Substrat och produkter

Vad är ett substrat och en produkt av en kemisk reaktion?

Inom kemi är ett substrat ett namn som används för ämnen, kemiska föreningar, grundämnen eller joner som genomgår omvandlingar under reaktioner som involverar kemiska processer. Produkter är resultatet av dessa omvandlingar. I industriella processer finns det oftast flera produkter. Förutom huvudprodukterna resulterar processer även i så kallade biprodukter. Dessa kan i sin tur bli substrat för andra tekniska processer. Substrat och produkter i kemiska processer är mycket viktiga både i laboratorie- och industriell skala. Dessa processer är föremål för ett antal lagar, regler och principer. Här är några av dem:

• Kemisk jämvikt

Det är ett dynamiskt tillstånd relaterat till en reversibel kemisk reaktion, där hastigheten för omvandling av substrat till produkter är densamma som i den omvända processen, dvs. vid omvandling av produkter till substrat. Detta gäller under specifika förhållanden inklusive koncentration, temperatur och tryck. När en kemisk jämvikt uppstår är koncentrationerna av substrat och produkter desamma. Man bör dock komma ihåg att detta inte är ett permanent tillstånd. Naturen hos en kemisk jämvikt är dynamisk. Även en liten störning av reaktionsförhållandena förändrar den.

• Le Chateliers princip (jämviktslagen)

Le Chateliers princip säger att när ett system i kemisk jämvikt utsätts för en specifik stimulans (t.ex. en temperaturförändring) förändras förhållandena för den inträffade reaktionen på ett sådant sätt att de delvis motverkar den tillämpade förändringen. Koncentrationen av substrat och produkter påverkar också den kemiska jämvikten. Varje förändring i mängden av någon av beståndsdelarna ändrar den etablerade jämvikten. Om en produkt tas bort från systemet kommer systemet att reagera på ett sådant sätt att en viss mängd av substratet kommer att reagera för att rekonstituera den avlägsnade substansen. En liknande situation kommer att inträffa när ett substrat tas bort från systemet. Le Chateliers princip gör det möjligt (särskilt i tekniska processer) att kontrollera förloppet av en kemisk process. Det kan användas för att antingen öka effektiviteten av en pågående reaktion eller motverka oönskade reaktioner.

• Kemisk reaktionshastighet

Hastigheten för en kemisk reaktion eller process definieras som minskningen i molkoncentrationen av substraten, eller ökningen i molkoncentrationen av produkterna, per tidsenhet. Värdet på reaktionshastigheten bestäms experimentellt genom att mäta förändringarna i koncentrationen av reaktanterna över tiden. Hastigheten för en kemisk reaktion påverkas av koncentrationen av substraten. Reaktionshastigheten är direkt proportionell mot koncentrationen av reaktanterna.

Substrat och produkter i kemiska tekniska processer

Det är en svår uppgift att översätta begreppet en kemisk process från laboratorieskala till industriell skala. Bland annat ingår ett adekvat urval av substrat (råvaror). Det bör vara kostnadseffektivt att erhålla substraten, i överensstämmelse med miljöprinciper och alla nödvändiga procedurer för deras tidigare bearbetning (t.ex. rening av extraherade metallmalmer). Inom kemisk teknik måste processen även ses över vad gäller de produkter som ska erhållas eftersom det utöver huvudprodukten/-erna ofta bildas så kallade biprodukter. Det är en vanlig lösning att placera installationer som producerar olika komponenter nära varandra. En oönskad biprodukt i en process kan vara en viktig råvara i en annan teknik. Det rekommenderas också att substrat som inte genomgick reaktionen återvinns i en slinga. Ovanstående principer, och ett antal andra regler, gör det möjligt att utföra tekniska processer mycket mer effektivt och till en lägre energiförbrukning. För kemiska tekniska processer utvecklas en materialbalans för varje installation. Den anger mängden material som konsumeras eller produceras, dvs substrat och produkter. Materialbalansen utgör grunden för att utforma och utveckla en ekonomisk redovisning för en befintlig eller planerad kemisk process. Den bygger på principen om masskonservering. En väl förberedd materialbalans ger en tydlig överblick över mängden substrat som behövs, mängden produkter som erhålls och tar hänsyn till avfallsgenerering. Grafiskt kan det illustreras med hjälp av ett Sankey-diagram.

Betydelsen av substrat och produkter i samband med grön kemi

Petroleum är den primära råvaran i kemin idag. Biomassa och andra substrat som kan erhållas från förnybara källor och därför matchar principerna för grön kemi blir allt viktigare. Trenden förväntas fortsätta under de kommande åren. Biomassa är viktig inte bara som råvara för energiändamål, utan den kan också effektivt användas för att få fram kemikalier, såsom tillsatser för läkemedel , kosmetika och livsmedel. Framsteg inom biomassabearbetningsteknik gör det möjligt att utvinna material och kemikalier med högt förädlingsvärde ur den. Utvecklingen av metoder för att erhålla substrat speciellt från växtdelar, såsom stjälkar, löv eller rötter, är lika dynamisk. Nu kan vi till exempel syntetisera silvernanopartiklar med hjälp av kålbladsextrakt. Särskilt i processer med stora volymer är en viktig fråga hanteringen av biprodukter från kemiska processer. Det kommer att vara fördelaktigt att få material som är lätt biologiskt nedbrytbara . Nedbrytbara polymerer blir till exempel allt viktigare. Detta är polymerer som kan bryta ner i miljön mycket snabbare än konventionella polymerer. De kan brytas ned när de utsätts för strålning, mikroorganismer, enzymer eller vissa kemikalier.