§ 1 Ознаки хімічних реакцій

При хімічних реакціях вихідні речовини перетворюються на інші речовини, які мають інші властивості. Про це можна судити за зовнішніми ознаками хімічних реакцій: утворення газоподібної чи нерозчинної речовини, виділення чи поглинання енергії, зміна кольору речовини.

Шматок мідного дроту нагріємо в полум'ї спиртівки. Ми побачимо, що та частина дроту, що була в полум'ї, почорніла.

Приллємо 1-2 мл розчину оцтової кислотидо порошку харчової соди. Спостерігаємо появу бульбашок газу та зникнення соди.

Приллємо 3-4 мл розчину хлориду міді до розчину їдкого натру. При цьому блакитний прозорий розчин перетвориться на яскраво-синій осад.

До 2 мл розчину крохмалю додамо 1-2 краплі розчину йоду. І напівпрозора біла рідина стане непрозорою темно-синьою.

Найголовнішою ознакою хімічної реакції є утворення нових речовин.

Але про це можна судити і за деякими зовнішніми ознаками перебігу реакцій:

Випадання осаду;

Зміна кольору;

Виділення газу;

Поява запаху;

Виділення чи поглинання енергії у вигляді тепла, електрики чи світла.

Наприклад, якщо до суміші водню і кисню піднести запалену лучинку або пропустити через цю суміш електричний розряд, то відбудеться оглушливий вибух, а на стінках судини утворюється нова речовина - вода. Відбулася реакція утворення молекул води з атомів водню та кисню із виділенням тепла.

Навпаки, розкладання води на кисень та водень потребує електричної енергії.

§ 2 Умови виникнення хімічної реакції

Однак для виникнення хімічної реакції потрібні певні умови.

Розглянемо реакцію горіння спирту етилового.

Вона відбувається при взаємодії спирту з киснем повітря, для початку реакції необхідне зіткнення молекул спирту та кисню. Але якщо ми відкриємо ковпачок спиртування, то при зіткненні вихідних речовин - спирту та кисню реакції не відбувається. Піднесемо запалений сірник. Спирт на ґноті спиртування нагрівається і спалахує, починається реакція горіння. Умовою, необхідною для реакції тут є початкове нагрівання.

У пробірку наллємо 3% розчин перекису водню. Якщо залишимо пробірку відкритою, то перекис водню почне повільно розкладатися на воду та кисень. При цьому швидкість реакції буде такою низькою, що ознак виділення газу ми не побачимо. Додамо небагато чорного порошку оксиду марганцю (IV). Спостерігаємо бурхливе виділення газу. Це кисень, який утворився при реакції розкладання перекису водню.

Необхідною умовою для початку цієї реакції було додавання речовини, яка не бере участі в реакції, але прискорює її.

Така речовина називається каталізатор.

Очевидно, що для виникнення та перебігу хімічних реакцій необхідні деякі умови, а саме:

Дотик вихідних речовин (реагентів),

Їх нагрівання до певної температури,

Застосування каталізаторів.

§ 3 Особливості хімічних реакцій

Характерною особливістю хімічних реакцій і те, що часто супроводжуються поглинанням чи виділенням енергії.

Дмитро Іванович Менделєєв вказував, що найважливішою ознакою всіх хімічних реакцій є зміна енергії у процесі їхнього протікання.

Виділення або поглинання теплоти в процесі хімічних реакцій обумовлено тим, що енергія витрачається на процес руйнування одних речовин (руйнування зв'язків між атомами та молекулами) та виділяється при утворенні інших речовин (утворення зв'язків між атомами та молекулами).

Енергетичні зміни виявляються або у виділенні, або у поглинанні теплоти. Реакції, що протікають із виділенням теплоти, називаються екзотермічними.

Реакції, що протікають із поглинанням теплоти, називаються ендотермічними.

Кількість виділеної чи поглиненої теплоти називають тепловим ефектом реакції.

Тепловий ефект зазвичай позначають латинською літерою Q та відповідним знаком: +Q для екзотермічних реакцій та -Q для ендотермічних реакцій.

Область хімії, що займається вивченням теплових ефектів хімічних реакцій, називається термохімією. Перші дослідження термохімічних явищ належать вченому Миколі Миколайовичу Бекетову.

Значення теплового ефекту відносять до 1 моль речовини та виражають у кілоджоулях (кДж).

Більшість хімічних процесів, що здійснюються в природі, лабораторії та промисловості, є екзотермічними. До них відносяться всі реакції горіння, окиснення, з'єднання металів з іншими елементами та інші.

Однак існують і ендотермічні процеси, наприклад, розкладання води під дією електричного струму.

Теплові ефекти хімічних реакцій коливаються у межах від 4 до 500 кДж/моль. Найбільш значним є тепловий ефект при реакціях горіння.

Спробуємо пояснити, у чому сутність перетворень речовин, що відбуваються, і що відбувається з атомами реагуючих речовин. Згідно з атомно-молекулярним вченням всі речовини складаються з атомів, з'єднаних один з одним в молекули або інші частинки. У процесі реакції відбувається руйнування вихідних речовин (реагентів) та утворення нових речовин (продуктів реакції). Таким чином, усі реакції зводяться до утворення нових речовин із атомів, що входять до складу вихідних речовин.

Отже, сутність хімічної реакції полягає у перегрупуванні атомів, у результаті якої з молекул (чи інших частинок) виходять нові молекули (чи інші форми речовини).

Список використаної литературы:

1. Н.Є. Кузнєцова. Хімія. 8 клас. Підручник для загальноосвітніх установ. - М. Вентана-Граф, 2012.

У промисловості підбирають такі умови, щоб здійснювалися необхідні реакції, а шкідливі сповільнювалися.

ТИПИ ХІМІЧНИХ РЕАКЦІЙ

У таблиці 12 наведено основні типи хімічних реакцій за кількістю частинок, що беруть у них участь. Дано малюнки та рівняння часто описуваних у підручниках реакцій розкладання, з'єднання, заміщенняі обміну.

У верхній частині таблиці представлені реакції розкладанняводи та гідрокарбонату натрію. Зображено прилад для проходження через воду постійного електричного струму. Катод і анод є металевими пластинками, зануреними у воду і з'єднаними з джерелом електричного струму. В зв'язку з тим що чиста водапрактично не проводить електричний струм, до неї додають невелику кількість соди (Nа 2 3 ) або сірчаної кислоти (Н 2 SО 4). При проходженні струму на обох електродах відбувається виділення бульбашок газу. У трубці, де збирається водень, обсяг виявляється удвічі більшим, ніж у трубці, де збирається кисень (про його наявність можна переконатися за допомогою тліючої лучинки). Модельна схема демонструє реакцію розкладання води. Хімічні (ковалентні) зв'язки між атомами в молекулах води руйнуються, і з атомів, що звільняються, утворюються молекули водню і кисню.

Модельна схема реакції з'єднанняметалевого заліза та молекулярної сірки S 8 показує, що в результаті перегрупування атомів у процесі реакції утворюється сульфід заліза. При цьому руйнуються хімічні зв'язкив кристалі заліза ( металевий зв'язок) та молекулі сірки ( ковалентний зв'язок), а атоми, що звільнилися, з'єднуються з утворенням іонних зв'язківкристал солі.

До іншої реакції сполуки відноситься гасіння вапна СаО водою з утворенням гідроксиду кальцію. При цьому палена (негашена) вапно починає розігріватися і утворюється пухкий порошок гашеного вапна.

До реакцій заміщеннявідносять взаємодію металу з кислотою або сіллю. При зануренні досить активного металу в сильну (але не азотну) кислоту виділяються бульбашки водню. Більше активний металвитісняє менш активний розчин його солі.

Типовими реакціями обмінує реакція нейтралізації та реакція між розчинами двох солей. На малюнку показано одержання осаду сульфату барію. За перебігом реакції нейтралізації стежать за допомогою індикатора фенолфталеїну (малінова забарвлення зникає).

Таблиця 12

Типи хімічних реакцій

ПОВІТРЯ. КИСНЕ. ГОРІННЯ

Кисень є найпоширенішим хімічним елементомна землі. Зміст його в земної корита гідросфері представлено в таблиці 2 "Поширеність хімічних елементів". Перед кисню припадає приблизно половина (47 %) маси літосфери. Він є переважним хімічним елементом гідросфери. У земній корі кисень присутній тільки у зв'язаному вигляді (оксиди, солі). Гідросфера також представлена ​​переважно пов'язаним киснем (частина молекулярного кисню розчинена у воді).

У атмосфері вільного кисню міститься 20,9 % за обсягом. Повітря – складна суміш газів. Сухе повітря на 99,9% складається з азоту (78,1%), кисню (20,9%) та аргону (0,9%). Зміст цих газів у повітрі майже завжди. До складу сухого атмосферного повітря також входять діоксид вуглецю, неон, гелій, метан, криптон, водень, оксид азоту(I) (оксид діазоту, геміоксид азоту – N 2 О), озон, діоксид сірки, монооксид вуглецю, ксенон, оксид азоту( IV) (діоксид азоту - NО 2).

Склад повітря визначив французький хімік Антуан Лоран Лавуазьє кінці XVIIIстоліття (таблиця 13). Він довів вміст кисню у повітрі, і назвав його "життєве повітря". Для цього він нагрівав на печі ртуть у скляній реторті, тонка частина якої вела під скляний ковпак, опущений у водяну баню. Повітря під ковпаком виявлялося замкненим. При нагріванні ртуть з'єднувалася з киснем, перетворюючись на оксид ртуті червоного кольору. "Повітря", що залишилося в скляному ковпаку після нагрівання ртуті, не містило кисню. Миша, поміщена під ковпак, задихалася. Прожаривши оксид ртуті, Лавуазьє знову виділив із нього кисень і знову отримав чисту ртуть.

Вміст кисню в атмосфері помітно збільшувався близько 2 млрд. років тому. В результаті реакції фотосинтезупоглинався деякий обсяг вуглекислого газу та виділявся такий самий обсяг кисню. На малюнку таблиці схематично показано утворення кисню під час фотосинтезу. У процесі фотосинтезу в листі зелених рослин, що містять хлорофіл, при поглинанні сонячної енергії відбувається перетворення води та вуглекислого газу в вуглеводи(цукри) та кисень. Реакцію утворення глюкози та кисню в зелених рослинах можна записати у такому вигляді:

6Н 2 О + 6СО 2 = З 6 Н 12 О 6 + 6О 2 .

Утворена глюкоза перетворюється на нерозчинний у воді крохмаль, що накопичується в рослинах.

Таблиця 13

Повітря. Кисень. Горіння

Фотосинтез є складним хімічним процесом, що включає кілька стадій: поглинання та транспортування сонячної енергії, використання енергії сонячного світла для ініціювання фотохімічних окисно-відновних реакцій, відновлення вуглекислого газу та утворенням вуглеводів.

сонячне світло- Це електромагнітне випромінювання різних довжин хвиль. У молекулі хлорофілу при поглинанні видимого світла(червоного та фіолетового) відбуваються переходи електронів з одного енергетичного стану до іншого. На фотосинтез витрачається лише невелика частина сонячної енергії (0,03%), що досягає Землі.

Весь діоксид вуглецю, що є на Землі, проходить через цикл фотосинтезу в середньому за 300 років, кисень – за 2000 років, вода океанів – за 2 млн. років. В даний час в атмосфері встановився постійний вміст кисню. Він практично повністю витрачається на дихання, горіння та гниття органічних речовин.

Кисень – одна з найактивніших речовин. Процеси з участю кисню називаються реакціями окиснення. До них відносять горіння, дихання, гниття та багато інших. На таблиці показано горіння нафти, що йде виділення теплоти і світла.

Реакції горіння можуть принести як користь, а й шкода. Горіння можна зупинити, припинивши доступ повітря (окислювача) до предмета, що горить, за допомогою піни, піску або ковдри.

Пінні вогнегасники заповнюють концентрованим розчином питної соди. При її контакті з концентрованою сірчаною кислотою, що знаходиться у скляній ампулі у верхній частині вогнегасника, утворюється піна вуглекислого газу. Для приведення в дію вогнегасник перевертають і ударяють об підлогу металевим штифтом. При цьому ампула із сірчаною кислотою розбивається і утворюється в результаті реакції кислоти з гідрокарбонатом натрію. вуглекислий газспінює рідину і викидає її з вогнегасника сильним струменем. Піняста рідина і вуглекислий газ, обволікаючи палаючий предмет, відтісняють повітря і гасять полум'я.

Швидкість хімічної реакції– це зміна кількості реагуючої речовини або продукту реакції за одиницю часу в одиниці об'єму (для гомогенної реакції) або на одиниці поверхні поділу фаз (для гетерогенної реакції).

Закон чинних мас: залежність швидкості реакції від концентрації речовин, що реагують. Чим вище концентрація, тим більше молекул міститься в обсязі. Отже, зростає кількість зіткнень, що призводить до збільшення швидкості процесу.

Кінетичне рівняння- Залежність швидкості реакції від концентрації.

Тверді тіларівні 0

Молекулярність реакції– це мінімальна кількість молекул, що у елементарному хімічному процесі. За молекулярністю елементарні хімічні реакції поділяються на молекулярні (А →) та бімолекулярні (А + В →); Тримолекулярні реакції зустрічаються надзвичайно рідко.

Загальний порядок реакції- це сума показників ступенів концентрації у кінетичному рівнянні.

Константа швидкості реакції- Коефіцієнт пропорційності в кінетичному рівнянні.

Правило Вант-Гоффа:При підвищенні температури на кожні 10 градусів константа швидкості гомогенної елементарної реакції збільшується у два – чотири рази

Теорія активних зіткнень(ТАС), є три умови, необхідні для того, щоб відбулася реакція:

Молекули мають зіткнутися. Це важлива умова, проте його мало, оскільки при зіткненні не обов'язково відбудеться реакція.

Молекули повинні мати необхідну енергію (енергію активації).

Молекули мають бути правильно орієнтовані щодо один одного.

Енергія активації- мінімальна кількість енергії, яку потрібно повідомити системі, щоб відбулася реакція.

Рівняння Арреніусавстановлює залежність константи швидкості хімічної реакції від температури

A - характеризує частоту зіткнень реагуючих молекул

R – універсальна газова постійна.

Вплив каталізаторів на швидкість реакції.

Каталізатор - це речовина, що змінює швидкість хімічної реакції, але сама в реакції не витрачається і в кінцеві продуктине входить.

У цьому зміна швидкості реакції відбувається з допомогою зміни енергії активації, причому каталізатор з реагентами утворює активований комплекс.

Каталіз -хімічне явище, суть якого полягає у зміні швидкостей хімічних реакцій за дії деяких речовин (їх називають каталізаторами).

Гетерогенний каталізреагент і каталізатор перебувають у різних фазах - газоподібної та твердої.

Гомогенний каталіз -реагенти (реактиви) і каталізатор знаходяться в одній фазі - наприклад, обидва є газами або обидва розчинені в будь-якому розчиннику.

Умови хімічної рівноваги

стан хімічної рівноваги зберігається до того часу, поки залишаються незмінними умови реакції: концентрація, температура і тиск.

Принцип Ле-Шательє:якщо систему, що у рівновазі надано якесь зовнішнє вплив, то рівноваги зміститься убік тієї реакції, що це дію буде послаблювати.

Константа рівновагице міра повноти перебігу реакції, що більше величина константи рівноваги, то вище ступінь перетворення вихідних речовин продукти реакції.

К р = З пр \З вих

ΔG<0 К р >1 З пр > З вих

ΔG>0 До р<1 С пр <С исх

I. Ознаки та умови протікання хімічних реакцій

Ви вже знаєте багато речовин, спостерігали їх перетворення і супроводжуючі ці перетворення ознаки.

Самим головною ознакоюХімічна реакція є утворення нових речовин. Але про це варто судити і за деякими зовнішніми ознаками перебігу реакцій.

Зовнішні ознаки перебігу хімічних реакцій:

• випадання осаду
• зміна кольору
• виділення газу
• поява запаху
• поглинання та виділення енергії (тепла, електрики, світла)

Очевидно, що для виникнення та перебігу хімічних реакцій необхідні деякі умови:

• зіткнення вихідних речовин (реагентів)
• нагрівання до певної температури
• застосування речовин, що прискорюють хімічну реакцію (каталізаторів)

ІІ. Тепловий ефект хімічної реакції

Д.І. Менделєєв вказував: найважливішою ознакою всіх хімічних реакцій є зміна енергії у процесі їхнього протікання.

У кожній речовині запасено певну кількість енергії. З цією властивістю речовин ми стикаємося вже за сніданком, обідом або вечерею, тому що продукти харчування дозволяють нашому організму використовувати енергію найрізноманітніших хімічних сполук, які містяться в їжі. В організмі ця енергія перетворюється на рух, роботу, йде на підтримку постійної (і досить високої!) температури тіла.

Виділення або поглинання теплоти в процесі хімічних реакцій обумовлено тим, що енергія витрачається на процес руйнування одних речовин (руйнування зв'язків між атомами та молекулами) та виділяється при утворенні інших речовин (утворення зв'язків між атомами та молекулами).

Енергетичні зміни виявляються або у виділенні, або у поглинанні теплоти.

Реакції, що протікають із виділенням теплоти, називаються екзотермічними (Від грец. «Екзо» - назовні).

Реакції, що протікають з поглинанням енергії, називаютьсяендотермічними (Від латинського "ендо" - всередину).

Найчастіше енергія виділяється чи поглинається як теплоти (рідше - як світлової чи механічної енергії). Цю теплоту можна виміряти. Результат вимірювання виражають у кілоджоулях (кДж) для одного МОЛ реагенту або (рідше) для моля продукту реакції. Кількість теплоти, що виділяється або поглинається при хімічній реакції, називається тепловим ефектом реакції(Q).

Екзотермічна реакція:

Вихідні речовини → продукти реакцій + Q кДж

Ендотермічна реакція:

Вихідні речовини → продукти реакцій - Q кДж

Теплові ефекти хімічних реакцій необхідні багатьом технічних розрахунків. Уявіть себе на хвилину конструктором потужної ракети, яка здатна виводити на орбіту космічні кораблі та інші корисні вантажі.

Допустимо, вам відома робота (в кДж), яку доведеться витратити для доставки ракети з вантажем з поверхні Землі до орбіти, відома також робота з подолання опору повітря та інші витрати енергії під час польоту. Як розрахувати необхідний запас водню та кисню, які (у зрідженому стані) використовуються в цій ракеті як паливо та окислювач?

Без допомоги теплового ефекту реакції утворення води з водню та кисню зробити це важко. Адже тепловий ефект - це і є та сама енергія, яка має вивести ракету на орбіту. У камерах згоряння ракети ця теплота перетворюється на кінетичну енергію молекул розпеченого газу (пара), який виривається із сопел і створює реактивну тягу.

У хімічній промисловості теплові ефекти необхідні розрахунку кількості теплоти для нагрівання реакторів, у яких йдуть ендотермічні реакції. В енергетиці за допомогою теплот згоряння палива розраховують вироблення теплової енергії.

Лікарі-дієтологи використовують теплові ефекти окислення харчових продуктів в організмі для складання правильних раціонів харчування не тільки для хворих, а й для здорових людей – спортсменів, працівників різних професій. За традицією для розрахунків тут використовують не джоулі, а інші енергетичні одиниці – калорії (1 кал = 4,1868 Дж). Енергетичний вміст їжі відносять до якоїсь маси харчових продуктів: до 1 г, до 100 г або навіть до стандартної упаковки продукту. Наприклад, на етикетці баночки зі згущеним молоком можна прочитати такий напис: "калорійність 320 ккал/100 г".

Область хімії, що займається вивченням теплових ефектів, хімічних реакцій, називається термохімії.

Рівняння хімічних реакцій, у яких вказано тепловий ефект, називають термохімічними.

Протягом усього життя ми постійно стикаємось із фізичними та хімічними явищами. Природні фізичні явища для нас настільки звичні, що ми вже давно не надаємо їм особливого значення. Хімічні реакції постійно протікають у нашому організмі. Енергія, що виділяється при хімічних реакціях, постійно використовується у побуті, на виробництві, під час запуску космічних кораблів. Багато матеріалів, з яких виготовлені навколишні речі, не взяті в природі в готовому вигляді, а виготовлені за допомогою хімічних реакцій. У побуті для нас немає особливого сенсу розумітися на тому, що ж сталося. Але щодо фізики і хімії на достатньому рівні без цих знань не обійтися. Як вирізнити фізичні явища від хімічних? Чи є якісь ознаки, які можуть допомогти це зробити?

При хімічних реакціях з одних речовин утворюються нові, відмінні від вихідних. Щодо зникнення ознак перших та появи ознак других, а також щодо виділення чи поглинання енергії ми укладаємо, що відбулася хімічна реакція.

Якщо прожарити мідну пластинку, її поверхні з'являється чорний наліт; при продуванні вуглекислого газу через вапняну воду випадає білий осад; коли горить деревина, з'являються краплі води холодних стінках судини, при горінні магнію виходить порошок білого кольору.

Виходить, що ознаками хімічної реакції є зміна забарвлення, запаху, утворення осаду, поява газу.

При розгляді хімічних реакцій необхідно звертати увагу не тільки на те, як вони протікають, але й на умови, які повинні виконуватися для початку та перебігу реакції.

Отже, які умови повинні бути виконані для того, щоб почалася хімічна реакція?

Для цього передусім необхідні речовини, що реагують, привести до зіткнення (з'єднати, змішати їх). Чим більше подрібнені речовини, що більше поверхню їх дотику, то швидше і активніше протікає реакція з-поміж них. Наприклад, шматковий цукор важко підпалити, але подрібнений і розпорошений у повітрі він згоряє за лічені частки секунди, утворюючи своєрідний вибух.

За допомогою розчинення ми можемо подрібнити речовину на дрібні частинки. Іноді попереднє розчинення вихідних речовин полегшує проведення хімічної реакції речовинами.

У деяких випадках зіткнення речовин, наприклад заліза з вологим повітрям, достатньо, щоб відбулася реакція. Але частіше одного дотику речовин для цього недостатньо: необхідне виконання ще будь-яких умов.

Так, мідь не вступає в реакцію з киснем повітря при невисокій температурі близько 20-25С. Щоб викликати реакцію з'єднання міді з киснем, необхідно вдатися до нагрівання.

На виникнення хімічних реакцій нагрівання впливає по-різному. Для одних реакцій потрібне безперервне нагрівання. Припиняється нагрівання – припиняється хімічна реакція. Наприклад, для розкладання цукру необхідне постійне нагрівання.

В інших випадках нагрівання потрібне лише для реакції, воно дає поштовх, а далі реакція протікає без нагрівання. Наприклад, таке нагрівання ми спостерігаємо під час горіння магнію, деревини та інших горючих речовин.

сайт, при повному або частковому копіюванні матеріалу посилання на першоджерело обов'язкове.