Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:А ты хочешь знать химию. Учебно-справочное пособие для старшеклассников и абитуриентов
.pdf
ёмы указанных в уравнении реакции газов и получаем отношение объёмов газов:
1
22,4 л : 3 22,4 л : 2 22,4 л или 1 : 3 : 2. Запишем все
наши рассуждения в несколько ином виде:
N
+ 3H2 = 2NH
2
3
1 : 3 : 2 — отношение числа молекул.
1
6,02 1023 : 3 6,02 1023 : 2 6,02 1023 — отношение
числа молекул.
1
1 моль : 3 1 моль : 2 1 моль — отношение молей.
1 : 3 : 2 — отношение молей.
1
22,4 л : 3 22,4 л : 2 22,4 л — отношение объёмов газов.
1 : 3 : 2 — отношение объёмов газов.
Из наших записей можно сделать вывод, что коэффициенты уравнения реакции могут показывать не только отношение числа молекул, но и отношение молей и отношение объёмов газов, а отсюда можно сделать и другой вывод: отношение
объёмов газов равно отношению молей. Этот вывод обычно
используют при решении задач, связанных с объёмами газов.
Например, исходя из вышеуказанного уравнения, необходимо найти объёмы азота и водорода, которые пошли на образование 600 л аммиака (NH
). Записываем данное уравнение,
3
обозначив необходимые объёмы азота и водорода соответственно V
и записав их, а также данный объём аммиака
1 и V2
над химическими формулами указанных веществ:
V
1 V2
N
+ 3H2 = 2NH
2
600 л
3
1 : 3 : 2 — отношение молей.
Задачу будем решать, составляя пропорции. Напоминаем,
что пропорция — это равенство двух отношений. Составляем
первую пропорцию: V
: 600 = 1 : 2; находим V1 — объём азота
1
как крайний член пропорции, который равен произведению
средних членов пропорции, делённому на известный крайний
член пропорции:
600
V
= = 300 л (N
1
1
2
).
2
Точно также находим объём водорода из пропорции:
V
: 600 = 3 : 2;
2
V
= = 900 л (Н
1
600
3
2
).
2
Ответ: для получения 600 л аммиака необходимо израсходовать 300 л азота и 900 л водорода.
131
Вопросы и задания:
1. Что такое количество вещества?
2. Какова единица измерения количества вещества?
3. Что такое моль?
4. Сколько структурных частиц содержится в моле любого вещества?
5. Как называется величина, которая выражает зависимость
между массой порции вещества и количеством вещества, содержащимся в данной порции вещества?
6. Что такое молярная масса?
7. Какова единица измерения молярной массы?
8. Почему молярная масса является величиной постоянной и характерной для каждого отдельного вещества?
9. Чем газы отличаются от жидких и твёрдых веществ?
10. От чего зависит расстояние между молекулами газов?
11. Какова формулировка закона Авогадро?
12. Как читается следствие из закона Авогадро?
13. Что такое нормальные условия?
14. Что такое молярный объём газов?
15. Какова единица измерения молярного объёма газов?
16. Чему равен молярный объём газов?
17. Почему молярный объём газов является величиной постоянной и характерной для всех газов?
18. Что такое плотность газа?
19. Какова единица измерения плотности газа?
20. Что такое относительная плотность газов?
21. Почему относительная плотность газов является безразмерной величиной?
22. Почему можно утверждать, что плотности газов относятся как
их молекулярные массы?
23. Почему можно утверждать, что отношение объёмов газов
равно отношению молей?
24. Как используют утверждение, что отношение объёмов газов
равно отношению молей?
132
Глава 10
Основные закономерности течения
химических реакций.
Производство серной кислоты
§ 55. Скорость химической реакции
Вопрос о скорости химических реакций имеет большое
практическое значение. В промышленности важно за меньший период времени получить больше продуктов реакции,
т. е. увеличить скорость химических процессов.
Что же такое скорость химической реакции?
В слове скорость есть суффикс «ост», значение которого мы уже
знаем. Этот суффикс указывает на то, что данное слово означает
свойство; свойство, которое может быть измерено с помощью
каких-либо приборов обычно называют физической величиной, а физическая величина как свойство всегда что-то показывает или чтото характеризует .
Вспомним из курса физики раздел о скорости движущегося тела, например, о скорости автомобиля. Для вычисления
скорости автомобиля необходимо знать длину пути, которую
прошёл автомобиль за определённый период времени. Например, время начала движения t
движения было t
прошёл путь s
= 300 км — это узнаём из показаний счётчика
(на начало движения s
биля — s
= 1300 км). Скорость автомобиля — это производ-
2
= 14
2
00
ч. За этот период времени автомобиль
= 1000 км, а после остановки автомо-
1
ная величина, которую получают в результате деления разницы в показании счётчика, указывающего пройденный автомобилем путь, на время движения автомобиля:
1300 км – 1000 км 300 км
v =
v =
14 ч – 12 ч 2 ч
s – s s s
= v = .
t – t t t
= = 150 км/ч,
Теперь попробуем сформулировать понятие «скорость автомобиля», исходя из наших рассуждений: скорость автомо-
биля — это физическая величина, которая характеризует
= 12
1
00
ч, а время завершения
133
данный автомобиль тем изменением отрезка пути (150 км),
который он проходит за единицу времени (за 1 ч).
Единица измерения скорости автомобиля — км/ч.
Аналогично определению скорости автомобиля составим
определение «скорость химической реакции».
Как и при определении скорости автомобиля нам необходимо знать показания счётчика молярной концентрации ве-
щества (с) — физической величины, которая показывает ко-
личество вещества (в молях) в единице объёма — в 1 л общего
объёма (с
мени (t
концентрации вещества (с
через 5 секунд (t
= 20 моль/л) в какой-то определённый момент вре-
1
= 12 ч 00 с), а также показания счётчика молярной
1
=12 ч 05 с) после первого показания молярной
2
= 40 моль/л), снятые, например,
2
концентрации вещества.
По аналогии с формулой скорости автомобиля записываем
формулу скорости химической реакции:
V =
40 моль/л – 20 моль/л 20 моль/л
12 ч 05 с – 12 ч 00 с 5 с
= = 4 моль/л с
или в общем виде:
c – c
v =
; v = .
t – t
c
t
Скорость химической реакции — это физическая величина, которая характеризует данную химическую реакцию
изменением концентрации вещества за единицу времени.
(Сравните с определением скорости автомобиля.)
Единица измерения скорости химической реакции —
моль/л
с.
§ 56. Факторы, влияющие на скорость
химической реакции
Скорость химической реакции зависит от многих факторов: природы реагирующих веществ; концентрации реагирующих веществ; от условий проведения реакций (температуры; катализаторов; давления); степени измельчения, т. е. от
величины поверхности соприкосновения веществ (для гетерогенных реакций) и многих других факторов.
Мы рассмотрим некоторые из факторов, влияющих на скорость химической реакции.
134
Природа реагирующих веществ. Разные по химической
активности металлы — калий и натрий взаимодействуют с
водой по-разному: скорость реакции калия с водой как более
активного металла будет больше скорости реакции натрия с
водой при прочих равных условиях.
Концентрация реагирующих веществ. Рассмотрим этот
фактор для газообразных веществ или веществ, реагирующих
в растворе. Молекулы тех или иных веществ могут взаимодействовать лишь при столкновениях. Чем чаще они будут
происходить, тем быстрее пойдёт реакция. Но число столкновений в первую очередь зависит от концентраций реагирующих веществ: чем они значительнее, тем больше и столкновений. Наглядным примером, иллюстрирующим влияние концентрации на скорость химической реакции, может служить
резко различная энергичность сгорания веществ в воздухе
(около 20% кислорода) и в чистом кислороде. Чем больше
концентрация веществ, тем больше скорость химической реакции и наоборот: чем меньше концентрация веществ, тем
меньше скорость химической реакции.
Температура. Кроме концентраций реагирующих веществ, на скорость реакции должна влиять температура, так
как при её повышении возрастает скорость движения молекул, в связи с чем увеличивается и число столкновений между ними.
С ростом температуры увеличивается частота столкновений молекул реагирующих веществ, а следовательно, скорость реакций. Установлено, что при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость химической реакции возрастает примерно в 3 раза, при понижении на каждые
10 градусов — уменьшается во столько же раз.
Быстрое изменение скорости химической реакции с изменением температуры объясняет теория активации.
Согласно этой теории химическая реакция не обязательно
должна происходить при каждом столкновении частиц реагирующих веществ — может быть очень много таких столкновений, после которых молекулы расходятся неизменными. Лишь тогда, когда взаимное расположение частиц в момент столкновения благоприятно для реакции и
сталкивающиеся молекулы достаточно активны, т. е. обладают большим запасом энергии, достаточным для преодоления взаимного отталкивания, для разрыва старых и возникновения новых связей, — обладают энергией, достаточной
для протекания химической реакции.
135
Относительное число столкновений, ведущих к образованию новых веществ, в первую очередь, определяется природой самих реагирующих веществ. Поэтому при одинаковом
общем числе столкновений молекул скорости отдельных реакций могут быть весьма различны.
Давление. Повышение давления ведёт к повышению концентрации реагирующих газообразных веществ, а, следовательно, к увеличению скорости химической реакции.
Катализаторы. Катализаторы играют очень важную роль в современной химической промышленности. Полагают, что более
70% всех химических производств используют катализаторы.
Катализаторы — вещества, которые участвуют в химических реакциях, увеличивая их скорость, но сами при этом
не расходуются.
На основании того, протекает ли реакция при действии катализатора или без него, реакции классифицруют на ката-
литические и некаталитические.
Каталитические реакции — это реакции, которые протекают в присутствии катализаторов.
Катализ — это явление ускорения химической реакции
за счёт использования катализаторов.
Доля каталитических процессов в нефтехимической, фармацевтической и пищевой промышленности составляет около 90%. Получение важнейших продуктов основной химии:
аммиака, серной и азотной кислот — целиком построено на
каталитических процессах.
В некоторых случаях требуется замедлить химическую
реакцию, как например, в случае процесса химического разрушения металлов под воздействием окружающей среды
(коррозии металлов). Для этих целей используют ингибито-
ры. Ингибиторы, как и катализаторы, — это вещества,
которые участвуют в химических реакциях, но сами при
этом не расходуются. В отличие от катализаторов ингибиторы замедляют реакции.
Одним из факторов влияния на скорость химических реакций является величина поверхности соприкосновения (раздела) веществ. Этот фактор относится к гетерогенным реакциям. Поэтому прежде вспомним о классификации химических
реакций на основании наличия или отсутствия поверхности
соприкосновения веществ. На этом основании реакции делят
на гомогенные и гетерогенные.
Гомогенная реакция — это реакция, в которой ни одно из
исходных и образующихся веществ (продуктов реакции) не
136
имеет поверхности раздела (поверхности соприкосновения)
с другим веществом.
Примером гомогенных реакций могут быть реакции, протекающие в растворах, или реакции между газами. Например, реакция между хлором и водородом, в результате которой образуется хлороводород. В указанной реакции и исходные вещества, и продукт реакции не имеют поверхности
раздела: хлор, водород и хлороводород — газы.
Другим примером гомогенной реакции может быть реакция в растворе между соляной кислотой и гидроксидом натрия, в результате которой образуются растворимая в воде
соль и вода.
Гетерогенная реакция — это реакция, в которой одно из
исходных или из образующихся веществ (продуктов реакции) имеет поверхность раздела (поверхность соприкосновения ) с другим веществом.
Например, при взаимодействии жидкой серы с газообразным водородом реакция протекает на поверхности серы, которая и является поверхностью раздела или поверхностью соприкосновения двух веществ. При взаимодействии между
цинком и соляной кислотой реакция протекает на поверхности цинка — это ещё один пример гетерогенной реакции.
Степень измельчённости веществ (величина поверхности
соприкосновения веществ, вступающих в реакцию). Степень
измельчённости вещества оказывает влияние на скорость гетерогенных реакций. Допустим, что сжигают уголь. Одна и та
же масса угля при прочих равных условиях будет сгорать лучше и интенсивнее, т. е. с большей скоростью, если будет измельчена, нежели уголь в виде целого куска, так как величина
поверхности соприкосновения с кислородом измельчённого
угля будет больше величины поверхности соприкосновения с
кислородом угля, взятого в виде целого куска.
§ 57. Химическое равновесие
Прежде чем мы приступим к рассмотрению понятия «химическое равновесие», необходимо уяснить несколько других
понятий.
При изучении темы «Физические и химические явления»
в начале курса химии мы говорили, что с точки зрения атомномолекулярного учения суть химической реакции заключается в том, что молекулы исходных веществ разрушаются до
137
атомов, а атомы, соединяясь по-новому, образуют новые молекулы, а значит и новые вещества.
После изучения тем «Строение атома» и «Строение вещества» мы можем сказать о сути химической реакции несколько иначе: суть химической реакции заключается в разрыве
химических связей, имеющихся в исходных веществах (веществах, вступающих в химическую реакцию), и образовании новых химических связей, которые будут присутствовать в продуктах реакции, т. е. веществах, полученных в результате реакции.
Разрыв и образование химических связей всегда сопровождается соответственно поглощением или выделением энергии в виде теплоты, света или работы расширения образовавшихся газов. На основании суммарного результата поглощения и выделения энергии тепловой эффект реакции может
быть положительным (энергии выделяется больше, чем её поглощается) и, наоборот, отрицательным (энергии поглощается больше, чем её выделяется). И на основании теплового эффекта реакции химические реакции классифицируют на две
группы: экзотермические и эндотермические химические реакции. Постараемся понять и запомнить значение частей указанных слов: «термо» означает теплота,
«экзо» — наружу (отсюда «экзема» — наружное заболевание — заболевание кожи), «эндо» — внутрь (отсюда врачэндокринолог — врач, который лечит болезни, связанные с
железами внутренней секреции). А сейчас можно дать определения указанным выше типам реакций, используя только
что указанные значения частей слов.
Экзотермические реакции — это химические реакции,
которые протекают с выделением теплоты.
Примером экзотермических реакций могут быть реакции
горения:
C + O
= CO2 + Q
2
тепловой эффект химической реакции
Эндотермические реакции — это химические реакции,
которые протекают с поглощением теплоты.
(Такие реакции идут только за счёт энергии, поступающей
извне, например, при нагревании.)
N
+ O2 + Q 2NO
2
Принято записывать тепловой эффект реакции (Q) в правой
части химического уравнения, а поэтому, как и в математическом уравнении при переносе какого-либо члена урав-
138
нения из одной части в другую, меняем знак (+) на
противоположный — на минус (–) и записываем предыдущее
уравнение следующим образом:
N
+ O2 2NO – Q
2
тепловой эффект химической реакции
Тепловой эффект химической реакции (Q) — это количество теплоты, которое выделяется или поглощается в результате химической реакции (в кДж).
При изучении данной темы большое значение имеет понимание и других понятий.
Химические реакции делят на обратимые и необра-
тимые на основании того, расходуются полностью исходные вещества или их можно найти в продуктах реакции. Не-
обратимые реакции протекают только в одном направлении и
доходят до конца, т. е. до полного расходования исходных веществ и образования новых продуктов реакции. Так, разложение бертолетовой соли, которая приводит к образованию
хлорида калия и кислорода, является необратимой реакцией,
потому что невозможно осуществить обратный процесс, т. е.
получить из кислорода и хлорида калия бертолетову соль.
В продуктах реакции не находят бертолетовой соли.
2KClO
= 2KCl + 3O2.
3
Обратимые реакции — это реакции, которые протекают
в двух противоположных направлениях при одних и тех же
условиях (при одной и той же температуре, при одном и том
же давлении и при одном и том же катализаторе).
При записи обратимых реакций вместо знака равенства
пользуются противоположно направленными стрелками,
причём прямая реакция показана в уравнении стрелкой, указывающей направление слева направо, а обратная реакция
показана в уравнении стрелкой, указывающей направление
справа налево:
3Н
+ N2 2NН3 + Q.
2
водород азот аммиак
При изучении обратимых реакций используют такое понятие как физико-химическая система.
Физико-химическая система — это смесь исходных веществ и продуктов реакции, находящаяся в определённом
ограниченном объёме (например, в объёме сосуда).
Водород, азот и аммиак составляют физико-хими ческую систему в реакции получения аммиака из водорода и
азота.
139
В первый момент скорость реакции соединения водорода с
азотом (прямой реакции) v
велика, так как молекул водорода
1
и молекул азота много, а скорость реакции разложения аммиака (обратной реакции) равна v
= 0, так как ещё нет моле-
2
кул аммиака. В следующий момент, когда часть молекул водорода и азота успела соединиться, скорость обратной реакции v
v
ствия водорода с азотом скорость обратной реакции v
жает увеличиваться, а скорость прямой реакции v
становится уже заметной, а скорость прямой реакции
2
несколько уменьшается. По мере дальнейшего взаимодей-
1
продол-
2
— умень-
1
шается. Наконец, наступает такой момент, когда скорости
прямой и обратной реакций становятся равными, т. е. v
= v
1
2.
При равенстве скоростей обеих реакций устанавливается
химическое равновесие.
Химическое равновесие — это такое состояние обратимого процесса, при котором скорости прямой и обратной реакций равны.
Концентрации веществ физико-химической системы при
установившемся химическом равновесии называют равно-
весными концентрациями. Равновесные концентрации обычно обозначаются формулами реагирующих веществ, заключёнными в квадратные скобки, например
[Н2], [N2], [NН3].
Чем же характеризуется химическое равновесие? Прежде
всего тем, что равновесные концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции при неизменных условиях проведения реакции остаются постоянными сколь угодно долгое
время. Это и понятно, исходя из определения «скорости химической реакции» как величины, которая показывает изменение концентрации вещества в единицу времени, т. е., если
изменяется концентрация веществ, входящих в систему, то
мы говорим, что изменяются и скорости реакций; если же изменений концентраций в системе нет, т. е. концентрации веществ системы становятся незменными, постоянными, мы говорим, что и скорости обеих реакций становятся равными,
т. е. устанавливается химическое равновесие. Процесс не прекращается: всё время идёт образование молекул аммиака и их
распад, но число распавшихся за единицу времени молекул
аммиака равно числу молекул аммиака, образовавшихся из
водорода и азота. Поэтому нам и кажется, что изменений в системе не происходит, так как концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции не изменяются.
Химическое равновесие называют динамическим равновесием (динамо — значит движение), подчёркивая тем са-
140
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]