I
.
Реакционная способность веществ
2. Скорость химических реакций.
1. Реакционная способность веществ
Число известных в природе и технике химических процессов очень велико. Одни из них, например, окисление бронзы на воздухе, протекают веками, другие — горение бензина — очень быстро. Разложение же взрывчатых веществ происходит в миллионные доли секунды. При промышленном производстве химических продуктов очень важно знать закономерности протекания реакций во времени, т. е. зависимость их скорости и выхода продукта от температуры, давления, концентрации реагентов и примесей.
Изучением скорости и особенностей протекания химических реакций занимается химическая кинетика. Основополагающим для химической кинетики является представление о том, что исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточные вещества. Число последовательных стадий может быть очень велико — в цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Время жизни промежуточных веществ весьма разнообразно: одни вполне стабильны, другие существуют в равновесном состоянии доли секунды. Изучение скорости протекания химических процессов показало, что химические реакции протекают тем быстрее, чем выше температура, давление и концентрация реагентов.
На скорость некоторых химических реакций можно влиять присутствием небольшого количества определенных веществ, которые сами в реакции участия не принимают. Вещества эти называются катализаторами. Катализаторы бывают положительными, ускоряющими реакцию, и отрицательными — замедляющими ее. Каталитическое ускорение химической реакции называется катализом и является приемом современной химической технологии (производство полимерных материалов, синтетического топлива и др.). Считается, что удельный вес каталитических процессов в химической промышленности достигает 80%. Благодаря катализу существенно повысилась эффективность экономики химической промышленности, поскольку ускорение химических реакций заметно влияет на снижение издержек производства.
металлы (Au, Pt) и инертные газы (Не, Ar, Kr, Xe) химически инертны, т. е. у них низкая Реакционная способность; щелочные металлы (Li, Na, К, Cs) и галогены (F, Cl, Вг, I) химически активны, т. е. обладают высокой Реакционная способность В органической химии насыщенные углеводороды характеризуются низкой Реакционная способность, для них возможны немногочисленные реакции (радикальное галогенирование и нитрование, дегидрирование, деструкция с разрывом С—С-связей и некоторые др.), происходящие в жёстких условиях (высокая температура, ультрафиолетовое облучение). Для галогенопроизводных насыщенных углеводородов уже возможны, кроме того, реакции дегидрогалогенирования, нуклеофильного замещения галогена, образования магнийорганических соединений и др., происходящие в мягких условиях. Наличие в молекуле двойных и тройных связей, функциональных групп (гидроксильной —ОН, карбоксильной —СООН, аминогруппы —NH2 и др.) приводит к дальнейшему увеличению Реакционная способность Количественно Реакционная способность выражают константами скоростей реакций (см. Кинетика химическая) или константами равновесия в случае обратимых процессов (см. Равновесие химическое). Современные представления о Реакционная способность основаны на электронной теории валентности (см. Валентность) и на рассмотрении распределения (и смещения под действием реагента) электронной плотности в молекуле. Электронные смещения качественно описываются в терминах индуктивных и мезомерных эффектов (см. Мезомерия), количественно — с применением квантовомеханических расчётов (см. Квантовая химия). Главный фактор, определяющий относительную Реакционная способность в ряду родственных соединений, — строение молекулы: характер заместителей, их электронное и пространственное влияние на реакционный центр (см. Пространственные затруднения), геометрия молекул (см. Конфигурация молекул, Конформация). Реакционная способность зависит и от условий реакции (природы среды, присутствия катализаторов или ингибиторов, давления, температуры, облучения и т.п.). Все эти факторы оказывают на скорость реакций различное, а иногда противоположное влияние в зависимости от механизма данной реакции. Количественная связь между константами скорости (или равновесия) в пределах одной реакционной серии может быть представлена корреляционными уравнениями, описывающими изменения констант в зависимости от изменения какого-либо параметра (например, эффекта заместителя — уравнение Гаммета — Тафта, полярности растворителя — уравнение Брёнстеда и т.п.). См. также Реакции химические,Обратимые и необратимые реакции,Скорость химической реакции,Активированный комплекс,Катализ,Ориентации правила,Электронные теории в органической химии,Радикалы свободные.
В зависимости от характера распределения электронной плотности в молекуле различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.
Универсальный тип химической связи – ковалентная (гомеополярная) связь, которая возникает в результате обобществления валентных электронов парой соседних атомов. Эта связь является причиной сосуществования молекул простых газов (Н2, Сℓ2 и пр.), различных соединений (Н2О, NH3 и др.), многочисленных органических молекул (СН4, Н3С – СН3 и т. п.), а также атомных кристаллов (фосфор, сера, графит и др.). Если химическая связь осуществляется между двумя одинаковыми атомами, она называется неполярной (например, N2, О2, атомы полупроводников Ge, Si и др.), в противном случае – полярной (к примеру, НСℓ).
В предельном случае полярности, когда электронные облака взаимодействующих атомов настолько разделены, что можно говорить об образовании катионов и анионов, имеет место ионная связь, которая осуществляется за счет кулоновского притяжения разноименно заряженных ионов (например, NaСℓ, CaF2, нитриты, сульфиты, фосфаты и другие соли металлов).
По традиции к химическим связям относят также металлическую и водородную связи, хотя они отражают специфику химических объектов и агрегатных состояний, а не действующих сил.
10.5. Реакционная способность веществ. Химические реакции
Реакционная способность вещества – это его химическая активность. Примером является восстановительная способность, когда вещество отдает электроны, и окислительная способность, когда вещество присоединяет электроны. Восстановительной способностью обладают металлы, окислительной – неметаллы.
Различают химические реакции замещения, разложения, соединения, обмена.
Примеры химических реакций:
а) реакция замещения: б) реакция разложения: при нагревании
2HgNO3+Fe=Fe(NO3)2+2Hg CaCO3 =t CaO + CO2
сложное простое г) реакция обмена:
в) реакция соединения: HСℓ + KOH = KСℓ + H2O
S + O2 = SO2 сложное простое
2.
Скорость химических реакций. Современный катализ
Скорость химических реакций определяется количеством вещества, прореагировавшего в единицу времени в единице объема. Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ и условий, в которых реакция протекает. Важнейшим из них является концентрация, температура и присутствие катализатора. Катализатор – это вещество, изменяющее скорость химической реакции, но которое не входит в состав конечных продуктов. Катализ – ускорение химической реакции в присутствии катализаторов.
Каталитические процессы можно классифицировать с учетом их физической и химической природы. В гетерогенном катализе химическая реакция совершается в поверхностных слоях на границе раздела твердого тела и газообразной или жидкой смеси реагентов. Гомогенный катализ происходит либо в газовой смеси, либо в жидкости, где растворены как катализатор, так и реагенты. В электрокатализе реакция протекает на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока. При этом, в отличие от гетерогенного катализа здесь есть возможность управлять процессом при изменение силы электрического тока. В фотокатализе химическая реакция может происходить на поверхности твердого тела (в том числе и на поверхности электрода) или в жидком растворе и стимулирует её энергия поглощенного излучения. Ферментативному катализу присущи свойства как гетерогенного, так и гомогенного катализа. Ферменты – большие белковые структуры способные удерживать молекулы реагента в ожидании реакции. Кроме того, фермент собирает подходящее химическое окружение, катализирующее нужную реакцию.
3. Обратимые и необратимые химические реакции
Реакция называется необратимой, если в результате образуются газ, осадок или слабодиссицирующие вещество, например, вода. Например, реакция: HСℓ + NaOH = NaСℓ + H2O.
Химическая реакция не всегда «доходит до конца», другими словами, исходные вещества не всегда полностью превращаются в продукты реакции. Это происходит потому, что по мере накопления продуктов реакции могут создаваться условия для протекания реакции в противоположенном направлении.
Химические реакции, которые могут идти и в противоположенных направлениях, называются обратимыми. Например, реакция получения аммиака: N2(t) + 3H2(t) 2NH3
Состояние, в котором скорость обратной реакции становится равной скорости прямой реакции, называется химическим равновесием.
Принцип Ле Шателье
Состояния химического равновесия при неизменных внешних условиях могут сохраняться бесконечно долго. В реальной действительности при изменении температуры, давления или концентрации реагентов «равновесие» может сместиться в ту или иную сторону.
Согласно принципу Ле Шателье внешнее воздействие на систему, находящуюся в равновесии, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабляется. Таким образом, внешнее воздействие на систему изменяет соотношение между скоростями прямого и обратного процесса, благопрепятствуя тому из них, который противодействует внешнему влиянию. Например, в реакции получения аммиака, чтобы увеличить выход продукта (аммиака) надо увеличить давление. При этом равновесие нарушается – увеличивается скорость прямой реакции.
Тепловой эффект реакции
Для каждого химического соединения теплота разложения равна теплоте его образования, но имеет противоположенный знак. Так при разложении 1 моля метана на углерод и водород поглощается 49 кДж теплоты:
CH4 C + 2H2 – 49 кДж;
А при соединении углерода и водорода выделяется 49 кДж теплоты:
C + 2H2 CH4 + 49 кДж.
10.6. Методы качественного и количественного анализа
Определение характеристик атомных и молекулярных частиц (их структуры и состава) в аналитической химии называют качественным анализом, а измерение их относительного содержания – количественным анализом. Новые методы качественного и количественного анализа основываются на последних достижениях различных областей естествознания и в первую очередь физики. Методы аналитической химии широко применяются во многих отраслях: в химии, медицине, сельском хозяйстве, геологии, экологии и т. п.
|
