Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия (Для студентов-иностранцев). Учебное пособие
.pdf
имеет высшую степень окисления +7 и не может ее повышать. Он
может только принимать электроны, следовательно, KMnO4 может быть только окислителем. В третьем соединении у марганца
низшая степень окисления +2, это значит, MnSO4 может быть
только восстановителем. Во втором соединении марганец с промежуточной степенью окисления +4 может быть и окислителем,
и восстановителем; все зависит от условий протекания реакций и
веществ, с которыми будет взаимодействовать MnO2.
Сложные анионы, содержащие атомы с высокой степенью
окисления, также являются окислителями. Например, Cr2O
-
, NO
-
3
MnO
4
не атом с высокой степенью окисления, а весь анион, например,
не Mn+7, а весь анион MnO
, ClO
-
, ClO
3
-
. Окислительные свойства обусловливает
4
-
(перманганат-ион).
4
-2
7
Окислительно-восстановительные реакции – самые распространенные и играют большую роль в природе и технике. С ними
связано дыхание и обмен веществ в живых организмах. С их помощью получают аммиак, щелочи, азотную, хлороводородную и
серную кислоты и многие другие ценные продукты.
4.3. Составление уравнений
окислительно-восстановительных реакций
методом электронного баланса
В методе электронного баланса сравнивают степени окисления атомов в исходных и конечных веществах, руководствуясь
тем, что число электронов, отдаваемых восстановителем, должно
равняться числу электронов, принимаемых окислителем. Рассмотрим применение этого метода на примере реакции взаимодействия сероводорода с перманганатом калия в присутствии
серной кислоты.
1. Составляется схема реакции:
H2S + KMnO4 + H2SO4 → S + MnSO4 + K2SO4 + H2O.
2. Определяется, атомы каких элементов изменяют степень
окисления:
-2 +7 0 +2
H2S + KMnO4 + H2SO4 → S + MnSO4 + K2SO4 + H2O.
Степени окисления изменяются у атомов серы и марганца
(H2S – восстановитель, KMnO4 – окислитель).
,
101
3. Составляются электронные схемы процессов окисления и
восстановления:
S-2 - 2e- → S0 5
Mn+7 + 5e- → Mn+2 2.
Находим коэффициенты при восстановителе и окислителе
(соответственно 5 и 2) так, чтобы число электронов, отдаваемых
восстановителем, равнялось числу электронов, принимаемых
окислителем.
4. Расставляются коэффициенты и записывается уравнение
реакции в ионном виде:
5S-2 + 2Mn+7 = 5S0 + 2Mn+2 .
При этом величина и знак суммарного заряда в левой и пра-
вой частях уравнения должны быть равны.
5. Записывается уравнение реакции в молекулярном виде и
расставляются коэффициенты при других реагирующих веществах, элементы которых не изменяют степень окисления:
5H2S + 2KMnO4 + 3H2SO4 → 5S + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O.
Правильность написания уравнения подтверждается подсчетом атомов одного элемента, например, кислорода; в левой
части их 2∙4 + 3∙4 = 20 и в правой 2∙4 + 4 + 8 = 20.
Рассмотрим составление уравнения реакции аммиака с ки-
слородом:
1. NH3 + O2 → NO + H2O.
2. N-3H3 + O
3. N-3 - 5e- → N
0
O
+ 4e- → 2O
2
4. 4N-3 + 5O
0
→ N+2O-2 + H2O.
2
+2
-2
0
= 4N+2+ 10O-2.
2
4
5.
5. 4NH3 + 5O2 = 4NO+ 6H2O.
Рассмотрим составление уравнения реакции йодида калия с
иодатом калия в присутствии серной кислоты.
1. KI + KIO3 + H2SO4 → I2 + K2SO4 + H2O.
-1 +5 0
2. KI + KIO3 + H2SO4 → I2 + K2SO4 + H2O.
3. 2I-1 - 2e- → I
2I+5 + 10 e- → I
4. 10I-1 + 2I+5 = 6I
0
2
0
2
0
(или 5I-1 + I+5 = 3I
2
5
1.
0
).
2
5. 5KI + KIO3 + 3H2SO4 = 3I2 + 3K2SO4 + 3H2O.
102
Как видно из данного примера, восстановителем и окислителем могут быть атомы одного элемента, входящие в молекулы
разных веществ.
Известно, что правильное написание уравнений реакции
является выражением закона сохранения массы вещества. Поэтому число одних и тех же атомов в исходных веществах и продуктах реакции должно быть одинаковым. Сумма зарядов исходных
веществ должна быть равной сумме зарядов продуктов реакции.
4.4. Тепловой эффект химических реакций
Словарь
Русский Английский Французский Арабский
тепловой
эффект
выделение emission la mise en relief زاﺮﻓإ
поглощение absorption absorption لﻮﺤﺘﻟا
термохимия thermochemistry thermochimie ﺔﯿﺋﺎ ﯿﻤﯿﻜﻟا ةﺰﮭﺟﻷا
энтальпия enthalpy enthalpie ﺮﺳآ
внутренняя
энергия
стандартный standart standard ﺔﺘﺑﺎﺛ تﺎﺳﺎﯿﻗ )
heat effect effet thermique ثﺪﺤﻟايراﺮﺤﻟا
ﺔﯾراﺮﺤﻟا
internal energy énergie inté rieure ﻟا ﺔﯿﻠﺧاﺪﻟا ﺔﻗﺎﻄ
ﺔﺘﺑﺎﺛ لﺎﻜﺷأ(
При химических реакциях одни химические связи разрываются, другие образуются. Образование химических связей сопровождается выделением определенного количества энергии. Разрыв химических связей происходит с поглощением определенного количества энергии. В зависимости от соотношения этих величин в результате реакции выделяется или поглощается химическая энергия.
Реакции, протекающие с выделением теплоты, называют
экзотермическими:
H
+ Cl
2 (г)
Reactions that release heat ar e called exothermic.
Les réa ctions qu i dégagent d e la chaleur sont dites exothermiques.
.ةراﺮﺤﻠﻟ ةدرﺎﻃ ةراﺮﺤﻟا قﻼﻃإ ﻊﻣ ثﺪﺤﺗ ﻲﺘﻟا تﻼﻋﺎﻔﺘﻟا ﻰﻤﺴﺗ
= 2HCl
2 (г)
; ∆Ho= -184,6 кДж.
(г)
103
Реакции, протекающие с поглощением теплоты из окру-
жающей среды, называют эндотермическими:
N
+ O
2 (г)
Rea ctions t ha t abso rb heat f rom the e nvironment are call ed endothermic.
Les r éact ion s q ui a bs or ben t la ch a leur d e l' en vir onnemen t son t a pp elée s
endot h er miq ues.
.يﺮﯾﺮﺣ ﻰﻤﺴﺗ ﺔﺌﯿﺒﻟا ﻦﻣ ةراﺮﺤﻟا صﺎﺼﺘﻣا ﻊﻣ ﺔﻘﻓﺪﺘﻤﻟا ﻞﻌﻔﻟا دودر
2 (г)
= 2NO
; ∆Ho = +180,8 кДж.
(г)
Количество выделенной или поглощенной в результате хи-
мической реакции теплоты называют тепловым эффектом реакции
∆H (читается «дельта аш») и выражают в килоджоулях (кДж).
The amount of heat released or absorbed as a result of a chem ical r e-
action is called the heat of the reaction ∆H.
La quan tité de cha leur libér ée ou absor bée à la sui te d'une r éaction
chimique est appelée la chaleur de la réaction ∆H.
يراﺮﺤﻟا ﺮﯿﺛﺄﺘﻟا ﻲﺋﺎﯿﻤﯿﻛ ﻞﻋﺎﻔﺘﻟ ﺔﺠﯿﺘﻧ ﺔﺼﺘﻤﻤﻟا وأ ﺔﻟوﺰﻌﻤﻟا ةراﺮﺤﻟا راﺪﻘﻣ ﻰﻠﻋ ﻖﻠﻄﯾ
. ∆H ﻞﻋﺎﻔﺘﻟ
Химические уравнения, в которых указана величина тепло-
вого эффекта реакции, называются термохимическими.
Расчет теплового эффекта реакции проводят при стандарт-
ных условиях (t = 25oC и Р = 101,3 кПа). В термохимических
уравнениях обязательно указывается агрегатное состояние веществ: жидкое (ж), газообразное (г), твердое (т):
2H
+ O
2H
2(г)
2(г)
+ O
= 2H2O
2(г)
= 2H2O
2(г)
; ∆Ho= -484 кДж;
(г)
; ∆Ho= -572 кДж.
(ж)
Разберем смысл теплового эффекта реакции. Каждое веще-
ство обладает энергией, состоящей из энергии молекул или атомов и энергии всех видов движения материи, мерой которой является специальная величина, называемая энтальпией (Н).
Вся энергия вещества, которая в результате химических или
физических процессов может быть превращена в теплоту при постоянном давлении, называется энтальпией.
All t he en er g y of a su bst an ce, wh i ch a s a r esul t o f ch emi cal or p h ysica l
processes can be converted into heat at constant pressure, is called enthalpy.
Toute l 'énergie d'une subst ance qu i, à la su ite de pr oc essus chimi q u es ou
physiqu es, p eut êt r e con ver t ie en ch a leu r à pr essi on c onst a nt e, est a ppel é e en thalpie.
ةراﺮﺤﻟا ﻰﻟإ ﺎﮭﻠﯾﻮﺤﺗ ﻦﻜﻤﯾ ،ﺔﯿﻧﺪﺒﻟا وأ ﺔﯿﺋﺎﯿﻤﯿﻜﻟا تﺎﯿﻠﻤﻌﻠﻟ ﺔﺠﯿﺘﻧ ،ﻲﺘﻟاو ،ةدﺎﻤﻟا ﺔﻗﺎﻃ ﻊﯿﻤﺟ
.enthalpyﻰﻤﺴﯾ ،ﺮﻤﺘﺴﻤﻟا ﻂﻐﻀﻟا ﺪﻨﻋ
104
Тепловой эффект реакции при постоянном давлении ∆H
представляет собой разность энтальпий конечных продуктов реакции (обозначается Н
(обозначается Н
исх
)
) и исходных реагирующих веществ
кон
∆H = Н
кон
– Н
исх
.
Если энтальпии конечных веществ меньше энтальпий исходных веществ, то тепловой эффект отрицательный ∆H < 0,
то есть теплота выделяется (экзотермический процесс).
Если энтальпии конечных веществ больше энтальпий исходных веществ, то тепловой эффект положительный ∆H > 0, то есть
теплота поглощается (эндотермический процесс).
Рассмотрим пример использования термохимических уравнений для расчетов.
Пример 1. Определите массу серы и объем кислорода, если
в результате их реакции при стандартных условиях выделилось
118,8 кДж теплоты.
Дано:
∆H = - 118,8 кДж
S
+ O
(т)
Решение
= SO
2(г)
; ∆Ho= -297 кДж.
2(г)
1. Определяют количество вещества
Найти:
m (S)
серы, вступающей в реакцию согласно
термохимическому уравнению:
V (O2)
1 моль S – 297 кДж
x моль S – 118,8 кДж; x = 0,4 моль.
2. Находят количество вещества кислорода, который обра-
зуется в результате реакции. На основании уравнения составляют пропорцию:
1 моль O
x моль O
2
2
– 297 кДж
– 118,8 кДж x = 0,4 моль.
3. Переходят от количества вещества серы к ее массе:
m(S) = n (S) · M(S) = 0,4 · 32 = 12,8 г.
4. Определяют объем кислорода, который расходуется на го-
рение серы (Vm = 22,4 дм3/моль – молярный объем газа):
V(O2) = n(O2) · Vm = 0,4 · 22,4 = 8,96 дм3.
Ответ: m (S) = 12,8 г; V (O2) = 8,96 дм3.
105
Пример 2. Определите тепловой эффект реакции:
)OFe
(
m
Fe2O
3 (т)
+ 2Al
= 2Fe
(т)
+ Al2O
(т)
3(т)
,
если при восстановлении 40 г оксида железа (III) выделяется
213,5 кДж теплоты.
Дано:
m(Fe2O3) = 40 г
Fe2O
3 (т)
+ 2Al
Решение
= 2Fe
(т)
+ Al2O
(т)
3(т)
∆H = - 213,5 кДж
Найти:
о
∆H
n
1. Определяют количество вещества
оксида железа (III) по формуле
40
)OFe(
32
M
32
160
)OFe(
32
моль.0,25
===
2. Рассчитывают тепловой эффект реакции:
по условию: 0,25 моль Fe2O3 – 213,5 кДж
по уравнению 1 моль Fe2O3 – x кДж; x = 854 кДж.
Ответ: ∆Hо= -854 кДж.
4.5. Скорость химических реакций
Словарь
Русский Английский Французский Арабский
скорость
реакции
концентрация concentration con cent rati on ﺔﻓﺎﺜﻜﻟا
кинетика kineti cs cinétique اﻢﻠﻋ ﺎﻜﯿﺘﻨﯿﻜﻟ
столкновение collision collision ماﺪﻄﺻا
гомогенный homogeneous homogène ﻚﺳﺎﻤﺘﻣ مد
гетерогенный heterogeneo us hétérogène ﻒﻠﺘﺨﻣ مد
энергия
активации
катализатор catalyst catalyseur زﺎﻔﺤﻟا
замедлять to slow down r a lentir ءﺎﻄﺑإ
ингибитор inhibitor inhibiteur ﻊﻧﺎﻤﻟا
reaction
rate
activatio n
energy
vitesse de la
réaction
énergie de
activation
ﺔﻟدﺎﻌﻤﻟا ﺔﻋﺮﺳ
ﺔﻛﺮﺤﻟا
ﺔﻄﺸﻨﻤﻟا ﺔﻗﺎﻄﻟا
106
Химические реакции протекают с различной скоростью.
concentrations molaires des réactifs (nombre de moles d'un soluté dans
D
Рис. 22.
Изменение концентрации реагирующего
Учение о скоростях и механизмах химических реакций называется химической кинетикой, в развитие которой большой вклад
внес русский ученый Николай Николаевич Семенов.
Скорость химических реакций выражается изменением молярной концентраций реагирующих веществ (число моль растворенного вещества в 1 дм3 раствора; моль/дм3) в единицу времени (секунду или минуту).
The rat e of ch emi cal r ea cti ons i s expr essed as a chan ge in th e mol ar
conce ntrat ion s of the r eactan ts (n umber of m oles of a sol ute in 1 dm3 of
solution; mol / dm3) per unit of time (second or minute).
La vitesse des réactions chimiques est exprimée en variation des
1 dm3 de solution ; mol/dm3) par unité de temps (seconde ou minute).
داﻮﻤﻟا ﻦﻣ ﻲﻟﻮﻤﻟا تاﺰﯿﻛﺮﺗ ﻲﻓ ﺮﯿﻐﺘﻟا ﻖﯾﺮﻃ ﻦﻋ ﺔﯿﺋﺎﯿﻤﯿﻜﻟا تﻼﻋﺎﻔﺘﻟا لﺪﻌﻣ ﻦﻋ ﺮﯿﺒﻌﺘﻟا ﻢﺗ
ﺖﻗﻮﻟا ﻦﻣ ةﺪﺣو ﻞﻜﻟ (mol / dm3لﻮﻣ ؛dm3 1 ﻞﺣ ﻲﻓ ﺔﺑاﺬﻤﻟا ةدﺎﻤﻟا ﻦﻣ م دﺪﻋ) ةﺪﺋﺎﻤﻟا
.(ﺔﻘﯿﻗﺪﻟا وأ ﺔﯿﻧﺎﺜﻟا)
Если, например, исходная концентрация одного из реагирующих веществ составляла 1 моль/дм3, а через 4 секунды от начала реакции она стала 0,6 моль/дм3, то скорость реакции будет
равна (1 – 0,6) / 4 = 0,1 моль/(дм3·с).
Рассмотрим в общем виде скорость реакции, протекающей
по уравнению: A + B = C + D (рис. 22).
-=cv
t
D
t
t
вещества А во времени
2
1
107
В начале реакции в некоторый момент времени τ1 концен-
D
-
D
трация вещества А максимальна и равна c1, скорость химической
реакции также максимальна. Через некоторое время ∆τ = τ2 – τ
уменьшится концентрация вещества А и скорость химической
реакции также уменьшится (концентрация вещества А станет с2,
при этом с2 < с1). Средняя скорость химической реакции за указанный промежуток времени будет равна:
1
=
v
Скорость химической реакции - величина положительная.
Если в уравнении скорости реакции учитывать изменения концентраций реагирующих веществ, то в правой части уравнения
ставят знак минус, так как концентрации этих веществ уменьшаются. Если же в уравнении учитывать изменения концентраций
образующихся веществ, то в правой части уравнения ставят знак
плюс, так как концентрации этих веществ увеличиваются:
12
-
12
+=cv
Скорость химических реакций зависит от нескольких факторов. Влияние природы реагирующих веществ. Соединения с
ионной или ковалентной полярной связью в водных растворах
взаимодействуют между собой очень быстро. Скорость взаимодействия между собой соединений с неполярной ковалентной
связью разная и зависит от их химических свойств.
Влияние состояния реагирующих веществ. Скорость хи-
мических реакций зависит от площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ. Чем она больше, тем скорость реакции выше.
Влияние концентраций реагирующих веществ. Чтобы
осуществлялось химическое взаимодействие веществ А и В, их
молекулы (частицы) должны столкнуться. Чем больше столкновений, тем быстрее протекает реакция. Число же столкновений
тем больше, чем выше концентрации реагирующих веществ.
ccc
.
-=
ttt
D
.
t
D
108
Норвежские ученые К.Н. Гульдберг и П. Вааге в 1876 году
v
сформулировали основной закон химической кинетики (закон
действующих масс): скорость химической реакции прямо пропор-
циональна произведению концентраций реагирующих веществ.
The basic law of chemical kinetics: the rate of a chemical reaction is
directly proportional to the pr oduct of the concentrations of the reactants.
La loi fonda menta le d e la cin étiq ue chim iqu e : la vit esse d'un e réa ction chimique est directement proportionnelle au produit des concentrations des réactifs.
جﺎﺘﻧ ﻊﻣ ةﺮﺷﺎﺒﻣ ﺐﺳﺎﻨﺘﯾ ﻲﺋﺎﯿﻤﯿﻜﻟا ﻞﻋﺎﻔﺘﻟا ﺔﻋﺮﺳ :ﺔﯿﺋﺎﯿﻤﯿﻜﻟا ﺔﯿﻛﺮﺤﻠﻟ ﻲﺴﯿﺋﺮﻟا نﻮﻧﺎﻘﻟا
.ﺔﻠﻋﺎﻔﺘﻤﻟا داﻮﻤﻟا تاﺰﯿﻛﺮﺗ
Для общей реакции этот закон выражается уравнением
= k · с(А) · с(В),
где с(А) и с(В) – молярные концентрации веществ А и В;
k – коэффициент пропорциональности, называемый констан-
той скорости реакции.
Физический смысл константы скорости реакции заключается в том, что она равна скорости реакции, если концентрации реагирующих веществ равны 1 моль/дм3. Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ и от температуры,
но не зависит от их концентраций.
В случае гетерогенных реакций в выражение скорости реакции входят концентрации только тех веществ, которые находятся в
газовой фазе или в растворе. Например, для реакции горения серы:
S
(т)
+ O
2(г)
= SO
скорость реакции равна:v=k · с(O2).
2(г)
Влияние температуры. Зависимость скорости реакции от
температуры определяется правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10оС скорость большинства химических реакций увеличивается в 2-4 раза.
Van't Hoff's rule: for every 10 °C increase in temperature, the rate of
most chemical r eactions increases by 2-4 times.
Règle de Va n't Ho ff : pour c haque aug me ntation de tempé ratu re de 10 °C,
la vitesse de la plupart des réactions chimiques augmente de 2 à 4 fois.
ﺮﺳ دادﺰﺗ ،ﻞﯿﻐﺸﺗ مﺎﻈﻧ 10 °C ﻞﻜﻟ ةراﺮﺤﻟا ﺔﺟرد ةدﺎﯾز ﻊﻣ : Van't Hoff's ﺪﻋاﻮﻗ
.تاﺮﻣ 4-2 ﻲﻓ ﺔﯿﺋﺎﯿﻤﯿﻜﻟا تﻼﻋﺎﻔﺘﻟا ﻢﻈﻌﻣ ﺔﻋ
109
Математически эта зависимость выражается соотношением
g
ttvv-
12
10
,
×=
g
12
где
v ,1v - скорости реакции при конечной (t
2
) и начальной (t1)
2
температурах;
– температурный коэффициент скорости реакции, кото-
рый показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции с
повышением температуры реагирующих веществ на 10оС.
Влияние температуры на скорость химических реакций
объясняет теория активации, согласно которой только активные
молекулы вступают в химические взаимодействия, так как они
обладают энергией, достаточной для осуществления реакции.
Процесс сообщения неактивным молекулам дополнительной
энергии (например, нагреванием) называется активацией. Она
необходима для разрыва или ослабления химических связей в
молекулах исходных веществ.
Энергия, которую необходимо сообщить 1 молю реагирующего вещества, чтобы все его молекулы стали активными,
называется энергией активации данной реакции.
Повышение температуры увеличивает число активных молекул в системе и скорость химической реакции увеличивается.
Влияние присутствия катализаторов. Скорость химиче-
ской реакции изменяется в присутствии некоторых веществ.
Вещества, которые изменяют скорость, но не входят в состав продуктов реакции, называют катализаторами.
Substances th at chan g e th e ra te but ar e n ot p ar t of t h e r ea ction pr od-
ucts are called catalysts.
Les subst ances q ui modifi ent la vit esse, mai s ne font pa s partie des
produits de réaction, sont appelées catalyseurs.
.تاﺰﻔﺤﻤﻟا ﻰﻤﺴﺗ ،ﻞﻋﺎﻔﺘﻟا تﺎﺠﺘﻨﻣ ﻲﻓ ﺎﮭﻨﯿﻤﻀﺗ ﻢﺘﯾ ﻻ ﻦﻜﻟو ،ﺔﻋﺮﺴﻟا ﺮﯿﻐﺗ ﻲﺘﻟا داﻮﻤﻟا
Изменение скорости реакции в присутствии катализаторов
называют катализом, а реакции – каталитическими. Катализ бывает гомогенным, если реагенты и катализатор находятся в одном
агрегатном состоянии и гетерогенным, когда реагенты и катализатор находятся в разных агрегатных состояниях.
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]