КСЕ. Химическая реакция, химическая кинетика. Катализ. КСЕ 2 вопроса. 4. Химические реакции
 Скачать 21.09 Kb.
|
|
4. Химические реакции Химическая реакция – это процесс превращения одного или нескольких веществ в другие вещества, в результате чего происходит перераспределение электронов и ядер. Сами ядра атомов при этом не меняются. Химические реакции нельзя путать с физическими процессами. В физических процессах вещества сохраняют свой состав, хотя могут образовывать смеси, изменять внешнюю форму либо агрегатное состояние. Так, превращение воды в пар или лед является физическим процессом, а не химической реакцией. Отличаются химические реакции и от ядерных реакций, в которых происходят изменения в ядрах атомов и образуются атомы новых элементов. В ходе химических процессов новые вещества получаются в результате изменений, происходящих в электронной оболочке атомов. Выделяют следующие типы химических реакций: реакции соединения, разложения, замещения и обмена. Например, коррозия представляет собой реакцию замещения. Реакция соединения представляет собой образование одного сложного вещества в результате соединения двух или более веществ. В результате реакции разложения происходит распад одного сложного вещества на несколько простых. Реакция замещения протекает между простыми и сложными веществами, при этом атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. Реакция обмена возможна между двумя сложными веществами, в результате чего они обмениваются своими составными частями и образуются два новых сложных вещества. Существует целый ряд признаков, по которым можно классифицировать химические реакции: по агрегатному состоянию, по изменению степеней окисления реагентов, по тепловому эффекту реакции, по направлению протекания, по наличию катализаторов. По агрегатному состоянию (газообразному, жидкому, твердому) реагирующих веществ химические реакции подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Гомогенные реакции протекают в одной фазе, например, в виде раствора. Гетерогенные реакции осуществляются на границе раздела двух фаз. Например, твердое вещество и газ. По изменению степеней окисления реагентов выделяют окислительно- восстановительные реакции. Окисление – это процесс отдачи электронов, что приводит к увеличению степени окисления. Восстановление – это присоединение электронов и уменьшение степени окисления. Элемент, отдающий электроны, называется восстановителем, а элемент, принимающий электроны, – окислителем. По тепловому эффекту химические реакции делятся на экзотермические (сопровождающиеся выделением тепла) и эндотермические (идущие с поглощением тепла). Яркий пример экзотермических реакций – процесс горения. К эндотермическим реакциям относятся реакции разложения. По направлению протекания химические реакции бывают обратимыми и необратимыми. Обратимые реакции одновременно протекают в двух противоположных направлениях. Необратимые реакции идут только в одном направлении. По наличию катализаторов (веществ, участвующих в реакции, изменяющих ее скорость, но остающихся неизменными после завершения реакции) химические реакции подразделяются на каталитические (протекающие в присутствии катализаторов) и некаталитические (идущие без катализаторов). Признаки химических реакций В результате химических реакций происходит превращение одних веществ в другие. При этом изменяются не только сами вещества, но и их свойства. Такие изменения и являются признаками химических реакций. К ним относятся: Яркое свечение и выделение или поглощение тепла. При горении магния выделяется много теплоты и излучается яркий свет. Выделение газа. При нагревании порошка малахита в пробирке образуется углекислый газ, вода и оксид меди. Образование или растворение осадка. При сливании известковой воды и раствора соды образуется белый осадок, который может легко раствориться в уксусе. Изменение цвета и запаха. В процессе горения спички образуется специфический запах, кроме того, изменяется цвет. Какие химические реакции встречаются в природе? В природе химические реакции происходят постоянно, однако их нельзя путать с физическими процессами. Если вода испаряется, она просто меняет свое агрегатное состояние, а молекулы воды остаются без изменения. А вот в процессе фотосинтеза в зеленом растении на свету осуществляется взаимодействие молекул воды с углекислым газом, в результате чего образуется глюкоза и выделяется кислород. Во время грозы идет химическая реакция образования озона из кислорода. Химические процессы связаны также с гниением органических веществ, прокисанием молока, брожением сахара. Появление ржавчины на металле – это еще одна химическая реакция. Когда в чайнике оседает накипь, мы и не подозреваем, что это то же самое химическое взаимодействие, которое приводит к возникновению сталактитов в пещере. И в том, и в другом случае образуется карбонат кальция. Химическая Кинетика Скорость химической реакции показывает, как изменяется концентрация реагирующих веществ в единицу времени. Скорость реакции тем выше, чем больше количество реагирующих веществ и чем меньше время самой реакции. Данные процессы изучаются специальным разделом химии – химической кинетикой. Скорость химических реакций зависит от следующих условий: наличие катализатора, степень измельченности реагирующих веществ, давление и температура, природа веществ, вступающих в реакцию, концентрация реагентов. В соответствие с правилом Вант-Гофа в случае возрастания температуры на каждые 10 градусов по Цельсию скорость химической реакции увеличивается в 2-4 раза. Скорость химической реакции зависит от целого ряда факторов: 1. Природа веществ, вступающих в химическую реакцию. Так, чем активнее металл, тем он быстрее окисляется и более бурно взаимодействует с водой. Знание природы реагирующих веществ позволяет предсказать скорость протекания химической реакции. 2. Концентрация реагентов. Чем выше их концентрация, тем больше скорость реакции, поскольку с увеличением концентрации возрастает количество столкновений молекул реагирующих веществ. Например, горение в чистом кислороде идет гораздо активнее, чем на воздухе, так как концентрация кислорода в воздушной среде в пять раз ниже. 3. Площадь поверхности реагирующих веществ. Чем эта площадь больше, тем выше скорость реакции. Твердые вещества поэтому измельчают, а жидкости – распыляют. К примеру, если кусок мрамора превратить в порошок, то его реакция с соляной кислотой намного ускорится. 4. Температура. Повышение температуры на каждый градус ведет к возрастанию скорости реакции. Это связано с увеличение числа активных молекул, имеющих повышенную энергию, способствующую вступлению веществ в химическую реакцию. 5. Давление. Оно оказывает существенное воздействие на скорость реакции в газообразном состоянии. При увеличении давления скорость реакции возрастает, что объясняется повышением концентрации молекул реагирующих веществ. 6. Катализатор. Скорость реакции увеличивается в присутствии специальных веществ – катализаторов. Они образуют промежуточные вещества, которые более активно реагируют между собой. При этом сам катализатор в процессе реакции не расходуется. Существуют также вещества, замедляющие процесс реакции (ингибиторы). 5. Катализ Катализ - это процесс, связанный с ускорением или замедлением химических реакций в присутствии веществ , которые ускоряют (катализаторы) или замедляют (ингибиторы) химическую реакцию. При этом катализаторы взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечного продукта. Изменение количества катализатора происходит за счет механических потерь. В качестве катализатора используют вещества, имеющие слабо химические связи или свободные валентности , что придает им высокую активность .Катализаторы бывают галогенные, гетерогенные и фото катализаторы. Существуют химические и природные каталитические процессы. Катализ был открыт в 1812 году К. С. Кирхгофом (1764-1833гг), впервые получившим с помощью катализатора - серной кислоты - из крахмала сахар. В 1964 году в связи с открытием новых катализаторов была реализована возможность синтеза аммиака не при высоких температуре (4000 C) и давлении (808 мПа), что затрудняло технологическое исполнение процесса, а при обычных условиях: атмосферном давлении и комнатной температуре. Победой катализа является появление целой отрасли химии, базирующейся на основе такого простейшего сырья, как оксид углерода и водород. На одних катализаторах со 100%-ным выходом из них образуются парафины нормального строения, на других - только парафины разветвленного строения, на третьих - чистый метанол, на четвертых - уксусная кислота, на пятых - этилен и т.д. Роль катализаторов как своеобразных архитекторов проявилась в построении молекул полимеров. В 1950-1960-х годах открыты металлоорганические катализаторы, которые позволили воспроизвести натуральный каучук. Благодаря катализаторам стало возможным ввести в качестве сырья много тоннажного органического синтеза углеводороды нефти - парафины и циклопарафины, которые считались «химическими мертвецами». Благодаря катализу они превратились в практически неисчерпаемое сырье для получения пластмасс, олифы и лаков, моющих веществ и растворителей, лекарственных и парфюмерных веществ, возможных горюче смазочных материалов. Катализ находится в основании производства маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Практически вся промышленность «основной химии» (производство неорганических кислот, оснований и солей) и «тяжелого органического синтеза», включая получение горюче-смазочных материалов, базируется на гетерогенном катализе, который осуществляется с помощью металлов, их сплавов и оксидов. Широкое применение за последние 40-30 лет приобрели цеолитовые (алюмосиликатные) катализаторы, обладающие широко развитой поверхностью и широкими пределами применения. Теоретические представления о сущности катализа служат сегодня основным пунктом дальнейшего развития всей каталитической химии, и, прежде всего таких наиболее перспективных областей ее, как металлокомплексный катализ, межфазный катализ, мицеллярный (посредством коллоидных систем), мембранный катализ (с участием веществ, действующих как молекулярное сито) и катализ посредством ферментоподобных веществ. |