План урока:

Классификация химических реакций

Скорость химической реакции

Роль воды в химических реакциях

Классификация химических реакций

Существует несколько признаков классификации химических реакций.

По изменению степени окисления

Все взаимодействия подразделяются на те, в которых степень окисления меняется (ОВР), и на те, в которых она постоянна.

По количеству и структуре исходных и образующихся веществ

Химические реакции подразделяют на несколько типов реакций:

• соединения (из нескольких соединений синтезируется одно вещество – А + В = АВ);
• разложения (из одного вещества образуется несколько соединений – АВ = А + В);
• замещения (протекает между простым и сложным веществом, причем атом простого вещества замещает один элемент в сложном – А + ВС = АВ + С);
• обмена (сложные вещества обмениваются между собой элементами – АВ + СД = АД + СВ).

По выделению или поглощению теплоты

Химические взаимодействия могут проходить как с выделением, так и с поглощением тепла. Количество теплоты определяется как тепловой эффект. Химические взаимодействия классифицируют на два вида:

• экзотермические(с выделением теплоты);
• эндотермические(с поглощением теплоты).

Теплота образования – количество теплоты при образовании одного моля вещества. При образовании воды из 2 г водорода (1 моль) и 16 г кислорода (0,5 моль)теплота образования одного моля равна 285,8 кДж.

Н₂ + 1/2 О₂→ Н₂О + 285,8 кДж

Теплота сгорания – количество теплоты, выделяемое при сгорании одного моля. При образовании ацетилена теплота сгорания равна 1300 кДж.

С₂Н₂ + 2 ½ О₂→ Н₂О + 2 СО₂ + 1300 кДж

Теплоту образования и сгорания невозможно найти с помощью формул, т.к. это справочные данные.

По направлению

Химические взаимодействия по признаку обратимости классифицируются на два типа:

• необратимые(проходят до конца, т.е. до абсолютного израсходования одного из реагирующих веществ);
• обратимые(протекают во взаимно противоположных направлениях).

К условиям необратимости химических реакций относятся:

• выделение осадка;
• выделение газа;
• образование малодиссоциирующего соединения.

Обратимость создает множество проблем на химическом производстве. Поэтому приходится создавать специальные условия для увеличения выхода продукта.

Скорость химической реакции

Скорость химической реакции выражается в изменении концентрации вещества за определенный промежуток времени в фиксированном объеме системы. Раздел химии, изучающий скорость химических взаимодействий и ее зависимость от различных условий, называется химической кинетикой. Все взаимодействия веществ протекают с разной скоростью. Например, 0,5 мм сталактитов нарастает за 100 лет. Также медленно протекает коррозия металлов.

Сталактит

Реакции со средней скоростью проходят в течение нескольких часов. Примером может служить приготовление пищи, сопровождающееся разложением и превращением соединений, содержащихся в продуктах.

Реакции нейтрализации протекают с высокой скоростью и бывают опасными. Некоторые реакции проходят молниеносно  и сопровождаются взрывом (взаимодействие калия или натрия с водой).

Гомогенные реакции

В гомогенных системах все частицы реагируют с одинаковой скоростью во всем объеме, а в гетерогенных – только на поверхности. Например, при горении угля кислород реагирует только с теми углеродными атомами, которые находятся на поверхности. Если уголь измельчить, то реакция идет быстрее.

Допустим, что уравнение гомогенной химической реакции выглядит следующим образом.

А + В → С + D

Концентрация вещества А в некоторый момент времени (t₁) составляет С₁. По мере расходования (t₂) вещества А его концентрация станет меньше С₂. Тогда скорость можно определить по следующей формуле:

Скорость можно найти только в данный момент времени.

Гетерогенные реакции

В гетерогенных реакциях скорость не выражают через концентрацию, т.к. вещества реагируют не в объеме системы, а только на поверхности. Скорость определяется числом молей веществ, вступивших в реакцию или образовавшихся в единицу времени на единице поверхности. Площадь соприкосновения постоянно меняется, поэтому расчеты специфичны.

Катализаторы

В ускорении химической реакции главную роль играют катализаторы. Взаимодействие, протекающее с катализаторами, называется катализом. Замедление достигается с помощью ингибиторов. Такие реакции называются ингибированием.

Катализаторы используются как в гетерогенных, так и в гомогенных средах. С помощью катализаторов образуются промежуточные соединения. Например, при получении этанола из этилена используются катализаторы (серная кислота). Этилен не реагирует с водой, но с серной кислотой химическое взаимодействие протекает следующим образом:

СН₂=СН₂ + Н-О-SO₂-ОН → СН₃-СН₂-О-SO₂-ОН

Полученное соединение реагирует с водой:

СН₃-СН₂-О-SO₂-ОН + НОН →СН₃-СН₂-ОН + НО-SO₂-ОН

Этилсульфат – промежуточное соединение, которое увеличивает скорость химических взаимодействий.

Многие каталитические реакции протекают в гетерогенной среде. Например, серную кислоту на производстве получают с помощью окисления оксида серы (VI). В качестве катализатора используется измельченный оксид ванадия (V) V₂O₅. Каталитические свойства химической реакции увеличиваются в измельченном состоянии только в том случае, если вещество пористое. Роль адсорбции в гетерогенных реакциях велика по двум причинам:

• адсорбированные молекулы реагирующих веществ тесно соприкасаются;
• притяжение реагирующих молекул к поверхности катализатора ослабляет существующие в них химические связи.

Повышение температуры – обязательное условие активирования молекулы, т.к. химические связи начинают рваться. Катализаторы позволяют увеличивать скорость даже при низких температурах.

На скорость химических реакций влияет множество факторов.

• Природа веществ

Различные металлы реагируют с одними и теми же веществами с разной скоростью. Сущность взаимодействий металлов с водой заключается в том, что металлические атомы отдают электроны. Атомы калия обладают большим атомным радиусом по сравнению с атомами натрия. Поэтому калий легче отдает электроны.

• Концентрация

Каждая реакция сопровождается столкновением молекул друг с другом. Чем больше концентрация, тем чаще молекулы взаимодействуют между собой. Например, углерод горит быстрее в чистом кислороде, чем на воздухе.

• Поверхность реагирующих веществ

При измельчении веществ площадь реагирования возрастает и реакция протекает быстрее. Например, сера и железа интенсивно реагируют друг с другом при предварительном измельчении и перемешивании.

• Температура

Большинство реакций при нагревании протекают быстрее. При столкновении реагируют только те молекулы, которые обладают достаточной кинетической энергией. При повышении температуры доля активных молекул возрастает.

• Катализатор и ингибитор

Катализатор – вещество, увеличивающее скорость, а ингибитор – уменьшающее. Бертолетовая соль быстрее разлагаются в присутствии оксида марганца (IV). При добавлении ингибитора соляная кислота не реагирует с металлами.

Роль воды в химических реакциях

Вода – уникальное вещество, которое может играть разные роли:

• реакционной среды;
• фактора диссоциации;
• катализатора;
• реагента;
• транспорта веществ.

Большая часть химических взаимодействий протекает в водной среде. По растворимости все вещества делятся на несколько групп:

• растворимые (в 100 г воды растворяется более 1 г вещества) – гидроксиды щелочных металлов, низшие спирты, моносахариды и др.;
• малорастворимые (в 100 г воды растворяется 0,1-1 г) – гидроксид кальция, фторид бария, сульфаты серебра и свинца и др.;
• практические нерастворимые (вещество не растворяется в любом объеме воды) – фосфаты и карбонаты, высшие спирты и др.

Растворимость невозможно определить с помощью формулы. С ней можно ознакомиться только в таблице растворимости.

Растворение – результат диффузии. Химические реакции взаимодействия с водой называются гидратацией. В результате образуются водные растворы – гомогенные системы, состоящие из молекул воды, частиц растворенного вещества и продуктов их взаимодействия. Этой точки зрения придерживался создатель периодической системы Дмитрий Иванович Менделеев.

Химические реакции зарождали планету миллиарды лет назад и до сих пор продолжают служить обязательным компонентом жизни. Они не прекращают действовать ни на минуту. Внутри человека каждую секунду протекают химические взаимодействия, также как и вне организма.