Ja terase klassifikatsioon
- kvaliteet;
- keemiline koostis;
- kohtumine;
- mikrostruktuur;
- tugevus.
Terase kvaliteet
Kõrval keemiline koostis
süsinikterased püsivad lisandid
Tabel 1.3.
SÜSINIKTERAS
legeerimine elemendid lisandid või lisandid
Legeerterased madala legeeritud(kuni 2,5 massiprotsenti), dopinguga(2,5 kuni 10 massiprotsenti) ja tugevalt legeeritud "kroom"
Vastavalt terase otstarbele
Struktuurne madal-( või vähe-) ja keskmine süsinik.
instrumentaalnekõrge süsinikusisaldusega.
ja (eriomadustega - ).
ja
ja suurenenud kuumakindlus kiire lõikamine terased.
tavaline kvaliteet,
Konstruktsiooniterased,
tööriista teras,
6) laager (kuullaager) muutuda,
7) kiirteras(kõrge legeeritud kõrgekvaliteedilised kõrge volframisisaldusega tööriistaterased).
8) automaatne, s.o.suurenenud (või kõrge) töödeldavus, muutuda.
Ajalooliselt väljakujunenud teraste märgistusrühmade koostise analüüs näitab, et kasutatavad märgistussüsteemid võimaldavad kodeerida viit klassifitseerimistunnust, nimelt: kvaliteet, keemiline koostis, eesmärk, deoksüdatsiooniaste, sama hästi kui viis tooriku hankimiseks(automaatsed või harvadel juhtudel valukojad). Märgistusrühmade ja teraseklasside vahelist seost on illustreeritud joonisel 1 oleva plokkskeemi alumises osas.
MÄRGISTUSRÜHMADE SÜSTEEM, MÄRGISTUSREEGLID JA TERASEMIRDI NÄITED
| SÜSI | REGULAARNE KVALITEET | |||||||
| terasegrupp | Tarne garantii | MARGID | ||||||
| A | keemilise koostise järgi | St0 | St1 | St2 | StZ | St4 | St5 | St6 |
| B | mehaaniliste omaduste järgi | Bst0 | Bst1 | Bst2 | BSTZ | Bst4 | Bst5 | Bst6 |
| V | mehaanilised omadused ja keemiline koostis | ESPO | VST1 | VST2 | VSTZ | VST4 | VST5 | VST6 |
| Süsiniku kontsentratsioon, wt. % | 0,23 | 0,06-0,12 | 0,09-0,15 | 0,14-0,22 | 0,18-0,27 | 0,28-0,37 | 0,38-0,49 | |
| KVALITEET KÕRGE KVALITEET | STRUKTUURNE | MÄRKIDE NÄITED | ||||||
| Bränd: kahekohaline number Sajad protsendid süsinikku + deoksüdatsiooniastme märge | 05 08kp 10 15 18kp 20A 25ps ZOA 35 40 45 50 55 ... 80 85 Märkused: 1) deoksüdatsiooniastme indikaatori puudumine tähendab “sp”; 2) "A" hinde lõpus näitab, et teras on kvaliteetne | |||||||
| INSTRUMENTAALNE | MARGID | |||||||
| Kaubamärk: sümbol "U" + number SÜSINIKU PROTSENTSI HAMBAD | U7 U7A U8 UVA U9 U9A U10 U10A U12 U12A | |||||||
| LEGEERITUD | KÕRGE KVALITEET KÕRGE KVALITEET ERITI KÕRGE KVALITEET | STRUKTUURNE | MÄRKIDE NÄITED | |||||
| Hinne: kahekohaline süsiniku protsendi SADAJAD arv + legeeriva elemendi sümbol + täisarv selle protsenti | 09G2 10KhSND 18G2AFps 20Kh 40G 45KhN 65S2VA 110G13L 2) kaubamärk 110G13L - üks väheseid, mille süsiniku sajandikprotsendi arv on kolmekohaline | |||||||
| INSTRUMENTAALNE | MÄRKIDE NÄITED | |||||||
| Hinne: süsiniku protsendi TENSES arv + legeeriva elemendi sümbol+ täisarv selle protsenti | ZKh2N2MF 4KhV2S 5KhNM 7X3 9KhVG X KhV4 9Kh4MZF2AGST-SH 2) "-SH" kaubamärgi lõpus näitab, et teras on eriti kõrge kvaliteediga, saadud näiteks meetodil. elektriräbuümbersulatamine (aga mitte ainult) |
Tavalise kvaliteediga süsinikkonstruktsiooniterased
Määratud märgistusrühma konkreetsed terased tähistatakse kahetähelise kombinatsiooni abil "Püha" mis on vaadeldava märgistusrühma võti (selgroog). Selle grupi terase klassid on selle sümboli järgi koheselt äratuntavad.
Sümbolile "St" ilma tühikuta järgneb number, mis näitab tuba kaubamärgid alates «0» enne "6".
Klassinumbri suurenemine vastab süsinikusisalduse suurenemisele terases, kuid ei näita selle konkreetset väärtust. Lubatud süsinikusisalduse piirid iga klassi terases on toodud tabelis. 1.5. Süsinikusisaldus sees tavalised süsinikterased ei ületa 0,5 massiprotsenti. Sellised terased on konstruktsioonikriteeriumi järgi hüpoeutektoidsed ja seega ka otstarbekohased.
Numbri järel järgneb üks kolmest tähekombinatsioonist: “kp”, “ps”, “sp”, mis näitab terase deoksüdatsiooniastet.
Sümbolile "St" võivad eelneda suured tähed "A", "B" või "C" või sümboleid ei pruugi olla. Nii edastatakse infot terase kohta, mis kuulub ühte nn "tarnerühmad": A, B või V, - sõltuvalt sellest, milline terase normaliseeritud näitajatest on tarnija poolt garanteeritud.
Terasegrupp A kaasas on garantii keemilise koostise või GOST-i poolt määratud süsiniku ja lisandite kontsentratsiooni lubatud väärtuste kohta. Tihti ei panda templile täht "A" ja selle puudumine vaikimisi tähistab keemilise koostise garantiid. Terase tarbija, kellel puudub teave mehaaniliste omaduste kohta, saab neid vormida sobiva kuumtöötlusega, mille režiimide valik eeldab keemilise koostise tundmist.
Terasegrupp B kaasas vajalike mehaaniliste omaduste garantii. Terase tarbija saab ilma eelneva kuumtöötlemiseta kindlaks teha selle optimaalse kasutuse konstruktsioonides mehaaniliste omaduste teadaolevate omaduste järgi.
Terasegrupp V kaasas on garantii nii keemilise koostise kui ka mehaaniliste omaduste osas. Tarbija kasutab seda peamiselt keeviskonstruktsioonide loomiseks. Mehaaniliste omaduste tundmine võimaldab ennustada koormatava konstruktsiooni käitumist keevisõmblustest kaugemal asuvatel aladel ning keemilise koostise tundmine võimaldab ennustada ja vajadusel korrigeerida keevisõmbluste endi mehaanilisi omadusi kuumtöötlemise teel. .
Templi salvestamise näited tavaline kvaliteetne süsinikteras näeb välja selline: Vst3ps, Bst6sp, St1kp .
Kuullaagrite terased
Laagrite terastel on oma märgistus, vastavalt otstarbele moodustavad nad spetsiaalse rühma struktuurne terased, kuigi koostiselt ja omadustelt on need lähedased tööriistaterastele. Mõiste "kuullaager" määratleb nende kitsa ulatuse - veerelaagrid (mitte ainult kuullaagrid, vaid ka rull- ja nõellaagrid). Selle märgistamiseks pakuti välja lühend "SHH" - kuullaagrid kroom, millele järgneb number kümnendikku protsenti keskmine kontsentratsioon kroomitud. Varem tuntud kaubamärkidest SHKH6, SHKH9 ja SHKH15 jäi kasutusele kaubamärk SHKH15. Erinevus kuullaagrite terase ja sarnase tööriistaterase vahel seisneb rangemates nõuetes mittemetalliliste lisandite kogusele ja karbiidide ühtlasele jaotusele mikrostruktuuris.
ShKh15 terase täiustamine sellesse täiendavate legeerivate lisandite (räni ja mangaani) lisamisega kajastus märgistuses omapärasel viisil - levides spetsiifiline hilisemate reeglite süsteem legeerteraste koostises legeerelementide tähistamiseks: SHKH15SG, SHKH20SG.
Kiired terased
Kiirterastel on spetsiaalselt tähistatud vene tähestiku algustäht "R", mis vastab esimesele helile Ingliskeelne sõna kiire - kiire, kiire. Sellele järgneb täisarvuline volframiprotsent. Nagu juba mainitud, oli kiirterase kõige levinum kaubamärk varem P18.
Volframi nappuse ja kõrge hinna tõttu läks üleminek lämmastikuta volfram-molübdeenterasele R6M5 ja lämmastikuga R6AM5-le. Sarnaselt laagriterastele on toimunud kahe märgistussüsteemi ühinemine (omamoodi "hübridiseerimine"). Uute koobalti ja vanaadiumiga kiirteraste väljatöötamine ja arendamine rikastas "hübriidsete" markide arsenali: R6AM5F3, R6M4K8, 11R3AM3F2 - ning tõi kaasa ka üldiselt volframivabade kiirteraste ilmumise, mis on märgistatud spetsiifiline süsteem (R0M5F1, R0M2F3) ja täiesti uuel viisil - 9X6M3F3AGST-Sh, 9X4M3F2AGST-Sh.
Malmi klassifikatsioon
Malmi nimetatakse raua ja süsiniku sulamiteks, mille koostis on üle 2,14 massiprotsenti C.
Malmid sulatatakse teraseks muundamiseks (muundamine), legeerivate lisandite rolli täitvate ferrosulamite saamiseks ja ka kõrgtehnoloogiliste sulamitena valandite jaoks (valu).
Süsinik võib malmis olla kahe suure süsinikusisaldusega faasina - tsementiidi (Fe 3 C) ja grafiidi kujul ning mõnikord mõlemana tsementiidi ja grafiidi kujul. Malm, milles on ainult tsementiit, annab kerge läikiva murru ja seetõttu nimetatakse seda valge. Grafiidi olemasolu annab malmi purunemise halli värvi. Kuid mitte iga grafiidiga malm ei kuulu nn hall malmid. Valge ja halli malmi vahel asub klass poolik malmid.
poolik malmi nimetatakse malmideks, mille struktuuris on vaatamata grafitiseerumisele vähemalt osaliselt säilinud ledeburiittsementiit, mis tähendab, et esineb ledeburiit ise - spetsiifilise kujuga eutektiline struktuurikomponent.
TO hall hulka malmid, milles ledeburiittsementiit on täielikult lagunenud ja viimane on konstruktsioonist kadunud. Hall malm koosneb grafiidi kandmised ja metallist alus. See metallist alus on perliit (eutektoid), ferriit-perliit (hüpoeutektoid) või ferriit (madala süsinikusisaldusega) teras. Hallmalmi metallpõhja kindlaksmääratud tüüpide jada vastab perliidi osaks oleva tsementiidi lagunemise suurenemisele.
Hõõrdumisvastased malmid
Brändi näited: ASF-1, ASF-2, ASF-3.
Spetsiaalne legeeritud kuumuskindel, korrosioonikindel ja kuumuskindel malmid:
NÄITED ERILISTEST HALLI RAUA MARKIDEST
Klassifitseerimine ja märgistamine
paagutatud kõvasulamid
Metallkeraamilised kõvasulamid on pulbermetallurgia (keraamika) abil valmistatud sulamid, mis koosnevad tulekindlate metallide karbiididest: WC, TiC, TaC, mis on ühendatud plastilise metallsideainega, enamasti koobaltiga.
Praegu toodetakse Venemaal kolme kõvasulamite rühma: volfram, titaan-volfram ja titaan-tantaal-volfram, – sisaldades sideainena koobalt.
Volframi kõrge hinna tõttu on välja töötatud kõvasulamid, mis ei sisalda üldse volframkarbiidi. Tahke faasina sisaldavad need ainult titaankarbiid või titaankarbonitriid– Ti(NC). Plastilise sideme rolli täidab nikli-molübdeeni maatriks. Kõvade sulamite klassifikatsioon on kujutatud plokkskeemina.
Kooskõlas metallikeraamika kõvasulamite viie klassiga moodustavad olemasolevad märgistamisreeglid viis märgistusrühma.
volfram ( mõnikord kutsutakse volfram-koobalt) kõvasulamid
Näited: VK3, VK6, VK8, VK10.
Titaan volfram ( mõnikord kutsutakse titaan-volfram-koobalt) kõvasulamid
Näited: T30K4, T15K6, T5K10, T5K12.
Titaan-tantaalvolfram ( mõnikord kutsutakse titaan-tantaal-volfram-koobalt) kõvasulamid
Näited: TT7K12, TT8K6, TT10K8, TT20K9.
Mõnikord lisatakse kaubamärgi lõppu tähed või tähekombinatsioonid sidekriipsuga, mis iseloomustavad karbiidiosakeste dispersiooni pulbris:
KÕVAKEERAAMILISTE SULAMITE KLASSIFIKATSIOON
Mõnede kodumaiste legeeritud terase klasside välismaised analoogid on toodud tabelis 1.1.
Tabel 1.1.
Mitmete legeeritud terase kodumaiste klasside välismaised analoogid
| Venemaa, GOST | Saksamaa, DIN* | USA, ASTM* | Jaapan, LS* |
| 15X | 15Cr3 | SCr415 | |
| 40X | 41Cr4 | SCg440 | |
| 30XM | 25CrMo4 | SCM430, SCM2 | |
| 12HG3A | 14NiCr10** | – | SNC815 |
| 20HGNM | 21NiCrMo2 | SNCM220 | |
| 08X13 | X7Cr13** | 410S | SUS410S |
| 20X13 | Х20Сг13 | SUS420J1 | |
| 12x17 | X8Cr17 | 430 (51430 ***) | SUS430 |
| 12X18H9 | X12CrNi8 9 | SUS302 | |
| 08X18H10T | Х10CrNiTi18 9 | .321 | SUS321 |
| 10Х13СУ | X7CrA133** | 405 ** (51405) *** | SUS405** |
| 20Х25Н20С2 | Х15CrNiSi25 20 | 30314,314 | SCS18, SUH310** |
* DIN (Deutsche Industrienorm), ASTM (American Societi for Testing Materials), JIS (Jaapani tööstusstandard).
** Koostiselt sarnane teras; *** SAE standard
Klassifitseerimistunnuste tunnused
Ja terase klassifikatsioon
Kaasaegsed terase klassifikatsiooni tunnused hõlmavad järgmist:
- kvaliteet;
- keemiline koostis;
- kohtumine;
- tootmise metallurgilised omadused;
- mikrostruktuur;
- traditsiooniline karastamisviis;
- traditsiooniline tooriku või detailide saamise viis;
- tugevus.
Iseloomustame lühidalt igaüks neist.
Terase kvaliteet määratakse eelkõige kahjulike lisandite – väävli ja fosfori – sisalduse järgi ning seda iseloomustab 4 kategooriat (vt tabel 1.2).
Keemilise koostise järgi terased jagunevad tinglikult süsinik- (legeerimata) terasteks ja legeeritud terasteks.
süsinikterased ei sisalda spetsiaalselt lisatud legeerelemente. Süsinikterastes sisalduvad elemendid, välja arvatud süsinik, kuuluvad nn püsivad lisandid. Nende kontsentratsioon peaks jääma asjakohaste riiklike standardite (GOST) määratud piiridesse. Tabel 1.3. on toodud mõnede elementide keskmised kontsentratsioonipiirid, mis võimaldab neid elemente klassifitseerida lisanditena, mitte legeerivate elementidena. Süsinikteraste lisandite sisalduse konkreetsed piirmäärad on toodud GOST-idega.
Tabel 1.3.
MÕNTE ELEMENTIDE KONTSENTTSIOONIDE PIIRAMINE, LUBALDADA NEID LÄHETADA PÜSIVATE LISANDUSTEKS
SÜSINIKTERAS
legeerimine elemendid, mida mõnikord nimetatakse legeerimiseks lisandid või lisandid, sisestatakse spetsiaalselt terasesse, et saada vajalik struktuur ja omadused.
Legeerterased jagunevad legeerivate elementide, välja arvatud süsiniku, kogukontsentratsiooni järgi järgmisteks osadeks madala legeeritud(kuni 2,5 massiprotsenti), dopinguga(2,5 kuni 10 massiprotsenti) ja tugevalt legeeritud(üle 10 massiprotsenti), kui raua sisaldus viimases on vähemalt 45 massiprotsenti. Tavaliselt annab kasutusele võetud legeerelement legeerterasele vastava nime: "kroom"- legeeritud kroomiga, "räni" - räniga, "kroom-räni" - kroomi ja räniga üheaegselt jne.
Lisaks eristatakse ka rauapõhiseid sulameid, mille rauasisaldus materjalis on alla 45%, kuid seda on rohkem kui ühelgi teisel legeerelemendil.
Vastavalt terase otstarbele jaguneb struktuurseks ja instrumentaalseks.
Struktuurne vaadeldakse teraseid, mida kasutatakse erinevate masinaosade, mehhanismide ja konstruktsioonide valmistamiseks masinaehituses, ehituses ja instrumentide valmistamises. Neil peab olema vajalik tugevus ja sitkus, samuti vajaduse korral eriomaduste kogum (korrosioonikindlus, paramagnetism jne). Reeglina on konstruktsiooniterased madal-( või vähe-) ja keskmine süsinik. Kõvadus ei ole nende jaoks määrav mehaaniline omadus.
instrumentaalne nimetatakse terasteks, mida kasutatakse materjalide töötlemiseks lõikamise või surve abil, samuti mõõteriistade valmistamiseks. Neil peab olema kõrge kõvadus, kulumiskindlus, tugevus ja hulk muid spetsiifilisi omadusi, näiteks kuumakindlus. Kõrge kõvaduse saamise vajalik tingimus on suurenenud süsinikusisaldus, nii et tööriistateras, harvadel eranditel, on alati olemas kõrge süsinikusisaldusega.
Igas rühmas on täpsem jaotus eesmärgi järgi. Konstruktsiooniterased jagunevad ehitus, inseneritöö ja eriotstarbelised terased(eriomadustega - kuumakindel, kuumakindel, korrosioonikindel, mittemagnetiline).
Tööriistaterased jagunevad lõiketööriistade terased, stantsiterased ja teras mõõteriistade jaoks.
Tööriistateraste ühine tööomadus on kõrge kõvadus, mis tagab tööriista vastupidavuse selle pinna deformatsioonile ja hõõrdumisele. Samal ajal on lõikeriistade terastele konkreetne nõue - säilitada kõrge kõvadus kõrgel temperatuuril (kuni 500 ... 600ºС), mis arenevad lõikeservas suurel lõikekiirusel. Terase näidatud võimet nimetatakse selleks kuumakindlus (või punane kõvadus). Vastavalt määratud kriteeriumile jagunevad lõikeriistade terased mittekuumuskindel, poolkuumuskindel, kuumakindel ja suurenenud kuumakindlus. Kaks viimast rühma on tehnika tasemes tuntud nimetuse all kiire lõikamine terased.
Matriitterasest on lisaks suurele kõvadusele vaja ka suurt sitkust, kuna stants töötab põrutuskoormuse tingimustes. Lisaks võib kuumstantsimiseks mõeldud tööriist kokkupuutel kuumutatud metallist toorikutega pikema töö ajal kuumeneda. Seetõttu peavad kuumstantsimiseks kasutatavad terased olema ka kuumakindlad.
Mõõtetööriistade terased peavad lisaks kõrgele kulumiskindlusele, tagades mõõtmete täpsuse pika kasutusea jooksul, tagama tööriista mõõtmete stabiilsuse sõltumata töötemperatuuri tingimustest. Teisisõnu, neil peaks olema väga väike soojuspaisumistegur.
KEEMILIS-TEHNOLOOGILINE PROTSESS JA SELLE SISU
Keemi-tehnoloogiline protsess on toimingute kogum, mis võimaldab saada lähteainest sihtprodukti. Kõik need toimingud on osa kolmest peamisest etapist, mis on iseloomulikud peaaegu igale keemilis-tehnoloogilisele protsessile.
Esimeses etapis viiakse läbi toimingud, mis on vajalikud esialgsete reaktiivide ettevalmistamiseks keemiliseks reaktsiooniks. Reaktiivid viiakse eelkõige kõige reaktiivsesse olekusse. Näiteks on teada, et keemiliste reaktsioonide kiirus sõltub tugevalt temperatuurist, mistõttu sageli kuumutatakse reaktiive enne reaktsiooni. Protsessi efektiivsuse suurendamiseks ja seadmete mõõtmete vähendamiseks surutakse gaasilisi tooraineid teatud rõhu all. Kõrvalmõjude kõrvaldamiseks ja kvaliteetse toote saamiseks puhastatakse tooraine lisanditest, kasutades erinevusel põhinevaid meetodeid. füüsikalised omadused(lahustuvus erinevates lahustites, tihedus, kondensatsiooni- ja kristalliseerumistemperatuurid jne). Toorainete ja reaktsioonisegude puhastamisel kasutatakse laialdaselt soojus- ja massiülekande nähtusi, hüdromehaanilisi protsesse. Kasutada saab ka keemilisi puhastusmeetodeid, mis põhinevad keemilistel reaktsioonidel, mille tulemusena muutuvad ebavajalikud lisandid kergesti eraldatavateks aineteks.
Sobivalt valmistatud reaktiivid allutatakse järgmises etapis keemilisele interaktsioonile, mis võib koosneda mitmest etapist. Nende etappide vaheaegadel on mõnikord vaja soojust ja massiülekannet ning muid füüsikalisi protsesse uuesti kasutada. Näiteks väävelhappe tootmisel oksüdeeritakse vääveldioksiid osaliselt trioksiidiks, seejärel reaktsioonisegu jahutatakse, vääveltrioksiid eemaldatakse sellest absorptsiooni teel ja suunatakse uuesti oksüdatsioonile.
Keemiliste reaktsioonide tulemusena saadakse toodete (siht-, kõrvalsaadused, kõrvalsaadused) ja reageerimata reaktiivide segu. Viimase etapi viimased toimingud on seotud selle segu eraldamisega, mille jaoks kasutatakse taas hüdromehaanilisi, soojus- ja massiülekandeprotsesse, näiteks: filtreerimine, tsentrifuugimine, rektifikatsioon, absorptsioon, ekstraheerimine jne. Reaktsiooniproduktid suunatakse valmistoodangu lattu või edasiseks töötlemiseks; reageerimata toorainet kasutatakse protsessis uuesti, korraldades selle ringlussevõttu.
Kõigis etappides ja eriti viimastes toimub ka teiseste materjalide ja energiaressursside taaskasutamine. Keskkonda sattunud gaasiliste ja vedelate ainete vood puhastatakse ja neutraliseeritakse ohtlikest lisanditest. Tahked jäätmed suunatakse edasiseks töötlemiseks või paigutatakse ladustamiseks keskkonnasõbralikesse tingimustesse.
Seega on keemilis-tehnoloogiline protsess tervikuna keeruline süsteem, mis koosneb üksikutest omavahel seotud protsessidest (elementidest) ja interakteeruvad keskkonnaga.
Keemi-tehnoloogilise süsteemi elemendid on ülaltoodud soojus- ja massiülekande protsessid, hüdromehaanilised, keemilised jne. Neid käsitletakse keemiatehnoloogia üksikute protsessidena.
Keemilise keemilis-tehnoloogilise protsessi oluline alamsüsteem on keemiline protsess.
Keemiline protsess on üks või mitu keemilist reaktsiooni, millega kaasnevad soojus-, massi- ja impulsiülekande nähtused, mis mõjutavad nii üksteist kui ka keemilise reaktsiooni kulgu.
Üksikute protsesside analüüs, nende vastastikune mõju võimaldab meil välja töötada tehnoloogilise režiimi.
Tehnoloogiline režiim on tehnoloogiliste parameetrite kogum (temperatuur, rõhk, reaktiivide kontsentratsioonid jne), mis määravad aparaadi või seadmete süsteemi töötingimused (tehnoloogiline skeem).
Optimaalsed protsessitingimused on peamiste parameetrite (temperatuur, rõhk, algse reaktsioonisegu koostis jne) kombinatsioon, mis võimaldab suurel kiirusel saada suurimat saagist või tagada madalaimad kulud, arvestades tingimused tooraine ja energia ratsionaalseks kasutamiseks ning võimaliku keskkonnakahju minimeerimiseks.keskkond.
Üksikud protsessid toimuvad erinevates seadmetes - keemilistes reaktorites, absorptsiooni- ja destilleerimiskolonnides, soojusvahetites jne. Eraldi seadmed on ühendatud protsessi vooskeemis.
Tehnoloogiline skeem on ratsionaalselt üles ehitatud üksikute seadmete süsteem, mis on ühendatud erinevat tüüpi ühendustega (otse-, pöörd-, jada-, paralleelühendusega), mis võimaldab saada looduslikust toorainest või pooltoodetest teatud kvaliteediga toodet.
Tehnoloogilised skeemid on avatud ja suletud, võivad sisaldada möödaviigu (bypass) vooge ja ringlussevõttu, võimaldades tõsta keemilis-tehnoloogilise süsteemi kui terviku efektiivsust.
Ratsionaalse tehnoloogilise skeemi väljatöötamine ja ehitamine on keemiatehnoloogia oluline ülesanne.
Tööstuslike keemilis-tehnoloogiliste protsesside aluseks olevate keemiliste reaktsioonide klassifikatsioon
Kaasaegses keemias on see teada suur number mitmesugused keemilised reaktsioonid. Paljud neist viiakse läbi tööstuslikes keemilistes reaktorites ja seetõttu saavad neist keemiatehnoloogia uurimisobjekt.
Looduslähedaste nähtuste uurimise hõlbustamiseks on teaduses tavaks neid klassifitseerida ühiste tunnuste järgi. Sõltuvalt sellest, milliseid märke aluseks võetakse, on keemiliste reaktsioonide klassifikatsioon mitut tüüpi.
Oluline klassifitseerimise tüüp on klassifikatsioon reaktsiooni mehhanism. Seal on lihtsad (üheastmelised) ja keerulised (mitmeetapilised) reaktsioonid, eriti paralleelsed, järjestikused ja seeriaparalleelsed.
Nimetatakse lihtsaid reaktsioone, mille rakendamiseks on vaja ületada ainult üks energiabarjäär (üks etapp).
Komplekssed reaktsioonid hõlmavad mitut paralleelset või järjestikust etappi (lihtreaktsioonid).
Tõelised üheastmelised reaktsioonid on äärmiselt haruldased. Mõningaid vaheetappe läbivaid keerulisi reaktsioone võib aga mugavalt pidada formaalselt lihtsaks. See on võimalik juhtudel, kui vaadeldava probleemi tingimustes ei tuvastata reaktsiooni vaheprodukte.
Reaktsiooni klassifikatsioon molekulaarsuse järgi võtab arvesse, kui palju molekule osaleb reaktsiooni elementaaraktis; eristada mono-, bi- ja trimolekulaarseid reaktsioone.
Kineetilise võrrandi vorm (reaktsioonikiiruse sõltuvus reaktiivide kontsentratsioonidest) võimaldab klassifitseerida reaktsiooni järjekorras. Reaktsiooni järjekord on kineetilises võrrandis olevate reagentide kontsentratsioonide eksponentide summa. Esinevad esimese, teise, kolmanda, murdosa järgu reaktsioonid.
Samuti on keemilised reaktsioonid termilise efektiga. Kui tekivad eksotermilised reaktsioonid, millega kaasneb soojuse eraldumine ( K> 0), reaktsioonisüsteemi entalpia väheneb ( ∆H < 0); при протекании эндотермических реакций, сопровождающихся поглощением теплоты (K< 0), suureneb reaktsioonisüsteemi entalpia ( ∆H> 0).
Keemilise reaktori konstruktsiooni ja protsessi juhtimise meetodite valikul on see hädavajalik faasi koostis reaktsioonisüsteem.
Sõltuvalt sellest, kui palju (üks või mitu) faasi moodustavad algreaktiivid ja reaktsiooniproduktid, jagatakse keemilised reaktsioonid homofaasilisteks ja heterofaasilisteks.
Homofaasilised reaktsioonid on need, milles reagendid, stabiilsed vaheühendid ja reaktsiooniproduktid on kõik samas faasis.
Heterofaasilisteks nimetatakse reaktsioone, milles lähtereagendid, stabiilsed vaheühendid ja reaktsiooniproduktid moodustavad rohkem kui ühe faasi.
Sõltuvalt sellest, lekketsoonid reaktsioonid jagunevad homogeenseteks ja heterogeenseteks.
Mõisted "homogeensed" ja "heterogeensed" reaktsioonid ei lange kokku mõistetega "homofaasilised" ja "heterofaasilised" protsessid. Reaktsiooni homogeensus ja heterogeensus peegeldavad teatud määral selle mehhanismi: kas reaktsioon kulgeb põhiosa ühes faasis või faasiliideses. Protsessi homofaasilisus ja heterofaasilisus võimaldab hinnata ainult reaktsioonis osalejate faasilist koostist.
Homogeensete reaktsioonide korral on reagendid ja produktid samas faasis (vedelas või gaasilises) ning reaktsioon kulgeb selle faasi mahus. Näiteks lämmastikoksiidi oksüdeerimine õhuhapnikuga lämmastikhappe tootmisel on gaasifaasiline reaktsioon, esterdamisreaktsioon (estrite saamine orgaanilistest hapetest ja alkoholidest) aga vedelfaas.
Heterogeensete reaktsioonide ilmnemisel on vähemalt üks reagent või saadus faasiseisundis, mis erineb teiste osalejate faasiolekust ja selle analüüsimisel tuleb arvestada faasiliidest. Näiteks happe neutraliseerimine leelisega on homofaasiline homogeenne protsess. Ammoniaagi katalüütiline süntees on homofaasiline heterogeenne protsess. Süsivesinike oksüdeerimine vedelas faasis gaasilise hapnikuga on heterofaasiline protsess, kuid käimasolev keemiline reaktsioon on homogeenne. Lubja kustutamine CaO + H 2 O Ca (OH) 2, mille käigus kõik kolm reaktsioonis osalejat moodustavad eraldi faasid ning reaktsioon kulgeb vee ja kaltsiumoksiidi piiril, on heterofaasiline heterogeenne protsess.
Sõltuvalt sellest, kas reaktsioonikiiruse muutmiseks kasutatakse spetsiaalseid aineid, katalüsaatoreid või mitte, eristatakse neid katalüütiline ja mittekatalüütiline reaktsioonid ja vastavalt keemilis-tehnoloogilised protsessid. Valdav enamus keemilistest reaktsioonidest, millel põhinevad tööstuslikud keemilis-tehnoloogilised protsessid, on katalüütilised reaktsioonid.
Keemilised elemendid, mis moodustavad elu- ja elutu loodus, on pidevas liikumises, sest nendest elementidest koosnevad ained muutuvad pidevalt.
Keemilised reaktsioonid (ladina keelest reaktsioon - vastutegevus, tõrjumine) - see on ainete reaktsioon teiste ainete ja füüsikaliste tegurite (temperatuur, rõhk, kiirgus jne) mõjule.
Kuid see määratlus vastab ka ainetega toimuvatele füüsikalistele muutustele - keemine, sulamine, kondenseerumine jne. Seetõttu on vaja selgitada, et keemilised reaktsioonid on protsessid, mis hävitavad vanu keemilisi sidemeid ja loovad uusi ning selle tulemusena moodustuvad uutest ainetest.
Keemilised reaktsioonid toimuvad pidevalt nii meie keha sees kui ka meid ümbritsevas maailmas. Tavaliselt klassifitseeritakse lugematu arv reaktsioone erinevate kriteeriumide alusel. Meenutagem 8. klassi kursusest juba tuttavaid märke. Selleks pöördume laborikatse poole.
Laborikogemus nr 3
Raua asendamine vasega vask(II)sulfaadi lahuses
Valage katseklaasi 2 ml vask(II)sulfaadi lahust ja asetage sinna surunõel või kirjaklamber. Mida sa vaatad? Kirjutage üles reaktsioonivõrrandid molekulaarsel ja ioonsel kujul. Mõelge redoksprotsessidele. Molekulaarvõrrandi põhjal määrake see reaktsioon ühele või teisele reaktsioonide rühmale järgmiste tunnuste alusel:
Nüüd kontrollige ennast. CuSO 4 + Fe \u003d FeSO 4 + Cu.
|
Oleme keemias jõudnud väga olulise mõisteni – "keemilise reaktsiooni kiirus". On teada, et mõned keemilised reaktsioonid kulgevad väga kiiresti, teised - märkimisväärse aja jooksul. Kui naatriumkloriidi lahusele lisatakse hõbenitraadi lahus, sadestub peaaegu koheselt valge juustujas sade:
AgNO 3 + NaCl \u003d NaNO 3 + AgCl ↓.
Reaktsioonid kulgevad suure kiirusega, millega kaasneb plahvatus (joon. 11, 1). Vastupidi, kivikoobastes kasvavad aeglaselt stalaktiidid ja stalagmiidid (joon. 11, 2), terastooted korrodeeruvad (roostetavad) (joon. 11, 3), paleed ja kujud hävivad happevihmade mõjul (joon. 11, 2). 4).
Riis. üksteist.
Suurel kiirusel (1) ja väga aeglaselt (2–4) toimuvad keemilised reaktsioonid
| Keemilise reaktsiooni kiirust mõistetakse kui reagentide kontsentratsiooni muutust ajaühikus: V p \u003d C 1 - C 2 /t. |
Kontsentratsiooni all mõistetakse omakorda aine koguse (nagu teate, seda mõõdetakse moolides) ja selle hõivatud mahu (liitrites) suhet. Siit pole keeruline tuletada keemilise reaktsiooni kiiruse mõõtühikut - 1 mol / (l s).
Keemilise reaktsiooni kiiruse uurimine on keemia eriharu, mida nimetatakse keemiliseks kineetikaks.
Selle mustrite tundmine võimaldab teil kontrollida keemilist reaktsiooni, muutes selle kulgemiseks kiiremini või aeglasemalt.
Millised tegurid mõjutavad keemilise reaktsiooni kiirust?
1. Reaktiivide olemus. Pöördume katse juurde.
Laboratoorsed katsed nr 4
Keemilise reaktsiooni kiiruse sõltuvus reagentide olemusest hapete ja metallide interaktsiooni näitel
| Valage kahte katseklaasi 1-2 ml vesinikkloriidhapet ja asetage: esimesse - tsingigraanul, teise - sama suur rauatükk. Millise reaktiivi olemus mõjutab happe ja metalli interaktsiooni kiirust? Miks? Kirjutage üles reaktsioonivõrrandid molekulaarsel ja ioonsel kujul. Mõelge neile oksüdatsiooni-redutseerimise seisukohalt. Seejärel asetage samale tsingigraanulile veel kahte katseklaasi ja lisage neile sama kontsentratsiooniga hapete lahused: 1. - vesinikkloriidhape, 2. - äädikhape. Millise reaktiivi olemus mõjutab happe ja metalli interaktsiooni kiirust? Miks? Kirjutage üles reaktsioonivõrrandid molekulaarsel ja ioonsel kujul. Mõelge neile oksüdatsiooni-redutseerimise seisukohalt. |
2. Reaktiivide kontsentratsioon. Pöördume katse juurde.
Laboratoorsed katsed nr 5
Keemilise reaktsiooni kiiruse sõltuvus reagentide kontsentratsioonist tsingi interaktsiooni näitel vesinikkloriidhape erinev kontsentratsioon
Sellest on lihtne järeldada: mida suurem on reagentide kontsentratsioon, seda suurem on nendevahelise interaktsiooni kiirus.
Homogeensete tootmisprotsesside gaasiliste ainete kontsentratsiooni suurendatakse rõhu tõstmisega. Näiteks tehakse seda väävelhappe, ammoniaagi, etüülalkoholi tootmisel.
Keemilise reaktsiooni kiiruse sõltuvuse tegurit reageerivate ainete kontsentratsioonist ei võeta arvesse mitte ainult tootmises, vaid ka teistes inimelu valdkondades, näiteks meditsiinis. Kopsuhaigustega patsiendid, kelle vere hemoglobiini ja õhuhapniku koostoime kiirus on madal, hõlbustavad hingamist hapnikupatjade abil.
3. Reagentide kontaktpind. Katse, mis illustreerib keemilise reaktsiooni kiiruse sõltuvust sellest faktorist, saab läbi viia järgmise katse abil.
Laboratoorsed katsed nr 6
Keemilise reaktsiooni kiiruse sõltuvus reagentide kokkupuutealast
Heterogeensete reaktsioonide korral: mida suurem on reagentide kontaktpind, seda kiirem on reaktsioonikiirus.
Seda võis näha isiklikust kogemusest. Tule süütamiseks paned küttepuude alla väikesed laastud ja nende alla kortsutatud paberi, millest kogu tuli süttis. Vastupidi, tulekahju kustutamine veega vähendab põlevate esemete kokkupuuteala õhuga.
Tootmises võetakse seda tegurit meelega arvesse, kasutatakse nn keevkihti. Reaktsiooni kiiruse suurendamiseks purustatakse tahke aine peaaegu tolmuks ja seejärel lastakse altpoolt läbi teine aine, tavaliselt gaasiline. Selle peeneks jaotatud tahke aine läbilaskmine tekitab keeva efekti (sellest ka meetodi nimi). Keevkihti kasutatakse näiteks väävelhappe ja naftasaaduste tootmisel.
Laboratoorsed katsed nr 7
Keevkihi modelleerimine
4. Temperatuur. Pöördume katse juurde.
Laboratoorsed katsed nr 8
Keemilise reaktsiooni kiiruse sõltuvus reageerivate ainete temperatuurist vaskoksiidi (II) interaktsiooni näitel väävelhappe lahusega erinevatel temperatuuridel
Lihtne on järeldada, et mida kõrgem on temperatuur, seda kiirem on reaktsioonikiirus.
Esimene Nobeli preemia laureaat, Hollandi keemik J. X. Van't Hoff sõnastas reegli:
Tootmises kasutatakse reeglina kõrgtemperatuurseid keemilisi protsesse: raua ja terase sulatamisel, klaasi ja seebi sulatamisel, paberi ja naftatoodete valmistamisel jne (joonis 12).
Riis. 12.
Kõrgtemperatuurilised keemilised protsessid: 1 - raua sulatamine; 2 - klaasi sulatamine; 3 - naftatoodete tootmine
Viies tegur, millest keemilise reaktsiooni kiirus sõltub, on katalüsaatorid. Kohtute temaga järgmises lõigus.
Uued sõnad ja mõisted
- Keemilised reaktsioonid ja nende klassifikatsioon.
- Keemiliste reaktsioonide klassifikatsiooni tunnused.
- Keemilise reaktsiooni kiirus ja tegurid, millest see sõltub.
Ülesanded iseseisvaks tööks
- Mis on keemiline reaktsioon? Mis on keemiliste protsesside olemus?
- Esitage järgmiste keemiliste protsesside täielik klassifikatsioon:
- a) fosfori põletamine;
- b) väävelhappe lahuse vastastikmõju alumiiniumiga;
- c) neutraliseerimisreaktsioonid;
- d) lämmastikoksiidi (IV) moodustumine lämmastikoksiidist (II) ja hapnikust.
- Tooge isiklikule kogemusele tuginedes näiteid erineva kiirusega toimuvate keemiliste reaktsioonide kohta.
- Mis on keemilise reaktsiooni kiirus? Millistest teguritest see sõltub?
- Too näiteid erinevate tegurite mõjust biokeemilistele ja tööstuskeemilistele protsessidele.
- Isikliku kogemuse põhjal tooge näiteid erinevate tegurite mõjust igapäevaelus toimuvatele keemilistele reaktsioonidele.
- Miks toitu külmkapis hoitakse?
- Keemiline reaktsioon käivitati temperatuuril 100 °C, seejärel tõsteti temperatuur 150 °C-ni. Selle reaktsiooni temperatuuritegur on 2. Mitu korda suureneb keemilise reaktsiooni kiirus?
Keemilisi reaktsioone tuleks eristada tuumareaktsioonidest. Keemiliste reaktsioonide tulemusena ei muutu iga keemilise elemendi aatomite koguarv ja selle isotoopkoostis. Tuumareaktsioonid on teine asi - aatomituumade muundumisprotsessid nende interaktsiooni tulemusena teiste tuumade või elementaarosakestega, näiteks alumiiniumi muundumine magneesiumiks:
27 13 Al + 1 1 H \u003d 24 12 Mg + 4 2 He
Keemiliste reaktsioonide klassifikatsioon on mitmetahuline, see tähendab, et see võib põhineda erinevaid märke. Kuid kõigi nende märkide all võib omistada nii anorgaaniliste kui ka orgaaniliste ainete vahelisi reaktsioone.
Mõelge keemiliste reaktsioonide klassifitseerimisele erinevate kriteeriumide järgi.
I. Vastavalt reaktiivide arvule ja koostisele
Reaktsioonid, mis toimuvad ainete koostist muutmata.
Anorgaanilises keemias hõlmavad sellised reaktsioonid ühe keemilise elemendi allotroopsete modifikatsioonide saamise protsesse, näiteks:
C (grafiit) ↔ C (teemant)
S (rombiline) ↔ S (monokliiniline)
R (valge) ↔ R (punane)
Sn (valge tina) ↔ Sn (hall tina)
3O 2 (hapnik) ↔ 2O 3 (osoon)
Orgaanilises keemias võivad seda tüüpi reaktsioonid hõlmata isomerisatsioonireaktsioone, mis toimuvad muutmata mitte ainult ainete molekulide kvalitatiivset, vaid ka kvantitatiivset koostist, näiteks:
1. Alkaanide isomerisatsioon.
Alkaanide isomeerimisreaktsioonil on suur praktiline tähtsus, kuna isostruktuuri süsivesinikel on väiksem detonatsioonivõime.
2. Alkeenide isomerisatsioon.
3. Alküünide isomerisatsioon (A. E. Favorsky reaktsioon).
CH 3 - CH 2 - C \u003d - CH ↔ CH 3 - C \u003d - C- CH 3
etüülatsetüleen dimetüülatsetüleen
4. Haloalkaanide isomerisatsioon (A. E. Favorsky, 1907).
5. Ammooniumtsüaniidi isomerisatsioon kuumutamisel.
Esimest korda sünteesis uurea F. Wehler 1828. aastal ammooniumtsüanaadi isomeerimisel kuumutamisel.
Reaktsioonid, mis kaasnevad aine koostise muutumisega
Selliseid reaktsioone on nelja tüüpi: ühendid, lagunemised, asendused ja vahetused.
1. Ühendusreaktsioonid on sellised reaktsioonid, mille käigus kahest või enamast ainest moodustub üks kompleksaine
Anorgaanilises keemias võib vaadelda mitmesuguseid ühendreaktsioone, kasutades näiteks väävlist väävelhappe saamise reaktsioonide näidet:
1. Vääveloksiidi (IV) saamine:
S + O 2 \u003d SO - kahest lihtsast ainest moodustub üks kompleksaine.
2. Vääveloksiidi (VI) saamine:
SO 2 + 0 2 → 2SO 3 - liht- ja kompleksainest moodustub üks kompleksaine.
3. Väävelhappe saamine:
SO 3 + H 2 O \u003d H 2 SO 4 - kahest kompleksainest moodustub üks kompleks.
Näide liitreaktsioonist, kus üks kompleksaine moodustub rohkem kui kahest lähteainest, on lämmastikhappe tootmise viimane etapp:
4NO 2 + O 2 + 2H 2 O \u003d 4HNO 3
Orgaanilises keemias nimetatakse ühendreaktsioone tavaliselt "liitumisreaktsioonideks". Selliste reaktsioonide mitmekesisust võib vaadelda küllastumata ainete, näiteks etüleeni omadusi iseloomustavate reaktsioonide ploki näitel:
1. Hüdrogeenimisreaktsioon – vesiniku lisamine:
CH2 \u003d CH2 + H2 → H3-CH3
eteen → etaan
2. Hüdratatsioonireaktsioon – vee lisamine.
3. Polümerisatsioonireaktsioon.
2. Lagunemisreaktsioonid on sellised reaktsioonid, mille käigus ühest kompleksainest tekib mitu uut ainet.
Anorgaanilises keemias võib laboratoorsete meetoditega hapniku saamiseks vajalike reaktsioonide plokis arvesse võtta mitmesuguseid selliseid reaktsioone:
1. Elavhõbe(II)oksiidi lagunemine - ühest kompleksainest tekib kaks lihtsat.
2. Kaaliumnitraadi lagunemine - ühest kompleksainest tekib üks liht- ja üks kompleks.
3. Kaaliumpermanganaadi lagunemine - ühest kompleksainest moodustub kaks kompleksset ja üks lihtainet ehk kolm uut ainet.
Orgaanilises keemias võib laboris ja tööstuses etüleeni tootmise reaktsioonide plokis arvestada lagunemisreaktsioonidega:
1. Etanooli dehüdratsiooni (vee jagamise) reaktsioon:
C 2 H 5 OH → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 O
2. Etaani dehüdrogeenimisreaktsioon (vesiniku lõhustamine):
CH3-CH3 → CH2 \u003d CH2 + H2
või CH3-CH3 → 2C + ZH2
3. Propaani pragunemisreaktsioon (jagunemine):
CH3-CH2-CH3 → CH2 \u003d CH2 + CH4
3. Asendusreaktsioonid on sellised reaktsioonid, mille tulemusena asendavad lihtaine aatomid elemendi aatomeid kompleksaines.
Anorgaanilises keemias on selliste protsesside näideteks reaktsioonide plokk, mis iseloomustab näiteks metallide omadusi:
1. Leelis- või leelismuldmetallide koostoime veega:
2Na + 2H2O \u003d 2NaOH + H2
2. Metallide interaktsioon lahuses olevate hapetega:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
3. Metallide koostoime lahuses olevate sooladega:
Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu
4. Metalthermy:
2Al + Cr 2 O 3 → Al 2 O 3 + 2Cr
Orgaanilise keemia uurimisobjekt ei ole lihtained, vaid ainult ühendid. Seetõttu toome asendusreaktsiooni näitena küllastunud ühendite, eriti metaani kõige iseloomulikuma omaduse, selle vesinikuaatomite võime asendada halogeeniaatomitega. Teine näide on aromaatse ühendi (benseen, tolueen, aniliin) broomimine.
C6H6 + Br2 → C6H5Br + HBr
benseen → bromobenseen
Pöörame tähelepanu orgaanilistes ainetes toimuva asendusreaktsiooni eripärale: selliste reaktsioonide tulemusena ei moodustu mitte lihtne ja keeruline aine, nagu anorgaanilises keemias, vaid kaks keerulist ainet.
Orgaanilises keemias hõlmavad asendusreaktsioonid ka mõningaid reaktsioone kahe kompleksse aine vahel, näiteks benseeni nitreerimist. See on formaalselt vahetusreaktsioon. Asjaolu, et tegemist on asendusreaktsiooniga, saab selgeks alles selle mehhanismi arvesse võttes.
4. Vahetusreaktsioonid on sellised reaktsioonid, mille käigus kaks keerulist ainet vahetavad oma koostisosi
Need reaktsioonid iseloomustavad elektrolüütide omadusi ja kulgevad lahustes Berthollet' reegli järgi, st ainult siis, kui selle tulemusena tekib sade, gaas või vähedissotsieeruv aine (näiteks H 2 O).
Anorgaanilises keemias võib see olla reaktsioonide plokk, mis iseloomustab näiteks leeliste omadusi:
1. Neutraliseerimisreaktsioon, mis toimub soola ja vee moodustumisega.
2. Leelise ja soola vaheline reaktsioon, mis kaasneb gaasi moodustumisega.
3. Leelise ja soola vaheline reaktsioon, mis kaasneb sademe moodustumisega:
СuSO 4 + 2KOH \u003d Cu (OH) 2 + K 2 SO 4
või ioonsel kujul:
Cu 2+ + 2OH - \u003d Cu (OH) 2
Orgaanilises keemias võib käsitleda reaktsioonide plokki, mis iseloomustavad näiteks äädikhappe omadusi:
1. Reaktsioon, mis kulgeb nõrga elektrolüüdi - H 2 O moodustumisega:
CH 3COOH + NaOH → Na (CH3COO) + H 2 O
2. Reaktsioon, mis toimub gaasi moodustumisega:
2CH 3 COOH + CaCO 3 → 2CH 3 COO + Ca 2+ + CO 2 + H 2 O
3. Reaktsioon, mis kulgeb sademe moodustumisega:
2CH 3 COOH + K 2 SO 3 → 2K (CH 3 COO) + H 2 SO 3
2CH 3 COOH + SiO → 2CH 3 COO + H 2 SiO 3
II. Aineid moodustavate keemiliste elementide oksüdatsiooniastet muutes
Selle põhjal eristatakse järgmisi reaktsioone:
1. Reaktsioonid, mis tekivad elementide oksüdatsiooniastmete muutumisel ehk redoksreaktsioonid.
Nende hulka kuuluvad paljud reaktsioonid, sealhulgas kõik asendusreaktsioonid, samuti need kombinatsiooni- ja lagunemisreaktsioonid, milles osaleb vähemalt üks lihtne aine, näiteks:
1. Mg 0 + H + 2 SO 4 \u003d Mg + 2 SO 4 + H 2
2. 2Mg 0 + O 0 2 = Mg + 2 O -2
Komplekssed redoksreaktsioonid koostatakse elektronide tasakaalu meetodil.
2KMn +7O4 + 16HCl - \u003d 2KCl - + 2Mn +2Cl -2 + 5Cl02 + 8H2O
Orgaanilises keemias võivad aldehüüdide omadused olla redoksreaktsioonide silmatorkav näide.
1. Need taandatakse vastavateks alkoholideks:
Aldetsiidid oksüdeeritakse vastavateks hapeteks:
2. Reaktsioonid, mis toimuvad keemiliste elementide oksüdatsiooniastmeid muutmata.
Nende hulka kuuluvad näiteks kõik ioonivahetusreaktsioonid, aga ka paljud ühendreaktsioonid, paljud lagunemisreaktsioonid, esterdamisreaktsioonid:
HCOOH + CHgOH = HSOCH 3 + H 2 O
III. Termilise efekti järgi
Termilise efekti järgi jagunevad reaktsioonid eksotermilisteks ja endotermilisteks.
1. Eksotermilised reaktsioonid kulgevad energia vabanemisega.
Nende hulka kuuluvad peaaegu kõik ühendi reaktsioonid. Harv erand on lämmastikoksiidi (II) sünteesi endotermilised reaktsioonid lämmastikust ja hapnikust ning gaasilise vesiniku reaktsioon tahke joodiga.
Eksotermilisi reaktsioone, mis kulgevad koos valguse vabanemisega, nimetatakse põlemisreaktsioonideks. Etüleeni hüdrogeenimine on eksotermilise reaktsiooni näide. See töötab toatemperatuuril.
2. Endotermilised reaktsioonid kulgevad energia neeldumisega.
Ilmselt kehtivad neile peaaegu kõik lagunemisreaktsioonid, näiteks:
1. Lubjakivi kaltsineerimine
2. Butaani pragunemine
Reaktsiooni tulemusena vabanenud või neeldunud energiahulka nimetatakse reaktsiooni termiliseks efektiks ja seda efekti näitavat keemilise reaktsiooni võrrandit nimetatakse termokeemiliseks võrrandiks:
H2 (g) + C 12 (g) \u003d 2HC 1 (g) + 92,3 kJ
N 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2NO (g) - 90,4 kJ
IV. Vastavalt reageerivate ainete agregatsiooni olekule (faasiline koostis)
Vastavalt reageerivate ainete agregatsiooni olekule eristatakse:
1. Heterogeensed reaktsioonid - reaktsioonid, mille käigus reageerivad ained ja reaktsiooniproduktid on erinevates agregatsiooniseisundites (erinevates faasides).
2. Homogeensed reaktsioonid - reaktsioonid, milles reagendid ja reaktsiooniproduktid on samas agregatsiooniseisundis (ühes faasis).
V. Vastavalt katalüsaatori osalemisele
Vastavalt katalüsaatori osalemisele on:
1. Mittekatalüütilised reaktsioonid, mis toimuvad ilma katalüsaatori osaluseta.
2. Katalüsaatori osalusel toimuvad katalüütilised reaktsioonid. Kuna kõik elusorganismide rakkudes toimuvad biokeemilised reaktsioonid kulgevad spetsiaalsete valguloomuliste bioloogiliste katalüsaatorite - ensüümide - osalusel, on need kõik katalüütilised või täpsemalt ensümaatilised. Tuleb märkida, et enam kui 70% keemiatööstusest kasutab katalüsaatoreid.
VI. suunas
Suuna järgi on:
1. Pöördumatud reaktsioonid kulgevad antud tingimustes ainult ühes suunas. Nende hulka kuuluvad kõik vahetusreaktsioonid, millega kaasneb sademe, gaasi või vähedissotsieeruva aine (vee) moodustumine, ja kõik põlemisreaktsioonid.
2. Nendes tingimustes toimuvad pöörduvad reaktsioonid samaaegselt kahes vastassuunas. Enamik neist reaktsioonidest on.
Orgaanilises keemias peegeldub pöörduvuse märk protsesside nimedes - antonüümides:
Hüdrogeenimine - dehüdrogeenimine,
Hüdratsioon - dehüdratsioon,
Polümerisatsioon - depolümerisatsioon.
Kõik esterdamisreaktsioonid on pöörduvad ( vastupidine protsess, nagu teate, nimetatakse hüdrolüüsiks) ja valkude, estrite, süsivesikute, polünukleotiidide hüdrolüüsiks. Nende protsesside pöörduvus on elusorganismi kõige olulisema omaduse – ainevahetuse – aluseks.
VII. Voolumehhanismi järgi on olemas:
1. Reaktsiooni käigus tekkinud radikaalide ja molekulide vahel toimuvad radikaalreaktsioonid.
Nagu te juba teate, katkevad kõigis reaktsioonides vanad keemilised sidemed ja tekivad uued keemilised sidemed. Lähteaine molekulides oleva sideme katkestamise meetod määrab reaktsiooni mehhanismi (tee). Kui aine moodustub kovalentse sidemega, võib selle sideme katkestamiseks olla kaks võimalust: hemolüütiline ja heterolüütiline. Näiteks Cl 2, CH 4 jne molekulide puhul toimub sidemete hemolüütiline purunemine, mis põhjustab paaritute elektronidega osakeste, st vabade radikaalide moodustumist.
Radikaalid tekivad kõige sagedamini sidemete katkemisel, milles jagatud elektronpaarid on aatomite vahel jaotunud ligikaudu võrdselt (mittepolaarne kovalentne side), kuid paljusid polaarseid sidemeid saab ka murda sarnasel viisil, eriti kui reaktsioon toimub gaasifaasis ja valguse mõjul , nagu näiteks eespool käsitletud protsesside puhul - C 12 ja CH 4 - vastastikmõju. Radikaalid on väga reaktsioonivõimelised, kuna kipuvad oma elektronkihti täiendama, võttes elektroni teiselt aatomilt või molekulilt. Näiteks kui klooriradikaal põrkab kokku vesiniku molekuliga, lõhub see jagatud elektronpaari, mis seob vesinikuaatomeid ja moodustab kovalentse sideme ühe vesinikuaatomiga. Teine vesinikuaatom, muutudes radikaaliks, moodustab kokkuvarisevast Cl 2 molekulist pärit klooriaatomi paaritu elektroniga ühise elektronpaari, mille tulemusena tekib klooriradikaal, mis ründab uut vesiniku molekuli jne.
Reaktsioone, mis on järjestikuste teisenduste ahel, nimetatakse ahelreaktsioonideks. Ahelreaktsioonide teooria arendamise eest pälvisid Nobeli preemia kaks silmapaistvat keemikut - meie kaasmaalane N. N. Semenov ja inglane S. A. Hinshelwood.
Kloori ja metaani vaheline asendusreaktsioon kulgeb sarnaselt:
Enamik orgaaniliste ja anorgaaniliste ainete põlemisreaktsioone, vee, ammoniaagi süntees, etüleeni, vinüülkloriidi jt polümerisatsioon kulgeb radikaalse mehhanismi järgi.
2. Ioonreaktsioonid toimuvad juba olemasolevate või reaktsiooni käigus tekkinud ioonide vahel.
Tüüpilised ioonreaktsioonid on interaktsioonid lahuses olevate elektrolüütide vahel. Ioonid ei moodustu mitte ainult elektrolüütide dissotsiatsioonil lahustes, vaid ka elektrilahenduste, kuumutamise või kiirguse toimel. y-kiired muudavad näiteks vee ja metaani molekulid molekulaarseteks ioonideks.
Teise ioonmehhanismi kohaselt toimuvad vesinikhalogeniidide, vesiniku, halogeenide alkeenidele lisamise reaktsioonid, alkoholide oksüdatsioon ja dehüdratsioon, alkoholi hüdroksüülrühma asendamine halogeeniga; aldehüüdide ja hapete omadusi iseloomustavad reaktsioonid. Ioonid tekivad sel juhul kovalentsete polaarsete sidemete heterolüütilise katkemise teel.
VIII. Vastavalt energia tüübile
reaktsiooni käivitamisel on:
1. Fotokeemilised reaktsioonid. Neid käivitab valgusenergia. Lisaks ülaltoodud HCl sünteesi või metaani reaktsiooni klooriga fotokeemilistele protsessidele hõlmavad need osooni tootmist troposfääris sekundaarse atmosfääri saasteainena. Sel juhul toimib primaarsena lämmastikoksiid (IV), mis moodustab valguse toimel hapnikuradikaale. Need radikaalid interakteeruvad hapniku molekulidega, mille tulemuseks on osoon.
Osooni moodustumine jätkub seni, kuni on piisavalt valgust, kuna NO võib suhelda hapniku molekulidega, moodustades sama NO 2 . Osooni ja teiste sekundaarsete õhusaasteainete kogunemine võib põhjustada fotokeemilist sudu.
Seda tüüpi reaktsioon hõlmab ka kõige olulisemat taimerakkudes toimuvat protsessi – fotosünteesi, mille nimi räägib enda eest.
2. Kiirgusreaktsioonid. Neid käivitab suure energiaga kiirgus – röntgenikiirgus, tuumakiirgus (γ-kiired, a-osakesed – He 2+ jne). Kiirgusreaktsioonide abil viiakse läbi väga kiire radiopolümerisatsioon, radiolüüs (kiirguse lagunemine) jne.
Näiteks kaheetapilise benseenist fenooli tootmise asemel saab seda saada benseeni interaktsioonil veega kiirguse toimel. Sel juhul moodustuvad veemolekulidest radikaalid [OH] ja [H], millega benseen reageerib, moodustades fenooli:
C6H6 + 2 [OH] → C6H5OH + H2O
Kummi vulkaniseerimist saab läbi viia ilma väävlita, kasutades radiovulkaniseerimist ja saadud kumm ei ole halvem kui traditsiooniline kumm.
3. Elektrokeemilised reaktsioonid. Need on algatatud elektrit. Lisaks teile hästi tuntud elektrolüüsireaktsioonidele toome välja ka elektrosünteesi reaktsioonid, näiteks anorgaaniliste oksüdeerijate tööstusliku tootmise reaktsioonid.
4. Termokeemilised reaktsioonid. Neid käivitab soojusenergia. Nende hulka kuuluvad kõik endotermilised reaktsioonid ja paljud eksotermilised reaktsioonid, mis nõuavad esialgset soojusvarustust, st protsessi käivitamist.
Ülaltoodud keemiliste reaktsioonide klassifikatsioon kajastub diagrammil.
Keemiliste reaktsioonide klassifikatsioon, nagu ka kõik teised klassifikatsioonid, on tingimuslik. Teadlased nõustusid jagama reaktsioonid teatud tüüpideks vastavalt tuvastatud märkidele. Kuid enamikku keemilisi muundumisi võib seostada erinevate tüüpidega. Näiteks iseloomustame ammoniaagi sünteesi protsessi.
See on ühendreaktsioon, redoks-, eksotermiline, pöörduv, katalüütiline, heterogeenne (täpsemalt heterogeenne katalüütiline), mis toimub süsteemi rõhu vähenemisega. Protsessi edukaks juhtimiseks tuleb arvestada kogu ülaltoodud teabega. Konkreetne keemiline reaktsioon on alati multikvalitatiivne, seda iseloomustavad erinevad tunnused.
Ainete keemilised omadused ilmnevad mitmesugustes keemilistes reaktsioonides.
Nimetatakse ainete muundumisi, millega kaasneb nende koostise ja (või) struktuuri muutumine keemilised reaktsioonid. Sageli leitakse järgmine määratlus: keemiline reaktsioon Algainete (reaktiivide) lõppaineteks (produktideks) muutmise protsessi nimetatakse.
Keemilised reaktsioonid kirjutatakse keemiliste võrrandite ja skeemide abil, mis sisaldavad lähteainete ja reaktsioonisaaduste valemeid. Keemilistes võrrandites on erinevalt skeemidest iga elemendi aatomite arv vasakul ja paremal küljel sama, mis peegeldab massi jäävuse seadust.
Võrrandi vasakul küljel on kirjutatud lähteainete (reaktiivide) valemid, paremale - keemilise reaktsiooni tulemusena saadud ained (reaktsiooniproduktid, lõppained). Vasakut ja paremat poolt ühendav võrdusmärk näitab, et reaktsioonis osalevate ainete aatomite koguarv jääb muutumatuks. See saavutatakse täisarvuliste stöhhiomeetriliste koefitsientide asetamisega valemite ette, mis näitavad reagentide ja reaktsioonisaaduste kvantitatiivseid suhteid.
Keemilised võrrandid võivad sisaldada lisateavet reaktsiooni tunnuste kohta. Kui keemiline reaktsioon kulgeb toimel välismõjud(temperatuur, rõhk, kiirgus jne), tähistatakse seda vastava sümboliga, tavaliselt võrdusmärgi kohal (või "alla").
Väga palju keemilisi reaktsioone saab rühmitada mitut tüüpi reaktsioonideks, mida iseloomustavad täpselt määratletud tunnused.
Nagu klassifikatsiooni tunnused valida saab järgmist:
1. Lähteainete ja reaktsioonisaaduste arv ja koostis.
2. Reaktiivide ja reaktsioonisaaduste agregaatolek.
3. Faaside arv, milles reaktsioonis osalejad on.
4. Ülekantavate osakeste olemus.
5. Reaktsiooni kulgemise võimalus edasi- ja tagasisuunas.
6. Soojusefekti märk jagab kõik reaktsioonid: eksotermiline eksoefektiga kulgevad reaktsioonid - energia vabanemine soojuse kujul (Q> 0, ∆H<0):
C + O 2 \u003d CO 2 + Q
ja endotermiline Endoefektiga kulgevad reaktsioonid - energia neeldumine soojuse kujul (Q<0, ∆H >0):
N 2 + O 2 \u003d 2NO - Q.
Sellised reaktsioonid on termokeemiline.
Vaatleme üksikasjalikumalt iga reaktsiooni tüüpi.
Klassifikatsioon reaktiivide ja lõppainete arvu ja koostise järgi
1. Ühendusreaktsioonid
Ühendi reaktsioonides mitmest suhteliselt lihtsa koostisega reageerivast ainest saadakse üks keerulisema koostisega aine:
Reeglina kaasneb nende reaktsioonidega soojuse eraldumine, s.t. põhjustada stabiilsemate ja vähem energiarikaste ühendite moodustumist.
Lihtainete kombinatsiooni reaktsioonid on oma olemuselt alati redoks-reaktsioonid. Keeruliste ainete vahel toimuvad ühendusreaktsioonid võivad toimuda nii ilma valentsi muutumiseta:
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O \u003d Ca (HCO 3) 2,
ja klassifitseeritakse redoksrühmaks:
2FeCl 2 + Cl 2 = 2FeCl 3.
2. Lagunemisreaktsioonid
Lagunemisreaktsioonid põhjustavad ühest kompleksainest mitme ühendi moodustumist:
A = B + C + D.
Keerulise aine lagunemissaadused võivad olla nii liht- kui ka kompleksained.
Valentsusolekuid muutmata toimuvatest lagunemisreaktsioonidest tuleb märkida kristalsete hüdraatide, aluste, hapete ja hapnikku sisaldavate hapete soolade lagunemist:
| t o | ||
| 4HNO 3 | = | 2H 2O + 4NO 2O + O 2O. |
2AgNO 3 \u003d 2Ag + 2NO 2 + O 2,
(NH 4) 2Cr 2 O 7 \u003d Cr 2 O 3 + N 2 + 4H 2 O.
Eriti iseloomulikud on lämmastikhappe soolade lagunemise redoksreaktsioonid.
Lagunemisreaktsioone orgaanilises keemias nimetatakse pragunemiseks:
C 18 H 38 \u003d C 9 H 18 + C 9 H 20,
või dehüdrogeenimine
C4H10 \u003d C4H6 + 2H2.
3. Asendusreaktsioonid
Asendusreaktsioonides interakteerub tavaliselt lihtne aine keerulise ainega, moodustades teise lihtsa aine ja teise kompleksse aine:
A + BC = AB + C.
Need reaktsioonid kuuluvad valdavas enamuses redoksreaktsioonidesse:
2Al + Fe 2 O 3 \u003d 2Fe + Al 2 O 3,
Zn + 2HCl \u003d ZnCl 2 + H 2,
2KBr + Cl 2 \u003d 2KCl + Br 2,
2KSlO 3 + l 2 = 2KlO 3 + Cl 2.
Näiteid asendusreaktsioonidest, millega ei kaasne aatomite valentsusoleku muutusi, on äärmiselt vähe. Tuleb märkida ränidioksiidi reaktsiooni hapnikku sisaldavate hapete sooladega, mis vastavad gaasilistele või lenduvatele anhüdriididele:
CaCO 3 + SiO 2 \u003d CaSiO 3 + CO 2,
Ca 3 (RO 4) 2 + ZSiO 2 \u003d ZCaSiO 3 + P 2 O 5,
Mõnikord peetakse neid reaktsioone vahetusreaktsioonideks:
CH4 + Cl2 = CH3CI + Hcl.
4. Vahetage reaktsioone
Vahetusreaktsioonid Reaktsioone kahe ühendi vahel, mis vahetavad oma koostisosi, nimetatakse:
AB + CD = AD + CB.
Kui asendusreaktsioonide käigus toimuvad redoksprotsessid, siis vahetusreaktsioonid toimuvad alati ilma aatomite valentsolekut muutmata. See on kõige levinum reaktsioonide rühm keeruliste ainete - oksiidide, aluste, hapete ja soolade - vahel:
ZnO + H 2 SO 4 \u003d ZnSO 4 + H 2 O,
AgNO 3 + KBr = AgBr + KNO 3,
CrCl 3 + ZNaOH = Cr(OH) 3 + ZNaCl.
Nende vahetusreaktsioonide erijuhtum on neutraliseerimisreaktsioonid:
Hcl + KOH \u003d KCl + H2O.
Tavaliselt järgivad need reaktsioonid keemilise tasakaalu seadusi ja kulgevad suunas, kus vähemalt üks aine eemaldatakse reaktsioonisfäärist gaasilise, lenduva aine, sademe või madala dissotsiatsiooniga (lahuste) ühendi kujul:
NaHCO 3 + Hcl \u003d NaCl + H 2 O + CO 2,
Ca (HCO 3) 2 + Ca (OH) 2 \u003d 2CaCO 3 ↓ + 2H 2 O,
CH 3 COONa + H 3 RO 4 \u003d CH 3 COOH + NaH 2 RO 4.
5. Ülekandereaktsioonid.
Ülekandereaktsioonides läheb aatom või aatomite rühm ühest struktuuriüksusest teise:
AB + BC \u003d A + B 2 C,
A 2 B + 2CB 2 = DIA 2 + DIA 3.
Näiteks:
2AgCl + SnCl 2 \u003d 2Ag + SnCl 4,
H 2 O + 2NO 2 \u003d HNO 2 + HNO 3.
Reaktsioonide klassifikatsioon faasitunnuste järgi
Sõltuvalt reageerivate ainete agregatsiooni olekust eristatakse järgmisi reaktsioone:
1. Gaasireaktsioonid
| H2 + Cl2 | 2 HCl. |
2. Reaktsioonid lahustes
NaOH (p-p) + Hcl (p-p) \u003d NaCl (p-p) + H2O (l)
3. Tahkete ainete vahelised reaktsioonid
| t o | ||
| CaO (TV) + SiO 2 (TV) | = | CaSiO 3 (teler) |
Reaktsioonide klassifikatsioon faaside arvu järgi.
Faasi all mõistetakse süsteemi homogeensete osade kogumit, millel on samad füüsikalised ja keemilised omadused ja mis on üksteisest liidesega eraldatud.
Sellest vaatenurgast võib kogu reaktsioonide mitmekesisuse jagada kahte klassi:
1. Homogeensed (ühefaasilised) reaktsioonid. Nende hulka kuuluvad gaasifaasis toimuvad reaktsioonid ja mitmed lahustes toimuvad reaktsioonid.
2. Heterogeensed (mitmefaasilised) reaktsioonid. Nende hulka kuuluvad reaktsioonid, milles reagendid ja reaktsiooniproduktid on erinevates faasides. Näiteks:
gaasi-vedeliku faasi reaktsioonid
CO 2 (g) + NaOH (p-p) = NaHC03 (p-p).
gaasi-tahkefaasi reaktsioonid
CO 2 (g) + CaO (tv) \u003d CaCO 3 (tv).
vedeliku-tahke faasi reaktsioonid
Na 2 SO 4 (lahus) + BaCl 3 (lahus) \u003d BaSO 4 (tv) ↓ + 2NaCl (p-p).
vedel-gaas-tahkefaas reaktsioonid
Ca (HCO 3) 2 (lahus) + H 2 SO 4 (lahus) \u003d CO 2 (r) + H 2 O (l) + CaSO 4 (tv) ↓.
Reaktsioonide klassifikatsioon kantavate osakeste tüübi järgi
1. Protolüütilised reaktsioonid.
TO protolüütilised reaktsioonid hõlmavad keemilisi protsesse, mille põhiolemus on prootoni ülekandmine ühelt reagendilt teisele.
See klassifikatsioon põhineb hapete ja aluste protolüütilisel teoorial, mille kohaselt hape on mis tahes aine, mis loovutab prootoni, ja alus on aine, mis suudab prootonit vastu võtta, näiteks:
Protolüütilised reaktsioonid hõlmavad neutraliseerimis- ja hüdrolüüsireaktsioone.
2. Redoksreaktsioonid.
Nende hulka kuuluvad reaktsioonid, mille käigus reagendid vahetavad elektrone, muutes samal ajal reagendid moodustavate elementide aatomite oksüdatsiooniastet. Näiteks:
Zn + 2H + → Zn 2 + + H2,
FeS 2 + 8HNO 3 (konts.) = Fe(NO 3) 3 + 5NO + 2H 2 SO 4 + 2H 2 O,
Valdav enamus keemilistest reaktsioonidest on redoksreaktsioonid, neil on äärmiselt oluline roll.
3. Ligandi vahetusreaktsioonid.
Nende hulka kuuluvad reaktsioonid, mille käigus kantakse üle elektronpaar ja moodustub kovalentne side doonor-aktseptormehhanismi abil. Näiteks:
Cu(NO 3) 2 + 4NH 3 = (NO 3) 2,
Fe + 5CO = ,
Al(OH)3 + NaOH = .
Ligandivahetusreaktsioonide iseloomulik tunnus on see, et uute ühendite, mida nimetatakse kompleksseteks, moodustumine toimub oksüdatsiooniastet muutmata.
4. Aatomi-molekulaarse vahetuse reaktsioonid.
Seda tüüpi reaktsioonid hõlmavad paljusid orgaanilises keemias uuritud asendusreaktsioone, mis kulgevad radikaalse, elektrofiilse või nukleofiilse mehhanismi järgi.
Pöörduvad ja pöördumatud keemilised reaktsioonid
Pööratavad on sellised keemilised protsessid, mille produktid on võimelised üksteisega reageerima samadel tingimustel, milles need saadakse, moodustades lähteaineid.
Pööratavate reaktsioonide korral kirjutatakse võrrand tavaliselt järgmiselt:
Kaks vastassuunalist noolt näitavad, et samadel tingimustel toimuvad nii edasi- kui ka vastupidised reaktsioonid samaaegselt, näiteks:
CH 3 COOH + C 2 H 5 OH CH 3 COOS 2 H 5 + H 2 O.
Pöördumatud on sellised keemilised protsessid, mille produktid ei suuda omavahel reageerida lähteainete tekkega. Pöördumatute reaktsioonide näideteks on Bertolet' soola lagunemine kuumutamisel:
2KSlO 3 → 2KSl + ZO 2,
või glükoosi oksüdeerimine õhuhapnikuga:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O.