Лидин Р. А., Молочко В. А. Химия для абитуриентов. От средней школы к вузу

3. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ. РАСЧЕТЫ ПО УРАВНЕНИЯМ РЕАКЦИЙ

Классификация химических реакций. Реакции соединения, раз­ ложения, замещения, двойного обмена. Обменные и окислитель­ но-восстановительные реакции.

Тепловой эффект химической реакции. Реакции экзотермические и эндотермические. Направление протекания химических реакций. Реакции обратимые и необратимые.

Уравнения химических реакций. Подбор стехиометрических коэффициентов в уравнениях обменных реакций. *

Расчеты по уравнениям реакций. Определение количества ве­ щества и массы реагентов и продуктов. Определениеобъема газо­ образных реагентов и продуктов. Теоретический и практический выход продукта реакции. Степень чистоты химических веществ.

20

эндотермические реакции, Дотекающие с эндя-эффек- то м - п о г л о щ е н и е м энергии в форме теплоты (—<?):

Ы2 + 0 2 = 2Ж) - <?

3) По направлению:

необратимые реакции, которые протекают только в пря­ мом направлении и завершаются п о л н ы м превращением реагентов, в продукты (т.е. реакции идут до конца слева направо):

А1283 + 6НГ20 = 2А1(ОН)3| + ЗН28 |

обратимые реакции, которые протекают одновременно ^ в прямом и обратном направлениях, при этом реагенты превращаются в продукты лишь ч а с т и чн о (т. е. реакции не

Необратимость химической реакции подчёркивается в уравнении знаком равенства (= ) между формулами реаген­ тов (слевд) и формулами продуктов (справа)^ а обратимость реакции - специальным знаком-противоположно направлен­ ными стрелками (*±).

4) По изменению степеней окисления:

обменные регшщи, протекающие, без и зм ен е н и я сте­ пеней окисления всех элементов, входящих в исходные ве­ щества: ^ *

К'О'УР ч- Н ^г"1= К^Вг”1 + Н^СТ"

(не следует отождествлять понятия «обменные реакции»

и«реакции двойного обмена» из разных классификаций, поскольку обменными могут быть также реакции соединения

иразложения, если они протекают без изменения степеней

Любые химические реакции (вне зависимости от агрегат­ ного состояния веществ и среды) изображаются молекуляр­ ными уравнениями, т. е. набором молекулярных формул реа­ гентов и продуктов с соответствующими стехиометричес­ кими коэффициентами. Установление коэффициентов а, Ь, с,

21

и <1превращает схему реакции А + В -►С + И в уравнение

Записывается схема протекающей реакции:

ИаОН + Н3Р 04 = На3Р04 + Н20.

Для сохранения числа атомов каждого элемента до и после реакции (слева и справа в уравнении) подбираются дополнительные множители, начиная с самого сложного по составу вещества (Ка3Р 0 4):

•слева 1 атом Р-справа 1 атом Р (множитель 1), но слева 1 атом Ка-справа 3 атома Ка (множитель 3).

Следовательно, в схеме реакции перед формулой Ка3Р 0 4 ставится коэффициент 1 (обычно опускается, по подразуме­ вается), перед Н3Р 0 4-коэффициент 1 и перед КаОН-коэф­

Затем подбирается коэффициент для Н20:

слева 6 атомов Н-справа 2 атома Н (множитель 3). Следовательно, перед формулой воды ставится коэф­

фициент 3: .

ЗИаОН + Н3Р 04 = Ка3Р04 + ЗН20.

Теперь слева неправа в уравнении число атомов каждого элемента одинаково, в чем следует убедиться проверкой. Проверка проводится по тому,элементу, число атомов кото­ рого при подборе коэффициентов не^сравнивалось (в данном примере - кислород):

слева 7 атомов О-справа 7 атомов О. Подбор коэффициентов проведен правильно. Уравнение химической реакции, например

. (1)А1(ОН)3 + ЗНС1 = (1)А1С13 + ЗН20

показывает не только к а ч ес тв е н н ы й аспект этой реакции (т. ег химическую природу реагентов и продуктов), но также и к о л и ч е с т в е н н о е отношение между прореагировав­ шими без остатка исходными веществами и образовавши­ мися из них конечными веществами, а именно:

а) 1 моль гидроксида алюминия А1(ОН)3 реагирует пол­ ностью с 3 моль хлороводорода НС1,

б) из 1 молЬ А1(ОН)3 и 3 моль НС1 образуется 1 моль хлорида алюминия А1С13 и 3 моль воды Н20 .

22

Очевидно,,что если в реакцию вступит другое количество А1(ОН)3, например.0,5. моль, то с ним прореагирует 1,5 моль НС1 и при этом получится 0,5 моль А1С13 и 1,5 моль Н20.

Поэтому на основе правильно составленных уравнений реакций можно проводить количественный рас чёт-опре­ делять количества и массы реагентов и продуктов, если задано количество (или масса) одного из веществ в реакции.

Для некоторой химической реакции

гдепА, пВ9 ис, л0, .. .-количества вступивших Вчреакцию реагентов и образовавшихся продуктов. _ '

Если количество одного из веществ известно (например, ис), то можно рассчитать участвующие в реакции количества остальных веществ (йа , «в, «г),...)."

От количеств реагентов и продуктов с помощью уравне­ ния (2) можно перейти к их массам:

Если масса одного из веществ задана, например т с , то можно ,рассчитать массы остальных веществ в данной реакции.

При участии в реакции г а з о о б р а з н ы х веществ чаще рассчитывают не их массы, ,а объемы. Так, для реакции

аА 4- &В(г) 4-... = сС 4* <^П(Г) 4*ж.

4уравнение (17) изменяется для газообразных веществ (В.и И) в соответствии с уравнением (4):

Зная одно из значений (тА, Кв, т с , К0), можно рассчитать по уравнению (18) значения всех остальных величин. х

Однако далеко не всегда берут пропорциональные коли­ чества и массы реагирующих веществ. Часто один из реаген­ тов берется в избытке (а следовательно, другой реагент-в недостатке) по причинам, которые станут ясны позже. Очевидно, что если в реакции

23

массы этого вещества (идеально чистого) к массе реального, вещества (с примесями):

И>В= т в/т нав = т в/(т В+ ^прнм) >^ * (22)

где т в- масса основного вещества В; т прим-масса примесей в на­

Массовая доля вещества* в навеске-величина безразмер­ ная; например, массовая доля железа в чугуне (сплаве железа с углеродрм) может составлять 0,965, т. е. и>Ре = 0,965.

. Массовая доля вещества может - быть выражена и в процентах:

нъ% = 100и>в. , (23)

Например, известняк (природный карбонат кальция) может содержать 82% СаСОэ, другими словами, чистота извест­ няка по СаСОэ равна 82%. Остаток в 18% приходится на различные примеси (песок, силиката и др.), т. е: и>прим % = 18%.

и в продуктах промышленного производства.

Степень очистки химических реактивов может быть раз­ ной; качественно (по уменьшению процентного содержания примесей) различают реактивы: «технические»,/ «чистые»^ «чистые для анализа», «химически чистые» и «особо чистые». Так, «химически чистая» серная кислота содержит 99,999% основного вещества (Н28€>4) и только 0,001% примесей. В специальных отраслях техники используют еще более чистые вещества; например, германий в полупроводниковой технике доводят до чистоты «десять девяток», т.е. до про­ центного содержания основного вещества, равного 99,99999999%. ^ _

Упражнения

3.1. Укажите, к какому типу взаимодействия относятся сле­ дующие реакции:

СаС12 .+ Н2804 = (5а804| + 2НС1,

25

3.3.Укажите, какие из реакций, уравнения которых приведены

вупражнениях 3.1 и. 3.2, являются окислительно-восстановитель­

К2803 + НС1 = К.С1 + 802Т + Н20, А12 (804)3 + *Ш3-Н20 = А1(ОН)3| + (ИН4)2804, п 3и + н 2о = ы н 3 н 2о + ПОН,

М§(НС03)2 + НС1 = М§С12 + С02Т + Н2С),

СгС13 + К28 + Н20 = Сг(ОН)3| + Н28Т + КС1, Иа2В40 7 + Н2804 + Н20 = В(ОН)3| + Иа2804.

3.5.Реагируют 2 г меди (Лт= 64) и 2 г серы (Аг = 32). Устано­ вите (устно), какова масса продукта-сульфида меди(И). Ответ: 3 г.

3.6.Нагрели 9 г галлия (Аг = 70) й 9 г хлора (Мг « 70). Опреде-

лите (устно) массу образовавшегося хлорида галлия(Ш). Ответ: 15 г. . ' ,

3.7. Определите (устно) объем кислорода (при н.у.), израсходо­ ванный на полное превращение 0,1 моль сульфида меди(И) в суль­ фат меди(И). Ответ: 4,48 л.

4. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ. ХЙМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Химическая кинетика. Скорость химических реакций. Зависи­ мость скорости реакции от природы, поверхности соприкосновения и концентрации реагирующих веществ, температуры реакции и ка­ тализаторов. Закон действующих масс для скорости химической реакции. Понятие о катализе. Катализаторы и ингибиторы.

Химическое равновесие. Обратимость химических реакций. Закон действующих масс для химического равновесия. Константа равновесия. Сдвиг химического, равнбвесия. Принцип Ле Шателье. Влияние температуры, давления и концентрации.

Химическая кинетика. Количественной характеристикой быстроты течения химической реакции

является ее с к о р о с т ь, т. е. скорость взаимодействия частиц реагентов А и В илй скорость появления продуктов И и Е. Изучением скорости химических реакций и ее зависимости от

26

различных факторов занимается раздел химии, называемый

химической кинетикой.

В гомогенных (однородных) системах исследуется ско­ рость реакции между реагентами, не имеющими границы раздела (газовые реакции, реакции в растворах); в гетеро­ генных системах изучается скорость реакции на поверхности

Под скоростью химической реакции понимают изменение концентраций реагентов или продуктов в единицу времени:

где Дсреаг = (Среаг - ^реаг)-это уменьш ение концентрации реа­ гентов за промежуток времени Ат = т2 — ; сп^ л = — с'ирод)~

это увел ич ение концентрации продуктов за промежуток времени Ат = т2 —XI .

Изменение концентраций реагентов и продуктов реакции во времени изображают графически (рис. 1). В начальный момент времени (т = 0) концентрация реагентов наиболь­ шая, а концентрация продуктов равна нулю. В процессе реакции концентрация реагентов уменьшается, а концентра­ ция продуктов растет. ' '

Скорость химической реакции зависит от нескольких факторов.

1.Природа реагентов. Здесь большую роль играет харак­ тер химических связей в соединениях, строение их молекул. Например, выделение водорода цинком из раствора хлороводорода происходит значительно быстрее, чем из раствора уксусной кислоты, так как полярность связи Н—С1 больше, чем для связи О—Н в молекуле СН3СООН, иначе говоря, из-за того, что НС1-сильный электролит, а СН3СООН - слабый электролит в водном растворе.

2.Концентрация реагентов.

Чтобы произошло взаимодей­ ствие, частицы реагирующих веществ в гомогенной системе должны столкнуться. Число столкновений пропорционально

Рис. 1. Зависимость концентрации реагентов и продуктов от времени

27

числу частиц реагирующих веществ в объеме реактора, т.е. их молярным концентрациям.

Установлено, что скорость химической реакции *прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реа­ гентов, если для реакции необходимо столкновение двух реагирующих .молекул. Эта зависимость носит название

закона действующих масс для скорости химической реакции

(К. Гульдберг, П. Ваагё, 1867 г.). Для реакции А + В -►Про­ дукты этот закон выразится уравнением:

V= к(сА)(с^^), _ ч (25)

где к-коэффициент пропорциональности, называемый константой скоростиреакции; сА и св-молярные концентрации реагентов.

Константа скорости реакции к зависит от природы реаги­ рующих веществ, температуры, присутствия катализатора, но не зависит от концентраций реагентов и численно равна скорости реакции V при условии (сА)(св) =ч 1 .

Если одно из реагирующих веществ находится в твердом состоянии, то реакция происходит лишь на поверхности раздела, поэтому концентрация твердого вещества4не вклю­ чается в уравнение кинетического закона действующих масс.

Для реакций, уравнения которых не отражают механизма протекания этих реакций, необходимо рассматривать каж­ дую элементарную стадию отдельно., Тройные и более столкновения (А + В + В + ... маловероятны, поэтому такир реакции' (например, 142 + ЗН2 = 21ЧН3) протекаютвсегда в несколько элементарных стадий (А + В -►). Кине­ тический закон действующих масс применим т о л ь к о к каждой из этих стадий, но нё к уравнению химической реакции в целом,

2-4 раза {правило Вант-Гоффа): Для реакций в растворах скорость также увеличивается с ростом температуры и часто в той же мере, как и для газовых реакций. При повышении температуры возрастает число а к ти в н ы х молекул, т.е. таких молекул, которые в момент столкновения обладают большой энергией и могут образовать продукты.

4. Поверхность соприкосновения реагентов. Чем больше поверхность соприкосновения реагирующих веществ, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердых веществ может быть увеличена путем их измельчения, а для раст­ воримых веществ-путем их растворения. Реакции в раст­ ворах протекают практически мгновенно.

28

Ъ.Катализатор. Большое влияние на скорость реакции оказывают катализаторы - вещества, ув е л и ч и в а ю щ и е скорость реакции (часто от нуля до очень больших значе­ ний), но не входящие в состав продуктов. Увеличение ско­ рости реакций под влиянием катализаторов называется катализом. Во многих случаях катализаторы образуют с одним из реагирующих веществ промежуточное соединение, которое реагирует с другим исходным веществом, образуя продукт и высвобождая катализатор.

Иногда употребляют отрицательные катализаторы- ингибиторы, которые, наоборот, з а м е д л я ю т нежелательт ные химические реакции (например, коррозию металлов).

Химическое равновесие. Химическая реакция называется обратимой, если в данных условиях протекает не только п р я м а я реакция (-»)/но также и о б р а т н а я реакция (<-*), Т.е. из исходных веществ образуются продукты и одновре­ менно из продуктов получаются реагенты:

, аА +7>В (Ю+ еЕ.

Обратимые реакции не доходят до конца. Концентрации реагентов уменьшаются,^что( приводит к уменьшению ско-- роста прямой реакции !Г. Скорость же обратной реакции V постоянно возрастает, поскольку увеличиваются концентрацйи продуктов.

, Когда скорости^ прямой и обратной реакций станут одинаковыми (р = V), то наступает состояние равновесия, при котором не происходит дальнейшего изменения кон­ центраций реагентов и продуктов.

Всостоянии равновесия концентрации реагентов и про­ дуктов постоянны; их называют равновесными концентра­ циями и обозначают [А], [В], [С], [Е] в отличие от концентраций сА, св, с0, сЕ в’ любой другой момент времени.

Всостоянии равновесия произведение молярных концент­ раций продуктов в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, деленное на такое же произведение молярных концентраций исходный веществ,'есть величина постоянная при

Г= соп§{. Это отношение обозначают Кс и называют конс­ тантой равновесия данной* реакции:

_ ЦУ]а[Е]е

С [А]в [В]ь

Полученное выражение носит название закона действующих

29