Substrati e prodotti

Cosa sono un substrato e un prodotto di una reazione chimica?

In chimica, un substrato è un nome utilizzato per sostanze, composti chimici, elementi o ioni che subiscono trasformazioni durante reazioni che coinvolgono processi chimici. I prodotti sono il risultato di queste trasformazioni. Nei processi industriali, molto spesso ci sono diversi prodotti. Oltre ai prodotti principali, i processi producono anche i cosiddetti sottoprodotti. Questi, a loro volta, possono diventare substrati per altri processi tecnologici. Substrati e prodotti nei processi chimici sono molto importanti sia su scala di laboratorio che su scala industriale. Questi processi sono soggetti a una serie di leggi, regole e principi. Ecco qui alcuni di loro:

• Equilibrio chimico

È uno stato dinamico relativo a una reazione chimica reversibile, in cui la velocità di trasformazione dei substrati in prodotti è la stessa del processo inverso, cioè nella trasformazione dei prodotti in substrati. Questo è vero in condizioni specifiche tra cui concentrazione, temperatura e pressione. Quando si verifica un equilibrio chimico, le concentrazioni di substrati e prodotti sono le stesse. Va ricordato, tuttavia, che questo non è uno stato permanente. La natura di un equilibrio chimico è dinamica. Anche una minima interferenza con le condizioni della reazione la cambia.

• Principio di Le Chatelier (la Legge dell’Equilibrio)

Il principio di Le Chatelier afferma che quando un sistema in equilibrio chimico è sottoposto a uno stimolo specifico (ad esempio una variazione di temperatura), le condizioni della reazione in atto cambiano in modo tale da contrastare in parte la variazione applicata. Inoltre, la concentrazione di substrati e prodotti influenza l’equilibrio chimico. Qualsiasi cambiamento nella quantità di uno qualsiasi dei costituenti modifica l’equilibrio stabilito. Se un prodotto viene rimosso dal sistema, il sistema risponderà in modo tale che una certa quantità del substrato reagirà per ricostituire la sostanza rimossa. Una situazione simile si verificherà quando un substrato viene rimosso dal sistema. Il principio di Le Chatelier consente (soprattutto nei processi tecnologici) di controllare il corso di un processo chimico. Può essere utilizzato per aumentare l’efficienza di una reazione in corso o contrastare reazioni indesiderate.

• Velocità di reazione chimica

La velocità di una reazione chimica o di un processo è definita come la diminuzione della concentrazione molare dei substrati, o l’aumento della concentrazione molare dei prodotti, per unità di tempo. Il valore della velocità di reazione viene determinato sperimentalmente, misurando le variazioni di concentrazione dei reagenti nel tempo. La velocità di una reazione chimica è influenzata dalla concentrazione dei substrati. La velocità di reazione è direttamente proporzionale alla concentrazione dei reagenti.

Substrati e prodotti nei processi di tecnologia chimica

È un compito arduo tradurre il concetto di processo chimico dalla scala di laboratorio alla scala industriale. Include, tra l’altro, un’adeguata selezione dei substrati (materie prime). Dovrebbe essere economicamente vantaggioso ottenere i substrati, conformi ai principi ambientali ea tutte le procedure richieste per la loro lavorazione preliminare (ad es. purificazione dei minerali metallici estratti). Nella tecnologia chimica il processo deve essere rivisto anche in termini di prodotti da ottenere perché oltre al/ai prodotto/i principale/i si formano spesso i cosiddetti sottoprodotti. È una soluzione comune per localizzare impianti che producono componenti diversi uno vicino all’altro. Un sottoprodotto indesiderato in un processo può essere una materia prima chiave in una tecnologia diversa. Si raccomanda inoltre che i substrati che non hanno subito la reazione vengano riciclati in un ciclo. I principi di cui sopra, e una serie di altre regole, consentono di eseguire processi tecnologici in modo molto più efficiente e con un dispendio energetico inferiore. Per i processi di tecnologia chimica, viene sviluppato un bilancio dei materiali per ogni installazione. Indica le quantità di materiali consumati o prodotti, cioè substrati e prodotti. Il bilancio materie costituisce la base per la progettazione e lo sviluppo di un conto economico per un processo chimico esistente o pianificato. Si basa sul principio di conservazione della massa. Un bilancio dei materiali ben preparato fornisce una chiara panoramica delle quantità di substrati necessari, delle quantità di prodotti ottenuti e tiene conto della produzione di rifiuti. Graficamente, può essere illustrato utilizzando un grafico di Sankey.

L’importanza di substrati e prodotti nel contesto della chimica verde

Il petrolio è oggi la principale materia prima in chimica. La biomassa e altri substrati che possono essere ottenuti da fonti rinnovabili e quindi conformi ai principi della chimica verde stanno diventando sempre più importanti. La tendenza dovrebbe continuare nei prossimi anni. La biomassa è importante non solo come materia prima a fini energetici, ma può essere efficacemente utilizzata anche per ottenere prodotti chimici, come additivi per prodotti farmaceutici , cosmetici e alimentari. I progressi nelle tecnologie di lavorazione della biomassa consentono di estrarre da essa materiali e sostanze chimiche ad alto valore aggiunto. Altrettanto dinamico è lo sviluppo di metodi per ottenere substrati soprattutto da parti di piante, come steli, foglie o radici. Ora siamo in grado, ad esempio, di sintetizzare nanoparticelle d’argento utilizzando estratti di foglie di cavolo. In particolare nei processi di grandi volumi, una questione importante è la gestione dei sottoprodotti risultanti dai processi chimici. Sarà vantaggioso ottenere materiali facilmente biodegradabili . I polimeri degradabili, ad esempio, stanno acquisendo importanza. Questi sono polimeri che possono degradarsi nell’ambiente molto più velocemente dei polimeri convenzionali. Possono degradarsi se esposti a radiazioni, microrganismi, enzimi o determinate sostanze chimiche.