Физико-химическая модель процессов в анодном микроразряде

Химия – экспериментальная наука о превращениях химических элементов и химических соединений. По определению Д. И. Менделеева, химия одновременно является и наукой , и производством . Главная задача химии - это получение веществ с заданными свойствами и разработка способов управления свойствами веществ, в процессе их превращения. Химия изучает химические связи, энергетику химических реакций, реакционную способность веществ, свойства катализаторов и т. д.

В 1860 году в Германии состоялся Международный съезд химиков, где ученые пришли к выводу о том, что все вещества состоят из молекул, молекулы состоят из атомов, атомы и молекулы находятся в непрерывном тепловом движении. Химическая связь между атомами осуществляется электронами, расположенными во внешней оболочке атомов. Их называют валентными электронами .

Роль моделирования в химии необычайно высока, поэтому химическая теория состоит из множества моделей . Среди них можно выделить модели с очень широкой областью применимости, создающие основу современной химической науки. К этим моделям относятся: стехиометрическая, атомно-молекулярная, геометрическая и электронная модель. Появление каждой из них произвело в свое время переворот во взглядах химиков.

Стехиометрическая модель определяет использование химических формул и уравнений. Стехиометрическое уравнение дает точное описание любой реакции.

Атомно-молекулярная модель показывает как внутримолекулярные, так и межмолекулярные перегруппировки атомов. Эта модель показывает химические реакции, в ходе которых происходит перераспределение атомов.

Геометрическая модель определяет структуру химических формул и геометрию молекулярных параметров. Эта модель дает возможность пространственно представить структуру соединения, понять причину появления веществ изомеров. Любое химическое превращение это непрерывный переход от одной геометрической конфигурации атомов к другой. Геометрическая модель является классической теорией строения молекул, т.к. все атомы обладают координатами и траекториями движения. Атомно-молекулярная и геометрическая модели стали мощными средствами систематизации огромного экспериментального материала.

Электронная модель показывает реакционную способность веществ через электронное строение молекул. Эта модель относится к неклассической химии, т.к. поведение электронов в атомах подчиняется законам квантовой физики. Химические реакции, протекающие при определенных условиях: давлениях и температурах относятся к классической химии, а реакции, протекающие с участием катализаторов, ингибиторов и ферментов относятся к квантовой химии. Все эти модели дополняют друг друга. Каждая последующая модель использует и детализирует постулаты предыдущей модели.

Вопросы для самоконтроля

1. Что за наука химия?

2. Какое определение дал Менделеев химии?

3. В чём главная задача химии?

4. Что изучает химии?

5. Где происходил Международный съезд химиков в 1860 году?

6. Что утвердили участники Международного съезда химиков в 1860 году?

7. Какие электроны называют валентными электронами?

8. Какие модели широко используются в химии?

9. Что определяет стехиометрическая модель?

10. Что показывает атомно-молекулярная модель?

11. Что определяет геометрическая модель?

12. Что показывает электронная модель?

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

HTML-версии работы пока нет.
Cкачать архив работы можно перейдя по ссылке, которая находятся ниже.

Подобные документы

Гомологический ряд метана. Строение молекулы метана. Углы между всеми связями. Физические свойства алканов. Лабораторные способы получения. Получение из солей карбоновых кислот. Тип гибридизации атомов углерода в алканах. Структурная изомерия алканов.

презентация , добавлен 08.10.2014

Электронная модель молекулы. Теория отталкивания электронных пар валентной оболочки. Реакционная способность молекул. Классификация химических реакций. Степени свободы молекулы, их вращательное движение. Описание симметрии колебаний, их взаимодействие.

презентация , добавлен 15.10.2013

Характеристика строения атома. Определение числа протонов, электронов, нейтронов. Рассмотрение химической связи и полярности молекулы в целом. Уравнения диссоциации и константы диссоциации для слабых электролитов. Окислительно-восстановительные реакции.

контрольная работа , добавлен 09.11.2015

Структура молекулы, связи атомов и свойства ацетиленов как химических веществ. Особенности получения алкинов термолизом метана и гидрированием углерода в промышленности и реакцией элиминирования в лаборатории. Реакции алкинов с участием тройной связи.

контрольная работа , добавлен 05.08.2013

Главные положения классической теории химического строения молекулы. Характеристики, определяющие ее реакционную способность. Гомологический рад алканов. Номенклатура и изометрия углеводородов. Классификация кислородосодержащих органических соединений.

презентация , добавлен 25.01.2017

Химический элемент - совокупность атомов одного вида. Открытие химических элементов. Размеры атомов и молекул. Формы существования химических элементов. Некоторые сведения о молекулярном и немолекулярном строении веществ. Атомно-молекулярное учение.

презентация , добавлен 15.04.2012

Общая последовательность расчёта электронного строения молекулы по методу МО ЛКАО. Простой метод Хюккеля. Примеры молекулярных структур для метода МОХ. Аллил в методе МОХ. Общие свойства электронного распределения в системе хюккелевского углеводорода.

Химические элементы образуют химические соединения в соответствии с законом постоянства состава. С точки зрения атомного строения вещества, атом легче вступает в химические реакции, если он имеет незаполненные электронные оболочки. Атом отдает или приобретает электроны на свою внешнюю электронную оболочку в зависимости от валентности – способности атома к образованию химической связи. Под химической связью понимается определенное взаимодействие атомов, которое приводит к заданной конфигурации атомов, отличающей одни молекулы от других. Вещество, которое состоит из атомов в определенном соотношении, объединенных определенной химической связью, является химическим веществом.

Ионная связь

Атомы могут терять или приобретать электроны, превращаясь в ионы (анионы и катионы). Анионы и катионы с полностью заполненной электронной оболочкой имеют устойчивую электронную конфигурацию. Между анионами и катионами возникает электростатическое притяжение. Химическая связь такого рода называется ионной связью. Наиболее типичные ионные соединения состоят из катионов металлом I и II групп и анионов неметаллических элементов VI и VII групп (например, NaCl).

Ковалентная связь

Ковалентная связь образуется парой электронов , обобществленных между двумя соседними атомами (например, Н 2 , О 2)

Металлическая связь

Металлы в твердом состоянии существуют в форме кристаллов. Эти кристаллы состоят из положительных ионов, которые удерживаются в определенных положениях кристаллической решетки квазисвободными электронами. Электроны, участвующие в образовании металлической связи, являются внешним, или валентными электронами. Эти электроны уже не принадлежат отдельным атомам, а делокализованы между положительными ионами.

Структурная концепция

В соответствии со структурной концепцией молекулы представляют собой не произвольную, а пространственно упорядоченную совокупность атомов, входящих в нее. Химические связи в молекуле имеют пространственное распределение, а форма молекул определяется углами между направлениями связей, соединяющих атомы в данную молекулу (линейные молекулы, уголковые молекулы). Комбинируя атомы различных элементов, можно создавать структурные формы любого химического соединения, т.е. находить путь химического синтеза.

Однако с практической точки зрения важным явилось и знание химической активности реагентов. Созданная А.М.Бутлеровым теория химического строения объяснила причины химической активности одних веществ и пассивности других. Позже теория Бутлерова нашла обоснование на основе квантовой механики.

Химическую активность можно рассматривать с точки зрения превращения энергии: если при образовании химической связи сумма энергий связываемых компонент (атомов) больше, чем энергия образующейся молекулы, то такая связь оказывается устойчивой. Образование такой химической связи происходит с выделением энергии, такие реакции называются экзотермическими.

Видно, насколько энергия двойных и тройных связей больше энергии одинарных связей. Становится также понятно, почему углерод и азот так распространены в окружающем нас мире – их двойные связи самые прочные.

Чтобы разорвать химическую связь, необходимо затратить энергию, называемую энергией химической связи. В двухатомных молекулах энергия связи и энергия диссоциации молекул совпадают. В многоатомных молекулах они могут различаться. Одним из способов сообщения достаточной энергии является поддержание необходимой температуры.

Представление о химических связях и реакциях тесно связано с понятиями химической системы и химического процесса. Химические системы могут быть равновесными и неравновесными. В равновесных системах идут обратимые химические процессы, а в неравновесных – необратимые процессы, как правило, цепные и разветвленные. Именно в них возникают флуктуации и неустойчивости, а их развитие починяется законам нелинейной динамики.

Область химии, объясняющая типы реакций, их ход и возможность изменения направлений процессов, называется химической кинетикой. Самопроизвольные химические реакции идут в сторону образования более устойчивых химических соединений и сопровождаются выделением энергии. Скорость реакции зависит от температуры, при этом каждая молекула проходит стадию активации.Катализаторы уменьшают энергию активации, что увеличивает скорость химической реакции. Если скорости прямой и обратной реакции равны, то система находится в динамическом равновесии.

В современной химии важнейшее значение имеет проблема поиска эффективных катализаторов для различных химических технологий. В то же время в биохимии установлено, что основой химии живого являются каталитические реакции, т.н. биокатализ. Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение механизмов химических превращений, присущих живой материи. Химиков-органиков интересуют перспективы синтеза сложных веществ, аналогичных образующимся в живом организме. Изучив принципы, заложенные эволюцией в химизм живой природы, можно использовать их для развития химической науки и технологии.

Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов. Ферменты – это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками, и являются биологическими катализаторами. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма. Биокатализаторы обладают высокой селективностью – один фермент катализирует обычно только одну реакцию.

Проблемы моделирования биокатализаторов показали необходимость детального изучения химической эволюции , т.е. установления закономерностей самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более высокоорганизованными по сравнению с исходными веществами.

Примером самопроизвольных периодических химических реакций является реакция окисления лимонной кислоты в присутствии катализатора, впервые открытая Б.Белоусовым в 1951 г. При этом чередовались окислительно-восстановительные процессы, и раствор самопроизвольно периодически менял цвет. Подобные реакции в дальнейшем широко исследовались для различных веществ и получили название реакций Белоусова-Жаботинского.

В 1960-х годах было обнаружено самосовершенствование катализаторов в ходе реакции (обычно катализаторы в ходе реакции дезактивировались), что позволило говорить о самоорганизация химического процесса – такое состояние химической системы, которому присущи все более высокие уровни сложности и упорядоченности. Роль процессов самоорганизации катализаторов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем.

Одна задач из эволюционной химии – понять, как из неорганической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией».Есть два подхода к изучению предбиологических систем:

ü Синергетический , который в химии получил название функционального;

ü Субстратный, связанный с вещественной основой процессов химической самоорганизации.

Результатом субстратного подхода является накопление информации о роли отдельных химических элементов и структур в ходе химической эволюции. В настоящее время известно более ста химических элементов, но основу живых систем составляют только шесть из них, т.н. органогенов (углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера). Их общая весовая доля в живой материи составляет 97.4%. Еще двенадцать элементов (Na, К, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co, Mn) составляют в живом примерно 1.6%, остальные слабо представлены в живой материи.

Таким образом, наблюдается резкая диспропорция между громадным множеством органических соединений и малым количеством составляющих их элементов. Это явление не связано с распространенностью элементов. На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо, а углерод занимает только 16-е место. Совместная весовая доля четырех органогенов (C, N, P, S) в поверхностных слоях Земли составляет 0.24%. Следовательно, геохимические условия не сыграли сколько-нибудь существенной роли при формировании органических систем.

С химической точки зрения отбор элементов происходил по следующим признакам:

ü Способность образовывать достаточно прочные энергоемкие связи;

ü Образованные связи должны быть достаточно лабильными, т.е. изменчивыми.

Поэтому углерод был отобран эволюцией как органон №1. Он участвует почти во всех типах химических связей, известных в химии, образует углерод-углеродные связи, строя длинные и стабильные скелеты молекул в виде цепей, колец и даже сложных трехмерных образований (т.н. фуллеренов).

Нобелевская премия 1996 года по химии присуждена З. Керл, Р. Смэлли (США) и Г. Крото (Англия) за открытие и исследование фуллеренов - замкнутых объемных структур из атомов углерода. Этим открытием к известным "со школы" структурам углерода типа графита и алмаза добавились более сложные - типа экзотического бакминстерфуллерена с химической формулой С 60 , представляющий собой "шар" из шестидесяти атомов углерода. Разнообразие и богатство возникающих пространственных структур фуллеренов создает целую новую область химии с интереснейшими проблемами фазовых переходов, замещений, легирования и т.д., открывающую новые горизонты в катализе, материаловедении, синтезе.

Углеродные атомы создают связи с атомами H, N, O, P, S в различных комбинациях, что обеспечивает колоссальное разнообразие органических соединений, проявляющееся в размерах, структуре и химических свойствах молекул. Таким образом, лабильные атомы (S, P, Fe) имеют большое значение в биохимии, а стабильные атомы (SI, Al, Na) играют второстепенную роль. Кислород и водород можно рассматривать в качестве носителей крайних и односторонних свойств – окислительных и восстановительных.

Подобно тому, как только шесть органогенов отобраны природой в основу биосистем, также в предбиологической эволюции из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен (из ста известных аминокислот в состав белков входят только двадцать). В природе происходит отбор тех соединений, которые получаются относительно большим числом химических путей и обладают широким каталитическим спектром.

В ходе дальнейшей эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности каталитических групп. Следующим фрагментом эволюции, сливающим химическую и биологическую линии эволюции, является развитие полимерных структур типа РНК и ДНК, выполняющих роль каталитических матриц, на которых осуществляется воспроизведение себе подобных структур.

Согласно теории развития элементарных открытых каталитических систем (1964 г., профессор МГУ А.П.Руденко), химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. Одно из важнейших следствий этой теории – установление пределов химической эволюции и перехода хемогенеза в биогенез (т.е. зарождение живого).

Похожая информация.

Федоров А.Я. 1 Мелентьева Т.А. 2 Мелентьева М.А. 3

1 Тульский институт управления и бизнеса им. Н.Д. Демидова

2 Тульский педагогический университет им. Л.Н. Толстого

3 Российская музыкальная академия им. Гнессиных

1. Ивашов П.В. Ландшафтно-геохимические исследования на базальтовых массивах. – М.: Из-во «Дальнаука», 2003. – 323 с.

2. Акимова Т.А., Кузьмин А.П., Хаскин В.В. Экология. – М.: Из-во «ЮНИТИ», 2001. – 343 с.

4. Экология; под ред. Терехиной Л.А. – Тула: Из-во «ТГПУ», 2004. – 221 с.

5. Федоров А.Я., Мелентьева Т.А., Мелентьева М.А. Процесс очистки технологического газа. – Тула: Из-во «ТулГУ» Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности», 2009. – Вып. 3. – С. 47–52.

6. Федоров А.Я., Мелентьева Т.А., Мелентьева М.А. Моделирование металлургических процессов. – М.: Из-во «Академия Естествознания», 2011. – С. 56–58.

Из всех изверженных из земных недр пород наиболее широко распространены базальты - эффузионные образования, связанные с базальтовым магматизмом. Семейство базальтов петрологами обычно подразделяются на два больших типа: толеиновые базальты и щелочные оливиновые базальты. Толеиновые базальты состоят из двух пироксенов (авгита и бедного кальцием собственно пироксена) и плагиоклаза. В них также может присутствовать оливин. Щелочные оливиновые базальты отличаются наличием только одного пироксена (авгивита) в парагенезисе с плагиоклазом и оливином. Они особенно характерны для океанических островов. Толеинтовые базальты главным образом встречаются в глубоководных частях океанов, вдоль океанических хребтов, а также в форме покровных базальтов на материке. Континентальные телеиты имеют несколько более высокое содержание кальция и кремнезема по сравнению с океаническими телеитами.

В регионах распространение древней и современной вулканической деятельности в настоящее время доказана тесная и пространственная связь базальтов и андезитов как эффузионных образований с их интрузивными аналогами в виде габброидов и диоритов. Общность химических составов этих вулканических пород и интрузивных пород указывает на единство их глубинного происхождения .

Многие металлургические процессы основаны на переработке железосодержащих пород. Они основаны на восстановлении металлов из руд, где они содержатся преимущественно в виде окислов или сульфидов с помощью термических и электролитических реакций. Наиболее характерные химические реакции имеют вид:

Fe2O3 + 3C +O2 → 2Fe + CO + 2CO2,

5Сu2S + 5O2 → 10Cu + 5SO2, (1)

Al2O3 + 3O → 2Al + 3О2,

где Fe2O3, Al2O3 - оксиды железа и алюминия; Сu2S - сульфид меди; C - углерод; O2 - молекулярный кислород; O - атомарный кислород;Fe, Cu, Al - получаемые металлы; CO - оксид углерода; CO2 - диоксид углерода; SO2 - диоксид серы. Технологическая цепь в черной металлургии включает производство окатышей и агломератов, доменное, сталеплавильное, прокатное, ферросплавное, литейное производство и другие вспомогательные производства . Все металлургические переделы сопровождаются интенсивным загрязнением среды (таблица). В коксохимическом производстве дополнительно выделяются ароматические углеводороды, фенолы, аммиак, цианиды и целый ряд других веществ. Черная металлургия потребляет большое количество воды. Хотя промышленные нужды на 80-90 % удовлетворяются за счет систем оборотного водоснабжения., забор свежей воды и сброс загрязненных стоков достигают очень больших объемов, соответственно порядка 25-30 м3 и 10-15 м3 на 1 т продукции полного цикла. Со стоками в водные объекты поступают значительные количества взвешенных веществ, сульфатов, хлоридов, соединений тяжелых металлов.

Газовые выбросы основных переделов черной металлургии в кг/т соответствующего продукта

Примечание. * кг/м2 поверхности металла.

Технологии химической промышленности со всеми ее отраслями (неорганическая химия, нефтегазохимия, лесохимия, оргсинтез, фармакологическая химия, микробиологическая промышленность и др.) содержат множество незамкнутых материальных циклов. Основными источниками вредных эмиссий являются процессы производства неорганических кислот и щелочей, синтетического каучука, минеральных удобрений, ядохимикатов, пластмасс, красителей, растворителей, моющих средств, крекинг нефти. Кроме того, являются процессы очистки технологического газа . В техногенных потоках поллютантов ключевое место занимают транспортирующие среды - воздух и вода.

Обычно химический процесс получения металлов заключается в восстановлении данного металла - обычно окисла или сульфида - до свободного металла. В качестве восстановителя обычно применяют уголь, чаще всего в виде кокса (КМЗ, РМЗ) .

Россия занимает невыгодное географическое положение по отношению к трансграничному переносу аэрополлютантов. В связи с преобладанием западных ветров значительную долю загрязнения воздушного бассейна Европейской территории России (ЕТР) дает аэрогенный перенос из стран Западной и Центральной Европы и ближнего зарубежья.

Для интегральной оценки состояния воздушного бассейна применяют индекс суммарного загрязнения атмосферы:

где qi - средняя за год концентрация в воздухе i-го вещества; Ai - коэффициент опасности i-го вещества, обратный ПДК этого вещества; Ci - коэффициент, зависящий от класса опасности вещества. Im является упрощенным показателем и рассчитывается обычно для m = 5 - наиболее значимых концентраций веществ, определяющих загрязнение воздуха. В эту пятерку чаще других попадают такие вещества как бензопирен, формальдегид, фенол, аммиак, диоксид азота, сероуглерод, пыль. Индекс Im изменяется от долей единицы до 15-20 - чрезвычайных условий загрязнения.

По ряду показателей, в первую очередь по массе и распространенности вредных эффектов, атмосферным загрязнителем номер один является диоксид серы. Поступление в атмосферу больших количеств SO2 и окислов азота приводит к заметному снижению PH атмосферных осадков. Это происходит из-за вторичных реакций в атмосфере, приводящих к образованию сильных кислот. В этих реакциях участвует кислород и пары воды, а также частицы техногенной пыли в качестве катализатора:

2SO2 + O2 + 2H2O → 2H2SO4,

4NO2 + 2H2O + O2 → 4HNO3, (3)

где H2SO4, HNO3 - серная и азотная кислоты. В атмосфере оказывается и ряд промежуточных продуктов указанных реакций. Растворение кислот в атмосферной влаге приводит к выпадению кислотных дождей. В промышленных районах и в зонах атмосферного заноса окислов серы и азота pH дождевой воды колеблется от 3 до 5. Кислотные осадки особенно опасны в районах с кислыми почвами и низкой буферностью природных вод. Это приводит к неблагоприятным изменениям в водных экосистемах. Природные комплексы Южной Канады и Серной Европы уже давно ощущают действие кислых осадков.

В 70-х годах появились сообщения о региональных снижениях озона в стратосфере. Особенно заметной стала сезонно пульсирующая озоновая дыра над Антарктидой площадью более 10 млн км2, где содержание O3 за 80-е годы уменьшилось почти на 50 %. Поскольку ослабление озонового экрана чрезвычайно опасно для всей наземной биоты и для здоровья людей, эти данные привлекли внимание ученых, а затем всего общества. Большинство специалистов склоняется к мнению о техногенном происхождении озоновых дыр. Наиболее обосновано предположение, согласно которому главной причиной является попадание в верхние слои атмосферы техногенного хлора и фтора, а также других атомов и радикалов, способных чрезвычайно активно присоединять атомарный кислород, тем самым конкурируя с реакцией:

О + О2 → O3, (4)

где O3 - озон. Занос активных галогенов в верхние слои атмосферы опосредован летучими хлорфторуглеродами (ХФУ) типа фреонов, которые, будучи в обычных условиях инертными и нетоксичными, под действием коротковолновых ультрафиолетовых лучей в стратосфере распадаются. Хлорфторуглероды обладают рядом полезных свойств, обусловивших широкое их применение в холодильных установках, кондиционерах, аэрозольных баллончиках, огнетушителях и др. (рисунок). С 1950 г. объем мирового производства ХФУ ежегодно возрастал на 7-10 %.

Мировое производство хлорфторуглеродов

В последующем были приняты международные соглашения, обязывающие стран - участниц сократить использование ХФУ. США еще в 1978 г. ввели запрет на использование ХФУ - аэрозолей. Но расширение других областей применения ХФУ снова привел к росту их мирового производства. Переход промышленности к новым озоносберегающим технологиям связан с большими финансовыми затратами. В последние десятилетия появились и другие, чисто технические пути заноса активных разрушителей озона в стратосферу: ядерные взрывы в атмосфере, выбросы сверхзвуковых самолетов, запуски ракет и космических кораблей многоразового использования. Не исключено, однако, что часть наблюдаемого ослабления озонового экрана Земли связана не с техногенными выбросами, а с вековыми колебаниями аэрохимических свойств атмосферы и независимыми изменениями климата.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Подобные документы

Библиографическая ссылка