Лекција 8.1 садржи следеће групе задатака:

Изабери решење задатка:

Задатак 1 (бесплатан)

Кратко решење

Жива природа (живи системи): - реакције у низу и циклусима, строго контролисаним редоследом, - катализатори су ензими (убрзање и више стотина хиљада пута), - пример: \( 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{светлост}} \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \) Нежива природа (човек): - лабораторија: мале количине (mg, g), испитивање својстава, \( 2\text{HgO} \xrightarrow{t} 2\text{Hg} + \text{O}_2 \) - индустрија: тоне, економичност, рециклажа, подешавање услова (\( t \), \( p \), концентрација), нпр. фракциона дестилација течног ваздуха за \( \text{O}_2 \)

Детаљно решење

Корак 1: Добијање супстанце у живој природи (живим системима)

У живим системима хемијске реакције се дешавају у низу, често у склопу различитих циклуса, по тачно утврђеном и строго контролисаном редоследу. Реакције су катализоване ензимима. Ензими могу да убрзају реакције и више стотина хиљада пута, па се низ од више десетина реакција може одиграти тренутно. Пример је добијање кисеоника у биљкама у процесу фотосинтезе: \[ 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{сунчева светлост}} \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \] Човек до сада није направио „машину” која би радила по истом принципу и са истом ефикасношћу као жива ћелија.

Корак 2: Добијање супстанце у неживој природи (лабораторија и индустрија)

У неживој природи супстанце добија човек, у лабораторији или у индустрији. Лабораторија: - ради се с малим количинама супстанце (неколико милиграма или грама), - циљ је испитивање својстава, одређивање количине у узорку и усавршавање метода добијања, изоловања и пречишћавања, - пример је добијање кисеоника загревањем жива(II)-оксида: \[ 2\text{HgO} \xrightarrow{t} 2\text{Hg} + \text{O}_2 \] Индустрија: - ради се с количинама супстанце чија се маса изражава тонама, - основни принцип је економичност (мањи утрошак сировине и енергије) уз очување животне средине, - неизреаговани реактанти и споредни производи се рециклирају, односно враћају у процес, - чистоћа, принос и брзина реакције постижу се променом услова (температуре, притиска, концентрације реактаната), - пример је добијање кисеоника фракционом дестилацијом течног ваздуха.

Корак 3: Закључак

Основна разлика је у начину одвијања процеса. У живој природи реакције се одвијају у строго контролисаном низу уз ензиме као катализаторе, веома брзо и ефикасно. У неживој природи супстанце добија човек, у лабораторији у малим количинама ради испитивања, а у индустрији у великим количинама уз економичност и рециклажу.

Кратак запис решења:

Жива природа: низ реакција, циклуси, ензими (убрзање и преко \( 10^5 \) пута), нпр. фотосинтеза: \( 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \). Нежива природа: човек добија супстанце. Лабораторија: мале количине, \( 2\text{HgO} \rightarrow 2\text{Hg} + \text{O}_2 \). Индустрија: тоне, економичност, рециклажа.

Најважније из лекције

Индустријски процеси: Организовани технолошки путеви прераде сировина у финалне производе на велико (у тонама).
Пут производње: \(\text{Основне сировине} \longrightarrow \text{Основне операције} \longrightarrow \text{Основни процеси} \longrightarrow \text{Финални производ}\).
Основне операције: Физички поступци припреме и одвајања (дестилација, филтрација, кристализација, екстракција, сушење).
Основни процеси: Хемијске реакције конверзије (оксидација, редукција, неутрализација, сагоревање).
Кључни критеријуми у индустрији: Економичност (рециклажа, оптимизација \(T\) и \(p\), катализатори) и очување животне средине.
Процес представља организован скуп појава, промена или поступака који се одигравају у неком систему кроз одређено време.
Физички процеси (операције): Промене при којима се не мења хемијски састав супстанци, већ њихово агрегатно стање, облик, положај или се врши њихово међусобно раздвајање (нпр. топљење, испаравање, дестилација, цеђење).
Хемијски процеси: Поступци хемијског мењања једне или више полазних супстанци у нове производе са различитим хемијским саставом и особинама.
Примери природних хемијских процеса су фотосинтеза у биљкама, варење хране у организму, настанак сталактита и сталагмита у пећинама и ерозија стена под дејством киселих киша.

Иста супстанца се може добијати у природи, лабораторији или индустрији, али уз значајне разлике у условима, брзини и размерама:

Карактеристика Живи системи Лабораторија Индустрија
Количина супстанце Микроколичине унутар ћелија Мале масе (милиграми, грами) Велике масе (килограми, тоне)
Брзина и механизам Ни низ повезаних реакција каталозованих ензимима; тренутно одвијање Појединачне реакције, често захтевају додатно загревање или дужи рад Висока продуктивност; убрзава се мењањем \(T\), \(p\), концентрације и катализаторима
Примарни циљ Одржавање живота и метаболизма Испитивање својстава, анализа, усавршавање нових метода Масовна производња, економска исплативост и профит
Економичност и рециклажа Природни кружни циклуси материје Није примарна (испитивања се раде без обзира на цену) Обавезан принцип рециклаже неизреагованих сировина и уштеда енергије
Пример добијања кисеоника (\(\text{O}_2\)):
  • У живим системима: у процесу фотосинтезе биљке стварају кисеоник из \(\text{CO}_2\) и воде уз помоћ сунчеве светлости.
  • У лабораторији: термичким разлагањем супстанци богатих кисеоником, нпр. \(\text{KMnO}_4\), \(\text{KClO}_3\), \(\text{HgO}\) или каталитичким разлагањем \(\text{H}_2\text{O}_2\).
  • У индустрији: фракционом дестилацијом течног ваздуха на ниским температурама (физичко раздвајање смеше гасова).
Зашто се индустријска производња кисеоника не заснива на термичком разлагању калијум-перманганата (\(\text{KMnO}_4\)), иако је та реакција веома лака за извођење у лабораторији?
Лабораторијско добијање из \(\text{KMnO}_4\) захтева скупе хемикалије и троши енергију за загревање, што је неекономично за велике количине. Индустрија користи ваздух као бесплатну и практично неограничену сировину, из којег се кисеоник изолује фракционом дестилацијом.
Сваки индустријски процес представља организован пут прераде сировина до коначног производа:
Основне сировине: Полазни материјали узети из природе или добијени из других производних погона.
Основне операције (физички поступци): Припрема сировина, одвајање смеша, пречишћавање или промена агрегатног стања.
Основни процеси (хемијски поступци): Хемијске реакције у којима се ствара жељени производ.
Финални производ: Готов тржишни производ стандардизованог квалитета и чистоће.
Основне операције: дестилација, екстракција, цеђење (филтрација), мешање, центрифугирање, сушење, адсорпција, кристализација.
Основни процеси: сагоревање, оксидација, редукција, неутрализација, хидролиза, термичко разлагање.
При одабиру технологије у индустрији морају се испунити два кључна захтева:
  1. Економичност: минимални утрошак сировина и енергије, висок принос и рециклажа неизреагованих материјала.
  2. Заштита животне средине: смањење штетних емисија, правилно одлагање или прерада отпада.
Разврстај следеће поступке на основне операције и основне процесе: кристализација, неутрализација, екстракција, сагоревање, центрифугирање, редукција.
  • Основне операције (физички): кристализација, екстракција, центрифугирање.
  • Основни процеси (хемијски): неутрализација, сагоревање, редукција.

Задаци за вежбање

Лаки ниво: Допуни следеће тврдње одговарајућим терминима (операција или процес):
а) Филтрација (цеђење) талога из раствора представља основну __________.
б) Реакција сумпор(IV)-оксида са кисеоником у присуству катализатора представља основни __________.
а) основну операцију (јер је реч о физичком одвајању фаза).
б) основни процес (јер долази до хемијске реакције оксидације).
Средњи ниво: Наведи најважније разлике између добијања супстанци у хемијској лабораторији и индустријском постројењу према: количини супстанци, значају цене производње и примени рециклаже.
  1. Количина супстанци: У лабораторији се ради са малим масама (милиграми или грами), док се у индустрији процеси воде на тоне материјала.
  2. Економичност (цена): У лабораторији је примарни циљ добијање и анализа супстанце, па цена сировине није пресудна. У индустрији је економичност основни критеријум опстанка производње.
  3. Рециклажа: У индустрији се неизреаговани реактанти и споредни производи обавезно враћају у процес због уштеде, док у лабораторији то често није неопходно нити изводљиво на малим узорцима.
Тешки ниво: Зашто ћелије у живим организмима могу тренутно да изведу компликован ланац од неколико десетина хемијских реакција на собној температури, док би за исте реакције у индустрији или лабораторији често били потребни екстремни притисци и високе температуре?
У живим ћелијама све хемијске реакције катализују специфични биолошки катализатори – ензими. Они могу убрзати реакције и више стотина хиљада пута при благим условима (ниска температура, нормалан притисак, неутралан или благо кисели/базни медијум) и организовани су у строго усклађене метаболичке ланце. Индустрија и лабораторије још немају реакторе који са таквом енергетском ефикасношћу и селективношћу могу водити сложене вишестепене синтезе без повећања температуре, притиска или употребе агресивних хемикалија.

Савладај
домаћи
уз хиљаде решења, лекција и тестова: