Substraten zijn stoffen die betrokken zijn bij een reactie, die chemische transformaties ondergaan. Producten zijn op hun beurt de materiële effecten van dergelijke transformaties. Ze zijn onderworpen aan een aantal chemische wetten en regels. Toch loont het ook de moeite om breder naar substraten en producten te kijken – in de context van processen op industriële schaal.
Wat zijn een substraat en een product van een chemische reactie?
In de chemie is een substraat een naam die wordt gebruikt voor stoffen, chemische verbindingen, elementen of ionen die transformaties ondergaan tijdens reacties waarbij chemische processen betrokken zijn. Producten zijn het resultaat van deze transformaties. In industriële processen zijn er meestal meerdere producten. Naast de hoofdproducten ontstaan bij processen ook zogenaamde bijproducten. Deze kunnen op hun beurt weer substraten worden voor andere technologische processen. Substraten en producten in chemische processen zijn erg belangrijk, zowel op laboratorium- als industriële schaal. Deze processen zijn onderworpen aan een aantal wetten, regels en principes. Hier zijn er een aantal:
- Chemisch equilibrium
Het is een dynamische toestand die verband houdt met een omkeerbare chemische reactie, waarbij de snelheid van transformatie van substraten in producten dezelfde is als in het omgekeerde proces, dwz bij de transformatie van producten in substraten. Dit geldt onder specifieke omstandigheden zoals concentratie, temperatuur en druk. Wanneer een chemisch evenwicht optreedt, zijn de concentraties van substraten en producten hetzelfde. Er moet echter aan worden herinnerd dat dit geen permanente toestand is. De aard van een chemisch evenwicht is dynamisch. Zelfs een kleine inmenging in de omstandigheden van de reactie verandert het.
- Het principe van Le Chatelier (de evenwichtswet)
Het principe van Le Chatelier stelt dat wanneer een systeem in chemisch evenwicht wordt onderworpen aan een specifieke stimulus (bijvoorbeeld een verandering in temperatuur), de omstandigheden van de optredende reactie zodanig veranderen dat de aangebrachte verandering gedeeltelijk wordt tegengegaan. Ook beïnvloedt de concentratie van substraten en producten het chemisch evenwicht. Elke verandering in de hoeveelheid van een van de bestanddelen verandert het vastgestelde evenwicht. Als één product uit het systeem wordt verwijderd, zal het systeem zodanig reageren dat een bepaalde hoeveelheid van het substraat zal reageren om de verwijderde substantie opnieuw samen te stellen. Een vergelijkbare situatie doet zich voor wanneer een substraat uit het systeem wordt verwijderd. Het principe van Le Chatelier maakt het (vooral in technologische processen) mogelijk om het verloop van een chemisch proces te beheersen. Het kan worden gebruikt om de efficiëntie van een lopende reactie te verhogen of om ongewenste reacties tegen te gaan.
- Chemische reactiesnelheid
De snelheid van een chemische reactie of proces wordt gedefinieerd als de afname van de molaire concentratie van de substraten, of de toename van de molaire concentratie van de producten, per tijdseenheid. De waarde van de reactiesnelheid wordt experimenteel bepaald door de veranderingen in de concentratie van de reactanten in de tijd te meten. De snelheid van een chemische reactie wordt beïnvloed door de concentratie van de substraten. De reactiesnelheid is recht evenredig met de concentratie van de reactanten.
Substraten en producten in chemisch technologische processen
Het is een hele klus om het concept van een chemisch proces te vertalen van laboratoriumschaal naar industriële schaal. Het omvat onder meer een adequate selectie van substraten (grondstoffen). Het moet kosteneffectief zijn om de substraten te verkrijgen, in overeenstemming met milieuprincipes en alle vereiste procedures voor hun voorafgaande verwerking (bv. zuivering van gewonnen metaalertsen). In de chemische technologie moet het proces ook worden bezien op de te verkrijgen producten omdat naast het (de) hoofdproduct(en) vaak zogenaamde bijproducten worden gevormd. Het is een gebruikelijke oplossing om installaties die verschillende componenten produceren dicht bij elkaar te plaatsen. Een ongewenst bijproduct in het ene proces kan een belangrijke grondstof zijn in een andere technologie. Het wordt ook aanbevolen om substraten die de reactie niet hebben ondergaan in een lus te recyclen. Bovenstaande principes en een aantal andere regels maken het mogelijk om technologische processen veel efficiënter en tegen een lager energieverbruik uit te voeren. Voor chemisch-technologische processen wordt voor elke installatie een materiaalbalans ontwikkeld. Het geeft de hoeveelheden materialen aan die zijn verbruikt of geproduceerd, dwz substraten en producten. De materiaalbalans vormt de basis voor het ontwerpen en ontwikkelen van een economische verantwoording voor een bestaand of gepland chemisch proces. Het is gebaseerd op het principe van massabehoud. Een goed voorbereide materiaalbalans geeft een duidelijk overzicht van de benodigde hoeveelheden substraten, de hoeveelheden verkregen producten en houdt rekening met afvalproductie. Grafisch kan het worden geïllustreerd met behulp van een Sankey-diagram.
Het belang van substraten en producten in het kader van groene chemie
Aardolie is tegenwoordig de primaire grondstof in de chemie. Biomassa en andere substraten die uit hernieuwbare bronnen kunnen worden gewonnen en daarmee passen bij de principes van groene chemie , worden steeds belangrijker. De verwachting is dat de trend zich de komende jaren voortzet. Biomassa is niet alleen belangrijk als grondstof voor energiedoeleinden, maar kan ook effectief worden gebruikt om chemicaliën te verkrijgen, zoals additieven voor farmaceutica , cosmetica en voedsel. De vooruitgang in de verwerkingstechnologieën van biomassa maakt het mogelijk om er materialen en chemicaliën met een hoge toegevoegde waarde uit te halen. Even dynamisch is de ontwikkeling van methoden om met name uit plantendelen, zoals stengels, bladeren of wortels, substraten te verkrijgen. Zo kunnen we nu bijvoorbeeld zilveren nanodeeltjes synthetiseren met extracten van koolbladeren. Met name bij grootschalige processen is het beheer van bijproducten die voortkomen uit chemische processen een belangrijk punt van aandacht. Het zal gunstig zijn om materialen te verkrijgen die gemakkelijk biologisch afbreekbaar zijn. Afbreekbare polymeren winnen bijvoorbeeld aan belang. Dit zijn polymeren die veel sneller in het milieu kunnen afbreken dan conventionele polymeren. Ze kunnen worden afgebroken wanneer ze worden blootgesteld aan straling, micro-organismen, enzymen of bepaalde chemicaliën.
