Часть И. ОБЩАЯ ХИМИЯ

Раздел 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

§ 1.8. Химические реакции. Классификация реакций

Вещества, взаимодействуя друг с другом, подвергаются различным изменениям и преобразованиям. Например, бериллий, взаимодействуя с оксигеном воздух при температуре свыше 500°С, превращается в оксид бериллия; уголь, сгорая, образует углекислый газ и т.д.

Явления, при которых одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных по составу и свойствами, и при этом не происходит изменения состава ядер атомов, называются химическими.

Окисления на воздухе, горение, добыча металлов из руд, ржавление железа - все это химические явления. Иначе их называют химическими превращениями, химическими реакциями или химическими взаимодействиями.

Следует различать химические и физические явления.

Во время физических явлений меняется форма или физическое состояние веществ или образуются новые вещества за счет изменения состав ядер атомов.

Например, во время взаимодействия газуватого аммиака с жидким азотом аммиак переходит сначала в жидкое, а затем в твердое состояние, Это не химическое, а физическое явление, поскольку состав веществ (и азота, и аммиака) не меняется. Некоторые явления, обусловливающие образование новых веществ, относятся к физическим. Таковы, например, ядерные реакции (см. § 2.3), в результате которых из атомов одних элементов образуются атомы других. Такие явления изучает ядерная физика.

Физические явления, как и химические реакции, очень распространены: прохождение электрического тока по металлическому проводнику (проволоки), ковка и плавления металла, выделение теплоты, превращения воды в лед и пару т.д.

Химические явления всегда сопровождаются физическими. Например, во время сгорания магния выделяются теплота и свет, в гальваническом элементе в результате химических реакций возникает электрический ток.

Согласно атомно-молекулярного учения и закона сохранения массы (см. § 1.9) во время химических реакций из атомов веществ, вступивших в реакцию, образуются новые вещества (как простые, так и сложные), причем общее число атомов каждого элемента всегда остается одинаковой.

Химические реакции классифицируют по различными признаками.

1. По признаку выделения или поглощение теплоты. Реакции, происходящие с выделением теплоты, называются экзотермическими. Например, реакция образования хлороводорода из водорода и хлора:

Н₂ + Сl₂ = 2НСl, АН = -184,6 кДж.

Реакции, происходящие с поглощением теплоты из окружающей среды, называются ендотермічними. Например, реакция образования оксида азота(II) из азота и кислорода, которая происходит при высокой температуре:

N₂ + O₂ = 2NO, АН = 180,8 кДж.

Количество теплоты, которая выделилась или поглинулась в результате реакции, называется тепловым эффектом процесса. Раздел химии, изучающий тепловые эффекты различных процессов, называется термохимией.

Химические уравнения, в которых указано тепловые эффекты реакций, называются термохимическими. В таких уравнениях коэффициенты у формул означают число молей соответствующих веществ и поэтому могут быть дробными числами. Поскольку тепловой эффект реакции зависит от температуры и давления, то договорились отмечать его для стандартных условий, т.е. при температуре 25°С (298 или, точнее, 298,15 К) и давлении 101 325 Па =101,3 кПа. В термохимических уравнениях указывается состояние веществ: кристаллическое (к), жидкий (г), газуватий (г), раствор (р-н) и т.д. Тепловой эффект принято обозначать ∆Н (читается “дельта аш”), выражать в кілоджоу лях (кДж) и относить к того числа молей вещества, которое определяется уравнением реакции. Знаки тепловых эффектов считаются положительными для эндотермических процессов (теплота поглощается, ∆Н >0) и отрицательными - для экзотермических процессов (теплота выделяется, ∆Н 0).

Поясним суть теплового эффекта реакции ∆Н. Каждое вещество имеет определенную энтальпию (теплосодержание). Энтальпия (ее обозначают латинской буквой Н) является мерой энергии, которая накапливается веществом во время ее образования. Тепловой эффект реакции при стабильного давления ∆Н представляет собой разность энтальпий конечных продуктов реакции (обозначается H_кон) и исходных веществ, вступающих в реакцию, (обозначается Н_вых), т.е.

∆Н = Н_кон - Н_исх. (1.4)

В этом физическая суть величины ∆Н (здесь греческая ∆ означает разницу). Для ізобарних реакций часто используют термин “энтальпия процесса” вместо термина “тепловой эффект процесса”.

Если все конечные продукты реакции и исходные вещества находятся в стандартном состоянии (Т = 298 К, р ≈ 101,3 кПа), то ∆Н называют стандартной энтальпией процесса и обозначают ∆Н298 или только с верхним индексом ∆Н°.

В связи со сказанным термохимические уравнение экзотермической реакции образования хлороводорода и эндотермической реакции образование оксида азота(II) из соответствующих простых веществ при стандартных условия запишутся так:

Уравнение II означают, что преобразования 0,5 моль газуватого водорода и 0,5 моль газуватого хлора в 1 моль газуватого хлороводорода при стандартных условиях сопровождается выделением 92.3 кДж теплоты, а превращение 0,5 моль газуватого азота и 0,5 моль кислорода в газуватого 1 моль газуватого оксида азота(II) при стандартных условиях сопровождается поглощением 90.4 кДж теплоты. В уравнениях l этих реакций слово “моль” выпущено, поскольку ∆Н касается не одного моля, а двух. Знак “минус” перед значением ∆Н для экзотермических реакций означает, что запас энергии в продуктах реакции меньше, чем в исходных веществах. Знак “плюс” перед значением Н для эндотермических реакций означает, что продукты реакции, поглотив теплоту из внешней среды, увеличили свою энергию по сравнению с исходными веществами.

Очевидно, что если реакция соединения происходит с выделением теплоты, то обратная ей реакция - реакция разложения - будет происходить с поглощением теплоты. Если же реакция соединения происходит с поглощением теплоты, то обратная ей реакция разложения будет происходить с выделением теплоты. Так, в первом примере ∆H°98 образование 1 моль хлороводорода составляет - 92,3 кДж, а ∆H298 разложения 1 моль хлороводорода равна + 92,3 кДж; во втором примере ∆Н 298 образования 1 моль оксида азота(II) равна +90,4 кДж, а ∆Н 298 разложения 1 моль этого самого оксида азота(II) равна - 90,4 кДж.

В школьных курсах химии и многих учебных пособиях тепловые эффекты реакций обозначают Q и считают их положительными, если теплота выделяется, и отрицательными, если она поглощается. Очевидно, ∆Н = -Q. Следует придерживаться приведенного нами обозначения тепловых эффектов, поскольку оно введено для единообразия с термодинамикой.

Тепловой эффект химических реакций измеряют с помощью специальных приборов - калориметрів. их строение описано в курсах физики и физической химии.

2. По признаку изменения числа исходных и конечных веществ реакции разделяют на такие типы: соединения, разложения, замещения и обмена.

Реакции, в результате которых из двух или нескольких веществ образуется одно новое вещество, называются реакциями сообщения. Например, взаимодействие хлороводорода с аммиаком:

НСl + NH₃ = NH₄Cl

или образования оксида магния с простых веществ:

2Мg + O₂ = 2МgО.

Реакции, в результате которых с одной вещества образуется несколько новых веществ, называются реакциями разложения. Например, расписание іодоводню:

2Нl = Н₂ + l₂

или расписание перманганата калия:

2КМnO₄ = К2МnО₄ + МnО₂ + O₂.

Реакции между простыми и сложными веществами, в результате которых атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов сложного вещества, называются реакциями замещения. Например, замещение свинца цинком в нітраті свинца(II):

Pb(NO₃)₂ + Zn = Zn(NO₃)₂ + Pb

или вытеснение брома хлором:

2NaBr + Сl₂ = r₂ + 2NaCl.

Реакции, в результате которых два вещества обмениваются своими составными частями, образуя два новых вещества, называются реакциями обмена. Например, взаимодействие оксида алюминия с серной кислотой:

Аl₂О₃ + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + ЗН₂О,

или взаимодействие хлорида кальция с нитратом аргентуму(И):

СаСl₂ + 2AgNO₃ = 2AgCl + Ca(NO₃)₂,

или взаимодействие основания с кислотой:

Са(OН)₂ + 2НСl = СаСl₂ + 2Н₂O.

3. По признаку обратимости реакции разделяют на обратимые и необратимые (см. § 4.5).

4. По признаку изменения степени окисления атомов, входящих в состав веществ, которые реагируют между собой, различают реакции, происходящие без изменения степеней окисления атомов, и окислительно-восстановительные реакции (с изменением степеней окисления атомов). О окислительно-восстановительные реакции см. § 7.1.