Yüzeyler ve ürünler

Bir kimyasal reaksiyonun substratı ve ürünü nedir?

Kimyada, bir substrat, kimyasal süreçleri içeren reaksiyonlar sırasında dönüşüme uğrayan maddeler, kimyasal bileşikler, elementler veya iyonlar için kullanılan bir isimdir. Ürünler bu dönüşümlerin sonucudur. Endüstriyel süreçlerde çoğu zaman birkaç ürün vardır. Ana ürünlerin yanı sıra, prosesler aynı zamanda yan ürünlerle de sonuçlanır. Bunlar da diğer teknolojik süreçler için alt tabaka haline gelebilir. Kimyasal proseslerde substratlar ve ürünler hem laboratuvar hem de endüstriyel ölçekte çok önemlidir. Bu işlemler bir takım kanun, kural ve ilkelere tabidir. Bunlardan bazıları:

• Kimyasal Denge

Tersine çevrilebilir bir kimyasal reaksiyonla ilgili dinamik bir durumdur, burada substratların ürünlere dönüşme hızı ters işlemdekiyle aynıdır, yani ürünlerin substratlara dönüşümünde. Bu, konsantrasyon, sıcaklık ve basınç dahil olmak üzere belirli koşullar altında doğrudur. Kimyasal bir denge oluştuğunda, substratların ve ürünlerin konsantrasyonları aynıdır. Ancak bunun kalıcı bir durum olmadığı unutulmamalıdır. Kimyasal dengenin doğası dinamiktir. Reaksiyon koşullarına en ufak bir müdahale bile onu değiştirir.

• Le Chatelier ilkesi (Denge Yasası)

Le Chatelier ilkesi, kimyasal dengedeki bir sistem belirli bir uyarana (örneğin sıcaklıktaki bir değişiklik) maruz kaldığında, meydana gelen reaksiyonun koşullarının, uygulanan değişikliğe kısmen karşı koyacak şekilde değiştiğini belirtir. Ayrıca, substratların ve ürünlerin konsantrasyonu kimyasal dengeyi etkiler. Bileşenlerden herhangi birinin miktarındaki herhangi bir değişiklik, kurulan dengeyi değiştirir. Sistemden bir ürün çıkarılırsa, sistem, çıkarılan maddeyi yeniden oluşturmak için substratın belirli bir miktarının reaksiyona gireceği şekilde yanıt verecektir. Sistemden bir alt tabaka çıkarıldığında da benzer bir durum ortaya çıkar. Le Chatelier ilkesi, (özellikle teknolojik süreçlerde) bir kimyasal sürecin gidişatını kontrol etmeyi sağlar. Devam eden bir reaksiyonun etkinliğini artırmak veya istenmeyen reaksiyonlara karşı koymak için kullanılabilir.

• Kimyasal reaksiyon hızı

Bir kimyasal reaksiyon veya işlemin hızı, zaman birimi başına substratların molar konsantrasyonundaki azalma veya ürünlerin molar konsantrasyonundaki artış olarak tanımlanır. Reaksiyon hızının değeri, zaman içinde reaktanların konsantrasyonundaki değişiklikler ölçülerek deneysel olarak belirlenir. Bir kimyasal reaksiyonun hızı, substratların konsantrasyonundan etkilenir. Reaksiyon hızı, reaktanların konsantrasyonu ile doğru orantılıdır.

Kimyasal teknoloji süreçlerinde substratlar ve ürünler

Kimyasal süreç kavramını laboratuvar ölçeğinden endüstriyel ölçeğe çevirmek göz korkutucu bir iştir. Diğer şeylerin yanı sıra, yeterli alt tabaka (hammadde) seçimini içerir. Substratların, çevresel ilkelere ve bunların önceki işlemleri için gerekli tüm prosedürlere (örneğin, çıkarılan metal cevherlerinin saflaştırılması) uygun olarak elde edilmesi uygun maliyetli olmalıdır. Kimya teknolojisinde proses elde edilecek ürünler açısından da gözden geçirilmelidir çünkü ana ürün(ler)e ek olarak sıklıkla yan ürünler de oluşur. Farklı bileşenler üreten tesislerin birbirine yakın konumlandırılması yaygın bir çözümdür. Bir süreçte istenmeyen bir yan ürün, farklı bir teknolojide önemli bir ham madde olabilir. Reaksiyona girmeyen substratların bir döngüde geri dönüştürülmesi de önerilir. Yukarıdaki prensipler ve bir dizi başka kural, teknolojik süreçlerin çok daha verimli ve daha düşük enerji harcaması ile gerçekleştirilmesini sağlar. Kimyasal teknoloji süreçleri için, her kurulum için bir malzeme dengesi geliştirilir. Tüketilen veya üretilen malzemelerin, yani substratların ve ürünlerin miktarlarını gösterir. Malzeme dengesi, mevcut veya planlanan bir kimyasal süreç için ekonomik bir hesap tasarlamak ve geliştirmek için temel oluşturur. Kütlenin korunumu ilkesine dayanmaktadır. İyi hazırlanmış bir malzeme dengesi, ihtiyaç duyulan substrat miktarları, elde edilen ürün miktarları hakkında net bir genel bakış sağlar ve atık oluşumunu hesaba katar. Grafik olarak, bir Sankey şeması kullanılarak gösterilebilir.

Yeşil kimya bağlamında substratların ve ürünlerin önemi

Petrol , bugün kimyanın birincil ham maddesidir. Yenilenebilir kaynaklardan elde edilebilen ve bu nedenle yeşil kimya ilkelerine uyan biyokütle ve diğer substratlar giderek daha önemli hale geliyor. Trendin önümüzdeki yıllarda da devam etmesi bekleniyor. Biyokütle sadece enerji amaçlı bir hammadde olarak değil, aynı zamanda ilaç , kozmetik ve gıda katkı maddeleri gibi kimyasalların elde edilmesinde de etkin bir şekilde kullanılabilir. Biyokütle işleme teknolojilerindeki gelişmeler, biyokütleden katma değeri yüksek materyallerin ve kimyasalların çıkarılmasını sağlar. Özellikle gövdeler, yapraklar veya kökler gibi bitki parçalarından substrat elde etmeye yönelik yöntemlerin geliştirilmesi de eşit derecede dinamiktir. Artık örneğin lahana yaprağı özleri kullanarak gümüş nanoparçacıkları sentezleyebiliyoruz. Özellikle büyük hacimli proseslerde önemli bir konu da kimyasal proseslerden kaynaklanan yan ürünlerin yönetimidir. Biyolojik olarak kolayca parçalanabilen materyallerin elde edilmesi faydalı olacaktır. Örneğin parçalanabilir polimerler önem kazanmaktadır. Bunlar çevrede geleneksel polimerlere göre çok daha hızlı parçalanabilen polimerlerdir. Radyasyona, mikroorganizmalara, enzimlere veya belirli kimyasallara maruz kaldıklarında bozunabilirler.