| Головна » Статті » Хімія | [ Додати статтю ] |
Основні закономірності хімічних реакцій
|
ОСНОВНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ ХІМІЧНИХ РЕАКЦІЙ Тепловий ефект реакцій. Під час хімічних реакцій зв'язки, що вже є в речовині, руйнуються й утворюються нові відбувається перебудова електронних структур атомів, молекул, йонів. Для розриву хімічних зв'язків у вихідних речовинах необхідно витратити певну енергію. Під час утворення нових хімічних зв'язків у продуктах реакції енергія виділяється. Тому хімічна реакція завжди супроводжується зміною енергії системи, виділенням або поглинанням енергії—певним тепловим ефектом. Тепловий ефект реакції — це теплота, виділена або поглинута системою під час перебігу в ній хімічної реакції. Залежно від того, відбувається реакція з виділенням теплоти чи супроводжується поглинанням теплоти, розрізняють екзо- та ендотермічні реакції. До перших, як правило, належать усі реакції сполучення, а до других — реакції розкладу. Звідки ж береться теплота під час хімічних реакцій? Щоб відповісти на це запитання, треба пригадати з курсу фізики, що кожне тіло має певний запас внутрішньої енергії. Внутрішня енергія включає усі види енергії, що характеризують тіло: енергію руху молекул одна відносно одної, енергію руху електронів в атомах і атомів у молекулах, йонах. Атоми, йони, молекули у твердому тілі коливаються, обертаються, переміщуються тощо. Оскільки всі хімічні реакції супроводжуються перерозподілом внутрішньої енергії між реагентами і продуктами, то сума внутрішньої енергії продуктів відмінна від суми внутрішньої енергії реагентів. Різниця показує ту теплоту, яка виділяється або поглинається у процесі реакції. За постійного тиску (Р = const) тепловий ефект реакції збігається зі зміною ентальпії (теплоти) системи, тому замість терміна «тепловий ефект реакції» використовується термін «ентальпія реакції» (позначається Н, а зміна ентальпії — ΔH). Під час екзотермічних реакцій система виділяє частину своєї внутрішньої енергії у зовнішнє середовище у вигляді певної кількості теплоти. Отже, внутрішня енергія системи зменшується, і зміна ентальпії матиме негативне значення. Під час ендотермічних реакцій теплота поглинається, внутрішня енергія системи та її ентальпія збільшуються, тому зміна ентальпії ΔH матиме позитивне значення. Для порівняння теплових ефектів різних реакцій значення цих величин, як правило, відносять до 1 моль речовини і однакових умов, узятих за стандартні. За стандартні умови, в яких перебуває речовина, приймають тиск в 101325 Па (1 атм) і температуру, що дорівнює 298,15 К (25 °С). • Порівняйте стандартні й нормальні умови. Що є спільного і чим вони відрізняються? Рівняння хімічних реакцій із зазначенням теплового ефекту називають термохімічними рівняннями. Наприклад, термохімічне рівняння реакції синтезу 1 моль води (тому використовуються дробові коефіцієнти): Н2(г) + ½O2(г) = Н2О(р); ΔH = -286 кДж/моль Проте у термохімічному рівнянні, де використовують не дробові, а цілочислові коефіцієнти, тепловий ефект реакції треба подвоїти: 2Н2 + О2 = 2Н2О, ΔH = -572 кДж Це означає, що реакція синтезу води супроводжується виділенням кількості теплоти, що дорівнює 572 кДж. Розглянемо інший приклад: 2Pb(NO3)2 = 2РbО + 4NO2 + О2, ΔH = +592 кДж Такий запис означає, що під час розкладу нітрату плюмбуму(ІІ) за такою реакцією поглинається кількість теплоти, що дорівнює 592 кДж. Хімічна рівновага. Ви вже знаєте, що хімічні реакції бувають необоротні, коли реагенти повністю перетворюються на продукти реакції, та оборотні, які не доходять до кінця, оскільки в міру їх перебігу в реакційній системі створюються умови для протилежних змін. Наприклад, якщо суміш водню і йоду нагрівати за температури 410 °С в закритому посуді, то масова частка вихідних реагентів, які перетворюються на йодоводень, становитиме лише 78%. Це пояснюється тим, що за таких самих умов йодоводень розпадається на йод і водень, але не повністю, а тільки на 22 %: Н2 + І2 ↔ 2НІ В обох випадках встановлюється стан, який за даної температури характеризується цілком певним співвідношенням реагентів. При цьому швидкість взаємодії водню і йоду дорівнює швидкості розкладання йодоводню. Стан системи, за якого швидкість прямої реакції дорівнює швидкості зворотної реакції, називається хімічною рівновагою. Процеси, які одночасно відбуваються у двох взаємно протилежних напрямах (прямому і зворотному) називаються оборотними. Більшість хімічних реакцій оборотні. Вони відбуваються мимовільно до встановлення в системі хімічної рівноваги. Після настання рівноваги концентрації вихідних речовин і продуктів реакції за даних умов залишаються незмінними. Якщо ж змінюються зовнішні умови, рівновага зміщується, і встановлюється новий стан рівноваги. Вона порушується, якщо змінюються температура, концентрація реагентів, тиск (для газоподібних систем).Закономірність впливу зовнішніх умов на рівновагу оборотних хімічних реакцій встановив французький учений Ле Шательє (1850—1936). ЇЇ назвали на його честь принципом Ле Шательє: якщо умови, за яких система перебуває у рівновазі, змінити, то рівновага зміщується у бік тих процесів, які цій зміні протидіють. Наприклад, якщо збільшити концентрацію однієї з вихідних речовин, то рівновага в системі зміститься в бік тієї реакції, яка зменшує концентрацію введеної речовини. Для газоподібних систем зсуву рівноваги у бік зменшення об'ємів газів сприятиме збільшення тиску. Зниження температури зсуває рівновагу в бік екзотермічної реакції, тобто реакції, яка відбувається з виділенням теплоти і тим самим заважає зниженню температури. Швидкість хімічної реакції. Відомо, що хімічні реакції відбуваються з різною швидкістю. Одні — практично миттєво (нейтралізація кислоти лугом, вибухові реакції), другі — нескінченно повільно, тисячоліттями (хімічне вивітрювання гірських порід, наприклад перетворення граніту на глину). Про швидкість реакції роблять висновок на підставі зміни концентрації однієї з речовин (реагента або продукту) за одиницю часу. У стані хімічної рівноваги швидкість прямої реакції дорівнює швидкості зворотної, тому зміна концентрації речовин не спостерігається. На швидкість перебігу реакцій впливають різні чинники. Передусім природа речовин, що реагують. Виконаємо такий дослід. У три пробірки наллємо по 1—2 мл розбавленої хлоридної кислоти. В одну пробірку зануримо невеликий очищений залізний цвяшок, у другу — гранулу цинку, а в третю — стружку магнію (площа поверхні металів приблизно однакова). Спостереження показують, що магній взаємодіє з хлоридною кислотою швидше, ніж цинк, а швидкість реакції заліза ще менша, ніж цинку. Отже, має значення природа речовин, що реагують. Швидкість реакції залежить від концентрації реагуючих речовин. Для того щоб відбулася реакція, частинки (атоми, молекули, йони, радикали) вихідних речовин повинні зіткнутися одна з одною. Чим частіше зіткнення, тим швидше відбувається реакція. Зрозуміло, що кількість зіткнень частинок за даної температури залежить від концентрації реагуючих речовин. Якщо реакція відбувається між газом і твердою речовиною, то її швидкість залежить від зіткнення молекул газу з твердою речовиною на одиницю площі її поверхні. Тому, щоб прискорити реакцію, потрібно збільшити площу поверхні зіткнення реагуючих речовин. На швидкість реакції великий вплив справляє температура. Переважна більшість реакцій у разі нагрівання відбуваються швидше, ніж без нагрівання. Каталізатори. Одним з найефективніших засобів впливу на швидкість реакції є застосування каталізатора. Змішаємо порошкоподібні алюміній (або цинковий пил) і йод. Ми не помічаємо ознак перебігу реакції. Очевидно, за стандартних умов вона практично не відбувається. Доторкнемося до суміші розпеченим дротом. Реакція починається і далі триває мимовільно. Ми спостерігаємо, як розпікається реакційна маса. Тепер до такої самої суміші додамо кілька крапель води. Невдовзі помічаємо перебіг реакції: маса суміші речовин розпікається, відбувається бурхлива реакція з утворенням йодиду алюмінію: 2А1 + 3І2 = 2А1І3 Реакція відбувається так, як і в разі нагрівання. Вода у даному випадку відіграє роль каталізатора. Каталізатором називається речовина, яка, беручи участь у хімічній реакції, збільшує її швидкість, а на кінець реакції залишається незмінною. Реакції, які відбуваються за участю каталізатора, називаються каталітичними. Наприклад, добування кисню з бертолетової солі: MnO2 2КС1О3 2КС1 + ЗО2↑ Добування бензолу дегідруванням циклогексану за температури 300 °С і наявності платини: Відомі речовини, що уповільнюють реакції, наприклад корозію металів. Речовини, які гальмують хімічні реакції, називаються Інгібіторами. Ці речовини адсорбуються поверхнею металу і утворюють захисну плівку. Інгібітори застосовують для захисту трубопроводів у газо- і нафтовидобувній промисловості, їх широко використовують для регулювання швидкості реакцій полімеризації, стабілізації каучуків під час їхньої переробки, вуглеводневого палива, збереження харчових жирів і лікувальних препаратів тощо. Електронну теорію каталізу запропонував український учений Л.В.Писаржевський. Сучасна промисловість широко використовує каталізатори. І це зрозуміло, оскільки каталіз — найефективніший спосіб інтенсифікації промислового виробництва. Каталізатори відіграють суттєву роль у життєдіяльності організмів. Хімічні реакції в клітинах, тканинах, у різних органах відбуваються під впливом ферментів — біологічних каталізаторів. Вони дуже схожі з неорганічними каталізаторами, але їхня активність значно вища. Вони також легко отруюються каталітичною отрутою, особливо такою, як алкоголь, нікотин, і втрачають свою активність. | |
| Переглядів: 572 | |
| Всього коментарів: 0 | |