II. Химический процесс

1. Химическая реакция, уравнение химической реакции

Определение химии – естественной науки, изучающей вещества и про­цессы их превра­ще­ния, сопровождающиеся изменением состава и струк­туры, пока­зы­вает, что язык химии, наряду с номенклатурными правилами опи­са­ния состава и структуры хи­мических соединений с по­мощью хи­мических фор­мул и названий, вклю­чает также правила отображения в сим­вольной и сло­вес­ной форме химические про­цес­сы их превращения. Как от­ме­чал нобелевский ла­уреат Н.Н. Семенов – «Хи­ми­чес­кое превращение, хими­чес­кая реакция есть глав­ный предмет химии. Изу­че­ние различ­ных свойств эле­мен­тов и их соедине­ний… дает в сущности для химии вспо­­мо­га­тель­ный материал, облегчающий главную задачу – задачу рационального уп­рав­ле­ния хи­ми­ческим превраще­нием…».

При описании процессов превращения веществ в литературе используется ряд тер­ми­нов – химические превра­ще­ния, хими­ческие реакции, химические свойства, хими­чес­кая реакционная способ­ность, традиционно подчер­ки­­вающих именно химический ха­рактер превращений. В тоже время, подобно условной гра­нице между естест­вен­ны­ми науками на основе раз­личных структурных эле­мен­тов вещества и их специфи­чес­ких взаимодействий, граница между «хими­ческими» и другими («физическими», «биологическими» и т.д.) процессами так­же в зна­чи­тельной степени условна. Из оп­ре­деления химии следует, что важ­нейшим критерием химических превращения явля­ет­ся изменение состава и структуры вещества. Однако изменение состава и структуры вещества проис­хо­дят и в ходе протекания физических и биологических процессов. В связи с этим целесо­об­раз­но ввести дополнительные критерии, позволяющие опре­де­лить имен­но «химические процессы». В соответствии с условным разделением наук на основе структурных эле­ментов вещества и специфических взаимодействий между ни­ми любой хими­чес­кий про­цесс должен с одной стороны характери­зо­ваться неиз­мен­ностью в ходе про­цес­са са­мих химических элементов (в хими­чес­ких процессах хими­ческие элементы не ис­чезают и не образуются), а с дру­гой – сопровождаться не толь­ко изме­не­ни­ем в сос­та­ве и структуре вещества, но и изменением в электронном стро­е­нии химических элементов, образующих ве­щества. Сам термин «реакция» в пере­во­де с латинского оз­на­чает «противо­дейс­т­вие, ответное действие». Следовательно, «хи­ми­ческая реакция» означает от­вет­ное действие вешества на воздействие извне других веществ и фи­зи­чес­ких факторов (тепла, давления, элетромагнитного излучения и т.д.), приводящее к изменению электронного строения химических структурных эле­мен­тов вещест­ва и, как следствие этого, к изменению состава и структуры вещества. Хими­чес­кое прев­ра­ще­ние (химическая реакция) – это качественный скачок в орга­ни­за­ции материи, при котором исчезают одни соединения и образуются другие, но сами химические струк­тур­ные элементы вещества остаются неизменным. Происходяшая в хи­мических превращениях перестройка электронной структур атомов, ионов, моле­кул сопро­вож­да­ет­ся взаимным превращением химической и других форм энергии.

Химические превращения (реакции) веществ записывются с помощью фор­мул хи­ми­ческих соединений и ряда специальных знаков (+, =, , , , )либо в виде схе­мы, либо в форме уравнений. Схема химичес­ко­го процесса от­ражает изменение ка­­чест­­венного состава химических соединений – что с чем ре­агирует и что при этом по­лу­чается. Например, горение спирта на воздухе сопровождается исчезновением мо­ле­кул спирта (C₂H₆O) и кислорода и образо­ва­ни­ем молекул углекислого газа и воды:

C₂H₆O + О₂  Н₂О + СО₂

Между исходными веществами и продуктами реакции в этом случае ставится знак стрел­ки «». Наиболее часто схемы химических превращений исполь­зу­ют при опи­са­­нии механизма сложных многостадийных реакций для отражения природы проме­жу­точных продуктов суммарной реакции¹⁵.

Наряду с характером изменения качественного состава веществ, химическое уравне­ние отражает на основе закон сохранения массы количественные соот­но­ше­ния между ис­ходными веществами и продуктами превращения. В этом слу­чае между правыми и левыми частями уравнения ставят знак равенства «=»:

C₂H₆O + 3О₂ = 3Н₂О + 2СО₂

В соответствии с законом сохранения массы в химическом уравнении число ато­мов химических элементов в левой и правой части совпадает за счет исполь­зо­вания перед формулами химических соединений числовых коэффициентов, ко­торые называются сте­хиометрическими коэффициентами, а сами такие урав­нения – стехиомет­ричес­ки­ми уравнениями химических реакций.

Стехиометрическое уравнение горения спир­та показывает, что 1 моль спирта реа­ги­рует с 3 молями кислорода с образованием 3 мо­лей воды и 3 молей угле­кис­лого га­за. Можно первести числа молей в маассовые еди­ницы – 46 г спирта взаимо­дейст­ву­ют с 96 г кислорода, образуя 54 г воды и 88 г ди­ок­сида углерода. Поскольку моль лю­бо­го вещества содержит 6,0210²³ молекул, то сте­хиометри­чес­кое уравнение иного мож­но рассматривать и на молекулярном уровне – 1 мо­лекула спирта реагирут с 3 мо­ле­кулами кислорода, приводя к образованию 3 мо­­­лекул воды и 2 молекул диоксида уг­лерода. Однако следует отметить, что ис­поль­зо­вание сте­хиометрических уравнений на молекулярном уровне возмож­но только для очень ог­раниченного круга одно­ста­дий­ных химических реакций, химическое урав­не­ние которых отражает реальный од­но­стадийный механизм процесса. Подавляющее же боль­шинство химических реак­ций являются слож­ны­ми многостадийными про­цес­сами и их суммарные стехиомет­ри­ческие урав­нения отражают только мольные и массовые соотношения между ис­ход­ными ве­ществами (реагентами) и продуктами суммарной реакции. Именно пото­му, что стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции обычно относятся к мо­лям, а не молекулам в химической практике, наряду с целочисленными, ис­пользу­ют­ся и дробные стехиометрические коэффициенты:

C₂H₆O + О₂ = Н₂О + СО₂

Данное уравнение показывает что для образования одного моля воды взять мо­ля спир­­та и 1 моль кислорода. Более того, для простоты в стехиометрических урав­не­ни­ях часто используют не истинные, а простейшие формулы химических соединений. Так, стехиометрическое уравнение процесса горения фосфо­ра:

4P + 5O₂ = 2P₂O₅

показывает, что образование 2 молей оксида фосфора(V) сопровождается ис­чез­но­ве­ни­ем 4 молей фосфора как простого вещества независимо от реального состава его молекул в различных аллотропных модификациях (белый, красный, черный фосфор) и условий проведения реакции - агрегатного состояния реа­гентов, температуры, дав­ле­ния, присутствия катализатора.

Для указания сведений о характере химического процесса в стехиомет­ри­чес­кие урав­­нения вводят дополнительные данные: твердое, жидкое или газовое аг­ре­гатное сос­тояние веществ часто указывают символами «тв.», «ж», «г.» в фор­мулах соеди­не­ний; символ «водн.» или “aq” указывает на водный раствор со­е­динения; верти­каль­ные стрел­ки «» и «» показывают, что вещество выде­ля­ет­ся из реакционной смеси в ви­­де газа или твердого (нерастворимого) осадка:

C₂H₆O_(ж) + 3О_2(г) = 3Н₂О_(ж) + 2СО_2(г)

P_4(тв) + 5O_2(г) = P₄O_10(тв)

Ag₂CO_3(тв) + 2HCl_aq = 2AgCl_(тв) + СО_2(u) + H₂O_(ж)

Ag₂CO_3 + 2HCl_aq = 2AgCl_ + СО₂ + H₂O

Другие дополнительные сведения обычно помещают над или под стрелкой, ука­зы­ва­ющей направление процесса:

СаСО₃ СaO + CO₂

С₆Н₁₂О₆ 2С₂Н₆О + 2СО₂

Данные уравнения указывают, что образование газообразного диоксида углеро­да про­ис­ходит при нагревании карбоната кальция и при брожении сахара в при­сутствии дрож­жей, которые выступают в качестве катализатора.

Энергетические эффекты в химических реакциях отражают термохи­мичес­кие урав­­нения. В термохимических уравнениях, наряду с указанием агрегатного состо­я­ния и аллотропной модификации веществ, в правой части уравнения за­пи­сывается величина стандартного теплового эффекта реакции. Химические ре­акции, проте­ка­ю­щие с выделением теплоты называются экзотермическими. В этом случае теплосо­дер­жание (энтальпия Н) системы при переходе от исход­ных веществ к продуктам ре­ак­ции уменьшается H<0. При эндотермических ре­акциях протекание химической реакции сопровождается поглощением тепло­ты и H>0. Для сопоставления энерге­ти­чес­ких эффектов различных хими­чес­ких реакций в термохимических уравнениях их обычно указывают при прове­де­нии реакций в стандартных условиях: Р = 101,3 кПа и Т = 25 ⁰С (298, 15 К) и из­менение энтальпии обозначают H⁰₂₉₈ или сокращенно H⁰. Например, тер­мо­хи­мические уравнения экзо- и эндотермических реакций образова­ния из прос­тых веществ хлороводорода и оксида азота(II) имею вид:

H_2(г) + Cl_2(г) = 2HCl_(г), H⁰ = -184,6 кДж

или H_2(г) + Cl_2(г) = HCl_(г), H⁰ = -92,3 кДж/моль

N_2(г) + O_2(г) = 2NO_(г), H⁰ = 180,8 кДж

или H_2(г) + Cl_2(г) = HCl_(г), H⁰ = 90,4 кДж/моль

Следует отметить, что в старой литературе тепловые эффекты реакции в тер­мо­хи­ми­ческих уравнениях обозна­ча­лись Q и принимались положительными при выделе­нии теплоты в ходе экзотермических реакций и отрицательными для эндотерми­чес­ких реакций. Очевидно, что если H = -Q. В настоящее время для обозначения теп­лового эффекта реакций в термохимических уравнениях при­ме­няется величина H.

Важной характеристикой химических реакций, которая часто отражается в хими­чес­ких уравнениях, является их обратимость. Реакции, которые проте­ка­ют только в од­ном наравлении и характеризуются полным превращением ис­ход­ных веществ в продукты реакции, называются необратимы­ми. Необра­ти­мы­ми или практически не­об­ратимыми реакциями обычно являются:

• реакции сопровождающиеся образованием продуктов, которые уходят из сфе­ры реакции:

Zn + HCl_aq = ZnCl_2aq + CO₂

• сильно экзотермические реакции:

2Al_(тв) + O_2(ш) = Al₂O_3(тв), H⁰ = -1678 кДж/моль

В уравнениях необратимых реакций ставится знак равенства или одна стрелка:

(NH₄)₂Cr₂O_7(тв) N₂ + Cr₂O_3(тв) + 4H₂O_(ж)

Обратимыми называются реакции, которые одновременно протекают в двух вза­им­но противоположных направлениях. В уравнениях таких реакций между пра­вой и левой частью ставят двойную стрелку:

H_2(г) + N_2(г)  NH_3(г), H⁰ = -46,2 кДж/моль

Очевидно, что обратимые реакции протекают не до конца, а характеризуются ус­та­нов­лением состояния химического равновесия, при котором скорость обра­зо­вания про­дуктов реакции в прямой реакции равна скорости их распада в ис­ход­ные вещества по обратной реакции. Таким образом, для обратимых реакций в системе всегда при­сут­ствуют и продукты реакции и исходные ве­щес­т­ва.

Упражнения:

88. Напишите уравнения реакций, отражающих следующую информа­цию о хи­ми­ческих процессах:

1. При высокотемпературном окислении пирита (FeS₂) кислоро­дом образуется один моль оксида железа(III).

2. Взаимодействие водных растворов хлорида натрия и нитрата серебра при­во­дит к образованию осадка.

3. Термическое разложение твердого хлорида аммония с образованием газооб­раз­ных продуктов является обратимым про­­цессом.

4. Хлор получают электролизом водного раствора хлорида натрия.

5. Реакция образования озона из дикислорода в стандартных условиях эн­до­тер­мич­на (H⁰ = 142 кДж/моль).

6. В промышленности обратимую реакцию синтеза аммиака из простых ве­ществ проводят в присутствии железа в качестве катализатора.

7. Реакция термического разложения твердого нитрита аммония с образо­ва­ни­ем азо­та является необратимой.