Kimya ve enerji. Enerji problemini çözmede kimyanın değeri - soyut
Öz
Enerji problemlerinin çözümünde kimyanın rolü
giriiş
Uygarlığın gelişiminin tüm tarihi, enerji kaynakları arayışıdır. Bu bugün bile çok alakalı. Ne de olsa enerji, endüstrinin daha da gelişmesi, sürdürülebilir mahsuller elde etmek, şehirleri güzelleştirmek ve doğanın medeniyetin açtığı yaraları iyileştirmesine yardımcı olmak için bir fırsattır. Bu nedenle enerji sorununun çözümü küresel bir çabayı gerektirmektedir. .
1. Modern kimyanın kökeni ve 21. yüzyıldaki sorunları
kimya toplumu enerji
Orta Çağ'ın sonu, okültten kademeli olarak ayrılma, simyaya olan ilginin azalması ve doğanın yapısına dair mekanik bir görüşün yayılmasıyla belirlendi.
İyatrokimya.
Simyanın amaçları hakkında tamamen farklı görüşler Paracelsus tarafından yapıldı. İsviçreli doktor Philipp von Hohenheim, seçtiği böyle bir isim altında tarihe geçti. Avicenna gibi Paracelsus da simyanın asıl görevinin altın elde etmenin yollarını aramak değil, ilaç üretimi olduğuna inanıyordu. Simya geleneğinden maddenin üç ana parçası olduğu doktrinini ödünç aldı - uçuculuk, yanıcılık ve sertlik özelliklerine karşılık gelen cıva, kükürt, tuz. Bu üç unsur, makro kozmosun temelini oluşturur ve ruh, ruh ve beden tarafından oluşturulan mikro kozmos ile ilişkilidir. Paracelsus, hastalıkların nedenlerinin tanımına dönerek, ateş ve vebanın vücuttaki kükürt fazlalığından geldiğini, cıva fazlalığında felç meydana geldiğini vb. savundu. Tüm iatrokimyacıların bağlı olduğu ilke, tıbbın bir kimya meselesi olduğu ve her şeyin doktorun saf ilkeleri saf olmayan maddelerden ayırma yeteneğine bağlı olduğuydu. Bu şemada vücudun tüm işlevleri kimyasal işlemlere indirgendi ve simyacının görevi bulmak ve hazırlamaktı. kimyasal maddeler tıbbi ihtiyaçlar için.
İyatrokimyasal yönün ana temsilcileri, mesleği doktor olan Jan Helmont; Bir doktor olarak büyük bir üne sahip olan ve iyatrokimya doktrininden "ruhsal" ilkeleri çıkaran Francis Silvius; Andreas Libavius, Rothenburglu doktor.
Araştırmaları, kimyanın bağımsız bir bilim olarak oluşumuna büyük katkıda bulundu.
mekanik felsefe.
İatrokimyanın azalan etkisi ile doğa filozofları yeniden eskilerin doğa hakkındaki öğretilerine döndüler. 17. yüzyılda ön plan. atomist görüşler ortaya çıktı. En önde gelen bilim adamlarından biri - parçacık teorisinin yazarları - filozof ve matematikçi Rene Descartes idi. Görüşlerini 1637'de Metod Üzerine Söylev'inde özetledi. Descartes, tüm cisimlerin “çeşitli şekil ve boyutlarda çok sayıda küçük parçacıktan oluştuğuna ve bunların çevresinde boşluk kalmayacak kadar birbirine çok yakın olduğuna; bu boşluklar boş değil, ... nadir bulunan maddelerle dolu. Descartes, "küçük parçacıkları" atom olarak görmedi, yani. bölünmez; maddenin sonsuz bölünebilirliği görüşünde durdu ve boşluğun varlığını reddetti.
Descartes'ın en önde gelen muhaliflerinden biri Fransız fizikçi ve filozof Pierre Gassendi idi.
Atomizm Gassendi, esasen Epicurus'un öğretilerinin yeniden anlatımıydı, ancak ikincisinin aksine, Gassendi atomların Tanrı tarafından yaratıldığını kabul etti; Tanrı'nın, tüm cisimleri oluşturan belirli sayıda bölünmez ve nüfuz edilemez atomlar yarattığına inanıyordu; atomlar arasında mutlak bir boşluk olmalıdır.
17. yüzyılda kimyanın gelişiminde. özel bir rol İrlandalı bilim adamı Robert Boyle'a aittir. Boyle, evrenin unsurlarının spekülatif olarak kurulabileceğine inanan antik filozofların açıklamalarını kabul etmemiş; Bu, The Skeptical Chemist adlı kitabının başlığına da yansır. Tanıma deneysel bir yaklaşımın destekçisi olarak kimyasal elementler, gerçek elementlerin varlığını bilmiyordu, ancak bunlardan biri - fosfor - neredeyse kendini keşfetti. Boyle genellikle "analiz" terimini kimyaya sokmakla tanınır. Nitel analiz üzerine yaptığı deneylerde çeşitli göstergeler kullandı, kimyasal afinite kavramını tanıttı. Çalışmalara dayanarak Galileo Galilei Evangelista Torricelli'nin yanı sıra 1654'te "Magdeburg yarım kürelerini" gösteren Otto Guericke, Boyle tasarladığı hava pompasını ve U-şekilli bir tüp kullanarak havanın esnekliğini belirleme deneylerini anlattı. Bu deneylerin bir sonucu olarak, havanın hacminin ve basıncının ters orantılılığı ile ilgili iyi bilinen yasa formüle edildi. 1668'de Boyle, yeni kurulan Royal Society of London'ın aktif bir üyesi oldu ve 1680'de başkanı seçildi.
Biyokimya. Bu bilimsel disiplin çalışma ile ilgilenir. kimyasal özellikler biyolojik maddeler, ilk başta organik kimyanın dallarından biriydi. 19. yüzyılın son on yılında bağımsız bir bölge olarak ortaya çıktı. bitkisel ve hayvansal kökenli maddelerin kimyasal özellikleri üzerine yapılan araştırmalar sonucunda. İlk biyokimyacılardan biri Alman bilim adamı Emil Fischer'di. Kafein, fenobarbital, glikoz, birçok hidrokarbon gibi maddeleri sentezledi, enzim bilimine büyük katkı sağladı - ilk olarak 1878'de izole edilen protein katalizörleri. Yeni analitik yöntemlerin oluşturulması, bir bilim olarak biyokimyanın oluşumuna katkıda bulundu.
1923'te İsveçli kimyager Theodor Svedberg bir ultrasantrifüj tasarladı ve başta proteinler olmak üzere makromoleküllerin moleküler ağırlığını belirlemek için bir sedimantasyon yöntemi geliştirdi. Aynı yıl Svedberg'in asistanı Arne Tiselius, dev molekülleri ayırmak için daha gelişmiş bir yöntem olan ve yüklü moleküllerin bir elektrik alanındaki göç hızındaki farka dayanan elektroforez yöntemini yarattı. 20. yüzyılın başında Rus kimyager Mikhail Semenovich Tsvet, karışımlarını bir adsorbanla doldurulmuş bir tüpten geçirerek bitki pigmentlerini ayırmak için bir yöntem tanımladı. Yöntem kromatografi olarak adlandırıldı.
1944'te İngiliz kimyagerler Archer Martini Richard Synge, Yeni sürüm yöntem: adsorban tüpü filtre kağıdı ile değiştirdiler. Kağıt kromatografisi böyle ortaya çıktı - kimya, biyoloji ve tıpta en yaygın analitik yöntemlerden biri, bunun yardımıyla 1940'ların sonlarında ve 1950'lerin başlarında çeşitli proteinlerin parçalanmasından kaynaklanan amino asit karışımlarını analiz etmek mümkün oldu ve proteinlerin bileşimini belirler. Özenli araştırmalar sonucunda insülin molekülündeki amino asitlerin sırası belirlenmiş ve 1964 yılına gelindiğinde bu protein sentezlenmişti. Artık birçok hormon biyokimyasal sentez yöntemleriyle elde ediliyor, ilaçlar, vitaminler.
kuantum kimyası. Atomun kararlılığını açıklamak için Niels Bohr, modelinde bir elektronun hareketi hakkında klasik ve kuantum fikirleri birleştirdi. Ancak, böyle bir bağlantının yapaylığı en başından belliydi. Kuantum teorisinin gelişimi, dünyanın resminin radikal bir dönüşümüne katkıda bulunan maddenin yapısı, hareket, nedensellik, uzay, zaman vb. hakkındaki klasik fikirlerde bir değişikliğe yol açtı.
20'li yılların sonlarında - 20. yüzyılın 30'lu yılların başlarında, kuantum teorisi temelinde, atomun yapısı ve doğası hakkında temelde yeni fikirler ortaya çıktı. Kimyasal bağ.
Albert Einstein'ın ışığın foton teorisini (1905) yaratmasından ve atomdaki elektronik geçişlerin istatistiksel yasalarını türetmesinden (1917) sonra, fizikteki dalga-parçacık sorunu daha keskin hale gelir.
XVIII-XIX yüzyıllarda, aynı fenomeni optikte açıklamak için dalga veya parçacık teorisini kullanan farklı bilim adamları arasında tutarsızlıklar olsaydı, şimdi çelişki temel bir karakter kazandı: bazı fenomenler dalga konumlarından ve diğerleri - parçacıktan yorumlandı. olanlar. Bu çelişkinin çözümü 1924'te dalga özelliklerini parçacığa bağlayan Fransız fizikçi Louis Victor Pierre Raymond de Broglie tarafından önerildi.
De Broglie'nin madde dalgaları fikrine dayanarak, 1926'da Alman fizikçi Erwin Schrödinger, sözde temel denklemi türetti. dalga fonksiyonunu içeren ve kuantum sisteminin olası durumlarını ve zaman içindeki değişimlerini belirlemeye izin veren dalga mekaniği. Schrödinger, klasik denklemleri dalga denklemlerine dönüştürmek için genel bir kural verdi. Dalga mekaniği çerçevesinde bir atom, durağan bir madde dalgasıyla çevrili bir çekirdek olarak temsil edilebilir. Dalga fonksiyonu, belirli bir noktada bir elektron bulma olasılık yoğunluğunu belirledi.
Aynı 1926'da, bir başka Alman fizikçi Werner Heisenberg, atomun kuantum teorisinin versiyonunu Bohr tarafından formüle edilen yazışma ilkesinden başlayarak matris mekaniği biçiminde geliştirdi.
Karşılık ilkesine göre, kuantum sayısı arttıkça kuantum ayrıklığı sıfıra yöneldiğinde kuantum fiziğinin yasaları klasik yasalara dönüşmelidir. Daha fazlası Genel görünüm Eşleştirme ilkesi şu şekilde formüle edilebilir: yeni teori eskisinden daha geniş bir kapsamı olduğunu iddia eden , ikincisini özel bir durum olarak içermelidir. Heisenberg'in kuantum mekaniği, durağan nicelenmiş enerji durumlarının varlığını açıklamayı ve enerji seviyelerini hesaplamayı mümkün kıldı. çeşitli sistemler.
1929'da Friedrich Hund, Robert Sanderson Mulliken ve John Edward Lennard-Jones moleküler yörünge yönteminin temellerini oluşturdular. MMO, bir molekülde birleşen atomların bireyselliğinin tamamen kaybı fikrine dayanmaktadır. Bu nedenle molekül atomlardan oluşmaz, ancak yeni sistem birkaç tarafından oluşturulmuş atom çekirdeği ve kendi alanlarında hareket eden elektronlar. Hund ayrıca kimyasal bağların modern bir sınıflandırmasını oluşturur; 1931'de iki ana kimyasal bağ türü olduğu sonucuna vardı - basit veya ?-iletişim ve ?-bağlantılar. Erich Hückel, MO yöntemini şu şekilde genişletir: organik bileşikler, 1931'de aromatik stabilite kuralı (4n + 2) formüle ederek, bir maddenin aromatik seriye ait olduğunu tespit etti.
Böylece, kuantum kimyasında, kimyasal bağı anlamak için iki farklı yaklaşım hemen ayırt edilir: moleküler orbitaller yöntemi ve değerlik bağları yöntemi.
Kuantum mekaniği sayesinde 20. yüzyılın 30'lu yıllarına gelindiğinde atomlar arasında bağ oluşturma yöntemi temel olarak netlik kazandı. Ayrıca kuantum mekaniği yaklaşımı çerçevesinde Mendeleev'in periyodiklik teorisi doğru bir fiziksel yorum aldı.
Modern kimyanın gelişimindeki muhtemelen en önemli aşama, temel araştırmaların yanı sıra uygulamalı araştırmalarla uğraşan çeşitli araştırma merkezlerinin oluşturulmasıydı.
20. yüzyılın başında bir dizi sanayi kuruluşu ilk endüstriyel araştırma laboratuvarlarını kurdu. ABD'de "Bell" şirketinin laboratuvarı olan "DuPont" kimya laboratuvarı kuruldu. 1940'larda penisilinin ve ardından diğer antibiyotiklerin keşfi ve sentezinden sonra, profesyonel kimyagerleri istihdam eden büyük ilaç şirketleri ortaya çıktı. Makromoleküler bileşiklerin kimyası alanındaki çalışmalar büyük pratik öneme sahipti.
Kurucularından biri, polimerlerin yapısı teorisini geliştiren Alman kimyager Hermann Staudinger'di. Lineer polimerleri elde etmenin yollarına yönelik yoğun bir araştırma, 1953'te polietilenin ve ardından istenen özelliklere sahip diğer polimerlerin sentezine yol açtı. Günümüzde polimer üretimi kimya endüstrisinin en büyük dalıdır.
Kimyadaki tüm gelişmeler insan için iyi olmadı. Boya üretiminde sabun, tekstil, hidroklorik asit ve kükürt kullanılmış olup, bunlar çevre için büyük tehlike arz etmektedir. 21. yüzyılda insan sağlığı ve çevre için risk oluşturan kimyasal atıkların işlenmesinin yanı sıra kullanılmış maddelerin geri dönüştürülmesi nedeniyle birçok organik ve inorganik malzemenin üretimi artacaktır.
2. Enerji problemlerinin çözümünde kimyanın rolü
Uygarlığın gelişiminin tüm tarihi, enerji kaynakları arayışıdır. Bu bugün bile çok alakalı. Ne de olsa enerji, endüstrinin daha da gelişmesi, sürdürülebilir mahsuller elde etmek, şehirleri güzelleştirmek ve doğanın medeniyetin açtığı yaraları iyileştirmesine yardımcı olmak için bir fırsattır. Bu nedenle enerji sorununun çözümü küresel çabalar gerektirir. Kimya, aralarında bir bağlantı olarak önemli katkılarda bulunur. modern doğa bilimi ve modern teknoloji.
Enerji güvenliği, herhangi bir ülkenin sosyo-ekonomik gelişimi için en önemli koşuldur, sanayisi, ulaşımı, Tarım, kültür ve yaşam alanları.
Ancak önümüzdeki on yılda enerji sektöründe ne odun, ne kömür, ne petrol, ne de gaz indirimli olmayacak. Aynı zamanda, enerji üretmenin yeni yollarını geliştirmek için çok çalışmalılar.
Kimya endüstrisi, ürettiği geniş ürün yelpazesi nedeniyle ülke ekonomisinin tüm sektörleri ile yakın ilişkiler içindedir. Bu üretim alanı, yüksek malzeme tüketimi ile karakterizedir. Ürünlerin üretiminde malzeme ve enerji maliyetleri, nihai ürün maliyetinin 2/3'ü ile 4/5'i arasında değişebilmektedir.
Kimyasal teknolojinin gelişimi, hammadde ve enerjinin entegre kullanımı, çevrenin çevre güvenliğini dikkate alarak sürekli ve atıksız süreçlerin kullanılması, yüksek basınç ve sıcaklıkların kullanılması, otomasyon başarılarının yolunu izlemektedir. ve sibernetizasyon.
Özellikle kimya endüstrisi çok fazla enerji tüketir. Enerji, endotermik işlemlerin uygulanması, malzemelerin taşınması, katıların ufalanması ve öğütülmesi, filtrelenmesi, gazların sıkıştırılması vb. Kalsiyum karbür, fosfor, amonyak, polietilen, izopren, stiren vb. üretiminde önemli enerji maliyetlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Kimya endüstrileri, petrokimya endüstrileri ile birlikte enerji yoğun endüstrilerdir. Sanayi üretiminin yaklaşık %7'sini üreterek, tüm endüstri tarafından kullanılan enerjinin %13-20'sini tüketirler.
Enerji kaynakları çoğunlukla geleneksel, yenilenemez Doğal Kaynaklar- kömür, petrol, doğal gaz, turba, şeyl. Son zamanlarda, çok hızlı tükendiler. Petrol ve doğal gaz rezervleri özellikle hızlı bir şekilde azalmaktadır ve bunlar sınırlı ve onarılamaz durumdadır. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, bu bir enerji sorunu yaratır.
80 yıl boyunca, bir ana enerji kaynağının yerini bir başkası aldı: odun yerini kömür, kömür - petrol, petrol - gaz, hidrokarbon yakıt - nükleer aldı. 1980'lerin başında, dünya enerji ihtiyacının yaklaşık %70'i petrol ve doğal gazdan, %25'i taş ve kahverengi kömürden ve sadece %5'i diğer enerji kaynaklarından karşılanmaktaydı.
AT Farklı ülkeler Enerji sorunu farklı şekillerde çözülür, yine de kimya her yerde çözümüne önemli katkı sağlar. Böylece kimyacılar gelecekte (yaklaşık 25-30 yıl daha) petrolün liderlik konumunu koruyacağına inanıyorlar. Ancak enerji kaynaklarına katkısı gözle görülür şekilde azalacak ve kömür, gaz, hidrojen enerjisi, nükleer yakıt, güneş enerjisi, dünyanın derinliklerinin enerjisi ve biyoenerji dahil diğer onarıcı enerji türlerinin artan kullanımıyla telafi edilecektir.
Bugün bile kimyagerler, yakıt kaynaklarının maksimum ve karmaşık enerji-teknolojik kullanımından endişe duyuyorlar - çevreye olan ısı kayıplarını azaltmak, ısıyı yeniden kullanmak, yerel yakıt kaynaklarının kullanımını en üst düzeye çıkarmak, vb.
Sıvı yakıt, yakıtlar arasında en kıt olan olduğundan, kömürü sıvı (ve gazlı) yakıta dönüştürmek için uygun maliyetli bir teknoloji oluşturmak için birçok ülkede büyük fonlar tahsis edilmiştir. Rusya ve Almanya'dan bilim adamları bu alanda işbirliği yapıyor. Kömürü sentez gazına dönüştürmenin modern sürecinin özü aşağıdaki gibidir. 3000°C'ye kadar ısıtılan plazma jeneratörüne bir su buharı ve oksijen karışımı verilir. Ve sonra kömür tozu sıcak gaz torçuna girer ve kimyasal reaksiyon sonucunda bir karbon monoksit (II) ve hidrojen karışımı oluşur, yani. sentez gazı. Ondan metanol elde edilir: CO + 2H2?CH3OH. Metanol, içten yanmalı motorlarda benzinin yerini alabilir. çözüm açısından çevresel problem petrol, gaz, kömür ile olumlu bir şekilde karşılaştırır, ancak ne yazık ki sıkıştırma ısısı benzininkinden 2 kat daha düşüktür ve ayrıca bazı metallere ve plastiklere karşı agresiftir.
Önemli bir kısmı yeraltı çukurlarında kalan bağlayıcı yağı (yüksek moleküler ağırlıklı hidrokarbonlar içerir) uzaklaştırmak için kimyasal yöntemler geliştirilmiştir. Rezervuarlara pompalanan suya yağ verimini arttırmak için yüzey aktif maddeler eklenir, molekülleri yağ-su ara yüzeyinde bulunur, bu da yağın hareketliliğini arttırır.
Yakıt kaynaklarının gelecekteki ikmali, kömürün rasyonel işlenmesi ile birleştirilir. Örneğin, kırılmış kömür yağ ile karıştırılır ve çıkarılan hamur basınçlı hidrojen ile işlenir. Bu durumda, bir hidrokarbon karışımı oluşur. 1 ton yapay benzinin çıkarılması için yaklaşık 1 ton kömür ve 1500 m hidrojen harcanmaktadır. Şimdiye kadar yapay benzin, petrolden üretilenden daha pahalıdır, ancak onu elde etmenin temel olasılığı önemlidir.
Hidrojen enerjisi, zararlı emisyonların meydana gelmediği hidrojenin yanmasına dayanan çok umut verici görünüyor. Bununla birlikte, gelişimi için hidrojenin maliyetini düşürme, depolama ve nakliye için güvenilir araçlar yaratma vb. ile ilgili bir takım sorunları çözmek gerekir. Bu görevler çözülebilirse, hidrojen havacılıkta, su ve kara taşımacılığında, endüstriyel ve tarımsal üretimde yaygın olarak kullanılacaktır.
Nükleer enerji tükenmez olanaklar içerir, elektrik ve ısı üretimi için geliştirilmesi, önemli miktarda organik yakıtın salınmasını mümkün kılar. Burada kimyagerler, nükleer enerji kullanarak endotermik reaksiyonların uygulanması sırasında ortaya çıkan enerji maliyetlerini karşılamak için karmaşık teknolojik sistemler oluşturma görevi ile karşı karşıyadır. Şimdi nükleer güç, hızlı nötron reaktörlerinin yaygın olarak tanıtılması yolunda gelişiyor. Bu tür reaktörler, 235U izotopunda (en az %20) zenginleştirilmiş uranyum kullanır ve bir nötron moderatörü gerekli değildir.
Şu anda, nükleer enerji ve reaktör inşası, büyük miktarda sermaye yatırımı olan güçlü bir endüstridir. Birçok ülke için önemli bir ihracat kalemidir. Reaktörler ve yardımcı ekipman, yüksek frekanslı olanlar da dahil olmak üzere özel malzemeler gerektirir. Kimyagerlerin, metalurjistlerin ve diğer uzmanların görevi, bu tür malzemelerin yaratılmasıdır. Kimyagerler ve diğer ilgili mesleklerin temsilcileri de uranyum zenginleştirme üzerinde çalışıyor.
Şimdi nükleer enerji endüstrisi, enerji-teknolojik öneme sahip reaktörler yaratarak fosil yakıtları yalnızca elektrik üretiminden değil, aynı zamanda ısı tedarikinden ve bir dereceye kadar metalurji ve kimya endüstrilerinden uzaklaştırma göreviyle karşı karşıya.
Gelecekte nükleer santraller başka bir uygulama bulacaktır - hidrojen üretimi için. Ortaya çıkan hidrojenin bir kısmı kimya endüstrisi tarafından tüketilecek, diğer kısmı ise pik yüklerde çalıştırılan gaz türbini tesislerine güç sağlamak için kullanılacaktır.
Güneş radyasyonunun (güneş enerjisi) kullanımına büyük umutlar bağlanıyor. Kırım'da güneş pilleri güneş ışığını elektriğe çeviren fotovoltaik güneş panelleri faaliyet gösteriyor. Suyun tuzdan arındırılması ve ev ısıtması için, güneş enerjisini ısıya dönüştüren güneş enerjisi termal tesisatları yaygın olarak kullanılmaktadır. Güneş panelleri uzun süredir navigasyon tesislerinde ve uzay gemileri. AT
nükleerden farklı olarak, güneş panellerinin ürettiği enerjinin maliyeti sürekli düşüyor. Güneş pillerinin üretimi için ana yarı iletken malzeme silikon ve silikon bileşikleridir. Kimyagerler şu anda yeni enerji dönüştürücü malzemelerin geliştirilmesi üzerinde çalışıyorlar. Bunlar, enerji depolama cihazları olarak farklı tuz sistemleri olabilir. Güneş enerjisinde daha fazla başarı, kimyagerlerin enerji dönüşümü için sunacakları malzemelere bağlıdır.
Yeni bin yılda, güneş enerjisinin gelişmesi, evsel atıkların metan fermantasyonu ve diğer geleneksel olmayan enerji üretim kaynakları nedeniyle elektrik üretimindeki artış gerçekleşecek.
Dev santrallerin yanı sıra kimyasal reaksiyonların enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren otonom kimyasal akım kaynakları da bulunmaktadır. Bu problemin çözümünde kimya ana rol. 1780 yılında İtalyan doktor L. Galvani, kurbağanın kesilen bacağının farklı metal tellerle dokunduktan sonra kasılmasını gözlemleyerek, kaslarda elektrik olduğuna karar vermiş ve buna "hayvan elektriği" adını vermiştir. Vatandaşının deneyimini sürdüren A. Volta, elektrik kaynağının bir hayvanın vücudu olmadığını öne sürdü: farklı metal tellerin temasından bir elektrik akımı ortaya çıkıyor. Modern galvanik hücrelerin "atası", 1800 yılında A. Volta tarafından oluşturulan "elektrik direği" olarak kabul edilebilir. Bu buluş, birkaç çift metal plakadan oluşan bir tabaka pastasına benzer: bir plaka çinkodan yapılmıştır, ikincisi ise bakırdan yapılmış, üst üste istiflenmiş ve aralarına seyreltik sülfürik asitle ıslatılmış keçe bir ped yerleştirilmişti. Almanya'da 1867'de W. Siemens tarafından dinamo icat edilmeden önce, galvanik hücreler tek elektrik akımı kaynağıydı. Havacılık için otonom enerji kaynaklarına ihtiyaç duyulduğu günümüzde, denizaltı filosu, roket teknolojisi, elektronik, bilim adamlarının dikkatini yine onlara çekiyor.
Çözüm
Nükleer enerjinin kullanılması, doğal kömür ve petrolün terk edilmesini mümkün kılar. Sonuç olarak, yanma ürünlerinin emisyonları azalır, bu da muhtemelen Dünya üzerinde bir "sera etkisine" yol açar. Nükleer santraller için ihmal edilebilir miktarda (kömür ve petrole kıyasla) yakıtın güvenli olması gerektiği görülüyor, ancak bu durumdan çok uzak. önemli bir örnekÇernobil nükleer santralinde bir kaza olarak hizmet edebilir. Benim düşünceme göre, Dünya'nın bağırsaklarından (herhangi bir biçimde) enerji çıkarmanın herhangi bir yöntemi, pozitif ve olumsuz özellikler, ve bana öyle geliyor ki olumlu hakim olmaktan çok uzak.
Dünyadaki bilim adamları tarafından enerji sorununu çözmenin tüm yönlerinden bahsetmedim, sadece ana olanlar hakkında. Her ülkenin kendine has özellikleri vardır: sosyo-ekonomik ve coğrafi koşullar, doğal kaynaklarla sağlanması, bilim ve teknolojinin gelişme düzeyi.
bir danışma alma olasılığı hakkında bilgi edinmek için şu anda konuyu belirterek.
VI uluslararası bilimsel ve eğitim projeleri yarışması
"Geleceğin Enerjisi"
rekabetçi çalışma
Enerji sektöründe kimyanın rolü: kimyasal olarak demineralize su hazırlanması
nükleer santraller için iyon değiştirme yöntemi
MOU spor salonu No. 3 adını almıştır.
, 10 "a" sınıfı
Liderler:
KNPP kimya atölyesi laboratuvar asistanı
- fizik öğretmeni, 3 numaralı spor salonu
İletişim telefon numaraları:
dipnot
Kalinin NPP, Udomelsky bölgesindeki en büyük su tüketicisidir.
Bu belge, içme ve devre suyu kalitesi gereksinimleri hakkında bilgi sağlar. II devresinin içme, göl ve su kimyasal göstergelerinin karşılaştırmalı tabloları ve histogramları verilmiştir. verilen Kısa Açıklama Kalinin NGS'nin su alma istasyonu ve kimya mağazasına yapılan ziyaretin sonuçları hakkında. İyon değişimi teorisinin kısa bir açıklaması ve kimyasal su arıtma ve blok tuzdan arındırma tesisinin temel şemalarının bir açıklaması da verilmiştir; radyoaktif kirlenmeden su arıtma ilkesinin kısa bir teorik açıklaması - özel su arıtma da verilmiştir.
Bu çalışma kimya, fizik çalışma motivasyonunu artırmaya yardımcı olur, enerji sektöründe kullanılan kimyasal teknolojileri Kalinin NGS örneğinde tanıtmaktadır.
1.Giriş 3
2. Yöntem 4 ile su arıtma hakkında literatür taraması
iyon değişimi
2.1.VVER-1000 tipi reaktörlerle NGS çalışma prensibi 4
2.2 Kullanılan su için gereklilikler
NPP 5'teki teknolojik ihtiyaçlar
2.3 Doğal ve kontur sularının kalitesinin kimyasal göstergeleri. 5
2.4 İyon değişimi teorisi 6
2.5 İyon değişim reçinesinin çalışma döngüsü 9
2.6.İyon değiştirici malzemelerin kullanım özellikleri 10
3. Pratik çalışma 11
3.1.Su alma istasyonuna ziyaret 11
3.2.Kalinin NGS 13 Ziyareti
3.3 Kimyasal su arıtma kavramının tanımı 15
3.4 Devre şemasının açıklaması
blok demineralizasyon tesisi 18
3.5. Çalışma prensibinin teorik açıklaması
özel su arıtma 20
4.Sonuç 20
5. Referanslar 22
1. Giriş
1.1. Amaç:
iyon değiştirme yöntemiyle nükleer santraller için su arıtma teknolojisine aşinalık ve su kalitesinin karşılaştırılması: nükleer santrallerin teknolojik ihtiyaçları, içme ve göl suyu için.
1.2. İş görevleri:
1. Kalinin nükleer santrali örneğini kullanarak modern bir nükleer santralde teknolojik ihtiyaçlar için kullanılan su gereksinimlerini incelemek.
2. İyon değiştirme yöntemi teorisi hakkında bilgi sahibi olmak,
3. Udomlya'nın su alma istasyonunu ziyaret edin ve tanışın kimyasal bileşim içme suyu ve göl suyu.
4. NGS'nin ikinci devresinin içme suyu ve suyunun kimyasal analiz göstergelerini karşılaştırın.
5. Kalinin NPP'nin kimya dükkanını ziyaret edin ve şunlarla tanışın:
¾ kimyasal su arıtımında su arıtma işlemi ile;
¾ bir blok tuzdan arındırma tesisinde su arıtma işlemi ile;
¾ II devresinin ekspres laboratuvarını ziyaret edin;
¾ teorik olarak özel su arıtma çalışmaları hakkında bilgi edinin.
6. Su arıtımında iyon değişiminin önemi hakkında sonuçlar çıkarır.
1.3. alaka
Rusya'nın enerji stratejisi, 2000'den 2020'ye kadar elektrik üretiminin neredeyse iki katına çıkmasını öngörüyor. Nükleer enerjideki baskın büyüme ile: bu dönemde nükleer santrallerde elektrik üretiminin nispi payı %16'dan %22'ye yükselmelidir.
NPP ekipmanı, başka hiçbir şeye benzemeyen güvenlik, güvenilirlik ve maliyet etkinliği gereksinimlerine tabidir.
Nükleer santrallerin güvenilir ve emniyetli çalışmasını etkileyen en önemli faktörlerden biri su kimyası rejimine uyum ve su kalitesi göstergelerinin belirlenmiş standartlar düzeyinde tutulmasıdır.
Nükleer santral su kimyası rejimi, radyoaktif maddelerin çevreye olası yayılımı yolundaki engellerin (yakıt kaplaması, soğutucu devre sınırı, hava geçirmez bariyerler, yerelleştirme güvenlik sistemleri) bütünlüğünü sağlayacak şekilde düzenlenmelidir. Soğutma sıvısının ve diğer çalışma ortamlarının NPP sistemlerinin ekipmanı ve boru hatları üzerindeki aşındırıcı etkisi, güvenli çalışmasının sınırlarının ve koşullarının ihlal edilmesine yol açmamalıdır. Su-kimyasal rejim, ekipmanın ısı transfer özelliklerinde bir bozulmaya ve sonuç olarak hizmet ömründe bir azalmaya yol açtığından, ekipmanın ve boru hatlarının ısı transfer yüzeylerinde minimum miktarda tortu olmasını sağlamalıdır. ekipman.
2. İyon değişimi ile su arıtımı hakkında literatür taraması
2.1. VVER-1000 reaktörlü nükleer santrallerin çalışma prensibi
Mevcut nükleer santrallerin çoğunun çalışma prensibi, 235U çekirdeğinin nötronların etkisi altında bölünmesi sırasında açığa çıkan ısının kullanımına dayanmaktadır. Reaktör çekirdeğinde, nötronların etkisi altında, 235U çekirdeği bölünerek enerji açığa çıkarır ve soğutucuyu - suyu ısıtır.
Nükleer yakıt, termal enerjiyi yüksek basınç altında (16 MPa) su olan birincil soğutucuya aktarır, reaktörün çıkışında su sıcaklığı 3200'dür. Ayrıca, termal enerji ikincil suya aktarılır. Soğutma sıvısı ile ikincil devre suyu arasında doğrudan temas yoktur. Soğutma sıvısı kapalı bir döngüde dolaşır: reaktör - buhar jeneratörü - ana sirkülasyon pompası - reaktör. Bu tür dört devre vardır. Buhar jeneratöründe, birincil devre soğutma sıvısı, ikincil devre suyunu buharlaşacak şekilde ısıtır. Buhar, bu buhar nedeniyle dönen türbine girer. Bu buhara çalışma sıvısı denir. Türbin, elektrik enerjisi üreten bir elektrik jeneratörüne doğrudan bağlıdır. Ayrıca, düşük basınçlı egzoz buharı, göl suyu ile soğutma nedeniyle yoğuştuğu kondensere girer. Ardından ek temizlik ve buhar jeneratörüne geri dönün. Ve böylece döngü tekrar eder: buharlaşma, yoğunlaşma, buharlaşma.
https://pandia.ru/text/77/500/images/image002_125.gif" width="408" height="336">
pilav. 1. Çift devreli bir nükleer santralin teknolojik şeması:
1 - reaktör; 2 – turbo jeneratör; 3 - kapasitör; 4 - besleme pompası; 5 – buhar jeneratörü; 6 - ana sirkülasyon pompası.
2.2. Nükleer santrallerde teknolojik ihtiyaçlar için kullanılan su gereksinimleri
Buhar ve su parametrelerinin büyümesi ile su kimyası rejimlerinin etkisi artmıştır. Bu, ısıtma yüzeylerinin özgül ısı yüklerinde bir artışa yol açmıştır. Bu koşullar altında boruların iç yüzeylerinde hafif tortular dahi aşırı ısınmaya ve metalin tahribatına neden olur. Yüksek buhar parametreleri (basınç ve sıcaklık), besleme suyunda bulunan safsızlıklarla ilgili olarak çözme gücünü arttırır. Sonuç olarak, türbinlerin akış kısmının sürüklenmesinin yoğunluğu artar, bu da ünitelerin veriminin düşmesine ve bazı durumlarda güçlerinin sınırlandırılmasına ve ekipmanın ömrünün azalmasına neden olabilir.
Su-kimyasal rejimlerin eksikliklerinin giderilmesi, yalnızca acil durum yaratan ihlaller durumunda değil, aynı zamanda normlardan görünüşte önemsiz sapmalar olması durumunda da gereklidir. Yani, örneğin, deneyimden şunu çıkar:
§ 300 MW'lık türbinlerin yüksek basınçlı silindirinin kanatlarında 1 kg miktarında tuz ve korozyon ürünleri birikmesi, türbin kontrol aşamasında 0,5 - 1 MPa (5 - 10 kgf / cm2) basınç artışına neden olur ) ve türbin gücünde 5 - 10 MW azalmaya yol açar;
§ Yüksek basınçlı ısıtıcı borularının iç ve dış yüzeylerinde 300–500 g/m2 miktarında korozyon ürünlerinin birikmesi, besleme suyu ısıtma sıcaklığını 2–30 °C düşürür ve ünitenin verimini kötüleştirir;
§ blokların buhar-su yolundaki tortular, hidrolik direncini ve su ve buhar pompalamak için enerji kayıplarını arttırır. Blok yolu direncinde 1 MW (10 kgf/cm2) başına 300 MW'lık bir artış, yılda 3 milyon kWh elektrik fazla harcamasına yol açar.
Aşağıdaki sistemler, nükleer santrallerde su kimyası rejiminin sağlanması için gereksinimleri karşılamaya hizmet eder:
§ kimyasal su arıtma;
§ yoğuşma ve gaz giderme sistemi;
§ blok tuzdan arındırma tesisi;
§ Birincil ve ikincil devrelerin çalışma ortamının düzeltici tedavisinin kurulması;
§ hava gidericiler;
§ buhar jeneratörü temizleme sistemi;
§ buhar jeneratörü blöf suyu arıtma ünitesi (özel su arıtma);
§ birincil devrenin temizleme makyaj sistemi.
2.3. Doğal ve kontur sularının kalitesinin kimyasal göstergeleri
Enerji devrelerini doldurmak için su soğutucusu ve bunların bileşimi, çeşitli su arıtma tesislerinde doğal sulardan hazırlanır ve genellikle karakterize eden aynı safsızlıkları içerir. doğal su, ancak önemli ölçüde daha düşük (birkaç büyüklük sırası ile) konsantrasyonlarda.
Su kalitesinin ana göstergeleri aşağıdakileri içerir.
Kaba (askıya alınmış) maddelerin içeriği , döngü sularında bulunur - CaCO3 gibi az çözünür bileşiklerden oluşan çamur şeklinde , CaSO4, Mg(OH)2, içeriği C'de kurutma ile bir kağıt filtreden süzülerek veya su şeffaflığı ile dolaylı bir yöntemle belirlenen yapısal malzemelerin (Fe3O4, Fe2O3, vb.) korozyon ürünlerinin parçacıkları.
Tuzluluk - toplam iyonik bileşimden hesaplanan ve kilogram başına miligram olarak ifade edilen, sudaki toplam katyon ve anyon konsantrasyonu. Çözünmüş CO2 ve NH3 gazlarının yokluğunda düşük tuzluluğa sahip suları ve kondensatları karakterize etmek ve kontrol etmek için, gösterge genellikle kullanılır elektiriksel iletkenlik . Yaklaşık 0,5 mg/kg tuz içeriğine sahip kondensat, 1 µS/cm'lik bir spesifik elektrik iletkenliğine sahiptir.
Su sertliği toplamı - toplam kalsiyum konsantrasyonu ( kalsiyum sertliği) ve magnezyum ( magnezyum sertlik), kilogram başına eşdeğer miligram veya kilogram başına eşdeğer mikrogram cinsinden ifade edilir:
ZHO \u003d ZhSa + ZhMg
Su oksitlenebilirliği standart koşullar altında organik su safsızlıklarının oksidasyonu için gerekli olan güçlü bir oksitleyicinin (genellikle KMnO4) tüketimi ile ifade edilir ve potasyum permanganat tüketimine eşdeğer, kilogram KMnO4 veya O2 başına miligram olarak ölçülür.
Hidrojen konsantrasyonu göstergesi iyonlar (pH) suyun reaksiyonunu karakterize eder (asidik, alkali, nötr) ve her türlü su arıtma ve kullanımında dikkate alınır.
Spesifik elektrik iletkenliği (χ) bir elektrik alanına yerleştirilmiş bir çözeltideki iyonların hareketliliği ile belirlenir; saf su için değeri 0,04 μS/cm'dir, demineralize türbin kondensatları için χ = 0,1 μS/cm (mikrosiemen/santimetre).
2.4. iyon değişimi teorisi
Nükleer santrallerin devrelerini doldurmak ve içlerindeki kayıpları yenilemek için suyun hazırlanması, başlangıçtaki düşük mineralli suyun iki veya üç aşamasında kimyasal tuzdan arındırma ile hazırlanan demineralize su pahasına gerçekleştirilir (Azot "href="/text/ kategori/azot/" rel="bookmark">azot N ve diğer birçok element.Kömür suda pratik olarak çözünmez, ancak suda çözünmüş oksijen ile temas ettiğinde yavaş oksidasyon meydana gelir ve çeşitli oksitlenmiş grupların oluşumuna yol açar.Yüzeyde kömürün, hidroksil veya karboksil grupları, kömürün tabanına sıkıca bağlı olarak oluşur. Bu değişmeyen bazı R harfi ile şartlı olarak belirtirseniz, böyle bir malzemenin yapısı, bağlı olarak ROH veya RCOOH formülü ile tanımlanabilir. Oksidasyon sırasında yüzeyinde oluşan hidroksil OH veya karboksil COOH'nin hangi oksitlenmiş grubu.
RCOOH = RCOO - + H+.
Suda katyonlar, örneğin kalsiyum varsa, katyon değişim süreçleri mümkün hale gelir:
2RCOOH+Ca2+ = (RCOO)2Ca +2H+.
Bu durumda, kalsiyum iyonları karbon üzerinde sabitlenir ve eşdeğer miktarda hidrojen iyonu çözeltiye girer. Değişim, sodyum, demir, bakır vb. gibi diğer iyonlar için de gerçekleşebilir.
2.4.2. Katyon ve anyon değiştiriciler.
Katyon değişimi yapabilen tüm maddelere katyon değiştiriciler denir. Anyon değişimi yapabilen maddelere anyon değiştirici denir. Su ile NH2OH oluşturan, genellikle NH2 veya NH olmak üzere başka iyon değişim gruplarına sahiptirler.
Katyon değiştiriciler, çözelti ile pozitif yüklü iyonları (katyonları) değiştirebilirler. Arıtılacak suya daldırılan katyon değiştirici ile bu su arasındaki katyon değişimi işlemine katyonizasyon denir. Anyon değiştiriciler, elektrolit ile negatif yüklü iyonları değiş tokuş etme yeteneğine sahiptir. Anyon reçinesi ile arıtılmış su arasındaki anyon değişimi işlemine anyonizasyon denir.
Şek. Şekil 2 iyon değiştirici tanelerin yapısını şematik olarak göstermektedir. Suda pratik olarak çözünmeyen tane, ayrışmış tanelerle çevrilidir - katyon değiştirici için pozitif yüklü (Şekil 2a) ve anyon değiştirici için negatif yüklüdür (Şekil 2b). İyon değiştiricinin çekirdeğinde, iyonların ayrılması nedeniyle, katyon değiştirici için negatif bir yük ve anyon değiştirici için pozitif bir yük ortaya çıkar.
pilav. 2. İyon değiştirici tanelerin yapısının şeması.
a) – katyon değiştirici; b) - anyon değiştirici; 1- iyon değiştiricinin katı çok atomlu çerçevesi; 2 – çerçeveye bağlı aktif grupların hareketsiz iyonları (potansiyel oluşturan iyonlar); 3 - değiş tokuş edebilen aktif grupların sınırlı hareketli iyonları (kontryonlar).
Halihazırda kullanılan iyon değiştirici malzemelerin çoğu, sentetik reçineler kategorisine aittir. Molekülleri binlerce, bazen de on binlerce birbirine bağlı atomdan oluşur. İyon değiştirici malzemeler bir tür katı elektrolittir. İyon değiştiricinin aktif gruplarının doğasına bağlı olarak, hareketli, değişebilir iyonları pozitif veya negatif yüke sahip olabilir. Pozitif, hareketli katyon hidrojen iyonu H+ olduğunda, bu tür bir katyon değiştirici, tıpkı değiştirilebilir bir hidroksil iyonu OH-'ye sahip bir anyon değiştiricinin çok değerli bir baz olması gibi, esasen çok değerlikli bir asittir.
Değişim yapabilen iyonların hareketliliği, iyon değiştirici yüzeyinde zıt yüklü hareketsiz iyonlarla karşılıklılıklarının kaybolmadığı mesafelerle sınırlıdır. İyonitin molekülleri etrafında sınırlı, hareketli ve değişebilir iyonların bulunduğu bu boşluğa iyonitin iyonik atmosferi denir.
İyon değiştiricilerin değişim kapasitesi, iyon değiştirici tanelerin yüzeyindeki aktif grupların sayısına bağlıdır. İyon değiştiricinin yüzeyi aynı zamanda girintilerin, gözeneklerin, kanalların vb. yüzeyidir. Bu nedenle, gözenekli bir yapıya sahip iyon değiştiricilere sahip olmak tercih edilir. Yerli ve yabancı iyon değiştiricilerin tane boyutu, ortalama tane çapı 0,5-0,7 mm ve heterojenlik katsayısı yaklaşık 2,0-2,5 olan 0,3 ila 1,5 mm arasında değişen fraksiyonlarla karakterize edilir.
Bileşimlerinde bulunan hemen hemen tüm fonksiyonel grupların veya sadece küçük bir yüzdesinin ayrışmaya uğradığı iyon değiştiriciler vardır, buna göre güçlü asit katyon değiştiricileri ayırt edilir - katyonları (sodyum Na +, magnezyum Mg2 +) emebilirler. , vb.); ve zayıf asidik - sertlik katyonlarını (magnezyum Mg2+, kalsiyum Ca2+) emebilir. Benzer şekilde, iki anyon değiştirici grubuna bölünme: güçlü bazik - hem güçlü hem de zayıf asitleri (örneğin, karbonik, silisik, vb.) emebilir. ve zayıf bazik - ağırlıklı olarak güçlü asitlerin (, vb.) anyon değiştiricilerini emebilir.
2.5. İyon değişim reçinesinin çalışma döngüsü
İyon değiştirme işleminde arıtılmış suyun hareketi sırasında iyon değiştirici tabakası (iyon değiştirici reçine) üç bölgeye ayrılabilir.
İlk bölge, içindeki tüm karşı iyonlar arıtılmış suyun iyonlarının değişimi için kullanıldığından, tükenmiş iyon değiştirici bölgesidir. Bu bölgede, arıtılmış suyun iyonları arasındaki seçici değişim devam eder, yani suda bulunan en hareketli iyonlar, iyon değiştiriciden daha az hareketli olanları değiştirir (Şekil 3).
İkinci bölge, faydalı değişim bölgesi olarak adlandırılır. Burada, arıtılmış su iyonları için iyon değiştirici karşı iyonların yararlı değişimi başlar ve biter. Bu bölgede, iyon değiştiricinin karşı iyonları için arıtılmış suyun iyonlarının değişim sıklığı, arıtılmış suyun iyonlarının ters değişiminin ve iyon değiştirici tarafından emilen iyonların sıklığından daha baskındır.
Üçüncü bölge, boş veya taze iyon değiştiricinin bölgesidir. İyon değiştiricinin bu tabakasından geçen su, sadece iyon değiştiricinin karşı iyonlarını içerir ve bu nedenle ne bileşimini ne de iyon değiştiricinin bileşimini değiştirmez.
Filtre çalışırken, birinci bölge - tükenmiş iyon değiştirici bölgesi - artar, taze iyon değiştirici 3 bölgesinin azalması nedeniyle çalışma bölgesi 2'yi düşmeye zorlar ve son olarak filtrenin alt sınırının ötesine geçer. yük. Burada üçüncü bölgenin yüksekliği sıfırdır. En az emilen iyonların konsantrasyonu filtratta belirir ve artmaya başlar ve iyon değiştirme filtresinin faydalı çalışması sona erer.
Rejenerasyon sürecinin teknolojisi.
İyon değişim filtrelerinin rejenerasyon süreci üç ana işlemden oluşur:
İyon değiştirici tabakasının gevşemesi (gevşek yıkama);
Reaktifin çalışma solüsyonunu belirli bir hızda içinden geçirmek;
İyon değiştiricinin rejenerasyon ürünlerinden yıkanması.
Gevşek yıkama.
Filtrelerin çalışması sırasında, periyodik olarak çıkarılması gereken iyon değiştiricilerin kademeli olarak yok edilmesi ve öğütülmesi ürünleri her zaman meydana gelir. Bu, yıkamaların gevşetilmesiyle sağlanır, bu işlem her rejenerasyondan önce zorunludur.
İyon değiştirici malzemelerin ince toz benzeri parçalarının filtreden daha eksiksiz bir şekilde çıkarılmasını sağlaması gereken yıkama koşullarına uymak çok önemlidir. Ek olarak, gevşetici yıkama, malzemenin sıkışmasını ortadan kaldırır ve bu da rejenerasyon solüsyonunun iyon değiştiricinin tanecikleri ile temas etmesini zorlaştırır.
Gevşetme, iyon değiştirici malzemenin tüm kütlesini süspansiyon haline getiren bir hızda aşağıdan yukarıya doğru bir su akışı ile gerçekleştirilir. Filtre çıkışındaki su şeffaf hale geldiğinde gevşeme durur.
Rejenerasyon çözümünü geçmek.
İyon değiştiricinin rejenerasyon ürünlerinden rejenerasyonu ve yıkanması genellikle aynı hızda gerçekleştirilir. Bu durumda, reaktiflerin geçişi, kabul edilen teknolojiye bağlı olarak hem arıtılmış su - ileri akış boyunca hem de arıtılmış suyun hareketine zıt yönde - ters akım mümkündür.
Rejenerasyon solüsyonları atlandığında, iyon değiştirici tarafından absorbe edilen iyonlar, rejenerasyon solüsyonunun (H + veya OH - iyonu içeren) iyonları ile değiştirilir. Aynı zamanda iyonitler orijinal iyonik formlarına aktarılır.
İki tür rejenerasyon vardır: iç ve dış. Rejenerasyon suyunun ikincil devreye girmesini önlemek için bir blok tuzdan arındırma tesisindeki karışık yataklı filtrelerde uzaktan rejenerasyon kullanılır.
Rejenerasyon ürünlerinin kalıntılarını yıkamak.
Rejenerasyon döngüsünün son işlemi - yıkama - rejenerasyon ürünlerinin kalıntılarını ondan uzaklaştırmak içindir.
Yıkama suyunun kalitesinin belirli göstergelerine ulaşıldığında filtre tabakasının yıkanması durdurulur. Filtre kullanıma hazırdır.
Bu işlemler, iyon değiştiricinin tekrar tekrar kullanılmasına izin verir.
2.6. Nükleer santrallerde iyon değiştirici malzemelerin kullanımının özellikleri
Radyonüklidlerin iyon değiştirme yöntemiyle sudan uzaklaştırılması, birçok radyonüklidin suda iyon değiştirici ile temas ettiğinde filtre malzemesi tarafından absorbe edilen iyonlar veya kolloidler şeklinde olmasına dayanır, ancak absorpsiyon fiziksel niteliktedir. Reçinelerin kolloidlere göre hacimsel kapasitesi iyonlara göre çok daha düşüktür.
İyon değiştiriciler tarafından radyonüklidlerin emiliminin tamlığı, radyonüklidlerin kimyasal analogları olan sudaki çok sayıda aktif olmayan elementin içeriğinden etkilenir.
İyonlaştırıcı radyasyon koşulları altında, yalnızca hidrojen ve hidroksil formundaki oldukça saf iyon değiştiriciler (güçlü baz anyon değiştiricileri ve güçlü asit katyon değiştiricileri) kullanılır. Bunun nedeni, iyon değiştirici malzemelerin iyonlaştırıcı radyasyonun etkisine karşı yetersiz direnci ve NPP birincil devresinin su rejimi için daha katı gereksinimlerdir.
3. Pratik araştırma
3.1. Su alma istasyonuna ziyaret
1980 yılında Udomlya su alma istasyonunun ilk aşaması devreye alındı. Tüketici ihtiyaçları için suyun çıkarılması ve hazırlanması olan ana görev. Artezyen kuyularından gelen su, aşağıdakileri içeren arıtma için pompalanır: havalandırma ve filtreleme. Daha sonra su klorlanarak tüketicilere sunulmaktadır.
14 Aralık 2007'de, süreçleri tanımak için su alma istasyonuna bir gezi düzenlendi: su hazırlama, içme ve göl suyunun kalitesinin ana göstergelerinin belirlenmesi.
Bir su alma istasyonunda bir pH metrede pH çözeltilerinin belirlenmesi.
KFK-3 fotokolorimetresinde demir tayini için numunelerin hazırlanması.
https://pandia.ru/text/77/500/images/image018_6.jpg" width="275" height="214 src=">
Geri titrasyon ile klorür tayini.
Sertlik tuzlarının tayini.
Su alımı çalışanları ile ortak araştırma sırasında elde edilen veriler tablolarda verilmiştir.
Tablo 1. Göl suyu (Kubycha Gölü örneği kullanılarak) ve içme suyunun kalite göstergelerinin karşılaştırılması.
dizin | ölçü birimi | göl suyu | İçme suyu | |
göl Kubiça |
||||
renk | ||||
bulanıklık | ||||
sertlik | ||||
mineralizasyon | ||||
MPC* - izin verilen maksimum konsantrasyon - GOST su kalitesi tarafından düzenlenir.
Histogram 1. Kubycha Gölü'nün pH değeri, içme suyu ve izin verilen maksimum konsantrasyon.
https://pandia.ru/text/77/500/images/image024_26.gif" width="336" height="167 src=">
Histogram 3. Kubycha Gölü'ndeki sertlik tuzlarının içeriği, içme suyu ve izin verilen maksimum konsantrasyon.
25 Aralık'ta" href="/text/category/25_dekabrya/" rel="bookmark"> 25 Aralık 2007'de, kimya atölyesi birimlerinin çalışmalarını tanımak amacıyla Kalinin Nükleer Santrali'ne bir gezi düzenlendi. Makine dairesini ziyaretleri sırasında, ikinci devrenin ekspres laboratuvarının çalışmasıyla, ikinci devrenin ana kondensini temizleme teknolojisi ile tanıştılar ve ikinci devrenin suyunun kalitesi hakkında veri aldılar. .
Kalinin NGS'nin ikincil devresindeki suyun kalitesinin bazı kimyasal göstergeleri ile su girişinde elde edilen içme suyunun karşılaştırılması ilginçtir.
Tablo 2. NGS'nin ikinci devresinin içme suyu ve suyunun karşılaştırmalı özellikleri.
* - sertlik konsantrasyonu, bu göstergeyi belirleme yönteminin duyarlılığından daha az olduğu için veriler gösterilmemiştir.
Sonuç: 1. Tablo 2'de gösterildiği gibi, izin verilen maksimum konsantrasyon içme suyu ve ikincil suların kontrol değerleri önemli farklılıklar göstermektedir. Bunun nedeni, ekipmanın güvenli ve güvenilir çalışması için gerekli olan proses ihtiyaçları için kullanılan suya yönelik daha yüksek gereksinimlerdir.
2. Su alımında elde edilen içme suyu yüksek kalitededir, kimyasal göstergeler izin verilen maksimum konsantrasyondan çok daha düşüktür içme suyundaki kirlilikler.
3. İkinci devrenin suyu kontrol değerlerine karşılık gelir. Bu, blok tuzdan arındırma tesislerinde kondensatın hazırlanması ve sonrasında arıtılması sırasında iyon değişimi ile suyun arıtılmasıyla elde edilir.
Histogram 4. Kalinin NGS'nin ikincil devresinin içme suyu ve suyundaki klorür içeriği.
https://pandia.ru/text/77/500/images/image027_24.gif" width="362" height="205 src=">
İkincil devrenin suyundaki sertlik tuzlarının içeriği için yüksek gereksinimler, ısı eşanjörlerinin duvarlarında kireç oluşturan tuz birikintilerinin ortaya çıkmasından kaynaklanır. Bu, ısı transferinin kötüleşmesine, hidrolik direncin azalmasına, ekipmanın hizmet ömrünün azalmasına yol açar.
Histogram 6. İçme suyu ve ikincil sudaki demir içeriği.
Soğutma sistemleri" href="/text/category/sistemi_ohlazhdeniya/" rel="bookmark">jeneratör stator sargıları, elektroliz tankları, özel çamaşırlar için soğutma sistemleri. Demineralize su için kimyasal su arıtma verimliliği = 150m3.
Kimyasal su arıtımının tuzdan arındırma bölümünün ana teknolojik şemasının tanımı.
Mekanik ön filtreden sonra arıtılmış su, H-katyon değişim filtreleri zincirine girer. Zayıf asidik bir katyon değiştirici ile yüklenen 1. aşamanın H-katyonit filtresinde su, zalim iyonlardan (Сa2+ ve Mg2+) arıtılır. Kuvvetli asidik katyon değiştirici ile yüklenen 2. kademenin H-katyonit filtresinde su ayrıca 1. kademeden sonra kalan sertlik iyonlarından ve Na + iyonlarından arındırılır.
2. aşamadan sonra H-katyon değişim suyu, katyon değişim filtresinin kısmen demineralize su tanklarında toplanır.
Kısmen demineralize su deposundan, pompalar suyu bir OH-anyon-değişim filtreleri zincirine yönlendirir. 1. aşamanın OH-anyon filtresinde, düşük bazik bir anyon değiştirici ile yüklenir, su güçlü asitlerin anyonlarından arındırılır (https://pandia.ru/text/77/500/images/image010_45.gif" width ="37" height=" 24 src=">) 2. kademenin OH-anyon filtresinde, yüksek düzeyde bazik bir anyon değiştirici ile yüklenen su, ayrıca güçlü asitlerin anyonlarından ve sonrasında kalan zayıf asitlerin anyonlarından arındırılır. 1. aşama (; ).
2. kademe anyon değiştirme filtresinden sonra OH-anyonlu su yardımcı tankta toplanır.
Yardımcı tanktan gelen tuzdan arındırılmış su, tuzdan arındırmanın 3. aşaması olan karışık yataklı bir filtreye pompalanır. Karışık yataklı filtre, 1:1 güçlü asit katyonu ve güçlü baz anyon karışımı ile yüklenir. Tuzdan arındırmanın 3. aşamasında, demineralize su ayrıca katyonlardan ve anyonlardan STP-EO işletmesinin standardının gerektirdiği konsantrasyonlara kadar arıtılır. Ortak boru hattında, karışık etkili filtreden sonra kimyasal olarak tuzdan arındırılmış su, paralel bağlantılı 2 filtre malzemesi kapanı (1 - çalışır durumda; 1 - ilkinin onarımı durumunda yedekte) kimyasal olarak tuzdan arındırılmış su ile donatılmıştır. yardımcı tank ve karışık etkili filtre tüketicilere verildikten sonra: makyaj için 2. devre türbin salonuna; 1. devreyi özel bir binaya beslemek için; kimyasal su arıtımının ön arıtma şemasına, kimyasal reaktif deposuna, özel çamaşırhaneye, elektrolize, devreye alma ve yedek kazan dairesine, kimyasal olarak tuzdan arındırılmış su depolama tanklarına (V = 3000 m3) .
Kimyasal su arıtımının güvenilirliğini artırmak ve kimyasal olarak tuzdan arındırılmış su kaynağı oluşturmak için, kimyasal su arıtımının tuzdan arındırma bölümünün şemasına kimyasal olarak tuzdan arındırılmış su depolama tankları (her biri 3000 m3) dahil edilmiştir.
Konsantre ve seyreltik asit çözeltilerinde metal boru hatlarının aşınmasını önlemek için, konsantre asit ünitesinin boruları ve karıştırıcıdan H-katyon değişim filtrelerine rejenere asit çözeltisinin tedarik yolu, floroplastik ile kaplanmış boru hatlarından yapılmıştır.
Devreye alma" href="/text/category/vvod_v_dejstvie/" rel="bookmark"> Ağustos 2007'de faaliyete geçmiştir, hizmet ömrü yaklaşık 20 yıldır, atık dağıtım yarıçapı yaklaşık 3 km'dir.
Bu nedenle, derin bir bertaraf sahasının işletmeye alınmasının, endüstriyel radyoaktif olmayan atık suların çevreye boşaltılması olasılığını ortadan kaldırdığı sonucuna varılabilir.
3.4. Bir blok tuzdan arındırma tesisinin blok diyagramının açıklaması (yoğuşma arıtma)
Blok tuzdan arındırma tesisinde kondensat arıtımı iki aşamada gerçekleştirilir:
İlk adım, çelik yumuşak manyetik bilyeler yüklü elektromanyetik filtreler üzerindeki yapısal malzemelerin çözünmemiş korozyon ürünlerinden temizlenmesidir;
İkinci adım, karışık etkili iyon değişim filtrelerinde çözünmüş iyonik safsızlıklardan ve kolloidal dağılmış maddelerden temizlemektir.
Türbin kondensi, ilk aşamadaki kondens pompaları tarafından, mekanik kirliliklerden, özellikle yapısal malzemelerin çözünmemiş korozyon ürünlerinden temizlendiği bir elektromanyetik filtreye verilir.
Elektromanyetik filtreden sonra, kondensat, ikinci aşamanın kondens pompalarının emme manifolduna girer (blok tuzdan arındırma tesisinin iyon değiştirme kısmı kapalıyken) veya çözünmüş ve koloidalden arındırmak için karışık bir filtreye gönderilir. -dağıtılmış safsızlıklar.
Bilya yükü üzerinde tutulan ferromanyetik ve manyetik olmayan demir oksitlerin uzaklaştırılması, elektromanyetik filtrenin alttan - yukarıya doğru demineralize su ile yıkanması ve bobinler üzerinde kaldırılan voltaj ve bilyelerin demanyetize hali ile gerçekleştirilir.
Çalışan karışık yataklı filtrenin aşağı akışındaki kondensat kalitesinin yetersiz olması durumunda, filtre rejenerasyon için dışarı alınır ve yedek karışık yatak filtresi devreye alınır.
Rejenerasyon için çıkarılan karışık reçine, hidrolik olarak katyon değiştirici ve anyon değiştirici olarak ayrıldığı filtre rejeneratörüne yeniden yüklenir. Katyon değiştirici ve anyon değiştiriciyi çalışan bir forma dönüştürmek için rejenere edilirler.
Şek.5. Bir blok tuzdan arındırma tesisinin şeması.
EMF - elektromanyetik filtre; FSD - karışık eylem filtresi; LFM, filtre malzemelerinin bir tuzağıdır.
Tüm rejeneratif sular radyasyon kontrol tanklarına verilir ve radyasyon kontrolünden sonra belirlenen seviyelerin aşılmaması durumunda kimyasal su arıtma nötralizasyon tanklarına pompalanır.
Her karışık etkili filtreden sonra, filtreler kurulur - iyon değiştiricilerin tuzakları.
Kalinin NGS'ye yapılan bir ziyaret sırasında, blok tuzdan arındırma tesisinin işletilmesine ilişkin aşağıdaki veriler elde edildi:
Kondensin %100'ü elektromanyetik filtrelerden geçirilir, hem suyun %100'ü hem de bir kısmı karışık etkili bir filtreden geçirilebilir. Böylece, çalışan bir karışık etkili filtre ile (yoğuşmanın %20'sini temizleyerek), spesifik elektrik iletkenliği azaldı: χ=0.23 µS/cm - blok tuzdan arındırma tesisinden önce ve χ=0.21 µS/cm - blok tuzdan arındırmadan sonra bitki.
3.5. Özel bir su arıtma işleminin çalışma prensibinin teorik açıklaması
Birincil devrenin iyon değişim filtreleri kural olarak sürekli çalışır ve devredeki ana su akışının yaklaşık %0,2 - 0,5'i bunlara ayrılır.
Birincil devre suyu, karışık yataklı bir filtreden oluşan özel bir su arıtma tesisinde arıtılır. Hem korozyon ürünlerini reaktör suyundan uzaklaştırmaya hem de suyun fizikokimyasal bileşimini düzenlemeye hizmet eder (normalleştirilmiş göstergeler korunur). Özel su arıtma tesisi, soğutma sıvısının radyoaktivitesini bir veya iki büyüklük sırası kadar azaltarak radyasyon durumunu iyileştirir.
Primer devrenin sirkülasyon suyu, ana sirkülasyon pompasından özel su arıtma tesisine verilir ve temizlendikten sonra devreye geri verilir.
Radyoaktif suyun arıtılması için karışık yatakta, katyon değiştirici ve anyon değiştirici oranında 1:1 veya 1:2 oranında iyon değiştiriciler kullanılır.
İyon değiştiricilerin (şarj) homojen bir karışımı, düşük kaliteli yıkama sırasında yanlışlıkla giren döngü suyundan, döngünün beslenmesi ile ilişkili tesislerin filtrelerinin reaktiflerinden ve ayrıca dekompozisyon ürünlerinden kirleticilerin çıkarılmasını mümkün kılar. etkisi altında iyon değiştirici malzemeler iyonlaştırıcı radyasyon ve yüksek sıcaklık.
Tükendiğinde, özel su arıtma tesislerinin iyon değiştiricileri yenilenir: katyon değiştirici - Nitrik asit(aynı zamanda H-formuna dönüştürülür), anyon değiştirici - kostik soda veya kostik potas ile (tekrar OH-formuna çevrilir).
Çözüm
VVER-1000 reaktörlü NGS'lerde enerji üretim teknolojisi ile ilgili malzemeleri inceledikten sonra, NPP'lerin güvenilir çalışması için en önemli faktörlerden birinin yüksek kaliteli arıtılmış su olduğu sonucuna vardık. Bu, çeşitli fiziksel ve kimyasal su arıtma yöntemlerinin kullanılmasıyla, yani ön arıtmanın kullanılmasıyla - arıtma ve iyon değişimi ile derin tuzdan arındırma yoluyla elde edilir.
Su alma istasyonuna yapılan ziyaret, okulda kullanılmayan alet ve ekipmanların kullanıldığı kimyasal analizlerin performansı konusunda özel bir izlenim bıraktı. Bu da su alma istasyonundan şehrin ihtiyacına yönelik olarak temin edilen içme suyunun kalitesine olan güveni artırdı. Ancak Kalinin NGS'de kullanılan suyun kalite parametreleri daha büyük bir izlenim bıraktı. Kalinin Nükleer Santrali ziyareti sırasında tanıştıkları kimya atölyesinde su arıtmanın teknolojik süreçleri büyük ilgi gördü.
İyon değişimi ile su arıtma, ekipmanın güvenli, güvenilir ve ekonomik çalışması için gerekli olan değerlere ulaşılmasını sağlar. Bununla birlikte, bu oldukça pahalı bir işlemdir: 1 m3 kimyasal olarak tuzdan arındırılmış suyun maliyeti 20.4 ruble ve 1 m3 içme suyunun maliyeti 6.19 ruble. (2007 verileri).
Bu bağlamda, kapalı su sirkülasyon döngülerinin kullanıldığı kimyasal olarak demineralize suyun daha ekonomik kullanımına ihtiyaç vardır. Gerekli su parametrelerini korumak için (gelen yabancı maddelerin uzaklaştırılması), yoğuşma temizliği (ikinci devrede) ve özel su arıtma (birinci devrede) kullanılır. Kapalı çevrimlerin varlığı, suyun birincil ve ikincil devrelerden çevreye deşarjını önler ve endüstriyel atıklar için teknolojik yükü azaltan bir nötralizasyon ve bertaraf sistemi vardır.
Projede sunulan materyalin okul müfredatının kapsamının ötesine geçmesine rağmen, buna aşinalık lise öğrencilerini kimyayı daha derinlemesine incelemeye ve nükleer enerji ile ilgili gelecekteki bir meslek hakkında bilinçli bir seçim yapmaya motive eder.
Bibliyografya.
1., Senin - VVER ile NPP'nin teknolojik modları: öğreticiüniversiteler için. - M.: MPEI Yayınevi, 2006. - 390 s.: hasta.
2., nükleer santrallerin Martynov rejimi. - M.: Atomizdat, 1976. - 400 s.
3. Mazo su iyon değiştiricileri. - E.: Kimya, 1980. - 256 s.: hasta.
4. , Kostrikin su arıtma. – E.: Energoizdat, 1981. – 304 s.: hasta.
5., Zhgulev enerji blokları. – E.: Energoatomizdat, 1987. – 256 s.: hasta.
6., Churbanova su kalitesi: Teknik okullar için ders kitabı. - M.: Stroyizdat, 1977. - 135 s.: hasta.
Kimya endüstrisinin enerjisi modern endüstrideki ana yerlerden birini kaplar. Onun katılımı olmadan teknolojik süreçleri yürütmek imkansız olurdu. Enerji, büyük ölçüde insan yaşamını sağlamak için kullanılmaktadır.
Farklı enerji türleri vardır:
- elektrik;
- termal;
- nükleer ve termonükleer;
- ışık;
- manyetik;
- kimyasal;
- mekanik.
Kesinlikle tüm kimya endüstrileri enerji tüketir. Sanayinin süreçleri ya enerjinin kullanımı ya da karşılıklı dolaşımı ile ilişkilidir. Elektrik enerjisi elektrokimyasal, elektrotermal ve elektromanyetik işlemler için kullanılır. Bunlar elektroliz, eritme, ısıtma, sentezdir. Öğütme, karıştırma, kompresör ve fanların çalıştırılması işlemleri için elektrik enerjisinin mekanik enerjiye dönüştürülmesi kullanılmaktadır.
Isıtma, eritme, damıtma, kurutma, yani kimyasal reaksiyonlar eşlik etmeyen fiziksel süreçlerin akışı için termal enerji kullanılır. Kimyasal enerji, elektrik enerjisine dönüştürüldüğü galvanik cihazlarda kullanılır. Fotokimyasal reaksiyonları gerçekleştirmek için ışık enerjisi kullanılır.
Kimya endüstrisi için enerjinin yakıt temeli
AT enerji kimya endüstrisi fosil yakıtlar ve türevleri enerji tüketiminin ana kaynağıdır. Üretimin enerji yoğunluğu, üretilen ürünlerin birim başına enerji tüketimi ile belirlenir.
Enerji, enerji kaynaklarının (petrol, gaz, kömür, şeyl) çıkarılmasını ve işlenmesini ve ayrıca özel ulaşım modlarını içerir. Bunlara petrol boru hatları, gaz boru hatları, elektrik hatları ve ürün boru hatları dahildir.
Yakıt enerjisi sektörü aynı zamanda petrokimya ve kimya endüstrileri için bir hammadde temelidir. Tüm ürünleri, ayrı bileşenleri izole etmek için ısıl işleme tabi tutulur (örn. kömürden kok, etan, etilen, bütan, petrol ve gazlardan propan). Amonyak, metil alkol gibi kimyasal ürünlerin üretiminde sadece saf haliyle doğal gaz kullanılmaktadır.
Enerji sektörünün dinamik ve hızlı bir şekilde gelişmesi, kalkınmayı teşvik etmektedir. bilimsel ve teknolojik ilerleme. Enerji kaynaklarının kullanımına olan talep giderek artmakta, buna bağlı olarak mevduat arayışı ve yeni endüstrilerin yaratılması sektörün öncelikli bileşenleridir. Ancak bu alan, küresel nitelikte olan ekonomide, politikada, coğrafyada, ekolojide sayısız sorunlara yol açmaktadır.
Enerji sektörünün en gelişen segmentleri, petrol ve petrol rafinajı ile gaz endüstrileridir. Doğal kaynakların çıkarılması dünyada önemli bir yer kaplar ve bunların yatakları bazen devletler arasında çatışmalara yol açar. Petrol önemli bir enerji taşıyıcısıdır, işlendikten sonra insan faaliyetleri için gerekli birçok ürün elde edilir. Listeleri gazyağı, benzin, Farklı çeşit yakıtlar ve petrol yağları, akaryakıt, katran ve diğerleri. Petrol arıtma endüstrisine olan ihtiyaç, ulaşım ve havacılığın ona yakıt sağlamak için gelişmesiyle ortaya çıktı. Gaz endüstrisi en ilerici ve gelecek vaat eden alandır. Doğal gaz, kimyasal üretimin ana hammaddesidir ve kullanımı çok farklıdır.
Sonbaharda büyük hacimli ve ölçekte "Kimya" sergisi sunulacak en son teknoloji ve alandaki gelişmeler enerji kimya endüstrisi. Bu fuarda üreticiler ve tüketiciler sadece malları ve çeşitlerini tanımakla kalmıyor, aynı zamanda yeni anlaşmalar yapıyor, hem yerli hem de yabancı ortaklarla ilişkiler kuruyor. Uzmanlara göre, "Kimya" yeni teknolojilerin geliştirilmesi ve tanıtımı üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Ayrıca, yalnızca bilim ve teknolojideki yeni yöntemleri ve başarıları değil, aynı zamanda işyerinde bireysel ve toplu koruma araçlarını da vurgulamaktadır.
Expocentre Fuar Alanı tarafından düzenlenen sergi, 1965'ten beri Moskova'da düzenleniyor. Ve Expocentre uzmanları, bu tür etkinliklerin en kısa zamanda düzenlenmesine izin verir. yüksek seviye. Bu nedenle, hem yerli hem de yabancı organizatörler tarafından bu tür etkinliklerin mekanı olarak defalarca seçilmektedir.
Kimyasal reaksiyonlara, enerjinin salınması veya emilmesi eşlik eder. Enerji, ısı şeklinde serbest bırakılır veya emilirse, bu tür reaksiyonlar, termal etkileri gösteren kimyasal reaksiyon denklemleri kullanılarak yazılırken, reaksiyona giren maddelerin faz bileşimini belirtmek gerekir.
kimyasal reaksiyonlarısı salınımı ile akan, denir ekzotermik ve ısı emilimi ile - endotermik.
Termokimya, reaksiyonların termal etkilerinin incelenmesidir. Termokimyada, bir reaksiyonun termal etkisi Q ile gösterilir ve kJ olarak ifade edilir.
Termokimya, kimyasal termodinamiğin, enerjinin bir biçimden diğerine ve bir dizi cisimden diğerine geçişlerini ve ayrıca belirli koşullar altında kimyasal ve faz işlemlerinin uygulanmasının olasılığını, yönünü ve derinliğini inceleyen bölümlerinden biridir. Her bir madde veya bunların kombinasyonu bir termodinamik sistemdir. Termodinamik sistem ile değiş tokuş olmazsa çevre ne madde ne de enerji, izole denir. Böyle idealize edilmiş bir sistem, dış çevrenin etkisini dışlayan süreçler göz önüne alındığında fiziksel bir soyutlama olarak kullanılır. Çevre ile sadece enerji alışverişi yapan sisteme kapalı sistem denir. Enerji ve malzeme alışverişi mümkün ise sistem açıktır.
Sistemin durumu, durumun termodinamik parametreleri ile belirlenir - sıcaklık, basınç, konsantrasyon, hacim vb. Sistem ayrıca aşağıdaki gibi özelliklerle karakterize edilir. iç enerji U,entalpi H, entropi S, Gibbs enerjisi G. Kimyasal reaksiyonların seyrindeki değişimin enerji sistemini karakterize eder.
U sisteminin iç enerjisi moleküllerin hareket ve etkileşim enerjisinden, moleküllerdeki bağlanma enerjisinden, hareket enerjisinden ve elektronların ve çekirdeklerin etkileşiminden vb. oluşur.
İç enerjinin mutlak değeri belirlenemez, ancak kimyasal bir işlemin uygulanması sonucunda sistemin başlangıç durumundan son duruma geçişi sırasında değişimi hesaplanabilir. Sistem sabit bir Qp basıncında belirli bir miktarda ısı alırsa, ikincisi sistemin iç enerjisini ΔU değiştirmek ve dış kuvvetlere karşı A = PΔV işi yapmak için harcanır:
Bu denklem ifade eder enerjinin korunumu yasası veya termodinamiğin birinci yasası.
Adyabatik süreçısı geçirmeyen duvarları olan bir kapta bir gazın yarı statik genleşmesi veya sıkıştırılması işlemidir. Adyabatik bir süreç için termodinamiğin birinci yasası şu şekildedir:
izotermal süreç bir termal rezervuar (T = const) ile temas halinde olan bir maddenin yarı statik genleşme veya büzülme sürecidir.
İdeal bir gazın iç enerjisi yalnızca sıcaklığa bağlı olduğundan (Joule yasası), izotermal bir süreç için termodinamiğin birinci yasası şu şekilde yazılır: Q = A.
Bir izokorik süreçte (V = const), ısının emilmesi veya salınması (termal etki) yalnızca iç enerjideki bir değişiklikle ilişkilidir:
Kimyada, izobarik süreçler (P = const) en sık göz önünde bulundurulur ve bu durumda termal etki, sistemin entalpisindeki değişiklik veya işlemin entalpisi olarak adlandırılır:
∆H = ∆U + P∆V
Entalpi, enerji (kJ) boyutuna sahiptir. Değeri, madde miktarıyla orantılıdır; bir maddenin birim miktarının (mol) entalpisi kJ ∙ mol -1 cinsinden ölçülür.
Bir termodinamik sistemde, kimyasal bir sürecin salınan ısısının negatif olduğu kabul edilir (ekzotermik süreç, ΔH< 0), а поглощение системой теплоты соответствует эндотермическому процессу, ΔH > 0.
Sürecin entalpisini gösteren kimyasal reaksiyonların denklemlerine termokimyasal denir. Entalpi ΔH'nin sayısal değerleri, virgülle ayrılmış, kJ cinsinden belirtilir ve tüm reaktanların stokiyometrik katsayıları dikkate alınarak tüm reaksiyona atıfta bulunur.
Reaktanlar farklı kümelenme durumlarında olabileceğinden, sağ alt indeks ile parantez içinde gösterilir: (t) - katı, (j) - kristal, (g) - sıvı, (d) - gaz, (p) - çözüldü.
Örneğin, gaz halindeki H2 ve Cl2 reaksiyona girdiğinde, iki mol gaz halinde HCl oluşur. Termokimyasal denklem aşağıdaki gibi yazılır:
Gaz halindeki H 2 ve O 2 etkileşime girdiğinde, ortaya çıkan H 2 O, entalpideki değişimi etkileyecek olan üç kümelenme durumunda olabilir:
Verilen oluşum entalpileri (reaksiyonlar), standart sıcaklık ve basınç koşullarına (T = 298 K, P = 101.325 kPa) atıfta bulunur. Entalpi gibi bir termodinamik fonksiyonun standart durumu, alt simgeler ve üst simgelerle gösterilir: ΔΗ 0 298 Alt simge genellikle atlanır: ΔΗ 0 .
Standart oluşum entalpisi ΔΗ 0 arr, bir mol maddenin oluşum reaksiyonunun termal etkisidir. basit maddeler, kararlı standart durumda olan bileşenleri. Basit maddelerin oluşum entalpisinin sıfır olduğu varsayılır.
ΔΗ 0 arr, ΔΗ 0 yanık tablo değerlerini kullanarak, çeşitli kimyasal işlemlerin ve faz dönüşümlerinin entalpilerini hesaplamak mümkündür.
Bu tür hesaplamaların temeli, St. Petersburg profesörü G. I. Hess (1841) tarafından formüle edilen Hess yasasıdır:
"İşlemin termal etkisi (entalpi) yalnızca ilk ve son duruma bağlıdır ve bir durumdan diğerine geçiş yoluna bağlı değildir."
Hess yasasından aşağıdaki sonuçlar çıkar:
1. Reaksiyonun entalpisi, stokiyometrik katsayıları dikkate alınarak, reaksiyonlardaki son ve ilk katılımcıların oluşum entalpilerinin toplamları arasındaki farka eşittir.
ΔH = ΣΔH dönüş sonu – ΣΔH dönüş başlangıcı
2. Tepkimenin entalpisi, stokiyometrik katsayıları dikkate alınarak, ilk ve son reaktanların yanma entalpilerinin toplamları arasındaki farka eşittir.
ΔH = ΣΔH yanma başlangıcı – ΣΔH yanma sonu
3. Tepkimenin entalpisi, stokiyometrik katsayıları dikkate alınarak, ilk ve son reaktiflerin bağ enerjilerinin Eb toplamları arasındaki farka eşittir.
Bir kimyasal reaksiyon sırasında, başlangıç maddelerindeki (ΣE ref) bağların yok edilmesi için enerji harcanır ve reaksiyon ürünlerinin (–ΣE prod) oluşumu sırasında serbest bırakılır.
ΔH° = ΣE ref – ΣE devamı
Sonuç olarak, reaksiyonun ekzotermik etkisi Orijinal olanlardan daha güçlü bağlara sahip bileşiklerin oluştuğunu gösterir. Ne zaman endotermik reaksiyon aksine, başlangıç malzemeleri daha güçlüdür.
4. Bir maddenin oluşum reaksiyonunun entalpisi, zıt işaretli başlangıç maddelerine ayrışmasının reaksiyonunun entalpisine eşittir.
ΔH arr = –ΔH ayrıştırma
5. Hidrasyon entalpisi, susuz bir tuz ΔH sol b/s ve kristalli hidrat ΔH sol crist'in çözünme entalpileri arasındaki farka eşittir.
Hess yasası, termokimyasal denklemlerin cebirsel denklemler olarak ele alınmasına, yani termodinamik fonksiyonlar aynı koşullara atıfta bulunuyorsa bunları toplamaya ve çıkarmaya izin verir.