Химические реакции

Физическое изменение не приводит к образованию нового вещества. Вещество лишь меняет своё состояние или форму, и такое изменение обычно обратимо. Плавление льда и растворение сахара — физические изменения.

Химическая реакция (химическое изменение) приводит к образованию одного или нескольких новых веществ и обычно является необратимым процессом. Признаки химической реакции включают изменение цвета, выделение газа, изменение энергии или образование осадка (твердого вещества).

Скорость реакции показывает, как быстро исходные вещества превращаются в продукты.

Теория столкновений

Теория столкновений объясняет, что контролирует скорость. Для протекания реакции частицы должны столкнуться, и они должны столкнуться с достаточной энергией. Минимальная необходимая энергия называется энергией активации ($E_a$). Более высокая скорость достигается, когда частицы сталкиваются успешно чаще.

Что влияет на скорость

Катализаторы

Катализатор ускоряет реакцию, но не расходуется — он остается неизменным в конце. Он работает за счет снижения энергии активации. Ферменты — это биологические катализаторы (катализаторы, работающие в живых организмах).

Измерение скорости

Вы можете отслеживать реакцию во времени следующими способами:

• Изменение массы: поставьте колбу на весы. Если газ выходит, масса уменьшается. Записывайте массу через равные промежутки времени.
• Объем газа: соберите газ в газовый шприц и измеряйте его объем через равные промежутки времени.
• Образование осадка: в реакции, вызывающей помутнение, засеките время, за которое метка под колбой исчезает.

На графике зависимости продукта от времени линия круче всего в начале (самая высокая скорость), становится менее крутой по мере расходования исходных веществ и выравнивается, когда реакция завершается.

Некоторые реакции являются обратимыми: продукты могут снова реагировать, образуя исходные вещества. Мы обозначаем это символом $\rightleftharpoons$.

Изменение направления

Ярким примером являются гидратированные и безводные соединения:

• Синий гидратированный сульфат меди(II) при нагревании теряет воду, превращаясь в белый безводный сульфат меди(II). Добавление воды снова окрашивает его в синий цвет.
• Розовый гидратированный хлорид кобальта(II) при нагревании теряет воду, превращаясь в синий безводный хлорид кобальта(II). Добавление воды снова окрашивает его в розовый цвет.

Добавление воды к безводному твердому веществу (и наблюдение возврата цвета) используется как тест на наличие воды.

Равновесие

В замкнутой системе (где ничего не входит и не выходит) обратимая реакция достигает равновесия, когда:

• скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции, и
• концентрации исходных веществ и продуктов больше не изменяются.

Смещение положения равновесия

Положение равновесия указывает,是否存在 больше исходных веществ или больше продуктов. Вы можете сместить его:

• Температура: нагревание смещает равновесие в сторону, поглощающую тепло (эндотермическое направление); охлаждение смещает его в сторону, выделяющую тепло (экзотермическое направление).
• Давление (газы): увеличение давления смещает равновесие в сторону с меньшим количеством молекул газа.
• Концентрация: добавление большего количества вещества смещает равновесие в другую сторону, чтобы израсходовать его.
• Катализатор не смещает положение равновесия. Он лишь помогает реакции достичь равновесия быстрее.

Процесс Габера

Процесс Габера позволяет синтезировать аммиак:

• Водород получают из метана (природного газа); азот получают из воздуха.
• Типичные условия: температура $450\,{}^{\circ}\text{C}$, давление около $200$ атм ($20\,000$ кПа) и железный катализатор.

Контактный процесс

Контактный процесс превращает диоксид серы в триоксид серы:

• Диоксид серы получают при горении серы (или обжиге сульфидных руд); кислород поступает из воздуха.
• Типичные условия: температура $450\,{}^{\circ}\text{C}$, давление около $2$ атм ($200$ кПа) и катализатор из оксида ванадия(V).

Почему выбраны именно такие условия

Условия представляют собой компромисс:

• Более высокое давление дало бы больше продукта, но очень высокое давление опасно и дорого, поэтому используется среднее давление.
• Более низкая температура дала бы больше продукта (обе прямые реакции экзотермические), но реакция была бы слишком медленной, поэтому используют достаточно высокую температуру для поддержания высокой скорости.
• Катализатор ускоряет реакцию без смещения положения равновесия, что снижает затраты.

Окисление и восстановление всегда происходят одновременно в так называемой окислительно-восстановительной реакции (сокращенно ОВР). ('Redox' — сокращение от reduction–oxidation.).

Существует три способа описания окисления и восстановления:

• Кислород: окисление — это присоединение кислорода; восстановление — его потеря.
• Электроны: окисление — это потеря электронов; восстановление — их присоединение.
• Степень окисления: при окислении степень окисления повышается; при восстановлении она понижается.

Полезная мнемотехническая фраза: OIL RIG: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain — потери и присоединения электронов соответственно.

Правила определения степени окисления

Степень окисления обозначается римской цифрой, как в названиях железа(II) и железа(III). Правила следующие:

• У элемента, не входящего в состав соединения, степень окисления равна $0$.
• Степень окисления одноатомного иона равна его заряду (поэтому $\text{Na}^{+}$ равен $+1$).
• Сумма степеней окисления в соединении равна $0$.
• Сумма степеней окисления в ионе равна заряду этого иона.

Разобранное решение. Найдите степень окисления марганца в перманганат-ионе, $\text{MnO}_4^{-}$. Каждый кислород имеет степень окисления $-2$, и таких четыре, что дает в сумме $4 \times (-2) = -8$. Сумма степеней окисления в ионе должна быть равна заряду иона, который здесь составляет $-1$. Следовательно, если марганец имеет степень окисления $x$, то $x + (-8) = -1$, что в итоге дает $x = +7$ — ровно то, что указывает (VII) в названии. Приравнивайте сумму к заряду иона, а не к нулю: ноль подходит только для нейтрального соединения.

Окислители и восстановители

• Окислитель окисляет другое вещество, сам при этом восстанавливаясь.
• Восстановитель восстанавливает другое вещество, сам при этом окисляясь.

Некоторые окислительно-восстановительные реакции сопровождаются заметными изменениями цвета:

• Кислотный раствор перманганата калия имеет фиолетовый цвет. Выступая в роли окислителя, он восстанавливается, и фиолетовый цвет исчезает, становясь бесцветным.
• Йодид калия бесцветен. При окислении образуется красновато-коричневый йод.

• Объясните более высокую скорость с помощью теории столкновений: успешные столкновения происходят чаще. Концентрация, давление и площадь поверхности увеличивают частоту столкновений частиц; более высокая температура делает это а также обеспечивает большую часть частиц достаточной энергией.
• Катализатор снижает энергию активации и ускоряет реакцию, но не расходуется и не изменяет $\Delta H$ или положение равновесия.
• При равновесии скорости прямой и обратной реакций равны, а концентрации перестают меняться — это не означает, что количества реагентов и продуктов равны.
• Используйте принцип Ле Шателье: повышение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции; повышение давления смещает равновесие в сторону меньшего числа молекул газа; добавление вещества смещает равновесие от него.
• ОВР — OIL RIG: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain электронов. Они всегда происходят вместе, а окислитель сам восстанавливается.