Субстраты и продукты

Что такое субстрат и продукт химической реакции?

В химии субстраты — это вещества, химические соединения, элементы или ионы, которые подвергаются превращениям в реакциях в ходе химических процессов. Результатом этих преобразований являются продукты. В промышленных процессах их практически всегда несколько. Помимо основных продуктов, образуются и побочные. Они, в свою очередь, могут стать субстратами в других технологических процессах.

Очень многое зависит от субстратов и продуктов в химических процессах — как в масштабах лаборатории, так и в масштабах массового производства. Существует ряд законов, правил и принципов, по которым осуществляются эти процессы. Вот некоторые из них:

• Химическое равновесие

Это динамическое состояние, относящееся к обратимой химической реакции, когда скорость превращения субстратов в продукты такая же, как и скорость обратного процесса, т. е. превращения продуктов в субстраты. Такая ситуация возникает при определенных условиях, т. е. концентрации, температуре и давлении. Когда наступает равновесное состояние, концентрации субстратов и продуктов одинаковы. Обратите внимание, что это не постоянное состояние. Установившееся химическое равновесие имеет динамическую природу. Даже незначительное вмешательство в условия реакции вызывает ее изменение.

• Правило от противного

Правило от противного (называемое также принципом Ле Шателье–Брауна) гласит, что если на систему, находящуюся в химическом равновесии, воздействует определенный стимул (например, изменение температуры), то условия реакции изменятся так, чтобы уменьшить воздействие этого стимула. Кроме того, концентрация субстратов и продуктов влияет на состояние химического равновесия. Изменение количества какого-либо из компонентов приводит к изменению установившегося равновесия. Если один из продуктов удалить из системы, система будет реагировать таким образом, что определенное количество субстрата вступит в избыточную реакцию для восстановления удаленного вещества. Аналогично произойдет, если удалить субстрат из системы. Применяя правило от противного, можно (особенно в технологических процессах) контролировать ход химического процесса. Таким образом, можно повысить эффективность протекающей реакции или противодействовать нежелательным реакциям.

• Скорость химической реакции

Скорость протекания химической реакции или процесса определяется как уменьшение молярной концентрации субстратов или увеличение молярной концентрации продуктов в заданную единицу времени. Значение скорости химической реакции определяется экспериментально, путем измерения изменения концентрации реагирующих веществ с течением времени. Скорость химической реакции зависит от концентрации субстратов. Скорость реакции прямо пропорциональна концентрации реагирующих веществ.

Субстраты и продукты в процессах химической технологии

Перенести концепцию химического процесса из лабораторных масштабов в промышленные очень сложно. Помимо прочего, это включает в себя правильный выбор субстратов (сырья). Их приобретение должно быть экономически эффективным, с соблюдением экологических принципов и с учетом всех необходимых процедур по их предварительной переработке (например, очистка добытых металлических руд). Процесс в химической технологии должен быть проанализирован также с точки зрения получаемых продуктов. В дополнение к основному продукту(-ам) часто производятся так называемые побочные продукты. Часто применяемым решением является близкое расположение установок, производящих различные компоненты. Нежелательный побочный продукт в одном процессе может быть ключевым сырьем в другой технологии. Также рекомендуется циркулярная переработка непрореагировавших субстратов. Эти и ряд других принципов позволяют вести технологический процесс гораздо эффективнее и с меньшими затратами энергии.

В случае процессов химической технологии для каждой установки составляется материальный баланс. Он представляет собой количества потребленных или произведенных материалов, т. е. субстратов и продуктов. Материальный баланс является основой при разработке и создании экономического расчета возникающего или существующего химического процесса. Он основан на законе сохранения массы. Хорошо составленный материальный баланс четко определяет количество необходимых субстратов, количество получаемых продуктов и учитывает образование отходов. Графически это можно представить с помощью диаграммы Санкей.

Важность субстратов и продуктов в контексте принципов зеленой химии

В настоящее время основным сырьем в химии является нефть. Биомасса и другие субстраты, которые могут быть получены из возобновляемых источников и, таким образом, соответствуют принципам зеленой химии, приобретают все большее значение. Ожидается, что эта тенденция сохранится в ближайшие годы. Биомасса важна как сырье для энергетических целей, но также может успешно применяться для получения химических веществ, например, добавок к фармацевтическим, косметическим или пищевым продуктам. Развитие технологий переработки биомассы позволяет извлекать из нее материалы и химикаты с высокой добавленной стоимостью. Так же быстро развиваются и методы извлечения субстратов, особенно из частей растений, таких как стебли, листья или корни. Например, вполне осуществим синтез наночастиц серебра с применением экстрактов из листьев капусты.

Важным вопросом, особенно в процессах с большим объемом производства, является надлежащее применение побочных продуктов, образующихся в результате химических процессов. Преимуществом является возможность получения материалов, которые легко поддаются биологическому разложению. Разлагаемые полимеры, например, приобретают все большее значение. Это полимеры, которые разрушаются в окружающей среде гораздо быстрее, чем обычные полимеры. Они могут разрушаться под воздействием радиации, микроорганизмов, ферментов или некоторых химических веществ.