Классификация химических реакций. Исходные вещества активированный комплекс продукты реакции

27.09.2019

Классификация химических реакций по числу и составу исходных и образующихся веществ

Согласно этой классификации, химические реакции подразделяются на реакции соединения, разложения, замещения, обмена.

В результате реакций соединения из двух или более (сложных или простых) веществ образуется одно новое вещество. В общем виде уравнение такой химической реакции будет выглядеть следующим образом:

Например:

СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Са(НСО 3) 2

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4

2Mg + O 2 = 2MgO.

2FеСl 2 + Сl 2 = 2FеСl 3

Реакции соединения в большинстве случаев экзотермические, т.е. протекают с выделением тепла. Если в реакции участвуют простые вещества, то такие реакции чаще всего являются окислительно-восстановительными (ОВР), т.е. протекают с изменением степеней окисления элементов. Однозначно сказать будет ли реакция соединения между сложными веществами относиться к ОВР нельзя.

Реакции, в результате которых из одного сложного вещества образуется несколько других новых веществ (сложных или простых) относят к реакциям разложения . В общем виде уравнение химической реакции разложения будет выглядеть следующим образом:

Например:

CaCO 3 CaO + CO 2 (1)

2H 2 O =2H 2 + O 2 (2)

CuSO 4 × 5H 2 O = CuSO 4 + 5H 2 O (3)

Cu(OH) 2 = CuO + H 2 O (4)

H 2 SiO 3 = SiO 2 + H 2 O (5)

2SO 3 =2SO 2 + O 2 (6)

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 = Cr 2 O 3 + N 2 +4H 2 O (7)

Большинство реакций разложения протекает при нагревании (1,4,5). Возможно разложение под действием электрического тока (2). Разложение кристаллогидратов, кислот, оснований и солей кислородсодержащих кислот (1, 3, 4, 5, 7) протекает без изменения степеней окисления элементов, т.е. эти реакции не относятся к ОВР. К ОВР реакциям разложения относится разложение оксидов, кислот и солей, образованных элементами в высших степенях окисления (6).

Реакции разложения встречаются и в органической химии, но под другими названиями — крекинг (8), дегидрирование (9):

С 18 H 38 = С 9 H 18 + С 9 H 20 (8)

C 4 H 10 = C 4 H 6 + 2H 2 (9)

При реакциях замещения простое вещество взаимодействует со сложным, образуя новое простое и новое сложное вещество. В общем виде уравнение химической реакции замещения будет выглядеть следующим образом:

Например:

2Аl + Fe 2 O 3 = 2Fе + Аl 2 О 3 (1)

Zn + 2НСl = ZnСl 2 + Н 2 (2)

2КВr + Сl 2 = 2КСl + Вr 2 (3)

2КСlO 3 + l 2 = 2KlO 3 + Сl 2 (4)

СаСО 3 + SiO 2 = СаSiO 3 + СО 2 (5)

Са 3 (РО 4) 2 + ЗSiO 2 = ЗСаSiO 3 + Р 2 О 5 (6)

СН 4 + Сl 2 = СН 3 Сl + НСl (7)

Реакции замещения в своем большинстве являются окислительно-восстановительными (1 – 4, 7). Примеры реакций разложения, в которых не происходит изменения степеней окисления немногочисленны (5, 6).

Реакциями обмена называют реакции, протекающие между сложными веществами, при которых они обмениваются своими составными частями. Обычно этот термин применяют для реакций с участием ионов, находящихся в водном растворе. В общем виде уравнение химической реакции обмена будет выглядеть следующим образом:

АВ + СD = АD + СВ

Например:

CuO + 2HCl = CuCl 2 + H 2 O (1)

NaOH + HCl = NaCl + H 2 O (2)

NаНСО 3 + НСl = NаСl + Н 2 О + СО 2 (3)

AgNО 3 + КВr = АgВr ↓ + КNО 3 (4)

СrСl 3 + ЗNаОН = Сr(ОН) 3 ↓+ ЗNаСl (5)

Реакции обмена не являются окислительно-восстановительными. Частный случай этих реакций обмена -реакции нейтрализации (реакции взаимодействия кислот со щелочами) (2). Реакции обмена протекают в том направлении, где хотя бы одно из веществ удаляется из сферы реакции в виде газообразного вещества (3), осадка (4, 5) или малодиссоциирующего соединения, чаще всего воды (1, 2).

Классификация химических реакций по изменениям степеней окисления

В зависимости от изменения степеней окисления элементов, входящих в состав реагентов и продуктов реакции все химические реакции подразделяются на окислительно-восстановительные (1, 2) и, протекающие без изменения степени окисления (3, 4).

2Mg + CO 2 = 2MgO + C (1)

Mg 0 – 2e = Mg 2+ (восстановитель)

С 4+ + 4e = C 0 (окислитель)

FeS 2 + 8HNO 3 (конц) = Fe(NO 3) 3 + 5NO + 2H 2 SO 4 + 2H 2 O (2)

Fe 2+ -e = Fe 3+ (восстановитель)

N 5+ +3e = N 2+ (окислитель)

AgNO 3 +HCl = AgCl ↓ + HNO 3 (3)

Ca(OH) 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 ↓ + H 2 O (4)

Классификация химических реакций по тепловому эффекту

В зависимости от того, выделяется ли или поглощается тепло (энергия) в ходе реакции, все химические реакции условно разделяют на экзо – (1, 2) и эндотермические (3), соответственно. Количество тепла (энергии), выделившееся или поглотившееся в ходе реакции называют тепловым эффектом реакции. Если в уравнении указано количество выделившейся или поглощенной теплоты, то такие уравнения называются термохимическими.

N 2 + 3H 2 = 2NH 3 +46,2 кДж (1)

2Mg + O 2 = 2MgO + 602, 5 кДж (2)

N 2 + O 2 = 2NO – 90,4 кДж (3)

Классификация химических реакций по направлению протекания реакции

По направлению протекания реакции различают обратимые (химические процессы, продукты которых способны реагировать друг с другом в тех же условиях, в которых они получены, с образованием исходных веществ) и необратимые (химические процессы, продукты которых не способны реагировать друг с другом с образованием исходных веществ).

Для обратимых реакций уравнение в общем виде принято записывать следующим образом:

А + В ↔ АВ

Например:

СН 3 СООН + С 2 Н 5 ОН↔ Н 3 СООС 2 Н 5 + Н 2 О

Примерами необратимых реакций может служить следующие реакции:

2КСlО 3 → 2КСl + ЗО 2

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6Н 2 О

Свидетельством необратимости реакции может служить выделение в качестве продуктов реакции газообразного вещества, осадка или малодиссоциирующего соединения, чаще всего воды.

Классификация химических реакций по наличию катализатора

С этой точи зрения выделяют каталитические и некаталитические реакции.

Катализатором называют вещество, ускоряющее ход химической реакции. Реакции, протекающие с участием катализаторов, называются каталитическими. Протекание некоторых реакций вообще невозможно без присутствия катализатора:

2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (катализатор MnO 2)

Нередко один из продуктов реакции служит катализатором, ускоряющим эту реакцию (автокаталитические реакции):

MeO+ 2HF = MeF 2 + H 2 O, где Ме – металл.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Твердые исходные вещества могут вступать в реакцию друг с другом и при пространственном их разделении. В связи с этим в отличие от обычных твердофазных реакций не обязательно использовать исходные вещества в стехиометрических количествах. Конечный продукт независимо от соотношения исходных веществ будет обладать стехиометрическим составом.
Твердые исходные вещества и продукты реакции не влияют на смещение гетерогенного химического равновесия.
Твердые исходные вещества могут вступать в реакцию друг с другом и при пространственном их разделении. В связи с этим в отлич. Конечный продукт независимо от соотношения исходных веществ будет обладать стехиометрическим составом.
Реакции между твердыми исходными веществами могут быть ускорены благодаря тому, что твердые вещества связываются друг с другом за счет транспортной реакции. Можно предвидеть, что этот принцип будет перенесен на многочисленные реакции между твердыми веществами. Вместе с тем особенно благоприятно то, что можно подобрать соответствующие транспортные реакции, исходя из простых теоретических представлений.
Гранулометрический состав загружаемых частиц твердого исходного вещества и гидродинамический режим процесса не изменяются.
В химической реакции участвуют только те молекулы твердого исходного вещества AI, которые входят в заполненные веществом AZ адсорбционные центры.
Таким образом, состав расплава при непрерывном поступлении твердых исходных веществ определяется соотношением PiSy / p2sH, и при различных размерах кусков извести и углерода мы получим разный состав расплава.
Для получения водной вытяжки 50 - 80 мг твердого исходного вещества кипятят в течение нескольких минут с 3 мл воды, которая пополняется по каплям по мере упаривания раствора. Водная вытяжка, имеющая нейтральную реакцию (нейтральная водная вытяжка), может содержать мешающие катионы, которые нужно удалить содой так, как это делают в случае, если исследуемый объект - жидкость (см. стр. В результате нейтрализации щелочной (после действия содой) жидкости и отделения осадка получают приготовленный раствор.
Кривые скорости-время для разложения оксалата серебра. Г110 С. точками обозначены результаты опытов без перерывов, кружками - опыт с перерывами в 60 мин. (/ и 30 мин. (/ /. Такие опыты показывают в то же время, что простого смешения твердого исходного вещества с твердым продуктом может быть недостаточно для обнаружения автокаталитического действия последнего.
Химико-технологический процесс, при котором газообразные исходные вещества продувают через отверстия снизу аппарата, а находящиеся в нем твердые исходные вещества при этом как бы кипят, находясь все время во взвешенном состоянии. При этом реакции протекают в самом кипящем слое.
Химика технологический процесс, при котором газообразные исходные вещества продувают через отверстия снизу аппарата, а находящиеся в нем твердые исходные вещества при этом как бы кипят, находясь все время во взвешенном состоянии. При этом реакции протекают в самом кипящем слое.
Типичные кривые а f (т процесса термической диссоциации твердых тел. Объяснения даны в тексте. При описании хода термической диссоциации скорость реакции чаще всего ставится в зависимость от состава твердой фазы, выраженного степенью превращения (распада) а твердого исходного вещества. На рис. VIII-12 представлены наиболее характерные зависимости а от времени реакции.
В табл. 22 сведены данные, которые касаются возможности нахождения анионов в охарактеризованных выше аналитических фракциях, получающихся в результате приготовления раствора из подлежащего анализу твердого исходного вещества.

В исследованной с точки зрения теории Фольмера дегидратации дигидрата окса-лата марганца , для которой рентгенографически было доказано образование аморфного продукта и его последующая кристаллизация, рост ядер твердого, аморфного продукта наблюдался и до образования кристалллического продукта, что доказывает особые каталитические свойства поверхности раздела: твердое исходное вещество / твердый продукт и для рентгенографически аморфного состояния. Кристаллизация аморфного продукта может иметь, однако, значение для объяснения зависимости скорости от упругости пара при разложении кристаллогидратов. В этих случаях образование труднопроницаемого для молекул воды слоя аморфного продукта может вести к снижению скорости реакции.
Фт - поток твердого вещества, поступающего в аппарат, кг / час; Фг (0) - поток газообразного вещества, поступающего в аппарат, кг / час; Фг - поток газообразного вещества, вступающего в химическое взаимодействие, кг / час; Fr - объем, занимаемый газовой фазой в реакционном объеме аппарата, м3; GT - вес твердого исходного вещества в реакционном объеме аппарата, кг; GT - вес газообразного исходного вещества в реакционном объеме аппарата, кг; с кв - эквивалентная концентрация газообразного исходного вещества в реакционном объеме аппарата, кг / м8; а - стехиометрический коэффициент перехода от потока вещества Фт к потоку Фг; & г, / сг - коэффициенты выгрузки твердой и газообразной фазы, l / час; К - константа скорости реакции; F (п) - функция, отражающая порядок реакции; X - выходная координата (температура); Та - постоянная времени тепловой модели реакционного объема аппарата; К7 - коэффициент усиления тепловой модели реакционного объема аппарата.
Смесь 5 1 г циклопентадиенилмарганецтрикарбонила, 13 7 г треххло-ристого фосфора, 4 25 г хлористого алюминия и 15 мл изопентана при интенсивном перемешивании нагрета и выдержана при температуре 45 - 50 С в течение 3 час. До нагревания смесь представляет собой суспензию твердых исходных веществ в растворе желтого цвета.
Важно установить, какие ионы в пробе отсутствуют. Предварительные испытания) в основном проводят с твердыми исходными веществами, растворы выпаривают.
Очень часто скорость растворения исходного материала так незначительна или продукт реакции так мало растворим, что новая фаза плотно осаждается на первоначальной и благодаря этому ее внешняя форма повторяет форму исходного вещества. Такие превращения, которые происходят на поверхности раздела твердого исходного вещества и ведут к получению твердых конечных продуктов, называются топохилшческими реакциями в узком смысле слова. В противоположность реакциям, протекающим в объеме раствора, степень дисперсности продуктов реакции в этом случае подобна дисперсности исходных веществ. Топохимический способ рассмотрения поэтому особен -, но применим при описании катализаторов, электролитическом выделении металлов и в вопросах коррозии.
Если давление пара способствует реакции между твердыми веществами, то надо ожидать подобного и от химических транспортных реакций. Какие же возможности предоставляют транспортные реакции как средство взаимодействия между твердыми исходными веществами.
В твердофазных реакциях превращение может начинаться только в объеме фазы, а затем развиваться на границе раздела между новой и старой фазами. Такие реакции, где зона или фронт превращения проходит по поверхности раздела твердое исходное вещество - твердый продукт, называются топохимическими. Примером таких реакций является выветривание кристаллогидратов. Еще Фа-радей заметил, что хорошо ограненные прозрачные кристаллы Cu2SO4 - 5H2O не теряют воду в сухом воздухе в течение длительного времени. Если же на их поверхность нанести царапину или сделать надлом, то сразу начинается быстрая дегидратация кристалла, которая всегда распространяется от поврежденного места.
То обстоятельство, что многие анионы могут быть обнаружены дробным путем, еще не означает, что обнаружение анионов является более легкой задачей, чем открытие катионов. Даже при том ограниченном числе анионов, которое изучается в данном учебнике, анализ представляет большие трудности, если для исследования дано твердое исходное вещество, нерастворимое в воде. Такое вещество подлежит обработке содой (содовая вытяжка), что связана с рядом осложнений в работе.
При написании реакций между растворами электролитов всякий раз надо представить себе, нет ли какой-нибудь причины, мешающей реальному протеканию той или иной реакции. Например, если раствор электролита взаимодействует с твердым веществам и при этом один из продуктов малорастворим, то реакция может быстро прекратиться за счет того, что на поверхности твердого исходного вещества образуется слой тоже твердого продукта реакции, препятствующего дальнейшему ее протеканию. Именно поэтому для получения углекислого газа действием кислоты на мрамор берут соляную, а не серную кислоту, так как в случае серной кислоты мрамор быстро покрывается слоем гипса (CaSO4 - 2H2O) и реакция практически не идет.
Для взаимодействия висмута с фтором используют реактор с кипящим слоем. Заимствованная из техники методика синтеза в кипящем слое имеет следующие преимущества: быстрое установление теплового равновесия в реакционной смеси, отсутствие спекания твердых продуктов реакции, хороший тепловой обмен со стенками трубки, большая поверхность твердых исходных веществ и поэтому быстрое превращение.
Для системы г - т увеличение поверхности соприкосновения фаз достигается измельчением твердой фазы. Газообразное вещество приводят в соприкосновение с измельченным исходным веществом самыми разнообразными способами, например, твердые частицы вещества располагают на полках реактора, а поток газа движется над полками. В других случаях тонко измельченное твердое исходное вещество распыляют в потоке газообразного исходного вещества в полом объеме; таким образом сжигают пылевидное топливо в топках паровых котлов.
В быстро идущих промышленных процессах реакции в смесях твердых веществ протекают обычно со скоростями в тысячи раз большими, чем это было бы возможно при непосредственном взаимодействии твердых фаз. Толщина слоя образующегося продукта практически одинакова по всей поверхности покрываемого им зерна. Это объясняется тем, что реакции, идущие между твердыми исходными веществами, на самом деле протекают с участием газообразных или жидких фаз.
В развитии химии твердофазных реакций часто поднимались дискуссии по вопросу о том, могут ли реагировать между собой твердые вещества без участия жидкости или газа. Этот вопрос сегодня решен в пользу существования чисто твердофазных реакций. Интересно, однако, что можно показать на целом ряде превращений с твердыми исходными веществами, что все-таки какая-либо жидкая или газообразная фаза участвует в качестве посредника реакции. Однако следует избегать обобщений в этой области - напротив того, необходимо экспериментально исследовать состояние системы в каждом отдельном случае. Будников и Гинстлинг особенно детально занимались подобными исследованиями.
Если проблема исходного вещества для нефтегазообразования в целом может считаться решенной, то проблема механизма нефтегазообразования, являющаяся ключевой, в деталях еще требует своего решения. Общность состава органического вещества, осадочных пород и углеводородов (УВ) является важным аргументом в пользу биосферного источника нефти и газа. Очевидна и роль тепловой энергии (прогрева) для получения жидких и газовых УВ из твердого исходного вещества. Эти обстоятельства позволили создать концепцию об очагах генерации УВ и сформулировать представления о главных фазах газо - и нефтеобразования, получивших распространение во всем мире.

Скорость реакций, протекающих без участия газообразных и жидких фаз, столь мала, что они не могут иметь большого практического значения в быстро идущих промышленных процессах. Но на практике реакции в смесях твердых веществ идут обычно со скоростями в тысячи раз большими, чем это было бы возможно при непосредственном взаимодействии твердых веществ. Толщина слоя образующегося продукта практически одинакова по всей поверхности покрываемого им зерна. Это объясняется тем, что реакции, идущие между твердыми исходными веществами, на самом деле протекают с участием газообразных или жидких фаз.
Скорость таких реакций, протекающих без участия газообразных и жидких фаз, столь мала, что они не могут иметь большого практического значения в быстро идущих промышленных процессах, осуществляемых, в частности, в производстве солей. Реакции в смесях твердых веществ на практике идут обычно со скоростями в тысячи раз большими, чем это было бы возможно при непосредственном взаимодействии твердых веществ. Толщина слоя образующегося продукта практически одинакова по всей поверхности покрываемого им зерна. Это объясняется тем, что реакции, идущие между твердыми исходными веществами, на самом деле протекают с участием газообразных или жидких фаз.
Скорость реакций, протекающих без участия газообразных и жидких фаз, столь мала, что они не могут иметь большого практического значения в быстро идущих промышленных процессах. Но на практике реакции в смесях твердых веществ идут обычно со скоростями в тысячи раз большими, или, чем это было бы возможно при непосредственном взаимодействии твердых веществ. Толщина слоя образующегося продукта практически одинакова по всей поверхности покрываемого им зерна. Это объясняется тем, что реакции, идущие между твердыми исходными веществами, на самом деле протекают с участием газообразных или жидких фаз.
Невероятно, чтобы эти напряжения сжатия, по отношению к которому твердые тела являются более прочными, чем по отношению к растяжению, достигли величины, необходимой для разрушения микроскопических кристаллов. Прямые опыты по исследованию зависимости скорости разложения перманганата калия от величины поверхности, которая обратно пропо. Это показывает, что дробление само по себе не всегда является причиной наблюдаемого ускорения реакции. Объяснение ускорения реакции твердых веществ существованием цепных разветвленных реакций наталкивается также на некоторые трудности. Условия в твердой фазе существенно отличаются от условий в газовой или жидкой фазе своей гетерогенностью. Если цепной механизм и существует, то такая реакция все равно ограничивается поверхностью раздела твердого исходного вещества и продукта реакции. Следовательно, и при наличии цепного механизма возникает вопрос о причинах особых свойств поверхности раздела: исходное твердое вещество / твердый продукт.

2. Исходные вещества и методы экспериментов

2.1. Исходные вещества и их анализ

Фосфор, фтор и литий вводили в виде дигидрофосфата аммония, высушенного при 100 °С, фторида и карбоната лития, высушенных при 200 °С. Реактивный оксид никеля (серый, нестехиометрический) прокаливали при 900 °C для превращения в зеленый стехиометрический NiO. Реактивный оксид кобальта (+2) использовали в непрокаленном виде (рентгенофазовым анализом проверено, что это действительно CoO, а не Co 3 O 4). Для введения переходных металлов испытаны и другие реагенты: карбонаты кобальта и марганца, ацетат никеля, а также оксалаты марганца и железа (+2), осажденные из водных растворов. Для проведения данной части экспериментов брали растворимые соли: сульфат железа (+2) и хлорид марганца (+2), растворяли их в горячей дистиллированной воде и приливали к ним горячий раствор оксалата аммония. После охлаждения осадки отфильтровывали на воронке Бюхнера, промывали дистиллированной водой до удаления сульфат- или хлорид-ионов и высушивали при комнатной температуре несколько дней.

Нет уверенности в том, что эти карбонаты, оксалаты и ацетат точно соответствуют идеальным формулам: при хранении возможны потеря или приобретение воды, гидролиз, окисление. Поэтому потребовалось провести их анализ. Для этого по три параллельных пробы каждого из исходных веществ прокаливали до постоянной массы и взвешивали в виде оксидов. Температуру прокаливания выбирали на основе литературных данных о стабильности весовых форм: для получения Fe 2 O 3 , NiO – 900 °С, для получения Co 3 O 4 и Mn 2 O 3 - 750 °С .

2.2. Проведение синтезов

При нагревании фторида лития с дигидрофосфатом аммония возможно улетучивание фтороводорода. Поэтому проведение синтеза в одну стадию вряд ли возможно. Сначала нужно получить LiMPO 4 , и лишь после полного удаления воды можно добавлять фторид лития.

Таким образом, можно выделить две стадии.

(1) 2NH 4 H 2 PO 4 +Li 2 CO 3 + 2MO ® 2 LiMPO 4 + 2NH 3 + CO 2 + 2H 2 O.

Здесь MO – это либо оксид (NiO, CoO), либо соединение, разлагающееся до оксида.

(2) LiMPO 4 + LiF ® Li 2 MPO 4 F

Навески веществ смешивали и растирали в яшмовой ступке до полной однородной массы, затем прессовали таблетки, выдерживали при температуре 150-170 °C 2 часа для удаления большей части летучих компонентов (если сразу нагреть до более высоких температур, то происходит оплавление и однородность таблетки нарушается). Затем температуру постепенно повышали, периодически перетирая смесь, до получения практически чистых LiMPO 4 . Обжиги проводили либо в муфельной печи, либо в инертной атмосфере в трубчатой печи.

Ввиду отсутствия инертных газов в баллонах, пришлось получать азот нагреванием водного раствора хлорида аммония и нитрита бария. Колба, в которой происходила основная реакция по получению азота (экзотермическая реакция, небольшое нагревание), соединялась с двумя промывалками с сернокислым раствором бихромата калия для улавливания возможных примесей аммиака и оксида азота, далее шла накаливаемая трубка с пористыми медными гранулами для очистки от кислорода и оксидов азота, потом с силикагелем для грубой осушки и две промывалки с концентрированной серной кислотой для более полного улавливания водяных паров. Эти промывалки соединялись с трубкой, в которой находились смеси веществ в спрессованном виде в никелевых лодочках. Вначале через установку пропускали трехкратный объем азота для удаления воздуха и лишь потом начинали нагревание. После завершения обжига образцы охлаждали в токе азота, дабы не допустить окисления воздухом.

Продукты проверяли рентгенофазовым анализом и переходили ко второй стадии экспериментов, для этого полученные таблетки перетирали с рассчитанной навеской фторида лития и, спрессовав, продолжали обжиг либо в муфельной печи, либо в инертной атмосфере в трубчатой печи по уже рассмотренной технологии. Чтобы обеспечить более полное связывание фосфата, фторид лития вводили в пятипроцентном избытке. Этот избыток составляет лишь 0,7 масс. % смеси и менее существенен, чем примесь не прореагировавшего фосфата.

2.3. Рентгенография

Рентгенофазовый анализ производился на дифрактометре ДРОН – 2.0 в медном Кa - излучении. Данное излучение не очень подходит для соединений, в которых присутствуют железо и особенно кобальт, так как оно сильно поглощается атомами этих элементов и возбуждает их собственное рентгеновское излучение. В результате дифракционные максимумы ослабляются, и резко возрастает фон. Поэтому снижается чувствительность фазового анализа, уменьшается число наблюдаемых отражений и ухудшается точность их измерения из-за сильных флуктуаций интенсивности. Чтобы преодолеть эти затруднения, следовало бы использовать рентгеновскую трубку с другим анодом, например, кобальтовым (но тогда бы возникли те же проблемы с соединениями марганца) или установить монохроматор на дифрагированном пучке. Но у нас не было такой возможности, поэтому для уменьшения статистических ошибок съемку кобальтового соединения приходилось повторять по несколько раз.

При фазовом анализе применялась база порошковых дифракционных данных PDF-2.

Г лава 6

Химическая кинетика. Химическое равновесие.

6.1.Химическая кинетика .

Химическая кинетика - раздел химии, изучающий скорости и механизмы химических процессов, а также их зависимость от различных факторов.

Изучение кинетики химических реакций позволяет как определять механизмы химических процессов, так и управлять химическими процессами при их практической реализации.

Любой химический процесс представляет собой превращение реагентов в продукты реакции:

реагенты→ переходное состояние→ продукты реакции.

Реагенты (исходные вещества) – вещества, вступающие в процесс химического взаимодействия.

Продукты реакции – вещества, образующиеся в конце процесса химического превращения. В обратимых процессах продукты прямой реакции являются реагентами обратной реакции.

Необратимые реакции – реакции, протекающие при данных условиях практически в одном направлении (обозначают знаком →).

Например:

CaCO 3 → CaO + CO 2

Обратимые реакции – реакции, протекающие одновременно в двух противоположных направлениях (обозначают знаком).

Переходное состояние (активированный комплекс) – это состояние химической системы, являющееся промежуточным между исходными веществами (реагентами) и продуктами реакции. В этом состоянии происходит разрыв старых химических связей и образования новых химических связей. Далее активированный комплекс превращается в продукты реакции.

Большинство химических реакций являются сложными и состоят из нескольких стадий, называемых элементарными реакциями .

Элементарная реакция – единичный акт образования или разрыва химической связи. Совокупность элементарных реакций, из которых складывается химическая реакция, определяет механизм химической реакции.

В уравнении химической реакции обычно указывается начальное состояние системы (исходные вещества) и её конечное состояние (продукты реакции). В то же время фактический механизм химической реакции может быть достаточно сложным и включать в себя целый ряд элементарных реакций. К сложным химическим реакциям относятся обратимые, параллельные, последовательные и другие многостадийные реакции (цепные реакции , сопряженные реакции и пр.).

Если скорости различных стадий химической реакции существенно различаются, то скорость сложной реакции в целом определяется скоростью самой медленной ее стадии. Такую стадию (элементарную реакцию) называют лимитирующей стадией .

В зависимости от фазового состояния реагирующих веществ, различают два типа химических реакций: гомогенные и гетерогенные .

Фазой называется часть системы, отличающаяся по своим физическим и химическим свойствам от других частей системы и отделенная от них поверхностью раздела. Системы, состоящие из одной фазы, называются гомогенными системами , из нескольких фаз – гетерогенными . Примером гомогенной системы может быть воздух, представляющий собой смесь веществ (азот, кислород и др.), находящихся в одинаковой газовой фазе. Суспензия мела (твердого вещества) в воде (жидкость) является примером гетерогенной системы, состоящей из двух фаз.

Соответственно, реакции, в которых взаимодействующие вещества находятся в одной фазе, называются гомогенными реакциями . Взаимодействие веществ в таких реакциях происходит по всему объёму реакционного пространства.

К гетерогенным реакциям относят реакции, протекающие на границе раздела фаз. Примером гетерогенной реакции может служить реакция цинка (твердая фаза) с раствором соляной кислоты (жидкая фаза). В гетерогенной системе реакция всегда происходит на поверхности раздела двух фаз, так как только здесь реагирующие вещества, находящиеся в разных фазах, могут сталкиваться между собой.

Химические реакции принято различать по их молекулярности , т.е. по числу молекул, участвующих в каждом элементарном акте взаимодействия . По этому признаку различают реакции мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные.

Мономолекулярными называются реакции, в которых элементарный акт представляет собой химическое превращение одной молекулы , например:

Бимолекулярными считаются реакции, элементарный акт в которых осуществляется при столкновении двух молекул, например:

В тримолекулярных реакциях элементарный акт осуществляется при одновременном столкновении трех молекул, например:

Столкновение более чем трех молекул одновременно практически невероятно, поэтому реакции большей молекулярности на практике не встречаются.

Скорости химических реакций могут существенно отличаться. Химические реакции могут протекать крайне медленно, в течение целых геологических периодов, как, например, выветривание горных пород, которое представляет собой превращения алюмосиликатов:

K 2 O · Al 2 O 3 · 6SiO 2 + CO 2 + 2H 2 O → K 2 CO 3 + 4SiO 2 + Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O.

ортоклаз – полевой шпат поташ кварц. песок каолинит (глина)

Некоторые реакции протекают практически мгновенно, например, взрыв черного пороха, представляющего собой смесь угля, серы и селитры:

3C + S + 2KNO 3 = N 2 + 3CO 2 + K 2 S.

Скорость химической реакции служит количественной мерой интенсивности ее протекания.

В общем случае под скоростью химической реакции понимают число элементарных актов реакции, происходящих в единицу времени в единице реакционного пространства.

Так как для гомогенных процессов реакционным пространством является объем реакционного сосуда, то

для гомогенных реакций скорость химической реакции определяется количеством вещества, прореагировавшего в единицу времени в единице объема.

Учитывая, что количество вещества, содержащееся в определенном объеме, характеризует концентрацию вещества, то

скорость реакции – это величина, показывающая изменение молярной концентрации одного из веществ в единицу времени.

Если при неизменных объеме и температуре концентрация одного из реагирующих веществ уменьшилась от с 1 до с 2 за промежуток времени от t 1 до t 2 , то, в соответствии с определением, скорость реакции за данный промежуток времени (средняя скорость реакции) равна:

Обычно для гомогенных реакций размерность скорости V [моль/л·с].

Так как для гетерогенных реакций реакционным пространством является поверхность , на которой протекает реакция, то для гетерогенных химических реакций скорость реакции относится к единице площади поверхности, на которой протекает реакция. Соответственно, средняя скорость гетерогенной реакции имеет вид:

где S – площадь поверхности, на которой протекает реакция.

Размерность скорости для гетерогенных реакций – [моль/л·с·м 2 ].

Скорость химической реакции зависит от целого ряда факторов:

природы реагирующих веществ;

концентрации реагирующих веществ;

давления (для газовых систем);

температуры системы;

площади поверхности (для гетерогенных систем);

наличия в системе катализатора и других факторов.

Так как каждое химическое взаимодействие является результатом столкновения частиц, то увеличение концентрации (числа частиц в заданном объеме) приводит к более частым их столкновениям, и как следствие, к увеличению скорости реакции. Зависимость скорости химических реакций от молярных концентраций реагирующих веществ описывается основным законом химической кинетики – законом действующих масс , который был сформулирован в 1865 году Н.Н.Бекетовым и в 1867 году К.М.Гульдбергом и П. Вааге .

Закон действующих масс гласит: скорость элементарной химической реакции при постоянной температуре прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ в степенях, равных их стехиоме-трическим коэффициентам.

Уравнение, выражающее зависимость скорости реакции от концентрации каждого вещества, называют кинетическим уравнением реакции .

Следует отметить, что закон действующих масс в полной мере применим лишь только к простейшим гомогенным реакциям. Если реакция протекает в несколько стадий, то закон справедлив для каждой из стадий, а скорость сложного химического процесса определяется скоростью наиболее медленно протекающей реакции, являющейся лимитирующей стадией всего процесса .

В общем случае, если в элементарную реакцию вступают одновременно т молекул вещества А и n молекул вещества В :

m А + n В = С ,

то уравнение для скорости реакции (кинетическое уравнение) имеет вид:

где k – коэффициент пропорциональности, который называется константой скорости химической реакции; [А А ; [B ] – молярная концентрация вещества B ; m и n – стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

Чтобы понять физический смысл константы скорости реакции , надо принять в написанных выше уравнениях концентрации реагирующих веществ [А ] = 1 моль/л и [В ] = 1 моль/л (либо приравнять единице их произведение), и тогда:

Отсюда ясно, что константа скорости реакции k численно равна скорости реакции, в которой концентрации реагирующих веществ (или их произведение в кинетических уравнениях) равны единице .

Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ и температуры, но не зависит от значения концентрации реагентов.

Для гетерогенных реакций концентрация твердой фазы в выражение для скорости химической реакции не включается.

Например, в реакции синтеза метана:

Если реакция протекает в газовой фазе, то существенное влияние на ее скорость оказывает изменение давления в системе, так как изменение давления в газовой фазе приводит к пропорциональному изменению концентрации. Так, увеличение давления приводит к пропорциональному росту концентрации, а уменьшение давления, соответственно, снижает концентрацию газообразного реагирующего вещества.

Изменение давления практически не влияет на концентрацию жидких и твердых веществ (конденсированное состояние вещества) и не оказывает влияния на скорость реакций, протекающих в жидкой или твердой фазах.

Химические реакции осуществляется за счет соударения частиц реагирующих веществ. Однако, далеко не всякое столкновение частиц реагентов является эффективным , т.е. ведет к образованию продуктов реакции. Только частицы, обладающие повышенной энергией – активные частицы , способны осуществить акт химической реакции. С повышением температуры увеличивается кинетическая энергия частиц и увеличивается число активных, следовательно, возрастает скорость химических процессов.

Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 0 С скорость химической реакции возрастает в два – четыре раза.

V 1 – скорость реакции при начальной температуре системы t 1 , V 2 – скорость реакции при конечной температуре системы t 2 ,

γ – температурный коэффициент реакции (коэффициент Вант-Гоффа), равный 2÷4.

Знание величины температурного коэффициента γ дает возможность рассчитать изменение скорости реакции при увеличении температуры от Т 1 до Т 2 . В этом случае можно использовать формулу:

Очевидно, что при повышении температуры в арифметической прогрессии скорость реакции возрастает в геометрической прогрессии. Влияние температуры на скорость реакции тем значительнее, чем больше значение температурного коэффициента реакции g.

Следует заметить, что правило Вант-Гоффа является приближенным и применимо лишь для ориентировочной оценки влияния небольших изменений температуры на скорость реакции.

Энергия, необходимая для протекания реакций, может быть обеспечена различными воздействиями (теплота, свет, электрический ток, лазерное излучение, плазма, радиоактивное излучение, высокое давление и т.д.).

Реакции могут подразделяться на тепловые, фотохимические, электрохимические, радиационно-химические и др. При всех этих воздействиях растет доля активных молекул, которые имеют энергию, равную или большую минимально необходимой для данного взаимодействия энергии Е мин .

При столкновении активных молекул вначале образуется так называемый активированный комплекс , внутри которого и происходит перераспределение атомов.

Энергия, необходимая для увеличения средней энергии молекул реагирующих веществ до энергии активированного комплекса, называется энергией активации Еа.

Энергию активации можно рассматривать как некую дополнительную энергию, которую должны приобрести молекулы реагентов, чтобы преодолеть определенный энергетический барьер . Таким образом, Е а ра вна разности между средней энергией реагирующих частиц E исх и энергией активированного комплекса E мин. Энергия активации определяется природой реагентов. Значение Е а колеблется в пределах от 0 до 400 кДж. Если значение Е а превышает 150 кДж, то такие реакции при температурах, близких к стандартной, практически не протекают.

Изменение энергии системы в ходе реакции может быть графически представлено с помощью следующей энергетической диаграммы (рис. 6.1).

Путь реакции

Рис. 6.1. Энергетическая диаграмма экзотермической реакции:

E исх – средняя энергия исходных веществ; E прод – средняя энергия продуктов реакции; E мин – энергия активированного комплекса; E акт – энергия активации; ΔH р – тепловой эффект химической реакции

Из энергетической диаграммы видно, что разность между величинами энергии продуктов реакции и энергии исходных веществ, будет представлять из себя тепловой эффект реакции.

Е прод. – Е исх. = ΔН р.

Согласно уравнению Аррениуса, чем больше значение энергии активации E акт, тем в большей степени константа скорости химической реакции k зависит от температуры:

Е - энергия активации (Дж/моль),

R - универсальная газовая постоянная,

T – температура в К,

А - константа Аррениуса,

e = 2,718 – основание натуральных логарифмов.

Катализаторы - это вещества, которые повышают скорость химической реакции. Они вступают во взаимодействие с реагентами с образованием промежуточного химического соединения и освобождаются в конце реакции. Влияние, оказываемое катализаторами на химические реакции, называется катализом.

Например, смесь порошка алюминия и кристаллического йода при комнатной температуре не обнаруживает заметных признаков взаимодействия, но достаточно капли воды, чтобы вызвать бурную реакцию:

Различают гомогенный катализ (катализатор образует с реагирующими веществами гомогенную систему, например, газовую смесь) и гетерогенный катализ (катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах и каталитический процесс идет на поверхности раздела фаз).

Для объяснения механизма гомогенного катализа наибольшее распространение получила теория промежуточных соединений (предложена французским исследователем Сабатье и развита в работах русского ученого Н.Д. Зелинского). Согласно этой теории медленно протекающий процесс, например, реакция:

в присутствии катализатора протекает быстро, но в две стадии. В первой стадии процесса образуется промежуточное соединение одного из реагентов с катализатором A… kat .

Первая стадия:

A + kat = A.∙. kat.

Полученное соединение на второй стадии образует с другим реагентом активированный комплекс [A.∙.kat.∙.B ], который превращается в конечный продукт AB с регенерацией катализатора kat .

Вторая стадия:

A.∙.kat + B = = AB + kat.

Промежуточное взаимодействие катализатора с реагентами, направляет процесс на новый путь, характеризующийся более низким энергетическим барьером. Таким образом, механизм действия катализаторов связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений.

Примером может служить медленно протекающая реакция:

2SO 2 + O 2 = 2SO 3 медленно .

При промышленном нитрозном способе получения серной кислоты в качестве катализатора используется оксид азота (II), что значительно ускоряет реакцию:

Широко используется гетерогенный катализ в процессах нефтепереработки. Катализаторами служат платина, никель, оксид алюминия и др. Гидрирование растительного масла протекает на никелевом катализаторе (никель на кизельгуре) и т.д.

Примером гетерогенного катализа является окисление SO 2 в SO 3 на катализаторе V 2 O 5 при производстве серной кислоты контактным методом.

Вещества, повышающие активность катализатора называют промоторами (или активаторами). При этом, промоторы могут сами и не обладать каталитическими свойствами.

Каталитические яды - посторонние примеси в реакционной смеси, приводящие к частичной или полной потере активности катализатора. Так, следы фосфора и мышьяка вызывают быструю потерю катализатором V 2 O 5 активности в реакции окисления SO 2 в SO 3 .

Многие важнейшие химические производства, такие как получение серной кислоты, аммиака, азотной кислоты, синтетического каучука, ряда полимеров и др., проводятся в присутствии катализаторов.

Биохимические реакции в растительных и животных организмах ускоряются биохимическими катализаторами – ферментами .

Резко замедлить протекание нежелательных химических процессов можно при добавлении в реакционную среду специальных веществ - ингибиторов . Например, для торможения нежелательных процессов коррозионного разрушения металлов широко используются различные ингибиторы коррозии металлов .

6.1.1. Вопросы для самоконтроля знаний теории

по теме « Химическая кинетика»

1. Что изучает химическая кинетика?

2. Что принято понимать под термином « реагенты»?

3. Что принято понимать под термином « продукты реакции»?

4. Как обозначаются в химических реакциях обратимые процессы?

5. Что принято понимать под термином « активированный комплекс»?

6. Что представляет из себя элементарная реакция?

7. Какие реакции считаются сложными?

8. Какую стадию реакций называют лимитирующей стадией?

9. Дайте определение понятию «фаза»?

10. Какие системы считаются гомогенными?

11. Какие системы считаются гетерогенными?

12. Приведите примеры гомогенных систем.

13. Приведите примеры гетерогенных систем.

14. Что считают «молекулярностью» реакции?

15. Что понимают под термином «скорость химической реакции»?

16. Приведите примеры быстрых и медленных реакций.

17. Что понимают под термином «скорость гомогенной химической реакции»?

18. Что понимают под термином «скорость гетерогенной химической реакции»?

19. От каких факторов зависит скорость химической реакции?

20. Сформулируйте основной закон химической кинетики.

21. Что представляет из себя константа скорости химических реакций?

22.От каких факторов зависит константа скорости химических реакций?

23. Концентрации каких веществ не включается в кинетическое уравнение химических реакций?

24. Как зависит скорость химической реакции от давления?

25. Как зависит скорость химической реакции от температуры?

26. Как формулируется «Правило Вант-Гоффа»?

27. Что представляет из себя «температурный коэффициент химической реакции»?

28. Дайте определение понятию «энергия активации».

29. Дайте определение понятию «катализатор химической реакции»?

30. Что представляет из себя гомогенный катализ?

31. Что представляет из себя гетерогенный катализ?

32. Как объясняется механизм действия катализатора при гомогенном катализе?

33. Приведите примеры каталитических реакций.

34. Что такое ферменты?

35. Что такое промоторы?

6.1.2. Примеры решения типовых задач

по теме «Химическая кинетика»

Пример 1 . От площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ зависит скорость реакции:

1) серной кислоты с раствором хлорида бария,

2) горения водорода в хлоре,

3) серной кислоты с раствором гидроксида калия,

4) горения железа в кислороде.

От площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ зависит скорость гетерогенных реакций. Среди приведенных реакций гетерогенной реакцией, т.е. характеризующейся наличием разных фаз, является реакция горения железа (твердая фаза) в кислороде (газовая фаза).

Ответ. 3.

Пример 2. Как изменится скорость реакции

2Н 2(г) + О 2(Г) = 2Н 2 О (г)

при увеличении концентрации исходных веществ в два раза?

Запишем кинетическое уравнение реакции, устанавливающее зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ:

V 1 = k [Н 2 ] 2 · [О 2 ].

Если концентрации исходных веществ увеличить в 2 раза, кинетическое уравнение примет вид:

V 2 = k (2 [Н 2 ]) 2 · 2 [О 2 ] = 8 k [Н 2 ] 2 · [О 2 ], т.е.

При увеличении концентрации исходных веществ в два раза скорость данной реакции возросла в 8 раз.

Ответ. 8.

Пример 3. Как изменится скорость реакции, если общее давление в системе СН 4(Г) + 2О 2(Г) = СО 2(Г) + 2Н 2 О (Г) , уменьшить в 5 раз?

В соответствии с кинетическим уравнением реакции, скорость этой реакции будет определяться:

V 1 = k [СН 4 ] · [О 2 ] 2 .

При уменьшении давления в пять раз концентрация каждого из газообразных веществ уменьшится также в пять раз. Кинетическое уравнение реакции в этих условиях будет следующим:

можно определить, что скорость реакции уменьшилась в 125 раз.

Ответ. 125.

Пример 4. Как изменится скорость реакции, характеризующейся температурным коэффициентом реакции, равным 3, если температура в системе повысилась с 20 до 60°С?

Решение. В соответствии с правилом Вант-Гоффа

При повышении температуры на 40 0 С скорость данной реакции возросла в 81 раз

Ответ. 81.

6.1.3. Вопросы и упражнения для самоподготовки

Скорость химических реакций

1. В зависимости от физического состояния реагирующих веществ химические реакции подразделяют на:

1) экзотермические и эндотермические,

2) обратимые и необратимые,

3) каталитические и некаталитические,

4) гомогенные и гетерогенные.

2. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены гомогенные реакции:

3. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены выражения, с помощью которых можно вычислить скорость гомогенной реакции:

4. Единицей измерения скорости гомогенной реакции может быть:

1) моль/л·с,

3) моль/л·,

4) л/моль·с.

5. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены справедливые выражения. В ходе гомогенной реакции

А + 2B ® 2C + D :

1) концентрации А и В убывают,

2) концентрация С возрастает быстрее, чем концентрация D ,

4) концентрация В убывает быстрее, чем концентрация А ,

8) скорость реакции остается постоянной.

6. Под каким номером показана линия, верно отражающая изменение во времени концентрации образующегося в реакции вещества:

7. Изменение во времени концентрации исходного вещества в реакции, протекающей до конца, верно описывает кривая:

9. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены реакции, скорость которых не зависит от того, по какому веществу ее вычисляют?

10. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены факторы, влияющие на скорость реакции:

1) природа реагирующих веществ,

2) концентрация реагирующих веществ,

4) температура реакционной системы,

8) присутствие катализатора в реакционной системе.

11. Основной закон химической кинетики устанавливает зависимость скорости реакции от:

1) температуры реагирующих веществ,

2) концентрации реагирующих веществ,

3) природы реагирующих веществ,

4) времени протекания реакции.

12. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены верные высказывания. Химическая кинетика:

1) раздел физики,

2) изучает скорость химической реакции,

4) использует закон действующих масс,

8) изучает зависимость скорости реакций от условий их протекания.

13. Я.Х. Вант-Гофф:

1) первый лауреат Нобелевской премии по химии,

2) изучал зависимость скорости реакции от температуры,

4) изучал зависимость скорости реакции от концентрации веществ,

8) сформулировал закон действующих масс.

14. В одинаковых условиях быстрее протекает реакция:

1) Ca + H 2 O ®

3) Mg + H 2 O ®

4) Zn + H 2 O ®

15. Скорость выделения водорода наибольшая в реакции:

1) Zn + HCl (5-процентный р–р) ®

2) Zn + НСl (10-процентный р–р) ®

3) Zn + HCl (15-процентный р–р) ®

4) Zn + HCl (30-процентный р–р) ®

16. Концентрация реагирующего вещества не влияет на скорость реакции, если это вещество в реакцию взято в:

1) твердом состоянии,

2) газообразном состоянии,

3) растворенном состоянии.

17. Вычислите среднюю скорость реакции A + B = C (моль/л×с), если известно, что исходная концентрация А составляла 0,8 моль/л, а через 10 секунд стала 0,6 моль/л.

1) 0,2, 2) 0,01, 3) 0,1, 4) 0,02.

18. На сколько моль/л уменьшились концентрации веществ A и B в реакции A + 2B ® 3C , если известно, что за это же время концентрация С увеличилась на 4,5 моль/л?

DС А DС B

19. Вычислите среднюю скорость реакции 2CO + O 2 ® 2CO 2 (моль/л×с), если известно, что исходная концентрация CO составляла 0,60 моль/л, а через 10 секунд стала 0,15 моль/л. На сколько моль/л изменилась за этот промежуток времени концентрация CO 2 ?

3) 0,045; 0,045,

20. На сколько градусов нужно нагреть систему, чтобы скорость протекающей в ней реакции увеличилась в 2–4 раза?

1) 150, 2) 10, 3) 200, 4) 50.

21. Скорость реакции при 20°С равна 0,2 моль/л×с. Определите скорость реакции при 60°C (моль/л×с), если температурный коэффициент скорости реакции равен 3.

1) 16,2, 2) 32,4, 3) 8,1, 4) 4,05.

22. Эмпирическую зависимость скорости реакции от температуры верно отражает уравнение:

23. Скорость реакции при 20°С равна 0,08 моль/л×с. Вычислите скорость реакции при 0°С (моль/л×с), если температурный коэффициент скорости реакции равен 2.

1) 0,16, 2) 0,04, 3) 0,02, 4) 0,002.

24. Во сколько раз возрастет скорость реакции при повышении температуры на 40°С, если температурный коэффициент скорости реакции равен 3?

1) 64, 2) 243, 3) 81, 4) 27.

25. На сколько градусов следует повысить температуру, чтобы скорость реакции возросла в 64 раза, если температурный коэффициент скорости реакции равен 4?

1) 60, 2) 81, 3) 27, 4) 30.

26. Вычислите температурный коэффициент скорости реакции, если известно, что при повышении температуры на 50 о С скорость реакции возрастает в 32 раза.

1) 3, 2) 2, 3) 4, 4) 2,5.

27. Причиной роста скорости реакции с ростом температуры является увеличение:

1) скорости движения молекул,

2) числа столкновений между молекулами,

3) доли активных молекул,

4) стабильности молекул продуктов реакции.

28. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены реакции, для которых MnO 2 является катализатором:

1) 2KClO 3 ® 2KCl + 3O 2 ,

2) 2Al + 3I 2 ® 2AlI 3 ,

4) 2H 2 O 2 ® 2H 2 O + O 2 ,

8) 2SO 2 + O 2 ® 2SO 3 .

29. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены правильные ответы. С помощью каталитических реакций в промышленности получают:

1) соляную кислоту,

2) серную кислоту,

4) аммиак,

8) азотную кислоту.

30. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены правильные ответы. Катализатор:

1) участвует в реакции,

2) используется только в твердом состоянии,

4) не расходуется в ходе реакции,

8) в своем составе обязательно содержит атом металла.

31. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены правильные ответы. В качестве катализаторов используются:

32. Вещества, уменьшающие активность катализатора, называются:

1) промоторами,

2) регенераторами,

3) ингибиторами,

4) каталитическими ядами.

33. Каталитической не является реакция:

1) (C 6 H 10 O 5) n + n H 2 O ® n C 6 H 12 O 6 ,

целлюлоза

2) 2SO 2 + O 2 ® 2SO 3 ,

3) 3H 2 + N 2 ® 2NH 3 ,

4) NH 3 + HCl ® NH 4 Cl.

34. Под каким номером приведено уравнение гомогенного катализа:

35. Механизм действия катализатора верно отражает высказывание. Катализатор:

1) увеличивая кинетическую энергию исходных частиц, увеличивает число их столкновений,

2) образует с исходными веществами промежуточные соединения, легко превращающиеся в конечные вещества,

3) не взаимодействуя с исходными веществами, направляет реакцию по новому пути,

4) уменьшая кинетическую энергию исходных частиц, увеличивает число их столкновений.

36. Роль промотора в каталитической реакции состоит в том, что он:

1) уменьшает активность катализатора,

2) увеличивает активность катализатора,

3) ведет реакцию в желаемом направлении,

4) защищает катализатор от каталитических ядов.

37. Ферменты:

1) биологические катализаторы,

2) имеют белковую природу,

4) не отличаются специфичностью действия,

8) ускоряют биохимические процессы в живых организмах.

38. Гетерогенной является реакция:

39. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены правильные ответы. Чтобы увеличить скорость горения угля: С + O 2 ® СО 2 , необходимо:

1) увеличить концентрацию О 2 ,

2) увеличить концентрацию угля,

4) измельчить уголь,

8) увеличить концентрацию углекислого газа.

40. Если реагирующее вещество А взято в реакцию: А т + Х газ ® в твердом состоянии, то на скорость реакции влияет:

1) концентрация А,

2) площадь поверхности соприкосновения А с Х,

4) молярная масса А,

8) концентрация вещества Х.

41. Размерностью скорости гетерогенной реакции является:

1) моль/л, 2) моль/cм 3 ×с,

3) моль/л×с 4) моль/см 2 ×с.

42. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены правильные ответы. Принцип кипящего слоя используют:

1) для увеличения поверхности соприкосновения реагентов,

2) при обжиге колчедана,

4) в ходе каталитического крекинга нефтепродуктов,

8) для регенерации активности катализатора.

43. Наименьшую

1) Na + H 2 O ® 2) Ca + H 2 O ®

3) K + H 2 O ® 4) Mg + H 2 O ®

44. На графике приведены энергетические диаграммы некаталитической и каталитической реакции разложения иодоводорода. Изменение энергии активации отражает энергетический отрезок:

1) b , 2) c , 3) d , 4) b– c .

45. Наибольшую энергию активации имеет реакция, описываемая схемой:

1) AgNO 3 + KCl ® AgCl + KNO 3 ,

2) BaCl 2 + K 2 SO 4 ® BaSO 4 + 2KCl,

3) 2Na + 2H 2 O ® 2NaOH + 2H 2 ,

6.2. Химическое равновесие.

Наряду с практически необратимыми химическими реакциями:

СaCl 2 + 2AgNO 3 = Ca(NO 3) 2 + 2AgCl↓ и др.

известны многочисленные процессы, когда химическое превращение не доходит до конца, а возникает равновесная смесь всех участников и продуктов реакции, находящихся как в левой, так и в правой частях стехиометрического уравнения реакции. Так, при стандартных условиях обратимой является система:

Рассмотрим особенности протекания обратимых процессов на примере системы, которая, в общем виде, имеет вид:

При условии, что прямая → и обратная ← реакции протекают в одну стадию, согласно закону действующих масс значения скоростей для прямой (V прям) и обратной (V обр) реакций описываются следующими кинетическими уравнениями:

где k прям и k обр - константы скорости, соответственно, прямой и обратной реакций.

В начальный момент времени (см. рис. 6.2) концентрации исходных веществ [A] и [B], а следовательно, и скорость прямой реакции имеют максимальное значение. Концентрации продуктов реакции [С] и [D] и скорость обратной реакции в начальный момент равны нулю. В ходе реакции концентрации исходных веществ уменьшаются, что приводит к снижению скорости прямой реакции. Концентрации же продуктов реакции, а, следовательно, и скорость обратной реакции возрастают. Наконец, наступает момент, при котором скорости прямой и обратной реакций становятся равными.

Состояние системы, при котором V прям = V обр называется химическим равновесием . Это равновесие является динамическим , поскольку в системе имеет место двусторонняя реакция – в прямом (A и B – реагенты, C и D – продукты) и в обратном (A и B – продукты, C и D – реагенты) направлениях.

V обр.

Время реакции

Рис. 6.2. Зависимость скоростей прямой и обратной реакций

от времени их протекания.

В обратимой системе, находящейся в состоянии равновесия, концентрации всех участников процесса называются равновесными концентрациями , так как при этом постоянно и с одинаковой скоростью протекают как прямая, так и обратная реакции.

Количественную характеристику химического равновесия можно вывести, используя соответствующие кинетические уравнения :

Так как константы скоростей реакций при фиксированной температуре постоянны, то будет постоянным и отношение

называемое константой химического равновесия . Приравнивая правые части кинетических уравнений для прямой и обратной реакций можно получить:

где K р – константа химического равновесия, выраженная через равновесные концентрации участников реакции.

Константа химического равновесия представляет собой отношение произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ в степенях их стехиометрических коэффициентов.

Например, для обратимой реакции

выражения для константы равновесия имеет вид:

Если в процессе химического превращения участвуют две или несколько фаз, то в выражении для константы равновесия следует учитывать только те из них, в которых происходят изменения концентраций реагентов. Например, в выражение для константы равновесия для системы

общее количество моль газообразных веществ до и после реакции остается постоянным и давление в системе не меняется. Равновесие в данной системе при изменении давления не смещается.

Влияние изменения температуры на смещение химического равновесия.

В каждой обратимой реакции одно из направлений отвечает экзотермическому процессу, а другое – эндотермическому. Так в реакции синтеза аммиака прямая реакция – экзотермическая, а обратная реакция – эндотермическая.

1) концентрации H 2 , N 2 и NH 3 не изменяются со временем,

3) число молекул NH 3 , распадающихся в единицу времени, равно половине общего числа молекул H 2 и N 2 , образующихся за это время,

4) общее число молекул H 2 и N 2 , превращающихся в единицу времени в NH 3 , равно числу молекул NH 3 , образующихся за это же время.

49. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены правильные ответы. Химическое равновесие в системе: 2SO 2 + O 2 2SO 3 ∆Н ˂0 нарушит:

1) уменьшение давления в системе,

2) нагревание,

4) увеличение концентрации кислорода.

50. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены правильные ответы. Чтобы сместить равновесие в системе N 2 + 3H 2 2NH 3 ∆Н ˂0 влево, надо:

1) ввести в систему H 2 ,

2) удалить из системы NH 3 ,

4) повысить давление,

8) увеличить температуру.

51. Для смещения равновесия реакции 2SO 2 + O 2 2SO 3 ∆Н ˂0 вправо, необходимо:

1) нагреть систему,

2) ввести в систему O 2 ,

4) ввести в систему SO 3 ,

8) уменьшить давление в системе.

52. Правилу (принципу) Ле Шателье не соответствует утверждение:

1) повышение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции;

2) понижение температуры смещает равновесие в сторону экзотермической реакции;

3) повышение давления смещает равновесие в сторону реакции, ведущей к увеличению объема;

N 2 + O 2 ∆Н ˂0,2H 2 O (пар) , 2NH 3 кат. 3H 2 + N 2 . B ,

2) k 1 Ч = k 2 2 ,

67. На константу равновесия (K p ) влияет:

1) давление,

2) температура,

3) концентрация,

4) катализатор.

Работа добавлена на сайт сайт: 2015-07-05

">24. "> ">Признаки обратимых и необратимых реакций. Критерии равновесия. Константа равновесия. Принцип Ле-Шателье.

;color:#000000;background:#ffffff">1. Реакцию называют ;color:#000000;background:#ffffff">обратимой ;color:#000000;background:#ffffff">, если её направление зависит от концентраций веществ участников реакции. Например N ;vertical-align:sub;color:#000000;background:#ffffff">2 ;color:#000000;background:#ffffff"> + 3H ;vertical-align:sub;color:#000000;background:#ffffff">2 ;color:#000000;background:#ffffff"> = 2NH ;vertical-align:sub;color:#000000;background:#ffffff">3 ;color:#000000;background:#ffffff"> при малой концентрации аммиака в газовой смеси и больших концентрациях азота и водорода происходит образование аммиака; напротив, при большой концентрации аммиака он разлагается, реакция идёт в обратном направлении. По завершении обратимой реакции, т. е. при достижении равновесия химического, система содержит как исходные вещества, так и продукты реакции.

;color:#000000;background:#ffffff">Необратимые реакции ;color:#000000;background:#ffffff"> реакции, при которых взятые вещества нацело превращаются в продукты реакции, не реагирующие между собой при данных условиях, например ;background:#ffffff">, ;color:#000000;background:#ffffff">горение ;background:#ffffff"> ;color:#000000;background:#ffffff">углеводородов ;background:#ffffff">, ;color:#000000;background:#ffffff">образование ;color:#000000;background:#ffffff">малодиссоциирующих ;background:#ffffff"> ;color:#000000;background:#ffffff">соединений, выпадение осадка, образование газообразных веществ.

">Химическое равновесие "> - состояние системы, в котором скорость прямой реакции (" xml:lang="en-US" lang="en-US">V ;vertical-align:sub">1 ">) равна скорости обратной реакции (" xml:lang="en-US" lang="en-US">V ;vertical-align:sub">2 ">). При химическом равновесии концентрации веществ остаются неизменными. Химическое равновесие имеет динамический характер: прямая и обратная реакции при равновесии не прекращаются.

">Состояние химического равновесия количественно характеризуется константой равновесия, представляющей собой отношение констант прямой (" xml:lang="en-US" lang="en-US">K ;vertical-align:sub">1 ">) и обратной (" xml:lang="en-US" lang="en-US">K ;vertical-align:sub">2 ">) реакций.

" xml:lang="en-US" lang="en-US">K = K ;vertical-align:sub" xml:lang="en-US" lang="en-US">1/ " xml:lang="en-US" lang="en-US">K ;vertical-align:sub" xml:lang="en-US" lang="en-US">2 " xml:lang="en-US" lang="en-US">= ([C] ;vertical-align:super" xml:lang="en-US" lang="en-US">c " xml:lang="en-US" lang="en-US"> [D] ;vertical-align:super" xml:lang="en-US" lang="en-US">d " xml:lang="en-US" lang="en-US">) / ([A] ;vertical-align:super" xml:lang="en-US" lang="en-US">a " xml:lang="en-US" lang="en-US"> [B] ;vertical-align:super" xml:lang="en-US" lang="en-US">b " xml:lang="en-US" lang="en-US">)

"> Константа равновесия зависит от температуры и природы реагирующих веществ. Чем больше константа равновесия, тем больше равновесие сдвинуто в сторону образования продуктов прямой реакции.

">Смещение химического равновесия.

">1. Иземенение концентрации реаг. В-в

">Увеличение конц исх в-в сдвигает вправо
">Увеличение продуктов сместит равновесие влево

">2. Давление (только для газов)

">Увеличение давл. Смещает равновесие в сторону в-в занимающих меньший объём.
">Уменьшение давл смещает равновесие в сторону в-в занимающих больший объём

">3. Температура.

">Для экзотермических р-ий повыш. Т смещает влево
">Для эндотермических повышение Т смещает вправо.
">Катализаторы не оказывают влияние на хим. Равновесие, а лишь ускоряет его наступление

">Принцип Ле-Шателье ">если на систему находящуюся в состоянии динамического равновесия, оказать какое-либо воздействие, то преимущественно получается та реакция которая препятствует этому воздействию

" xml:lang="en-US" lang="en-US">N2+O2↔NO+ ∆H

" xml:lang="en-US" lang="en-US">→ t◦→

" xml:lang="en-US" lang="en-US">↓← ↓ t◦←

" xml:lang="en-US" lang="en-US"> ← p-

Классификация химических реакций. Исходные вещества активированный комплекс продукты реакции

Читайте также

Классификация химических реакций по числу и составу исходных и образующихся веществ

Классификация химических реакций по изменениям степеней окисления

Классификация химических реакций по тепловому эффекту

Классификация химических реакций по направлению протекания реакции

Классификация химических реакций по наличию катализатора

Примеры решения задач