9.1. Šta su hemijske reakcije
Podsjetimo da kemijske reakcije nazivamo bilo kojim hemijske pojave priroda. Tokom hemijske reakcije, jedan se lomi, a drugi nastaje. hemijske veze. Kao rezultat reakcije, iz nekih hemikalija se dobijaju druge supstance (vidi Poglavlje 1).
Radeći domaći zadatak iz § 2.5, upoznali ste se sa tradicionalnim odabirom četiri glavne vrste reakcija iz čitavog skupa hemijskih transformacija, a istovremeno ste predložili njihove nazive: kombinacije, razlaganja, supstitucije i reakcije razmene.
Primjeri složenih reakcija:
C + O 2 \u003d CO 2; (jedan)
Na 2 O + CO 2 \u003d Na 2 CO 3; (2)
NH 3 + CO 2 + H 2 O \u003d NH 4 HCO 3. (3)
Primjeri reakcija razgradnje:
2Ag 2 O 4Ag + O 2; (četiri)
CaCO 3 CaO + CO 2 ; (5)
(NH 4) 2 Cr 2 O 7 N 2 + Cr 2 O 3 + 4H 2 O. (6)
Primjeri supstitucijskih reakcija:
CuSO 4 + Fe \u003d FeSO 4 + Cu; (7)
2NaI + Cl 2 \u003d 2NaCl + I 2; (osam)
CaCO 3 + SiO 2 \u003d CaSiO 3 + CO 2. (9)
| Reakcije razmjene- hemijske reakcije u kojima početne supstance, takoreći, razmjenjuju svoje sastavni dijelovi. |
Primjeri reakcija razmjene:
Ba(OH) 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 + 2H 2 O; (deset)
HCl + KNO 2 \u003d KCl + HNO 2; (jedanaest)
AgNO 3 + NaCl \u003d AgCl + NaNO 3. (12)
Tradicionalna klasifikacija kemijskih reakcija ne pokriva svu njihovu raznolikost - osim reakcija četiri glavna tipa, postoje i mnoge složenije reakcije.
Izbor dve druge vrste hemijskih reakcija zasniva se na učešću u njima dve najvažnije nehemijske čestice: elektrona i protona.
Tokom nekih reakcija dolazi do potpunog ili djelomičnog prijenosa elektrona s jednog atoma na drugi. U tom slučaju se mijenjaju oksidacijska stanja atoma elemenata koji čine početne tvari; od navedenih primjera, to su reakcije 1, 4, 6, 7 i 8. Ove reakcije se nazivaju redoks.
U drugoj grupi reakcija, ion vodonika (H+), odnosno proton, prelazi s jedne reagirajuće čestice na drugu. Takve reakcije se nazivaju kiselo-bazne reakcije ili reakcije prijenosa protona.
Među navedenim primjerima, takve reakcije su reakcije 3, 10 i 11. Po analogiji sa ovim reakcijama, redoks reakcije se ponekad nazivaju reakcije prijenosa elektrona. Sa RIA ćete se upoznati u § 2, a sa KOR-om - u narednim poglavljima.
REAKCIJE SPOJENJENJA, REAKCIJE RASTAVLJANJA, REAKCIJE ZAMJENE, REAKCIJE IZMJENE, REDOX REAKCIJE, KISELO-BAZNE REAKCIJE.
Napišite jednadžbe reakcija koje odgovaraju sljedećim shemama:
a) HgO Hg + O 2 ( t); b) Li 2 O + SO 2 Li 2 SO 3; c) Cu(OH) 2 CuO + H 2 O ( t);
d) Al + I 2 AlI 3; e) CuCl 2 + Fe FeCl 2 + Cu; e) Mg + H 3 PO 4 Mg 3 (PO 4) 2 + H 2;
g) Al + O 2 Al 2 O 3 ( t); i) KClO 3 + P P 2 O 5 + KCl ( t); j) CuSO 4 + Al Al 2 (SO 4) 3 + Cu;
l) Fe + Cl 2 FeCl 3 ( t); m) NH 3 + O 2 N 2 + H 2 O ( t); m) H 2 SO 4 + CuO CuSO 4 + H 2 O.
Navedite tradicionalni tip reakcije. Obratite pažnju na redoks i acidobazne reakcije. U redoks reakcijama navedite atome čiji elementi mijenjaju svoja oksidaciona stanja.
9.2. Redox reakcije
Razmotrimo redoks reakciju koja se javlja u visokim pećima tokom industrijske proizvodnje željeza (tačnije, lijevanog željeza) iz željezne rude:
Fe 2 O 3 + 3CO \u003d 2Fe + 3CO 2.
Odredimo oksidaciona stanja atoma koji čine i početne materijale i produkte reakcije
| Fe2O3 | + | = | 2Fe | + |
Kao što možete vidjeti, oksidacijsko stanje atoma ugljika se povećalo kao rezultat reakcije, oksidacijsko stanje atoma željeza se smanjilo, a oksidacijsko stanje atoma kisika ostalo je nepromijenjeno. Posljedično, atomi ugljika u ovoj reakciji su prošli oksidaciju, odnosno izgubili su elektrone ( oksidirano), a atome gvožđa na redukciju, odnosno prikopčali su elektrone ( oporavio) (vidi § 7.16). Za karakterizaciju OVR-a koriste se koncepti oksidant i redukciono sredstvo.
Dakle, u našoj reakciji, oksidirajući atomi su atomi željeza, a redukcijski atomi su atomi ugljika.
U našoj reakciji, oksidant je željezo(III) oksid, a redukcijski agens je ugljik(II) oksid.
U slučajevima kada su oksidirajući i redukcijski atomi dio iste supstance (primjer: reakcija 6 iz prethodnog stava), pojmovi "oksidirajuća supstanca" i "reducirajuća supstanca" se ne koriste.
Dakle, tipični oksidanti su tvari koje uključuju atome koji imaju tendenciju da dodaju elektrone (u cijelosti ili djelomično), smanjujući njihovo oksidacijsko stanje. Od jednostavnih supstanci to su prvenstveno halogeni i kisik, u manjoj mjeri sumpor i dušik. Od složene supstance- supstance koje uključuju atome u višim oksidacionim stanjima koji nisu skloni formiranju jednostavnih jona u ovim oksidacionim stanjima: HNO 3 (N + V), KMnO 4 (Mn + VII), CrO 3 (Cr + VI), KClO 3 ( Cl + V), KClO 4 (Cl + VII) itd.
Tipični redukcioni agensi su supstance koje sadrže atome koji imaju tendenciju da doniraju elektrone u celini ili delimično, povećavajući njihovo oksidaciono stanje. Od jednostavnih supstanci to su vodonik, alkalni i zemnoalkalni metali, kao i aluminij. Od složenih supstanci - H 2 S i sulfidi (S -II), SO 2 i sulfiti (S + IV), jodidi (I -I), CO (C + II), NH 3 (N -III) itd.
Općenito, gotovo sve složene i mnoge jednostavne tvari mogu pokazati i oksidirajuća i redukcijska svojstva. Na primjer:
SO 2 + Cl 2 \u003d S + Cl 2 O 2 (SO 2 je jako redukciono sredstvo);
SO 2 + C \u003d S + CO 2 (t) (SO 2 je slabo oksidaciono sredstvo);
C + O 2 \u003d CO 2 (t) (C je redukcijski agens);
C + 2Ca \u003d Ca 2 C (t) (C je oksidant).
Vratimo se na reakciju o kojoj smo razgovarali na početku ovog odjeljka.
| Fe2O3 | + | = | 2Fe | + |
Imajte na umu da su se kao rezultat reakcije oksidacijski atomi (Fe + III) pretvorili u reducirajuće atome (Fe 0), a redukcijski atomi (C + II) su se pretvorili u oksidirajuće atome (C + IV). Ali CO 2 pod bilo kojim uslovima je vrlo slabo oksidaciono sredstvo, a gvožđe, iako je redukciono sredstvo, mnogo je slabije od CO u ovim uslovima. Dakle, produkti reakcije ne reagiraju jedni s drugima i ne dolazi do obrnute reakcije. Gornji primjer je ilustracija općeg principa koji određuje smjer toka OVR:
Redoks reakcije se odvijaju u pravcu stvaranja slabijeg oksidanta i slabijeg redukcionog sredstva.
Redox svojstva supstanci mogu se porediti samo pod istim uslovima. U nekim slučajevima, ovo poređenje se može izvršiti kvantitativno.
Radeći domaći zadatak za prvi paragraf ovog poglavlja, vidjeli ste da je prilično teško pronaći koeficijente u nekim jednadžbama reakcija (posebno OVR). Da bi se ovaj zadatak pojednostavio u slučaju redoks reakcija, koriste se sljedeće dvije metode:
a) metoda elektronske ravnoteže i
b) metoda ravnoteže elektrona i jona.
Sada ćete proučavati metodu ravnoteže elektrona, a metoda ravnoteže elektrona i jona se obično izučava u visokoškolskim ustanovama.
Obje ove metode temelje se na činjenici da elektroni u kemijskim reakcijama ne nestaju nigdje i ne pojavljuju se nigdje, odnosno da je broj elektrona prihvaćenih od strane atoma jednak broju elektrona koje daju drugi atomi.
Broj doniranih i primljenih elektrona u metodi ravnoteže elektrona određen je promjenom oksidacijskog stanja atoma. Prilikom korištenja ove metode potrebno je poznavati sastav i polaznih materijala i produkta reakcije.
Razmotrite primjenu metode elektronske ravnoteže na primjerima.
Primjer 1 Napravimo jednačinu za reakciju gvožđa sa hlorom. Poznato je da je produkt takve reakcije željezo(III) hlorid. Napišimo shemu reakcije:
Fe + Cl 2 FeCl 3 .
Odredimo oksidaciona stanja atoma svih elemenata koji čine tvari koje sudjeluju u reakciji:
Atomi gvožđa doniraju elektrone, a molekuli hlora ih prihvataju. Mi izražavamo ove procese elektronske jednačine:
Fe-3 e- \u003d Fe + III,
Cl2 + 2 e-\u003d 2Cl -I.
Da bi broj datih elektrona bio jednak broju primljenih, prva elektronska jednačina se mora pomnožiti sa dva, a druga sa tri:
| Fe-3 e- \u003d Fe + III, Cl2 + 2 e– = 2Cl –I |
2Fe - 6 e- \u003d 2Fe + III, 3Cl 2 + 6 e– = 6Cl –I. |
Unoseći koeficijente 2 i 3 u reakcijsku šemu, dobijamo jednačinu reakcije:
2Fe + 3Cl 2 \u003d 2FeCl 3.
Primjer 2 Sastavimo jednačinu za reakciju sagorevanja bijelog fosfora u višku hlora. Poznato je da fosfor(V) hlorid nastaje pod ovim uslovima:
| +V–I | ||||
| P4 | + | Cl2 | PCl 5 . |
Molekule bijelog fosfora doniraju elektrone (oksidiraju), a molekule klora ih prihvataju (smanjene):
| P4-20 e– = 4P + V Cl2 + 2 e– = 2Cl –I |
1 10 |
2 20 |
P4-20 e– = 4P + V Cl2 + 2 e– = 2Cl –I |
P4-20 e– = 4P + V 10Cl 2 + 20 e– = 20Cl –I |
Prvobitno dobijeni faktori (2 i 20) imali su zajednički djelitelj kojim su (kao budući koeficijenti u jednačini reakcije) podijeljeni. Jednačina reakcije:
P 4 + 10Cl 2 \u003d 4PCl 5.
Primjer 3 Sastavimo jednačinu za reakciju do koje dolazi prilikom prženja gvožđe(II) sulfida u kiseoniku.
Shema reakcije:
| +III –II | +IV –II | |||||
| + | O2 | + |
U ovom slučaju oksidiraju se i atomi željeza(II) i sumpora(–II). Sastav željezo(II) sulfida sadrži atome ovih elemenata u omjeru 1:1 (vidi indekse u najjednostavnijoj formuli).
Elektronska ravnoteža:
| 4 | Fe + II - e– = Fe +III S-II-6 e– = S + IV |
Ukupno pokloniti 7 e – |
| 7 | O 2 + 4e - \u003d 2O - II |
Jednačina reakcije: 4FeS + 7O 2 = 2Fe 2 O 3 + 4SO 2.
Primjer 4. Sastavimo jednačinu za reakciju koja se javlja prilikom pečenja željeznog (II) disulfida (pirita) u kiseoniku.
Shema reakcije:
| +III –II | +IV –II | |||||
| + | O2 | + |
Kao iu prethodnom primjeru, i ovdje su oksidirani i atomi željeza(II) i atomi sumpora, ali sa oksidacijskim stanjem I. Atomi ovih elemenata uključeni su u sastav pirita u omjeru 1:2 (vidi indekse u najjednostavnijoj formuli). U tom smislu reaguju atomi željeza i sumpora, što se uzima u obzir pri sastavljanju elektronske ravnoteže:
| Fe+III – e– = Fe +III 2S-I-10 e– = 2S +IV |
Ukupno dati 11 e – | |
| O 2 + 4 e– = 2O –II |
Jednačina reakcije: 4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2.
Postoje i složeniji slučajevi OVR-a, neke od njih ćete upoznati radeći domaću zadaću.
ATOM OKSIDIZATORA, ATOM REDUKTORA, OKSIDIZATORSKA SUPSTANCA, REDUKTORSKA SUPSTANCA, METODA ELEKTRONSKOG BILANSA, ELEKTRONSKE JEDNAČINE.
1. Napravite elektronsku vagu za svaku OVR jednačinu datu u tekstu § 1 ovog poglavlja.
2. Sastavite jednačine OVR-a koje ste otkrili pri ispunjavanju zadatka iz § 1 ovog poglavlja. Ovaj put koristite metodu elektronskog balansa da postavite kvote. 3. Koristeći metodu elektronske ravnoteže, napravite jednačine reakcije koje odgovaraju sljedećim šemama: a) Na + I 2 NaI;
b) Na + O 2 Na 2 O 2;
c) Na 2 O 2 + Na Na 2 O;
d) Al + Br 2 AlBr 3;
e) Fe + O 2 Fe 3 O 4 ( t);
e) Fe 3 O 4 + H 2 FeO + H 2 O ( t);
g) FeO + O 2 Fe 2 O 3 ( t);
i) Fe 2 O 3 + CO Fe + CO 2 ( t);
j) Cr + O 2 Cr 2 O 3 ( t);
l) CrO 3 + NH 3 Cr 2 O 3 + H 2 O + N 2 ( t);
m) Mn 2 O 7 + NH 3 MnO 2 + N 2 + H 2 O;
m) MnO 2 + H 2 Mn + H 2 O ( t);
n) MnS + O 2 MnO 2 + SO 2 ( t)
p) PbO 2 + CO Pb + CO 2 ( t);
c) Cu 2 O + Cu 2 S Cu + SO 2 ( t);
t) CuS + O 2 Cu 2 O + SO 2 ( t);
y) Pb 3 O 4 + H 2 Pb + H 2 O ( t).
9.3. egzotermne reakcije. Entalpija
Zašto dolazi do hemijskih reakcija?
Da bismo odgovorili na ovo pitanje, prisjetimo se zašto se pojedinačni atomi spajaju u molekule, zašto se ionski kristal formira od izoliranih iona, zašto princip najmanje energije djeluje prilikom formiranja elektronske ljuske atoma. Odgovor na sva ova pitanja je isti: zato što je energetski blagotvoran. To znači da se energija oslobađa tokom takvih procesa. Čini se da bi se kemijske reakcije trebale odvijati iz istog razloga. Zaista, mogu se izvesti mnoge reakcije tokom kojih se oslobađa energija. Energija se oslobađa, obično u obliku topline.
Ako toplina nema vremena da se ukloni tokom egzotermne reakcije, tada se reakcioni sistem zagrijava.
Na primjer, u reakciji sagorijevanja metana
CH 4 (g) + 2O 2 (g) \u003d CO 2 (g) + 2H 2 O (g)
oslobađa se toliko toplote da se metan koristi kao gorivo.
Činjenica da se toplina oslobađa u ovoj reakciji može se odraziti u jednadžbi reakcije:
CH 4 (g) + 2O 2 (g) \u003d CO 2 (g) + 2H 2 O (g) + Q.
Ova tzv termohemijska jednačina. Ovdje je simbol "+ Q" znači da kada se sagori metan, oslobađa se toplota. Ova toplota se zove termičkog efekta reakcije.
Odakle dolazi toplota koja se oslobađa?
Znate da se u hemijskim reakcijama prekidaju i formiraju hemijske veze. U ovom slučaju se prekidaju veze između atoma ugljika i vodika u molekulima CH4, kao i između atoma kisika u molekulima O2. U tom slučaju nastaju nove veze: između atoma ugljika i kisika u molekulama CO 2 i između atoma kisika i vodika u molekulama H 2 O. Da biste prekinuli veze, potrebno je potrošiti energiju (vidi "energija veze", "energija atomizacije" ), a pri formiranju veza oslobađa se energija. Očigledno, ako su "nove" veze jače od "starih", tada će se više energije osloboditi nego apsorbirati. Razlika između oslobođene i apsorbirane energije je toplinski učinak reakcije.
Toplotni učinak (količina topline) mjeri se u kilodžulima, na primjer:
2H 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2H 2 O (g) + 484 kJ.
Takav rekord znači da će se osloboditi 484 kilodžula toplote ako dva mola vodonika reaguju sa jednim molom kiseonika i formiraju se dva mola gasovite vode (para).
Na ovaj način, u termohemijskim jednadžbama, koeficijenti su numerički jednaki količinama tvari reaktanata i produkta reakcije.
Šta određuje termički efekat svake specifične reakcije?
Termički efekat reakcije zavisi
a) od agregatna stanja polazni materijali i produkti reakcije,
b) o temperaturi i
c) o tome da li se hemijska transformacija dešava pri konstantnoj zapremini ili pri konstantnom pritisku.
Ovisnost toplinskog efekta reakcije o stanju agregacije tvari posljedica je činjenice da su procesi prijelaza iz jednog agregacijskog stanja u drugo (kao i neki drugi fizički procesi) praćeni oslobađanjem ili apsorpcijom topline. Ovo se takođe može izraziti termohemijskom jednačinom. Primjer je termohemijska jednadžba kondenzacije vodene pare:
H 2 O (g) \u003d H 2 O (g) + Q.
U termokemijskim jednadžbama, a po potrebi i u običnim kemijskim jednadžbama, agregatna stanja tvari se označavaju slovnim indeksima:
(d) - gas,
(g) - tečnost,
(t) ili (cr) je čvrsta ili kristalna supstanca.
Ovisnost toplinskog efekta o temperaturi povezana je s razlikama u toplinskim kapacitetima
početni materijali i produkti reakcije.
Budući da se kao rezultat egzotermne reakcije pri konstantnom pritisku volumen sistema uvijek povećava, dio energije se troši na rad povećanja volumena, a oslobođena toplina bit će manja nego u slučaju iste reakcije. pri konstantnoj zapremini.
Toplotni efekti reakcija se obično izračunavaju za reakcije koje se odvijaju pri konstantnoj zapremini na 25 °C i označavaju se simbolom Q o.
Ako se energija oslobađa samo u obliku topline, i hemijska reakcija teče konstantnom zapreminom, tada se termički efekat reakcije ( QV) je jednako promjeni unutrašnja energija(D U) supstance koje učestvuju u reakciji, ali sa suprotnim predznakom:
Q V = - U.
Pod unutrašnjom energijom tijela podrazumijeva se ukupna energija međumolekularnih interakcija, kemijskih veza, energija jonizacije svih elektrona, energija veze nukleona u jezgrima i sve druge poznate i nepoznate vrste energije koje ovo tijelo „pohranjuje“. Znak "-" je zbog činjenice da kada se toplina oslobodi, unutrašnja energija se smanjuje. To je
U= – QV .
Ako se reakcija odvija pri konstantnom pritisku, tada se volumen sistema može promijeniti. Dio unutrašnje energije također se troši na rad na povećanju volumena. U ovom slučaju
U = -(Q P + A) = –(Q P + PV),
gdje Qp je toplotni efekat reakcije koja se odvija pri konstantnom pritisku. Odavde
Q P = - U-PV .
Vrijednost jednaka U+PV je imenovan promjena entalpije i označeno sa D H.
H=U+PV.
Shodno tome
Q P = - H.
Dakle, kada se toplota oslobodi, entalpija sistema se smanjuje. Otuda i stari naziv za ovu količinu: "sadržaj toplote".
Za razliku od termičkog efekta, promjena entalpije karakterizira reakciju, bez obzira da li se odvija pri konstantnom volumenu ili konstantnom pritisku. Termohemijske jednadžbe napisane promjenom entalpije nazivaju se termohemijske jednadžbe u termodinamičkom obliku. U ovom slučaju data je vrijednost promjene entalpije u standardnim uslovima (25°C, 101,3 kPa), označena H o. Na primjer:
2H 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2H 2 O (g) H o= – 484 kJ;
CaO (cr) + H 2 O (l) \u003d Ca (OH) 2 (cr) H o= - 65 kJ.
Ovisnost količine topline oslobođene u reakciji ( Q) od termičkog efekta reakcije ( Q o) i količinu supstance ( n B) jedan od učesnika u reakciji (supstanca B - početna tvar ili produkt reakcije) izražava se jednadžbom:
Ovdje je B količina supstance B, data koeficijentom ispred formule supstance B u termohemijskoj jednačini.
Zadatak
Odredite količinu vodonikove tvari koja je izgorjela u kisiku ako je oslobođeno 1694 kJ topline.
Rješenje
2H 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2H 2 O (g) + 484 kJ. |
|
|
Q = 1694 kJ, 6. Toplotni efekat reakcije interakcije kristalnog aluminijuma sa gasovitim hlorom je 1408 kJ. Zapišite termokemijsku jednačinu za ovu reakciju i odredite masu aluminija potrebnu za proizvodnju 2816 kJ topline pomoću ove reakcije. 9.4. endotermne reakcije. Entropija Pored egzotermnih reakcija moguće su i reakcije u toku kojih se toplota apsorbuje, a ako se ona ne dovede, onda se reakcioni sistem hladi. Takve reakcije se nazivaju endotermni. Toplotni učinak takvih reakcija je negativan. Na primjer: Dakle, energija koja se oslobađa prilikom formiranja veza u produktima ovih i sličnih reakcija je manja od energije potrebne za razbijanje veza u polaznim materijalima.
Uzmimo dvije tikvice i jednu od njih napunimo dušikom (bezbojni plin), a drugu dušikovim dioksidom (smeđi plin) tako da tlak i temperatura u tikvicama budu isti. Poznato je da ove tvari ne ulaze u kemijsku reakciju jedna s drugom. Čvrsto spojimo tikvice sa njihovim vratovima i postavimo ih okomito, tako da boca sa težim dušikovim dioksidom bude na dnu (sl. 9.1). Nakon nekog vremena vidjet ćemo da se smeđi dušikov dioksid postepeno širi u gornju tikvicu, a bezbojni dušik prodire u donju. Kao rezultat, plinovi se miješaju, a boja sadržaja tikvica postaje ista. Na ovaj način,
Jednačine odnosa između entropije ( S) i druge veličine se izučavaju u predmetima fizike i fizičke hemije. Entropijska jedinica [ S] = 1 J/K. G= H-T S Uslov za spontanu pojavu reakcije: G< 0. Na niskim temperaturama faktor koji u većoj mjeri određuje mogućnost reakcije je faktor energije, a na visokim temperaturama entropijski. Iz gornje jednadžbe, posebno, jasno je zašto reakcije raspadanja koje se ne dešavaju na sobnoj temperaturi (entropija raste) počinju da se odvijaju na povišenoj temperaturi. ENDOTERMIČKA REAKCIJA, ENTROPIJA, ENERGETSKI FAKTOR, ENTROPIJA FAKTOR, GIBBSOVA ENERGIJA. 2CuO (cr) + C (grafit) \u003d 2Cu (cr) + CO 2 (g) je -46 kJ. Zapišite termohemijsku jednačinu i izračunajte koliko energije trebate potrošiti da dobijete 1 kg bakra u takvoj reakciji. CaCO 3 (cr) \u003d CaO (cr) + CO 2 (g) - 179 kJ Nastalo je 24,6 litara ugljičnog dioksida. Odredite koliko je topline beskorisno potrošeno. Koliko je grama kalcijum oksida nastalo u ovom slučaju? |
Koncept "složene reakcije" je antonim pojma "reakcija razlaganja". Pokušajte, koristeći tehniku opozicije, definirati pojam "složene reakcije". Tačno! Imate sljedeću formulaciju.
Razmotrimo ovu vrstu reakcija uz pomoć još jednog, za vas novog, oblika snimanja hemijskih procesa - takozvanih lanaca prelaza, odnosno transformacija. Na primjer, shema
prikazuje konverziju fosfora u fosforov oksid (V) P 2 O 5 , koji se zatim pretvara u fosfornu kiselinu H 3 PO 4 .
Broj strelica u shemi transformacije tvari odgovara minimalnom broju kemijskih transformacija - kemijskih reakcija. U ovom primjeru, to su dva hemijska procesa.
1. proces. Dobijanje fosfor-oksida (V) R 2 O 5 iz fosfora. Očigledno, ovo je reakcija kombinacije fosfora s kisikom.
Stavimo malo crvenog fosfora u kašičicu za goreće tvari i zapalimo je. Fosfor gori jakim plamenom, stvarajući bijeli dim koji se sastoji od malih čestica fosforovog (V) oksida:
4P + 5O 2 \u003d 2P 2 O 5.
2. proces. Stavimo kašiku zapaljenog fosfora u tikvicu. Ispunjena je gustim dimom od fosfornog oksida (V). Iz tikvice izvadimo kašiku, u tikvicu ulijemo vodu i protresemo sadržaj, nakon što zatvorimo vrat tikvice čepom. Dim se postepeno razrjeđuje, rastvara u vodi i na kraju potpuno nestaje. Ako se otopini dobivenoj u tikvici doda malo lakmusa, ona će pocrvenjeti, što je dokaz stvaranja fosforne kiseline:
P 2 O 5 + ZN 2 O \u003d 2H 3 RO 4.
Reakcije koje se provode za izvođenje razmatranih prijelaza odvijaju se bez sudjelovanja katalizatora, stoga se nazivaju nekatalitičkim. Gore razmatrane reakcije se odvijaju samo u jednom smjeru, tj. nepovratne su.
Analizirajmo koliko i kojih supstanci je ušlo u navedene reakcije i koliko i kojih supstanci je u njima nastalo. U prvoj reakciji nastala je jedna složena tvar od dvije jednostavne tvari, a u drugoj - od dvije složene tvari, od kojih se svaka sastoji od dva elementa, nastala je jedna složena tvar koja se već sastoji od tri elementa.
Jedna složena supstanca može nastati i kao rezultat reakcije kombinacije složenih i jednostavnih supstanci. Na primjer, u proizvodnji sumporne kiseline iz sumpor-oksida (IV), dobija se sumpor-oksid (VI):
Ova reakcija teče kako u smjeru naprijed, tj. formiranjem produkta reakcije, tako i u suprotnom smjeru, tj. produkt reakcije se raspada na početne tvari, pa umjesto znaka jednakosti stavljaju predznak reverzibilnosti .
Ova reakcija uključuje katalizator - vanadijev (V) oksid V 2 O 5, koji je naznačen iznad znaka reverzibilnosti:
Kompleksna tvar se također može dobiti u reakciji kombinacije triju tvari. Na primjer, dušična kiselina se dobiva reakcijom čija je shema:
NO 2 + H 2 O + O 2 → HNO 3.
Razmislite kako odabrati koeficijente za izjednačavanje sheme ove kemijske reakcije.
Broj atoma dušika ne treba izjednačavati: i u lijevom i u desnom dijelu sheme, po jedan atom dušika. Izjednačite broj atoma vodika - ispred formule kiseline upisujemo koeficijent 2:
NO 2 + H 2 O + O 2 → 2HNO 3.
ali u ovom slučaju će biti narušena jednakost broja atoma dušika - jedan atom dušika ostaje na lijevoj strani, a dva su na desnoj. Zapisujemo koeficijent 2 ispred formule za dušikov oksid (IV):
2NO 2 + H 2 O + O 2 → 2HNO 3.
Izbrojimo broj atoma kisika: sedam ih je na lijevoj strani sheme reakcije, a šest na desnoj strani. Da biste izjednačili broj atoma kisika (šest atoma u svakom dijelu jednadžbe), zapamtite da prije formula jednostavnih supstanci možete napisati razlomni koeficijent 1/2:
2NO 2 + H 2 O + 1/2O 2 → 2HNO 3 .
Napravimo koeficijente cijelim brojevima. Da bismo to učinili, prepisujemo jednačinu udvostručavanjem koeficijenata:
4NO 2 + 2N 2 O + O 2 → 4HNO 3.
Treba napomenuti da su gotovo sve složene reakcije egzotermne reakcije.
Laboratorijski eksperiment br. 15
Kalcinacija bakra u plamenu alkoholne lampe
- Razmotrite bakarnu žicu (ploču) koju ste dobili i opišite je izgled. Zapalite žicu, držeći je kleštima za lončić, u gornjem dijelu plamena lampe 1 minut. Opišite uslove za reakciju. Opišite znak koji potvrđuje da je došlo do hemijske reakcije. Napišite jednačinu za reakciju. Navedite početne materijale i produkte reakcije.
Objasnite da li se masa bakarne žice (ploče) promijenila nakon završetka eksperimenta. Svoj odgovor obrazložite poznavanjem zakona održanja mase tvari.
Ključne riječi i fraze
- Kombinacijske reakcije su antonimi za reakcije razlaganja.
- Katalitičke (uključujući enzimske) i nekatalitičke reakcije.
- Lanci prelaza, ili transformacija.
- Reverzibilne i ireverzibilne reakcije.
Rad sa računarom
- Pogledajte elektronsku aplikaciju. Proučite materijal lekcije i dovršite predložene zadatke.
- Pretražujte na Internetu adrese e-pošte koje mogu poslužiti kao dodatni izvori koji otkrivaju sadržaj ključnih riječi i fraza pasusa. Ponudite učitelju svoju pomoć u pripremi nove lekcije – napravite izvještaj o ključnim riječima i frazama sljedećeg pasusa.
Pitanja i zadaci
1. Koje reakcije se nazivaju reakcijama razmjene? Po čemu se razlikuju od reakcija kombinacije, razgradnje i supstitucije?
Reakcije razmjene su reakcije u kojima dvije složene supstance izmjenjuju svoje sastavne dijelove. Dakle, složene tvari nastaju od složenih tvari. Dok u reakcijama razgradnje iz jedne složene supstance nastaje više jednostavnih ili složenih supstanci, u složenim reakcijama jedna složena supstanca nastaje iz više jednostavnih ili složenih supstanci, u reakcijama supstitucije jedna složena i jedna jednostavna supstanca nastaje od jedne jednostavne i jedne kompleksna supstanca.
2. Može li se tvrditi da je interakcija karbonatnog rastvora bilo kojeg metala i kiseline samo reakcija izmjene? Zašto?
3. Napišite jednadžbe za reakcije razmjene između rješenja:
a) kalcijum hlorid i natrijum fosfat;
b) sumporna kiselina i gvožđe (III) hidroksid. 
4. Koja od reakcija razmene, čije šeme 
će trčati do kraja? Za odgovor koristite tablicu rastvorljivosti hidroksida i soli u vodi. 
5. Odredite količinu supstance natrijum hidroksida koja će biti potrebna za potpunu neutralizaciju 980 g 30% rastvora fosforne kiseline. 
6. Izračunajte količinu supstance i masu taloga nastalog tokom interakcije 980 g 20% rastvora bakar (II) sulfata sa potrebnom količinom kalijum hidroksida. 
Reakcije veze (formiranje jedne složene supstance iz nekoliko jednostavnih ili složenih supstanci) A + B \u003d AB
Reakcije razgradnje (razlaganje jedne složene supstance na nekoliko jednostavnih ili složenih supstanci) AB \u003d A + B
Reakcije supstitucije (između jednostavnih i složenih tvari, u kojima atomi jednostavne tvari zamjenjuju atome jednog od elemenata u složenoj tvari): AB + C \u003d AC + B
Reakcije razmjene (između dvije složene tvari u kojima tvari razmjenjuju svoje sastavne dijelove) AB + SD \u003d AD + CB
1. Navedite tačnu definiciju složene reakcije:
A. Reakcija stvaranja više supstanci iz jedne jednostavne supstance;
B. Reakcija u kojoj jedna složena supstanca nastaje od nekoliko jednostavnih ili složenih supstanci.
B. Reakcija u kojoj tvari razmjenjuju svoje sastojke.
2. Navedite tačnu definiciju reakcije zamjene:
A. Reakcija između baze i kiseline;
B. Reakcija interakcije dviju jednostavnih supstanci;
B. Reakcija između tvari u kojoj atomi jednostavne tvari zamjenjuju atome jednog od elemenata u složenoj tvari.
3. Navedite tačnu definiciju reakcije razlaganja:
A. Reakcija u kojoj se iz jedne složene supstance formira nekoliko jednostavnih ili složenih supstanci;
B. Reakcija u kojoj tvari razmjenjuju svoje sastojke;
B. Reakcija sa stvaranjem molekula kiseonika i vodonika.
4. Navedite znakove reakcije razmjene:
A. Formiranje vode;
B. Samo stvaranje gasa;
B. Samo padavine;
D. Precipitacija, stvaranje gasa ili formiranje slabog elektrolita.
5. Koja je vrsta reakcija interakcija kiselih oksida sa bazičnim oksidima:
A. Reakcija razmene;
B. Reakcija veze;
B. Reakcija raspadanja;
D. Reakcija supstitucije.
6. Koja je vrsta reakcije interakcija soli sa kiselinama ili bazama:
A. Reakcije supstitucije;
B. Reakcije raspadanja;
B. Reakcije razmjene;
D. Reakcije veze.
7. Supstance čije su formule KNO3 FeCl2, Na2SO4 nazivaju se:
A) soli B) osnova; B) kiseline D) oksidi.
8 . Supstance čije su formule HNO3, HCl, H2SO4 nazivaju se:
9 . Supstance čije su formule KOH, Fe(OH)2, NaOH nazivaju se:
A) soli B) kiseline; B) osnova D) oksidi. 10 . Supstance čije su formule NO2, Fe2O3, Na2O nazivaju se:
A) soli B) kiseline; B) osnova D) oksidi.
11 . Navedite metale koji stvaraju alkalije:
Cu, Fe, Na, K, Zn, Li.
odgovori:
Na, K, Li.
U reakcijama jedinjenja iz više reagujućih supstanci relativno jednostavnog sastava dobija se jedna supstanca složenijeg sastava:
Ove reakcije su po pravilu praćene oslobađanjem toplote, tj. dovode do stvaranja stabilnijih i manje energetski bogatih spojeva.
Reakcije kombinacije jednostavnih supstanci su uvijek redoks prirode. Reakcije veze koje se javljaju između složenih supstanci mogu se odvijati i bez promjene valencije:
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O \u003d Ca (HCO 3) 2,
i biti klasifikovan kao redoks:
2FeCl 2 + Cl 2 = 2FeCl 3.
2. Reakcije razgradnje
Reakcije razgradnje dovode do stvaranja nekoliko spojeva iz jedne složene tvari:
A = B + C + D.
Produkti razgradnje složene tvari mogu biti i jednostavne i složene tvari.
Od reakcija raspadanja koje se odvijaju bez promjene valentnih stanja, treba istaknuti razgradnju kristalnih hidrata, baza, kiselina i soli kiselina koje sadrže kisik:
|
CuSO 4 + 5H 2 O |
|
2H 2 O + 4NO 2 O + O 2 O. |
2AgNO 3 = 2Ag + 2NO 2 + O 2, (NH 4) 2Cr 2 O 7 = Cr 2 O 3 + N 2 + 4H 2 O.
Posebno su karakteristične redoks reakcije razgradnje za soli dušične kiseline.
Reakcije razgradnje u organska hemija nazivaju pucanjem.
C 18 H 38 \u003d C 9 H 18 + C 9 H 20,
ili dehidrogenacija
C 4 H 10 \u003d C 4 H 6 + 2H 2.
3. Reakcije supstitucije
U reakcijama supstitucije, obično jednostavna supstanca stupa u interakciju sa složenom, tvoreći drugu jednostavnu supstancu i još jednu složenu:
A + BC = AB + C.
Ove reakcije u velikoj većini pripadaju redoks reakcijama:
2Al + Fe 2 O 3 \u003d 2Fe + Al 2 O 3,
Zn + 2HCl \u003d ZnCl 2 + H 2,
2KBr + Cl 2 \u003d 2KCl + Br 2,
2KSlO 3 + l 2 = 2KlO 3 + Cl 2.
Izuzetno je malo primjera supstitucijskih reakcija koje nisu praćene promjenom valentnih stanja atoma. Treba napomenuti reakciju silicijum dioksida sa solima kiselina koje sadrže kiseonik, a koje odgovaraju gasovitim ili isparljivim anhidridima:
CaCO 3 + SiO 2 \u003d CaSiO 3 + CO 2,
Ca 3 (RO 4) 2 + ZSiO 2 \u003d ZCaSiO 3 + P 2 O 5,
Ponekad se ove reakcije smatraju reakcijama razmjene:
CH 4 + Cl 2 = CH 3 Cl + Hcl.
4. Reakcije razmjene
Reakcije razmjene su reakcije između dva jedinjenja koja međusobno razmjenjuju svoje sastojke:
AB + CD = AD + CB.
Ako se redoks procesi dešavaju tokom reakcija supstitucije, onda se reakcije razmene uvek dešavaju bez promene valentnog stanja atoma. Ovo je najčešća grupa reakcija između složenih supstanci - oksida, baza, kiselina i soli:
ZnO + H 2 SO 4 \u003d ZnSO 4 + H 2 O,
AgNO 3 + KBr = AgBr + KNO 3,
CrCl 3 + ZNaOH = Cr(OH) 3 + ZNaCl.
Poseban slučaj ovih reakcija razmjene su reakcije neutralizacije:
Hcl + KOH \u003d KCl + H 2 O.
Obično se ove reakcije pridržavaju zakona kemijske ravnoteže i odvijaju se u smjeru gdje se barem jedna od tvari uklanja iz reakcione sfere u obliku plinovite, isparljive tvari, taloga ili spoja niske disocijacije (za otopine):
NaHCO 3 + Hcl \u003d NaCl + H 2 O + CO 2,
Ca (HCO 3) 2 + Ca (OH) 2 \u003d 2CaCO 3 ↓ + 2H 2 O,
CH 3 COONa + H 3 RO 4 \u003d CH 3 COOH + NaH 2 RO 4.