Субстрати та вироби

Що таке субстрат і продукт хімічної реакції?

У хімії субстрат — це назва речовин, хімічних сполук, елементів або іонів, які зазнають перетворень під час реакцій, що включають хімічні процеси. Продукти є результатом цих перетворень. У промислових процесах найчастіше є кілька продуктів. Крім основних продуктів, процеси також призводять до так званих побічних продуктів. Вони, у свою чергу, можуть стати субстратами для інших технологічних процесів. Субстрати та продукти в хімічних процесах дуже важливі як у лабораторних, так і в промислових масштабах. Ці процеси підкоряються ряду законів, правил і принципів. Ось деякі з них:

• Хімічна рівновага

Це динамічний стан, пов’язаний із оборотною хімічною реакцією, де швидкість перетворення субстратів на продукти така ж, як і в зворотному процесі, тобто при перетворенні продуктів на субстрати. Це вірно за певних умов, включаючи концентрацію, температуру та тиск. Коли виникає хімічна рівновага, концентрації субстратів і продуктів однакові. Однак слід пам’ятати, що це не постійний стан. Природа хімічної рівноваги динамічна. Навіть незначне втручання в умови реакції змінює її.

• Принцип Ле Шательє (закон рівноваги)

Принцип Ле Шательє стверджує, що коли система в хімічній рівновазі піддається певному стимулу (наприклад, зміні температури), умови реакції, що відбувається, змінюються таким чином, щоб частково протидіяти застосованій зміні. Крім того, концентрація субстратів і продуктів впливає на хімічну рівновагу. Будь-яка зміна кількості будь-якого з компонентів змінює встановлену рівновагу. Якщо один продукт буде видалено із системи, система відреагує таким чином, що певна кількість субстрату відреагує на відновлення видаленої речовини. Подібна ситуація виникне, коли з системи буде видалено субстрат. Принцип Ле Шательє дозволяє (особливо в технологічних процесах) керувати перебігом хімічного процесу. Його можна використовувати або для підвищення ефективності поточної реакції, або для протидії небажаним реакціям.

• Швидкість хімічної реакції

Швидкість хімічної реакції або процесу визначається як зменшення молярної концентрації субстратів або збільшення молярної концентрації продуктів за одиницю часу. Значення швидкості реакції визначають експериментально, вимірюючи зміну концентрації реагуючих речовин у часі. На швидкість хімічної реакції впливає концентрація субстратів. Швидкість реакції прямо пропорційна концентрації реагентів.

Субстрати та продукти в хіміко-технологічних процесах

Перевести концепцію хімічного процесу з лабораторного масштабу на промисловий — це складне завдання. Крім іншого, це включає адекватний вибір субстратів (сировини). Має бути економічно ефективним отримання субстратів, які відповідають екологічним принципам і всім необхідним процедурам для їх попередньої обробки (наприклад, очищення видобутих металевих руд). У хімічній технології процес також необхідно розглядати з точки зору продуктів, які необхідно отримати, тому що на додаток до основного продукту(ів) часто утворюються так звані побічні продукти. Звичайним рішенням є розміщення установок, які виробляють різні компоненти, близько одна до одної. Небажаний побічний продукт в одному процесі може бути ключовою сировиною в іншій технології. Також рекомендується, щоб субстрати, які не пройшли реакцію, перероблялися в циклі. Наведені вище принципи та низка інших правил дозволяють виконувати технологічні процеси набагато ефективніше та з меншими енерговитратами. Для хіміко-технологічних процесів для кожної установки розробляється матеріальний баланс. Він вказує кількість спожитих або вироблених матеріалів, тобто субстратів і продуктів. Матеріальний баланс є основою для проектування та розробки економічного обліку існуючого або планованого хімічного процесу. Він заснований на принципі збереження маси. Добре підготовлений матеріальний баланс забезпечує чітке уявлення про кількість необхідних субстратів, кількість отриманої продукції та враховує утворення відходів. Графічно це можна проілюструвати за допомогою діаграми Санкі.

Важливість субстратів і продуктів у контексті зеленої хімії

Сьогодні нафта є основною сировиною в хімії. Біомаса та інші субстрати, які можна отримати з відновлюваних джерел і, отже, відповідають принципам екологічної хімії, стають все більш важливими. Очікується, що ця тенденція збережеться в наступні роки. Біомаса важлива не тільки як сировина для енергетичних цілей, але її також можна ефективно використовувати для отримання хімічних речовин, таких як добавки для фармацевтичних препаратів , косметики та харчових продуктів. Удосконалення технологій переробки біомаси дозволяє отримувати з неї матеріали та хімікати з високою доданою вартістю. Не менш динамічним є розвиток способів отримання субстратів, особливо з частин рослин, таких як стебла, листя або коріння. Тепер ми можемо, наприклад, синтезувати наночастинки срібла, використовуючи екстракти листя капусти. Особливо в процесах великого об’єму важливим питанням є управління побічними продуктами, що утворюються в результаті хімічних процесів. Буде вигідно отримати матеріали, які легко біологічно розкладаються . Наприклад, полімери, що розкладаються, набувають все більшого значення. Це полімери, які можуть руйнуватися в навколишньому середовищі набагато швидше, ніж звичайні полімери. Вони можуть руйнуватися під впливом радіації, мікроорганізмів, ферментів або певних хімічних речовин.