Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ОБЩАЯ ХИМИЯ печать.docx
Скачиваний:
501
Добавлен:
15.03.2016
Размер:
1.23 Mб
Скачать

Тема 3. Химические реакции

Лекция 5

Вопросы

5.1 Понятие химической реакции. Признаки классификации химических реакций

5.2 Классификация химических реакций в зависимости от механизма реакции

5.3 Классификация химических реакций по признаку изменения числа исходных и конечных веществ

5.4 Классификация химических реакций по признаку изменения степеней окисления элементов

5.5 Классификация химических реакций по признаку выделения или поглощения энергии

5.6 Классификация химических реакций по признаку обратимости

5.1 Понятие химической реакции. Признаки классификации химических реакций

Каждое индивидуальное химическое вещество характеризуется составом и строением.

Различают качественный состав вещества (элементы, входящие в состав вещества) и количественный состав (в каких соотношениях находятся эти элементы).

Строение вещества отражает последовательность химических связей между образующими его атомами, характер этих связей и расположение атомов в пространстве относительно друг друга.

Физические свойства вещества – это его агрегатное состояние, цвет, вкус, запах, ряд констант (плотность, температуры плавления и кипения и т.д.).

Химические свойства вещества – это его способность вступать во взаимодействие с другими веществами или претерпевать те или иные изменения, в результате чего образуются новые вещества, с иным составом, строением и свойствами.

Изменения, происходящие с веществами, могут быть физическими явлениями, при которых не происходит изменения состава и строения вещества (образование смеси веществ).

Явления, при которых из одних веществ образуются другие, отличающиеся от исходных составом и строением, называются химическими явлениями или химическими реакциями.

О происходящих химических реакциях свидетельствуют изменение цвета, выделение или поглощение энергии, выделение газа или выпадение осадка.

Химическую реакцию изображают в виде уравнения реакции. В левой части уравнения пишут формулы веществ, претерпевающих химические превращения и расходующихся в ходе реакции. Они называются исходными веществами или реагентами. В правой части уравнения пишут формулы веществ, образующихся в ходе реакции. Они называются конечными веществами или продуктами реакции.

Химические реакции классифицируют по следующим признакам:

  • механизм реакции;

  • изменение числа исходных и конечных веществ;

  • изменение степеней окисления элементов;

  • выделение или поглощение энергии;

  • обратимость.

Одна и та же реакция в зависимости от признака классификации может относиться к разным типам реакций.

Рассмотрим некоторые из признаков классификации.

    1. Классификация химических реакций в зависимости от механизма реакции

В зависимости от механизма реакции могут быть отнесены к простым и сложным.

Простые реакции – это реакции, включающие один химический этап. Это крайне редкий случай. В природе, как правило, химический процесс это сложная реакция, включающая множество промежуточных стадий.

Сложные реакции – это реакции, включающие более одного химического этапа. Сложные реакции подразделяют на параллельные, последовательные, сопряженные.

Если исходное вещество одновременно участвует в нескольких реакциях, приводящих к образованию различных продуктов, то такие реакции называются параллельными.

Параллельные реакции протекают согласно схемам:

А → В → С

А + В + ….. → С + Д + ….

Так, реакция разложения бертолетовой соли (хлорат калия) при умеренно высоких температурах идет одновременно в двух направлениях, хотя условия преимущественного прохождения реакции в том или в другом направлении могут быть разные:

Общая скорость системы параллельных реакций (т.е. скорость превращения исходного вещества) равна сумме скоростей отдельных реакций. В случае же, когда скорости параллельных реакций сильно различаются между собой, суммарная скорость определяется в первую очередь скоростью наиболее быстрой из них.

Последовательными реакциями называются реакции, при которых продукт начальной реакции является исходным веществом для следующей реакции.

Последовательные реакции протекают согласно схемам:

А → В → С

или

А + В + … → С + Д + … → E + F + …

Таковы, например, реакции омыления эфиров двухосновных кислот щелочью. В последовательных реакциях скорость процесса в целом определяется скоростью самой медленной стадии.

Сопряженные реакции – это реакции, одна из которых идет самопроизвольно, а другая имеет место только в присутствии первой. В таком случае говорят, что одна реакция индуцирует протекание другой, т.е. имеет место химическая индукция. Идущая самопроизвольно первая реакция называется первичной, индуцируемая реакция – вторичной.

Сопряженные реакции протекают по схеме:

А + В → Д

А + С → Е

Чаще всего это цепные реакции, протекающие по свободно-радикальному механизму. При цепном процессе имеет место цепочка реакций, в каждой из которых образуется молекула продукта и одновременно – свободный радикал, т.е. свободный атом, имеющий неспаренный электрон. Свободные радикалы химически активны, и время их жизни в химической системе невелико – они быстро реагируют либо с молекулами, либо с другими свободными радикалами. Когда свободный радикал реагирует с другой молекулой исходного вещества, образуется еще одна молекула продукта и новый радикал и т. д. Длина такой цепи может быть очень большой (десятки тысяч элементарных актов взаимодействия). Одновременный обрыв двух цепей происходит тогда, когда два свободных радикала сталкиваются друг с другом и реагируют с образованием молекулы (реакция рекомбинации).

Так, примером сопряженных реакций является реакция между хлором и водородом. При температуре 150–250 °С в темноте реакция практически не идет. Однако она протекает с высокой скоростью в тех же условиях в присутствии паров натрия:

Для рассмотренной выше цепной реакции между водородом и хлором имеют место следующие элементарные акты обрыва кинетической цепи:

Для того чтобы свободные атомы соединились в молекулу, необходимо присутствие третьей частицы или твердой поверхности, в противном случае образовавшаяся молекула обладала бы запасом энергии, равным тому, который необходим для ее распада; не отдав эту энергию третьей частице или твердой поверхности, она снова распалась бы. Поэтому для цепных реакций характерно влияние на скорость реакции размеров, материала и формы сосуда, в котором протекает реакция.

    1. Классификация химических реакций по признаку изменения числа исходных и конечных веществ

По признаку изменения числа исходных и конечных веществ реакции можно выделить следующие типы:

1) реакции соединения, при которых из двух или нескольких веществ получают одно вещество:

или в общем виде А + В+. . . = С;

2) реакции разложения, при которых из одного вещества образуется несколько веществ:

или в общем виде С = А + В + . . . ;

3) реакции замещения, при которых простое вещество замещает составную часть сложного вещества и в результате образуются новое простое и новое сложное вещества:

или в общем виде АВ + С = АС + В;

4) реакции обмена, при которых молекулы сложных веществ обмениваются своими составными частями:

или в общем виде AB + CD = AD + CB,

    1. Классификация химических реакций по признаку изменения степеней окисления элементов

По признаку изменения степеней окисления элементов, которые входят в состав реагирующих веществ, выделяют реакции, идущие без изменения степеней окисления элементов, и на окислительно-восстановительные (идущие с изменением степеней, окисления элементов).

Очень важным является понятие степень окисления атома.

Cтепень окисления – это условный заряд атома в соединении, вычисленный исходя из предположения, что данный атом связан с другими ионной связью.

Без изменения степеней окисления протекают реакции обмена и некоторые реакции соединения и разложения. Например:

В этих случаях степень окисления каждого из атомов до и после реакции остается без изменения.

С изменением степеней окисления протекают реакции замещения, а также некоторые реакции соединения и разложения. Например:

    1. Классификация химических реакций по признаку выделения или поглощения энергии

По признаку выделения или поглощения энергии реакции делят на экзотермические и эндотермические.

В ходе всех химических реакций происходит выделение или поглощение энергии, т.е. имеет место обмен энергией между системой и внешней средой. Обмен энергией может происходить в разных формах: чаще всего в виде теплоты, а также в виде светового излучения, акустических волн и т.д. Так как существует эквивалентность между разными видами энергии, то количество энергии, которой химическая система обменивается с внешней средой, можно свести к количеству теплоты.

Реакции, протекающие с выделением теплоты, называют экзотермическими, с поглощением теплоты – эндотермическими. Количество выделенной или поглощенной теплоты при данных количествах реагирующих веществ называют тепловым эффектом реакции.

Тепловой эффект реакций определяется разностью энергий связи, которые образуются и разрываются.

Химические уравнения, в которых указан тепловой эффект реакций, называются термохимическими уравнениями. В термохимических уравнениях химических реакций тепловой эффект указывают при помощи величины Н, которая называется изменением энтальпии (теплосодержания) реакции.

Если реакция протекает при стандартных условиях (температуре 289,15 К или 25 °С, давлении 101 325 Па, концентрации всех веществ в растворе или в газе 1 моль в литре), то изменение энтальпии обозначают символом Н0.

Если ∆Н0<0, то теплота выделяется, т.е. реакция – экзотермическая. Для эндотермических реакций ∆Н0>0.

Существуют две формы записи термохимических уравнений.

1) При термохимической форме записи тепловой эффект записывается в самом уравнении, обычно в его правой части; при этом тепловой эффект экзотермической реакции входит в уравнение со знаком «+», а эндотермической – со знаком «–». Например:

2) При термодинамической форме записи уравнения реакции Н0 записывают отдельно. Например:

Н2 + Сl2 = 2 HCl ∆Н0 = –185 кДж

N2 + O2 = 2 NO ∆Н0 = +181 кДж

Знание теплового эффекта реакции имеет большое практическое значение. Многие химические реакции используются как источники энергии. Например, горение топлива – химический процесс, идущий с выделением энергии. Выделение или поглощение энергии при химических реакциях нельзя не учитывать при расчете теплового баланса технологических процессов и при конструировании аппаратов, в которых такие процессы проводятся. Процессы окисления жиров и углеводов служат источником энергии, обеспечивающей существование животного мира.

Наконец, термохимические данные в сочетании с данными, полученными другими методами, могут дать ценную информацию о составе и строении веществ. Тепловой эффект реакции образования какого-либо соединения – это не только важная характеристика данного соединения, но и величина, позволяющая оценить его устойчивость.

Вещества, образующиеся из простых веществ в результате экзотермической реакции, называются экзотермичными; процесс их разложения, наоборот, эндотермический. Так, экзотермичным веществом является вода. Вещества, образующиеся из простых веществ в результате эндотермических процессов, называются эндотермичными; процесс их разложения – экзотермический.

Все эндотермичные соединения неустойчивы и легко разлагаются. И наоборот, чем более экзотермичным является соединение, тем труднее его разложить.

Устойчивость экзотермичных соединений и неустойчивость эндотермичных – это проявление общей закономерности, которая получила название принципа Бертло-Томсена, согласю которому химические процессы идут преимущественно в экзотермическом направлении.

Так, ацетилен С2Н2, являясь эндотермичным соединением, при определенных условиях может разлагаться со взрывом, поэтому его хранят и транспортируют в газовых баллонах не в чистом виде, а растворенным в ацетоне, так как разбавление легко взрывающегося вещества другим, инертным по отношению к нему веществом, предотвращает возможность взрыва.

    1. Классификация химических реакций по признаку обратимости

По признаку обратимости реакции подразделяются на две группы: необратимые и обратимые.

Необратимые реакции могут идти только в одном направлении и протекают до полного завершения.

Эта означает, что реакция продолжается до тех пор, пока один из реагентов не израсходуется полностью. Необратимых реакций, вообще говоря, не бывает. Просто в определенных условиях некоторые реакции можно довести практически до конца, например, если удалять продукты из сферы реакции выпадение осадка, выделение газа, образование малодиссоциированных продуктов и т.д.

К необратимым реакциям относятся реакции, при протекании которых:

а) образующиеся продукты уходят из сферы реакции выпадают в виде осадка или выделяются в виде газа:

б) образуется малодиссоциирующее соединение, например, вода:

Обратимыми называются реакции, протекающие в двух противоположных направлениях: прямом и обратном.

Обратимые реакции протекают не до конца: при обратимой реакции ни одно из реагирующих веществ не расходуется полностью, так как реакция может протекать как в прямом направлении, так и в обратном.