Substráty sú látky zapojené do reakcie, ktoré podliehajú chemickým premenám. Produkty sú zasa materiálnymi účinkami takýchto premien. Vzťahuje sa na ne množstvo chemických zákonov a pravidiel. Napriek tomu stojí za to pozrieť sa aj na substráty a produkty širšie – v kontexte procesov v priemyselnom meradle.
Čo je to substrát a produkt chemickej reakcie?
V chémii je substrát názov používaný pre látky, chemické zlúčeniny, prvky alebo ióny, ktoré prechádzajú transformáciou počas reakcií zahŕňajúcich chemické procesy. Produkty sú výsledkom týchto premien. V priemyselných procesoch sa najčastejšie vyskytuje niekoľko produktov. Výsledkom procesov sú okrem hlavných produktov aj takzvané vedľajšie produkty. Tie sa zase môžu stať substrátmi pre iné technologické procesy. Substráty a produkty v chemických procesoch sú veľmi dôležité v laboratórnom aj priemyselnom meradle. Tieto procesy podliehajú množstvu zákonov, pravidiel a zásad. Tu sú niektoré z nich:
- Chemická rovnováha
Ide o dynamický stav súvisiaci s reverzibilnou chemickou reakciou, kde rýchlosť premeny substrátov na produkty je rovnaká ako pri reverznom procese, teda pri premene produktov na substráty. To platí za špecifických podmienok vrátane koncentrácie, teploty a tlaku. Keď nastane chemická rovnováha, koncentrácie substrátov a produktov sú rovnaké. Treba však pripomenúť, že nejde o trvalý stav. Povaha chemickej rovnováhy je dynamická. Aj mierny zásah do podmienok reakcie ju mení.
- Le Chatelierov princíp (zákon rovnováhy)
Le Chatelierov princíp hovorí, že keď je systém v chemickej rovnováhe vystavený špecifickému podnetu (napr. zmene teploty), podmienky prebiehajúcej reakcie sa zmenia tak, že čiastočne pôsobia proti aplikovanej zmene. Chemickú rovnováhu ovplyvňuje aj koncentrácia substrátov a produktov. Akákoľvek zmena množstva ktorejkoľvek zo zložiek zmení nastolenú rovnováhu. Ak sa zo systému odstráni jeden produkt, systém zareaguje tak, že určité množstvo substrátu zareaguje na rekonštitúciu odstránenej látky. Podobná situácia nastane, keď sa zo systému odstráni substrát. Le Chatelierov princíp umožňuje (najmä v technologických procesoch) riadiť priebeh chemického procesu. Môže sa použiť buď na zvýšenie účinnosti prebiehajúcej reakcie, alebo proti nežiaducim reakciám.
- Rýchlosť chemickej reakcie
Rýchlosť chemickej reakcie alebo procesu je definovaná ako zníženie molárnej koncentrácie substrátov alebo zvýšenie molárnej koncentrácie produktov za časovú jednotku. Hodnota reakčnej rýchlosti sa určuje experimentálne meraním zmien koncentrácie reaktantov v priebehu času. Rýchlosť chemickej reakcie je ovplyvnená koncentráciou substrátov. Rýchlosť reakcie je priamo úmerná koncentrácii reaktantov.
Substráty a produkty v chemicko-technologických procesoch
Preniesť koncept chemického procesu z laboratórneho do priemyselného je náročná úloha. Okrem iného zahŕňa adekvátny výber substrátov (surovín). Získanie substrátov by malo byť nákladovo efektívne, v súlade s ekologickými zásadami a všetkými požadovanými postupmi na ich predchádzajúce spracovanie (napr. čistenie vyťažených kovových rúd). V chemickej technológii musí byť proces preskúmaný aj z hľadiska produktov, ktoré sa majú získať, pretože okrem hlavného produktu (produktov) sa často tvoria takzvané vedľajšie produkty. Je to bežné riešenie umiestniť blízko seba inštalácie, ktoré vyrábajú rôzne komponenty. Nežiaduci vedľajší produkt v jednom procese môže byť kľúčovou surovinou v inej technológii. Odporúča sa tiež, aby sa substráty, ktoré neprešli reakciou, recyklovali v slučke. Vyššie uvedené princípy a množstvo ďalších pravidiel umožňujú vykonávať technologické procesy oveľa efektívnejšie a pri nižšej energetickej náročnosti. Pre chemicko-technologické procesy je pre každú inštaláciu vyvinutá materiálová bilancia. Udáva množstvá spotrebovaných alebo vyrobených materiálov, tj substrátov a produktov. Materiálová bilancia predstavuje základ pre návrh a vypracovanie ekonomického účtu pre existujúci alebo plánovaný chemický proces. Je založená na princípe masovej ochrany. Dobre pripravená materiálová bilancia poskytuje jasný prehľad o množstvách potrebných substrátov, množstvách získaných produktov a zohľadňuje vznik odpadu. Graficky to možno znázorniť pomocou Sankeyho grafu.
Význam substrátov a produktov v kontexte zelenej chémie
Ropa je dnes primárnou surovinou v chémii. Biomasa a iné substráty, ktoré je možné získať z obnoviteľných zdrojov, a preto zodpovedajú princípom zelenej chémie , sú čoraz dôležitejšie. Očakáva sa, že trend bude pokračovať aj v nasledujúcich rokoch. Biomasa je dôležitá nielen ako surovina pre energetické účely, ale možno ju efektívne využiť aj na získavanie chemikálií, ako sú prísady do liečiv , kozmetiky a potravín. Pokrok v technológiách spracovania biomasy umožňuje získavať z nej materiály a chemikálie s vysokou pridanou hodnotou. Rovnako dynamický je aj vývoj metód získavania substrátov najmä z častí rastlín, ako sú stonky, listy alebo korene. Teraz sme napríklad schopní syntetizovať nanočastice striebra pomocou extraktov z listov kapusty. Najmä vo veľkých objemoch procesov je dôležitou otázkou riadenie vedľajších produktov vznikajúcich pri chemických procesoch. Bude prospešné získať materiály, ktoré sú ľahko biologicky odbúrateľné . Na význame získavajú napríklad odbúrateľné polyméry. Ide o polyméry, ktoré sa dokážu v prostredí rozložiť oveľa rýchlejšie ako bežné polyméry. Môžu degradovať, keď sú vystavené žiareniu, mikroorganizmom, enzýmom alebo určitým chemikáliám.
