2.3. Химические процессы.

Классификация химических реакций.

Химические реакции подразделяются на окислительно-восстановительные и обменные. Если при реакции происходит изменение степени окисляющегося вещества, то такая реакция называется окислительно-восстановительной. Взаимодействие без изменения степени окисления вещества получило название обменной реакции.

Тепловой эффект химических реакций и проблемы производства и рационального потребления тепловой энергии

Энергия существует в различных формах, в том числе тепловой , химической, электрической. Например, двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию горючего в тепловую энергию; батарея преобразует химическую энергию в электрическую. Несмотря на возможность преобразования из одной формы в другую, энергия не может быть создана или уничтожена. Это означает, что полная энергия в замкнутой системе остается постоянной.

Термодинамическая система при протекании в ней химической реакции может выделять или поглощать теплоту. Реакции, сопровождающиеся выделением теплоты, называются экзотермическими, поглощением теплоты – эндотермическими.

Фазы состояния вещества – это газ, жидкость и твердое вещество. Изменение (обычно повышение) концентрации вещества на границе раздела фаз называется адсорбцией. Адсорбция – это разновидность сорбции, т.е. поглощения одного вещества другим. Если же вещество поглощается всем объемом другого вещества, то происходит абсорбция, если вещество концентрируется на поверхности раздела фаз, то имеет место адсорбция.

Рассмотрим пример адсорбции на границе раздела твердое тело-газ. В 18 веке открыли адсорбцию газов углем. В начале 20 века разработали способ получения активированного угля, который был использован в противогазах. Уголь также адсорбирует органические вещества из раствора. С повышением температуры адсорбция уменьшается.

Эффект адсорбции широко применяется в разных областях техники. Так, на явлении адсорбции основаны способы очистки газов и жидкостей от различных примесей, в том числе при подготовке питьевой воды, при осушке газов. В медицине адсорбирующий метод используется для извлечения вредных веществ из крови (гемособция). Особое значение приобретает адсорбционная техника в решении экологических задач (очистка сточных вод, выбросов электростанций и различных предприятий).

Катализ и катализаторы

Неотъемлемой частью современной химической промышленности является катализ – ускорение химических реакций путем добавления катализатора. Одна молекула катализатора может преобразовать несколько миллионов молекул реагента в минуту. Катализаторы могут быть газообразными, жидкими или твердыми веществами. Они необходимы для проведения практически всех промышленных химических реакций, особенно для переработки нефти и производства синтетических органических химических продуктов. Вода, в особенности морская, катализирует окисление и коррозию. Из известных катализаторов самыми активными являются ферменты. Брожение вина, разрыхление теста дрожжами, створаживание молока и пивоварение – все это реакции под действием ферментов. Ферменты используют в медицине для уничтожения болезнетворных микроорганизмов, ускорения заживления ран и диагностики некоторых заболеваний.

Преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую

Излучение Солнца может создавать теплоту, производить электроэнергию или вызывать химические реакции. Солнечная энергия неисчерпаема и экологически чиста, однако не является эффективным источником энергии, поскольку атмосфера Земли поглощает или рассеивает более 50 % падающего солнечного излучения. Солнечные накопители собирают это излучение и преобразуют его в теплоту, воспринимаемую текущей жидкостью и впоследствии используемую для обогрева.

Существует два типа использования солнечной энергии для нагревания воды или воздуха в помещении: пассивное и активное. Пассивное основано на максимальном использовании тепла, попадающего в здание; при строительстве для него выбирают соответствующее местоположение, ориентацию, планировку, материалы и конструкцию. Например, здание с хорошей теплоизоляцией и с большим окном, выходящим на юг, в солнечные дни можно обогревать естественным теплом, меньше полагаясь на газ, нефть или электричество. Для поглощения солнечного тепла и последующего его излучения во внутренних помещениях часто ставят теплоемкие кирпичные, каменные или черепичные стены.

В жидкостную систему солнечного отопления входит установленная снаружи зачерненная металлическая пластина, поглощающая солнечный свет и улавливающая тепло, которое передается жидкости-переносчику. Поглотившую тепло коллектора жидкость перекачивают затем в емкость-хранилище. Таким способом можно снабжать дом горячей водой или обогревать жилые помещения, заставив нагретую воду циркулировать по размещенным под полом или на потолке трубам.

Устройства, непосредственно преобразующие энергию света в электрическую на основе фотоэффекта – это солнечные батареи. Большие конструкции могут содержать тысячи фотогальванических солнечных элементов и работают как электростанции аналогично атомным или тепловым электростанциям. Устройства много меньших размеров используются для снабжения электроэнергией удаленных объектов, включая космические аппараты. Солнечные батареи являются идеальным источником энергии для космической техники, поскольку не имеют подвижных частей и не требуют запасов топлива.