Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия. Основы химии. Учебное пособие
.pdf
Вообще,любойизнеобратимыхпроцессовможетбытьпревращен
[ ] [ ]
[ ] [ ]
C D
A B
cd
ab
⋅
⋅
вобратимый.
Запишемуравнениереакцииокислениядиоксидасеры:
2SO
+О2 2SO
2
3.
ПомерехимическогопревращенияконцентрацииSO2иO2уменьшаются и, следовательно, скорость прямой реакции снижается. Однако появление в системе продуктов вызывает обратную реакцию,
скорость которой постоянно возрастает. Рано или поздно будет достигнутосостояние, при которомскоростипрямой иобратнойреакций сравняются. Состояниесистемы, при котором скорость прямой
реакции равна скоростиобратнойреакции, называетсяхимическим
равновесием.
Этоуравнениеможнозаписатьвобщемвиде:
аА+bВ
сС+dD,
гдеа, b, с, d – стехиометрические коэффициентыв уравненииреак-
циипередсоответствующимиреагентами.
Концентрацииреагентовипродуктовреакции,отвечающиесостояниюравновесия,называютсяравновеснымииобозначаютсясимволами:[А],[В],[С]и[D].
Отношениеконстантскоростейпрямойи обратнойреакций является постояннойвеличиной и называется константой химического
равновесия:
K
равн
=
.
Константахимическогоравновесиязависитотприродыреагирующихвеществиоттемпературы.
Химическоеравновесиесохраняетсянеизменнымдотехпор,пока
сохраняютсяусловия,прикоторыхонодостигнуто.Равновесиенарушается,еслиэтиусловияизменяются.Направлениесмещенияравновесия в результате внешних воздействий определяется принципом
Ле Шателье:
Внешнее воздействие на систему, находящуюся в состоянии
равновесия, приводит к смещению равновесия в том направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослаб
ляется.
31
-
Рассмотрим применение принципа Ле Шателье к различным ти-
памвоздействия(табл.6.2).
Таблица 6.2
Смещение химического равновесия
Воздействие
Увеличение
концентрации
Уменьшение
концентрации
Увеличение
температуры
Уменьшение
температуры
Увеличениедавления
Уменьшениедавления
Смещениехимическогоравновесиявсторону
прямойреакции обратнойреакции
Реагентов Продуктов
Продуктов Реагентов
Дляэндотермической
реакции
Дляэкзотермической
реакции
Дляреакции,идущей
суменьшениемобъема
Дляреакции,идущей
сувеличениемобъема
Дляэкзотермической
реакции
Дляэндотермической
реакции
Дляреакции,идущей
сувеличениемобъема
Дляреакции,идущей
суменьшениемобъема
Введение катализатора в систему не приводит к сдвигу равновесия,таккакприэтомвравнойстепениизменяютсяскоростикакпрямой,такиобратнойреакций.Приэтомизменяетсявремядостижения
состоянияравновесиявсистеме.
Влияние температуры. Приповышениитемпературыхимическое
равновесиесмещаетсявсторонуэндотермическойреакции,априпонижениитемпературы–всторонуэкзотермическойреакции.
Влияние давления. При повышении давления равновесие реакции смещается внаправлении образования веществ, занимающих
меньшийобъем,и,наоборот,понижениедавленияспособствуетпроцессу,происходящемусувеличениемобъема
Влияние концентрации. Если к системе, находящейсяв состоянииравновесия,добавлятьодноизвеществ,участвующихвреакции,
тобудетускорятьсяпрямаяреакция.
32
7. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ
РЕАКЦИИ
7.1. Степень окисления
Степенью окисления принято называть заряд атомав молекуле
приусловии, чтовсесвязи в молекуленосят ионныйхарактер.Степеньокисленияатоматогоилииногоэлемента–величинаусловная,
рассчитываемаясучетомследующихправил:
1. Степень окисления атома в молекуле может быть равна нулю
иливыраженаотрицательнымилиположительнымчислом.
2. Молекула всегда электронейтральна: сумма положительных и
отрицательныхзарядовравнанулю.
3.Алгебраическаясуммастепенейокислениявсехатомов,состав-
ляющихсложныйион,равнаегозаряду.
4.Атомыкислородаимеютстепеньокисления–2.Исключениесо-
ставляют:
а)пероксидытипаН
мовкислородаравна–1;
б) надпероксиды типа КO
атомакислородаформальноравна1/2;
в) озониды типа КО
нуюстепеньокисления1/3;
г) смешанные пероксид-надпероксидные соединения типа М
гдеМ–К,Rb,Cs,вкоторыхатомыкислородаимеетстепеньокисления–1и–1/2;
д)оксидF
OипероксидF2O2фтора,вкоторыхстепеньокисления
2
атомовкислородасоответственноравна+2и+1.
5.Атомыводородавовсехсоединенияхимеютстепеньокисления
+1. Исключение составляют гидриды, в которых степень окисления
атомаводородасоставляет–1(например,AlH
6.Степеньокисленияатомовметалловвсегдаположительна.При
этоммногиеизнихимеютпостояннуюстепеньокисления,например,
атомыщелочных(+1),щелочноземельных(+2)металловит.д.Атомы
жебольшинствапереходныхметаллов могут изменятьсвою степень
окисления.
7. Степень окисления атомов элементов в простом соединении
равнанулю.
,Na2O2,вкоторыхстепеньокисленияато-
2O2
, RbO2, в которых степень окисления
2
, RbО3, в которых кислород имеетформаль-
3
2О3
,LiH).
3
33
,
Несмотря на кажущуюся сложность расчета степени окисления
элементов,особенновсоставесложноговещества,напрактикеэтоне
вызываетникакихпроблем.Стоитлишьзапомнить,чтостепеньокислениякислородапочтивсегдаравна–2,водорода+1(вгидридах–1),
степень окисления атомов металлов всегда положительна и часто
равнаномеругруппы,вкоторойрасполагаетсяэлемент,ичтосумма
степенейокислениямолекулыравняетсянулю(молекулаэлектронейтральна).
Степеньокисленияимеет много общегос валентностью,хотядалеконевсегдаравнаей.
7.2. Типы окислительно-восстановительных
реакций
Характерной особенностью окислительно-восстановительных ре-
акций(ОВР)являетсяизменениестепениокисленияпоменьшеймере
двухатомов:окисление одного(потеряэлектронов) и восстановле-
ниедругого(присоединениеэлектронов).
Окислениеивосстановление–двапроцесса,самостоятельноесуществованиекаждогоиз которыхневозможно,но иходновременное
протекание обеспечивает прохождение окислительно-восстановительногопроцесса.
Вещества, содержащие атомы, которые понижают свою степень
окисленияиприсоединяютэлектроны,называютсяокислителями,а
вещества,содержащиеатомы,которыеповышаютстепеньокисления
иотдаютэлектроны–восстановителями.
Если в роли окислителей и восстановителей выступаютпростые
вещества,названияреагентовсовпадаютсназваниямиатомов,изменяющихсвои степени окисления.Так,в реакции2Na+ Cl2= 2NaCI
окислителемявляетсяпростоевещество–хлор,посколькуоносодержитатомыхлора,присоединяющие электроны,авосстановителем –
металлический натрий, содержащий атомы натрия, которые отдают
электроны.
ВреакцииК2Сr2О7+ЗК2SO3+4H2SO4=Сr2(SO4)3+4K2SO4+4Н2O
окислителемявляется дихроматкалия, в которыйвходятатомыхрома,присоединяющиеэлектроны,авосстановителем–сульфиткалия,
вкоторыйвходятатомысеры,отдающиеэлектроны.
Существуют несколько типов окислительно-восстановительных
реакций.
34
Межмолекулярные окислительно-восстановительные реак-
ции – такие реакции, в которых атомы, изменяющие свои степени
окисления, находятся в разных по своей химическойприроде атомныхилимолекулярныхчастицах.
Внутримолекулярные окислительно-восстановительные ре-
акции –такиереакции,вкоторыхатомы,изменяющиесвоистепени
окисления,находятсяводнойитойжемолекулярнойчастице:
2KNO
=2KNO2+O2.
3
Вэтомслучаеатомыазота,изменяющиестепеньокисленияот+5
до+3,принимаютэлектроны,аатомыкислорода,степеньокисления
которыхменяетсяот–2до0,ихотдают.
Среди внутримолекулярных окислительно-восстановительных
реакцийвыделяютреакции диспропорционирования. Онисопровождаютсяодновременнымувеличениемиуменьшениемстепениокисленияатомоводногоитогожеэлемента,первоначальнонаходящихся
водномопределенномсостоянии.Например,вреакции
Cl
+6КОН=5KCI+КСlO3+3H2O
2
атомыхлораизстепениокисления0переходяткаквстепеньокисления–1(KCI),такивстепеньокисления+5(КСlO
).
3
Вреакцияхусреднения происходитизменениестепениокисления
атомоводногоитогожеэлементасобразованиемоднойитойжемолекулы:
2H
S+H2SO3=3S+ЗН2O.
2
7.3. Составление уравнений окислительновосстановительных реакций
Составление уравнений ОВР сводится кподбору коэффициентов
при окислителе и восстановителе. Главная закономерность окислительно-восстановительных процессов – общее число электронов,
присоединяемых окислителем, равно общему числу электронов, отдаваемыхвосстановителем.
При составлении уравнений ОВР пользуются таким алгоритмом
подборакоэффициентов(методэлектронногобаланса):
1. Написать схему уравнения без коэффициентов, т.е. указать
исходныевеществаипродуктыреакций.
2. Найти элементы, изменяющие степень окисления, и цифрами
надсимволамиэтихэлементовуказатьстепеньокисления.
35
3.Указатьпроцессыокисленияивосстановлениясучетомколиче-
стваатомовэлементов,участвующихвэтихпроцессах.
4.Определитьосновныекоэффициентыпри окислителе ивосста-
новителе и ввести дополнительные множители, устанавливающие
электронный баланс.
Ихподбираютпоправилунахождениянаименьшегообщегократногоиполучаютстехиометрическиекоэффициентыприокислителеи
восстановителе.
5.Поставитькоэффициентыпередпрочимиреагентами.
6.Проверитьчислоатомовводородаикислородавлевойиправой
частяхуравненияиопределитьчислоучаствующихвреакции молекулводы.
Например:
+2–1 +5 +3 +6 +4
FeS
+HNO3→Fe(NO3)3+H2SO4+NO2+H2O.
2
Записываемэлектронныйбаланс:
+2
–ē=Fe+3,
Fe
–1
–14ē=2S+6,
2S
+5
+ē=N+4.
N
Составляемполуреакцииокисленияивосстановления:
FeS
–15ē=Fe+3+2S+6
2
+5
N
+ē=N
+4
Общеекратное 15,ставим его передNO
ния,подбираемпрочиекоэффициенты:
+18HNO3=Fe(NO3)3+2H2SO4+15NO2+7H2O.
FeS
2
36
1
15
в правойчасти уравне-
2
8. РАСТВОРЫ
8.1. Общая характеристика растворов
Растворами называются гомогенныесистемы переменного состава,вкоторыхрастворенноевеществонаходитсяввидеатомов,ионов
илимолекул,равномерноокруженныхатомами,ионами или молекуламирастворителя.
Любойрастворсостоитпоменьшеймереиздвухвеществ,одноиз
которыхназываютрастворителем,адругое–раствореннымвеще-
ством.Растворителем считаетсякомпонент,находящийсяврастворе
вбольшемколичестве.
Состав растворовможетменяться вдовольношироких пределах,
вэтом растворы сходныс механическими смесями. По другимпризнакам,такимкакоднородность,наличиетепловогоэффектаиокраски,растворысходнысхимическимисоединениями.
Растворы могут существоватьв газообразном, жидком или твердомагрегатном состоянии.Воздух, например,можно рассматривать
какрастворкислородаидругихгазоввазоте;морскаявода–этоводныйрастворразличных солейв воде.Металлическиесплавы относятсяктвердымрастворам однихметалловвдругих.
Раствор,вкоторомвеществоприданнойтемпературеужебольше
нерастворяется,илииначераствор,находящийсявравновесиисрастворяемым веществом,называется насыщенным. Для большинства
твердыхвеществрастворимостьвводеувеличиваетсясповышением
температуры.Еслираствор,насыщенныйпринагревании,осторожно
охладить так, чтобыне выделялись кристаллы, то образуетсяпере-
сыщенный раствор. Пересыщенным называется раствор, вкотором
приданной температуресодержитсябольшее количестворастворенноговещества,чем в насыщенномрастворе.Пересыщенныйраствор
крайненестабилениприизмененииусловий(энергичноевстряхиваниеиливнесение активныхцентров кристаллизации–кристалликов
соли,пылинок)образуетсянасыщенныйрастворикристаллысоли.
Раствор,содержащийменьшерастворенноговещества,чемнасыщенный,называетсяненасыщенным раствором.
8.2. Концентрация растворенного вещества
Концентрацией растворенного вещества называют количество
растворенноговещества,содержащегосяв определенномколичестве
растворителяилираствора.
37
Концентрированным называется раствор, содержащий раство-
ренное вещество в количестве, соизмеримом с количеством растворителя. Раствор, содержащий несоизмеримо меньшее количество
растворенноговещества по сравнению с растворителем,называется
разбавленным.
Существуютнесколькоспособов выражения концентрации рас-
творов.
Массовая доля растворенноговещества–эточислоединицмассы
растворенного вещества, содержащихся в 100 единицах массы раствора.Выражаетсявпроцентах.
Молярная концентрация, или молярность,– число молей рас-
творенноговещества,содержащегосяв1литрераствора.
Моляльность – числомолейрастворенноговеществав1000грас-
творителя.
Нормальная, или эквивалентная, концентрация – число молей
массэквивалентоврастворенноговещества,содержащихсяв 1лраствора.
8.3. Растворимость веществ
Растворимость веществапоказывает,скольковеществавграммах
можетраствориться в1л водыили скольковещества в граммахможетрастворитьсяв100г растворителя. Отношениемассы вещества,
образующегонасыщенный раствор при данной температуре, к объему растворителя называется растворимостью этоговещества, или
коэффициентом растворимости. Массовая доля растворенного веществапоказываетдолюэтоговещества,содержащегосяврастворе.
Растворимость веществ зависит от природы растворяемого веществаирастворителя,температурыидавления.Вещества,состоящиеиз
полярных молекул, и вещества с ионным типомсвязи лучше растворяютсявполярныхрастворителях,анеполярныевещества–внеполярныхрастворителяхили,иначе,подобное растворяется в подобном.
При растворении твердых и жидких веществ объем раствора
обычнопочтинеизменяется.Следовательно,растворимостьтвердых
и жидких веществ не зависит от давления. При растворении газов
объемсистемыуменьшится,поэтомуихрастворимостьсущественно
зависитотдавленияисогласнопринципуЛеШательерастворимость
газаувеличивается.
38
Еслирастворениеприводиткпоглощениюэнергии,топовышение
температурыувеличиваетрастворимость.Почтивсегдадлягазовэтот
процессэкзотермичен,следовательно,повышениетемпературыпонижаетрастворимостьгазов,поэтомуприкипячениигазыудаляютсяиз
раствора.
Важной закономерностью, описывающей растворимость газов
вжидкостях,являетсязаконГенри:растворимость газа прямопро-
порциональна его давлению над жидкостью. Эта закономерность
выражается формулойх = kp, где х – молярная доля растворенного
вещества;р–давление,k–константа.
8.4. Теория электролитической диссоциации
Вещества, растворы или расплавы которых способны проводить
электрическийток,называютсяэлектролитами. Соответственно,вещества,растворыилирасплавыкоторыхнепроводятэлектрического
тока, называются неэлектролитами. Электролитами являются кислоты,основанияибольшинствосолей,неэлектролитами– почтивсе
органическиесоединения.
Враствореилирасплавеэлектролитыраспадаютсянаионы–дис-
социируют. Распадэлектролитовнаионыприрастворенииихвводе
называетсяэлектролитической диссоциацией.
Согласно теории электролитической диссоциации при растворении в воде электролиты диссоциируют (распадаются) на положительныеиотрицательныечастицы.Поддействиемпостоянногоэлектрического тока неупорядоченное движение ионов в растворе или
расплаве прекращается: положительнозаряженные ионы(катионы)
движутся к катоду, отрицательно заряженные (анионы) – к аноду.
Соответственно,на катоде минус, а на аноде – плюс.Электролитическая диссоциация является обратимым процессом: одновременно
сраспадомэлектролитанаионыпроисходитобъединениеионоввмолекулы.Обратимостьпроцессаотражаетсяпринаписанииуравнений
диссоциации.
Диссоциацияхарактеризуетсястепенью электролитической дис-
социации α.Степень диссоциации показывает,какаячасть молекул
электролита находится врастворе в виде ионов, и определяется отношением числадиссоциированных молекул к общему числу молекулэлектролитаврастворе.Обычностепеньдиссоциациивыражают
вдоляхединицыиливпроцентах.
39
В растворах неэлектролитов, где распад на ионы полностью от-
+−
сутствует,α =0,аврастворах,вкоторыхвсерастворенноевещество
присутствуетв формеионов, α =1. Такоеделениеявляется в значительной степени условным, что объясняется зависимостью степени
диссоциацииотприродыэлектролитаи растворителя,концентрации
итемпературыраствора.
К сильным электролитам относятвещества, молекулы которых
в значительнойстепени диссоциируют на ионы: α > 0,3. К ним относятсяосновные минеральныекислоты(H2SO4,HNO3,HClO4,HCl,
HBr,HIидр.),гидроксидыщелочныхищелочноземельныхметаллов
ипочтивсесоли. Если взадачедля сильного электролита не указывается степеньдиссоциации, то она принимается равной 1(100 %).
Слабыми электролитами считаютсявещества,диссоциирующиена
ионы в незначительнойстепени (α < 0,03÷0,05). К слабым электролитамотносятсявода,некоторыекислоты(HNO2,H2S,H2SO3,HCN,
HFи др.),а такжемногие основания,у которыхбольшаячасть растворенноговещества находитсяв молекулярной форме.Существует
также небольшая группа электролитов средней силы, у которых
степеньдиссоциации0,05<α<0,3.
Диссоциация–обратимыйпроцесс.Егоможнопредставить,запи-
савуравнение
AB
A++B
–
Применяязакондействующихмасс,получимвыражениедлякон-
станты диссоциации:
[ ] [B ]
⋅
K
дисс
A
=
AB
[ ]
.
Константадиссоциациизависитотприродыэлектролитаитемпе-
ратуры.
8.5. Ионное произведение воды
Водатакжедиссоциирует,хотяивнебольшойстепени:
O Н++ОН–.
Н
2
Константадиссоциациидляэтогопроцесса:
+−
⋅
40
K
=
HO
H
O
[ ]
2
H
16
=
−
.
⋅
1,
10
8
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]