы, фурфурола и целого ряда других кислородсодержащих производных. При совмещении процессов кислотного гидролиза и каталитической гидрогенизации (так называемого гидрогенолиза), проводимых в более жестких условиях ( 200° С, 50 атм), получают продукты глубокого расщепления молекулярных цепей глицерин, этиленгликоль, пропиленгликоль. Эти вещества используются в производстве взрывчатых веществ, глифталевых смол, а также пластификаторов и растворителей.

Нельзя обойти молчанием производство полимеров и синтетических волокон. Здесь гордостью отечественной науки является разработанный С. В. Лебедевым (1932) процесс получения синтетического каучука по схеме: этиловый спирт - бутадиен - полибутадиен. Каталитические реакции в этом процессе осуществляются на первой стадии - дегидрогенизации и одновременной дегидратации этилового спирта. Сейчас бутадиен и изопрен получают также путем дегидрогенизации углеводородов нормального строения на алюмохромовых катализаторах, в частности из бутана. Это позволило вовлечь в производство синтетического каучука природные ресурсы газа и газы, отходящие при переработке нефти.

Большим событием в производстве полимеров явилось открытие стереоспецифической полимеризации ненасыщенных соединений в присутствии смешанных катализаторов Циглера - Натта (1952). Примером этого типа катализаторов может служить смесь триэтилалюминия и четыреххлористого титана. Применение этих катализаторов дало возможность получать макромолекулы с определенной пространственной конфигурацией мономерных звеньев. Изделия из таких полимеров обладают прекрасными эксплуатационными свойствами. Заслуживает упоминания разработанная Мортоном (1947) исключительно активная каталитическая система, известная под кодовым названием «альфин» и представляющая собой смесь аллилнатрия, изопропилата натрия и хлорида натрия. В присутствии альфина бутадиен за несколько минут полимеризуется с образованием цепей, содержащих десятки и сотни тысяч мономерных звеньев.

Огромную роль призван сыграть катализ в решении актуальнейшей проблемы - охраны окружающей среды. Нам некуда сбрасывать отходы, кроме как в ту же среду, в которой мы живем. Человек уже начинает ощущать отрицательные стороны своей бурной и во многом бесконтрольной деятельности. Химики-каталитики настойчиво работают над этой проблемой и уже добились некоторых результатов. Разработаны специальные устройства для дожигания выхлопных газов автомобилей, работающие на основе каталитического окисления вредных компонентов газов. Подобраны катализаторы и условия для обезвреживания отходящих газов химических производств. Каталитические фильтры конструируются в виде патронов, заполненных металлической сеткой или керамическими материалами с нанесенными на них каталитическими агентами; работают эти фильтры при 250-350° С. [1]

За последние двадцать лет появилось большое число публикаций, посвященных использованию мембран в катализе. Традиционно мембраны классифицируют по их роли в процессе на распределяющие (distributirors), выделяющие (extractors) и контактные (contactors) . Именно селективные распределяющие и/или выделяющие мембраны чаще всего имеют в виду, когда употребляют этот термин. В многофазных процессах значительное улучшение производительности может быть достигнуто при использовании как раз неселективных проницаемых мембран (контакторов). Развитая пористая структура этих мембран обеспечивает увеличение удельной поверхности раздела фаз газ-жидкость и интенсификацию межфазного массопереноса внутри пористой структуры мембраны. При этом каталитически активный компонент вводят внутрь объёма пор либо в состав самой мембраны. Особое преимущество контактные мембраны дают в случаях, когда реагенты имеют различное агрегатное состояние, например, в процессе гидрирования нитрат-анионов в водных растворах (обеспечивается транспорт газообразного водорода к водному раствору) или при гидрировании олефинов (капиллярное впитывание обеспечивает транспорт жидкого олефина в реакционную зону). В последнем случае использование контактных мембран позволяет увеличить производительность в 2-3 раза по сравнению с реакторами с орошаемым слоем катализатора, а преимущество мембранного реактора по сравнению с суспендированным слоем катализатора составляет порядок величины.