Substraty i produkty

Co to jest substrat i produkt reakcji chemicznej?

W chemii substratami nazywane są substancje, związki chemiczne, pierwiastki czy jony, które ulegają przemianom w reakcjach podczas procesów chemicznych. W wyniku tych przekształceń powstają produkty. W procesach przemysłowych praktycznie zawsze jest ich kilka. Oprócz produktów głównych, powstają także produkty uboczne. Te z kolei mogą stać się substratami w innych procesach technologicznych.

Od substratów i produktów w procesach chemicznych, zarówno tych na skalę laboratoryjną, jak również przemysłową, bardzo dużo zależy. Funkcjonuje szereg praw, reguł i zasad, według których przeprowadza się te procesy. Oto kilka z nich:

• Równowaga chemiczna

Jest to stan dynamiczny, dotyczący odwracalnej reakcji chemicznej, gdy szybkość przemiany substratów w produkty jest taka sama jak w procesie odwrotnym, czyli w przypadku przemiany produktów w substraty. Taka sytuacja występuje w określonych warunkach, tj. stężenia, temperatury i ciśnienia. W przypadku wystąpienia stanu równowagi, stężenia substratów i produktów są takie same. Należy pamiętać, że nie jest to stan trwały. Ustalona równowaga chemiczna ma charakter dynamiczny. Nawet niewielka ingerencja w warunki reakcji powoduje jej zmianę.

• Reguła przekory

Reguła przekory głosi, że jeżeli na układ znajdujący się w stanie równowagi chemicznej, podziała się określonym bodźcem (np. zmianą temperatury), to warunki zachodzącej reakcji tak ulegną zmianie, aby zmniejszyć wpływ tego czynnika. Również stężenie substratów i produktów wpływa na stan równowagi chemicznej. Zmiana ilości któregokolwiek ze składników powoduje zmianę ustalonej równowagi. Jeżeli z układu zostanie usunięty jeden z produktów, to układ zareaguje w ten sposób, że pewna ilość substratu ulegnie przereagowaniu, aby odtworzyć usuniętą substancję. Analogicznie stanie się w przypadku usunięcia substratu z układu. Stosując regułę przekory, możliwe jest (szczególnie w procesach technologicznych) sterowanie przebiegiem procesu chemicznego. W ten sposób można zwiększyć wydajność przebiegającej reakcji lub przeciwdziałać reakcjom niepożądanym.

• Szybkość reakcji chemicznej

Szybkość, z jaką przebiega dana reakcja lub proces chemiczny, jest definiowana jako zmniejszenie się stężenia molowego substratów lub zwiększenie stężenie molowego produktów, w określonej jednostce czasu. Wartość szybkości reakcji chemicznej jest wyznaczana doświadczalnie, w wyniku pomiaru zmiany stężenia reagentów w czasie. Na szybkość reakcji chemicznej ma wpływ stężenie substratów. Szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do stężenia reagentów.

Substraty i produkty w procesach technologii chemicznej

Przeprowadzenie koncepcji procesu chemicznego ze skali laboratoryjnej na przemysłową jest bardzo trudne. Obejmuje ona między innymi właściwy dobór substratów (surowców). Ich pozyskanie powinno być opłacalne, z zachowaniem zasad ochrony środowiska oraz uwzględniające wszystkie wymagane procedury ich wcześniejszego przerobu (np. oczyszczanie wydobytych rud metali). Proces w technologii chemicznej musi zostać przeanalizowany także pod kątem otrzymywanych produktów. Poza produktem/produktami głównymi często powstają tak zwane produkty uboczne. Często stosowanym rozwiązaniem jest bliskie usytuowanie instalacji wytwarzających różne komponenty. Niepożądany produkt uboczny w jednym procesie, może być kluczowym surowcem w innej technologii. Zalecane jest także zawracanie w obiegu kołowym nieprzereagowanych substratów. Przytoczone zasady oraz szereg innych, pozwalają prowadzić proces technologiczny w sposób znacznie bardziej wydajny oraz z mniejszym wydatkiem energetycznym.

W przypadku procesów technologii chemicznej, dla każdej instalacji tworzony jest bilans materiałowy. Przedstawia on ilości zużytych lub wyprodukowanych materiałów, czyli substratów i produktów. Bilans materiałowy stanowi podstawę podczas projektowania i tworzenia rachunku ekonomicznego powstającego lub istniejącego procesu chemicznego. Podstawą do jego sporządzenia jest prawo zachowania masy. Dobrze sporządzony bilans materiałowy, w sposób przejrzysty określa ilość potrzebnych substratów, ilość otrzymywanych produktów oraz uwzględnia powstawanie materiałów odpadowych. Graficznie można go przedstawić z wykorzystaniem wykresu Sankey’a.

Znaczenie substratów i produktów w kontekście zasad zielonej chemii

Obecnie podstawowym surowcem w chemii jest ropa naftowa. Coraz większe znaczenie zyskuje biomasa oraz inne substraty, które mogą zostać pozyskane ze źródeł odnawialnych i dzięki temu wpisują się w zasady zielonej chemii. Przewidywane jest utrzymanie tej tendencji w najbliższych latach. Biomasa ma duże znaczenie jako surowiec do celów energetycznych, ale również z powodzeniem może być wykorzystana do pozyskania substancji chemicznych, np. dodatków do farmaceutyków, kosmetyków czy do żywności. Rozwój technologii przetwarzania biomasy, pozwala na pozyskanie z niej materiałów i chemikaliów o wysokiej wartości dodanej. Równie dynamicznie rozwijają się metody pozyskiwania substratów szczególnie z części roślin, takich jak łodygi, liście czy korzenie. Możliwa do przeprowadzenia jest np. synteza nanocząstek srebra z wykorzystaniem ekstraktów z liści kapusty.

Szczególnie w procesach wielkotonażowych, istotnym zagadnieniem jest zagospodarowanie produktów ubocznych powstających w wyniku procesów chemicznych. Korzystną sytuacją jest możliwość otrzymania materiałów, które będą łatwo biodegradowalne. Na znaczeniu zyskują np. polimery degradowalne. Są to polimery, które ulegają rozkładowi w środowisku naturalnym znacznie szybciej niż konwencjonalne polimery. Mogą ulegać degradacji pod wpływem promieniowania, mikroorganizmów, enzymów lub niektórych chemikaliów.