Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Понятие химической реакции
• 2. Химическая рация с точки зрения общей теории взаимодействия
• 3. Классификация химических реакций
• 4. Факторы, влияющие на скорость химических реакций
• 5. Закон химического равновесия
• Заключение
• Литература

Введение

Химические реакции - процессы образования веществ и химических соединений протекающие с изменением электронных оболочек.

В переводе с латыни «реакция» означает «противодействие, отпор, ответное действие». Следовательно, термин химическая реакция можно понимать как ответное действие вещества на воздействие извне других веществ и физических факторов - тепла, давления, излучения.

Но под такое определение подпадают и физические процессы: плавление, кипение, замерзание и другие. Поэтому следует уточнить, что химическая реакция - это такое изменение вещества, при котором разрываются старые и образуются новые связи между атомами.

Актуальность работы состоит в том, что в химических процессах (химических реакциях) получаются новые вещества с отличными от реагентов свойствами, но никогда не образуются атомы новых элементов. В атомах же участвующих в реакции элементов обязательно происходят видоизменения электронной оболочки.

В ядерных реакциях происходят изменения в атомных ядрах всех участвующих элементов, что приводит к образованию атомов новых элементов.

С помощью химических реакций можно получать практически важные вещества, которые в природе находятся в ограниченных количествах, например азотные удобрения, либо вообще не встречаются по каким-либо причинам, например сульфамиды и другие синтетические лекарственные препараты, полиэтилен и другие пластмассы.

Химия позволяет синтезировать новые, неизвестные природе вещества, необходимые для жизнедеятельности человека.

Вместе с тем интенсивное химическое воздействие на окружающую среду и на протекающие природные процессы может привести к нарушению установившихся естественных химических циклов, что делает актуальной экологическую проблему (загрязнение окружающей среды) и усложняет задачу рационального использования природных ресурсов и сохранения естественной среды обитания на Земле.

Объект работы - химические реакции.

Предмет работы - закономерности химических реакций.

Цель работы - рассмотреть химические реакции их основные закономерности.

Задачи работы:

1. Рассмотреть понятие химической реакции.

2. Рассмотреть классификацию химических реакций.

3. Рассмотреть факторы, влияющие на скорость химических реакций.

4. Дать определение понятия химического равновесия.

химическая реакция синтез

1. Понятие химической реакции

Химические реакции - динамические процессы, вызванные электрическим притяжением между участками молекул реагирующих веществ имеющих разный знак заряда, связанные либо с изменением строения электронных оболочек, либо с их трансформацией в новую электронную оболочку продукта реакции.

Все химические и большинство физических свойств веществ зависят от строения электронных оболочек, составляющих их атомов, а химическое соединение тем и отличается от физической смеси, что в нём часть электронов обобществлена; они образуют химические связи между атомами. Поэтому важным свойством химических соединений, отличающим их от механических смесей, является однородность. Состав химического соединения записывают в виде химических формул, а взаимное расположение атомов изображают при помощи структурных формул.

Некоторые простые вещества тоже можно рассматривать как химические соединения, если их атомы связаны ковалентными связями в молекулы, как, например, кислород О2, озон О3, графит и алмаз, и тому подобное. В этих соединениях существенное влияние на свойства вещества оказывает не только состав, но и взаимное расположение атомов, а также тип соединяющих их связей.

Химические соединения образуются либо при взаимодействии простых веществ, либо в результате химических реакций других соединений. Образование химических соединений всегда сопровождается выделением или поглощением энергии. Не обязательно теплоты - так, в аккумуляторах и гальванических элементах (старых батарейках) образование химических соединений сопровождается возникновением электродвижущей силы, а в ракетном двигателе большая часть энергии, выделяющейся при образовании химических соединений топлива с окислителем, превращается в механическую энергию движения ракеты.

Почему же, при образовании химических соединений происходит поглощение или выделение энергии? Общая теория взаимодействий описывает процесс образования химических соединений, как результат электрического взаимодействия атомов или молекул. Атомы и молекулы представляют собой совокупность изменяющихся пространственно направленных электрических сил.

При образовании химического соединения, происходящего в результате процесса электрического притяжения разно заряженных зон атома или молекулы, происходят изменения в расположении электронов относительно ядер атомов. Чем больше степень изменения электронной оболочки, произошедшая в результате реакции тем больше величина энергии, необходимой для того, чтобы реакция произошла, или выделяющейся в результате такой реакции.

Если расположение электронов в продуктах реакции является менее энергетическим, по сравнению с исходными продуктами, то есть электроны располагаются ближе к ядру или более правильно (симметрично), то энергия выделяется (чаще всего в виде теплоты). В противном случае энергия электронов должна возрасти, то есть для проведения реакции образования химического соединения необходимо затратить энергию.

Так как практически никогда суммарная энергия электронов в результате реакции не остаётся прежней, то и процессы образования химических соединений сопровождаются выделением или поглощением энергии.

2. Химическая рация с точки зрения общей теории взаимодействия

Изучать химическую реакцию - значит искать ответы на вопросы: почему она происходит, каков её механизм, от чего и как зависят её скорость и степень превращения исходных веществ в продукты, какие катализаторы способны её ускорить и какие ингибиторы - замедлить?

«Движущая сила» реакции зависит не только от природы реагентов и образующихся веществ (их состава, строения), но и от концентрации веществ, температуры, давления, влияния растворителей, соединений, способных образовывать комплексы с реагентами и продуктами.

Для записи химических реакций используют уравнения, молекулы реагирующих веществ и продуктов изображают с помощью химических формул. Чтобы написать уравнение химической реакции, нужно знать точные химические формулы всех реагирующих веществ и продуктов реакции. Числовые коэффициенты для каждой формулы подбираются так, чтобы число атомов всех элементов в левой части уравнения было равно числу атомов этих же элементов в правой части. По уравнениям химических реакций можно рассчитать массы реагирующих веществ и продуктов реакции.

Попробуем рассмотреть приведённые выше вопросы, касающиеся изучения химической реакции с точки зрения общей теории взаимодействий.

1. Почему происходит химическая реакция? Реакция может произойти только в том случае, когда величина силы электрического притяжения различных зон реагирующих атомов превосходит силу электрического отталкивания. Мы уже знаем, что любой атом или молекулу можно представить в виде определённой совокупности векторов электрической напряжённости. Проще говоря, какая-то часть поверхности атома или молекулы имеет положительный заряд, а остальная часть поверхности отрицательный. Примеры в предыдущей главе и ниже. Так вот, если сила притяжения между разно заряженными областями поверхности атома или молекулы превосходит силу отталкивания, то реакция происходит. Мы можем влиять на величину взаимодействия, изменяя температуру, давление или другие параметры.

2. Каков механизм химической реакции? В принципе мы уже ответили на этот вопрос. Стоит лишь уточнить, что зная пространственное расположение областей положительного и отрицательного заряда на поверхности реагентов, мы можем выбирать наименее энергозатратный механизм достижения своих целей.

3. От чего и как зависят скорость химической реакции и степень превращения исходных веществ в продукты? Ответ на этот вопрос можно дать, используя информацию приведённую выше. Если большая часть поверхности реагентов имеет разные электрические заряды то для начала реакции не требуется энергетических затрат, необходимо лишь заставить вещества соприкасаться и реакция начнётся. Течение реакции и её скорость будут зависеть от получаемых продуктов и выделяющейся в результате энергии.

В том случае, когда продукты не мешают протеканию дальнейшей реакции, процесс продолжается до полного использования исходных реагентов.

Если же в результате реакции происходит выделение энергии, и эта энергия способствует ускорению течения реакции, то процесс проходит бурно, часто с взрывом.

Когда продукты реакции остаются в зоне происходящих химических процессов, они могут тормозить (вмешиваясь своими электрическими полями) дальнейший ход реакции, а при определённых условиях происходит обратная реакция распада продуктов на исходные реагенты.4.Влияние катализаторов и ингибиторов также рассчитывается исходя из распределения на поверхности их атомов или молекул электрического заряда. Здесь обязательно следует отметить, что в случае с катализаторами и ингибиторами особую роль приобретает форма распределения электрического заряда на их поверхности. Так как в противном случае такие вещества могут стать реагентами и нарушить необходимое течение химических процессов.

3. Классификация химических реакций

Химические свойства веществ выявляются в разнообразных химических реакциях.

Превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и (или) строения, называются химическими реакциями. Часто встречается и такое определение: химической реакцией называется процесс превращения исходных веществ (реагентов) в конечные вещества (продукты).

Химические реакции записываются посредством химических уравнений и схем, содержащих формулы исходных веществ и продуктов реакции. В химических уравнениях, в отличие от схем, число атомов каждого элемента одинаково в левой и правой частях, что отражает закон сохранения массы.

В левой части уравнения пишутся формулы исходных веществ (реагентов), в правой части - веществ, получаемых в результате протекания химической реакции (продуктов реакции, конечных веществ). Знак равенства, связывающий левую и правую часть, указывает, что общее количество атомов веществ, участвующих в реакции, остается постоянным. Это достигается расстановкой перед формулами целочисленных стехиометрических коэффициентов, показывающих количественные соотношения между реагентами и продуктами реакции.

Химические уравнения могут содержать дополнительные сведения об особенностях протекания реакции. Если химическая реакция протекает под влиянием внешних воздействий (температура, давление, излучение и т.д.), это указывается соответствующим символом, как правило, над (или "под") знаком равенства.

Огромное число химических реакций может быть сгруппировано в несколько типов реакций, которым присущи вполне определенные признаки.

В качестве классификационных признаков могут быть выбраны следующие:

1. Число и состав исходных веществ и продуктов реакции.

2. Агрегатное состояние реагентов и продуктов реакции.

3. Число фаз, в которых находятся участники реакции.

4. Природа переносимых частиц.

5. Возможность протекания реакции в прямом и обратном направлении.

6. Знак теплового эффекта разделяет все реакции на: экзотермические реакции, протекающие с экзо-эффектом - выделение энергии в форме теплоты (Q>0, ?H <0):

и эндотермические реакции, протекающие с эндо-эффектом - поглощением энергии в форме теплоты (Q<0, ?H >0):

Такие реакции относят к термохимическим.

Рассмотрим более подробно каждый из типов реакций.

Классификация по числу и составу реагентов и конечных веществ

1. Реакции соединения

При реакциях соединения из нескольких реагирующих веществ относительно простого состава получается одно вещество более сложного состава:

A + B + C = D

Как правило, эти реакции сопровождаются выделением тепла, т.е. приводят к образованию более устойчивых и менее богатых энергией соединений.

Реакции соединения простых веществ всегда носят окислительно-восстановительный характер. Реакции соединения, протекающие между сложными веществами, могут происходить как без изменения валентности:

так и относиться к числу окислительно-восстановительных:

2. Реакции разложения

Реакции разложения приводят к образованию нескольких соединений из одного сложного вещества:

А = В + С + D.

Продуктами разложения сложного вещества могут быть как простые, так и сложные вещества. Из реакций разложения, протекающих без изменения валентных состояний, следует отметить разложение кристаллогидратов, оснований, кислот и солей кислородсодержащих кислот:

К реакциям разложения окислительно-восстановительного характера относится разложение оксидов, кислот и солей, образованных элементами в высших степенях окисления:



Особенно характерны окислительно-восстановительные реакции разложения для солей азотной кислоты.

Реакции разложения в органической химии носят название крекинга:

или дегидрирования

3. Реакции замещения

При реакциях замещения обычно простое вещество взаимодействует со сложным, образуя другое простое вещество и другое сложное:

А + ВС = АВ + С.

Эти реакции в подавляющем большинстве принадлежат к окислительно-восстановительным:



Примеры реакций замещения, не сопровождающихся изменением валентных состояний атомов, крайне немногочисленны. Следует отметить реакцию двуокиси кремния с солями кислородсодержащих кислот, которым отвечают газообразные или летучие ангидриды:

СаСО3+ SiO2 = СаSiO3 + СО2,

Иногда эти реакции рассматривают как реакции обмена:

4. Реакции обмена

Реакциями обмена называют реакции между двумя соединениями, которые обмениваются между собой своими составными частями:

АВ + СD = АD + СВ.

Если при реакциях замещения протекают окислительно-восстановительные процессы, то реакции обмена всегда происходят без изменения валентного состояния атомов. Это наиболее распространенная группа реакций между сложными веществами - оксидами, основаниями, кислотами и солями:



Частный случай этих реакций обмена - реакции нейтрализации:

Обычно эти реакции подчиняются законам химического равновесия и протекают в том направлении, где хотя бы одно из веществ удаляется из сферы реакции в виде газообразного, летучего вещества, осадка или малодиссоциирующего (для растворов) соединения:

5. Реакции переноса.

При реакциях переноса атом или группа атомов переходит от одной структурной единицы к другой:

Например:

1. Химические реакции различаются по числу и составу реагирующих веществ:

а) реакции, идущие без изменения состава взаимодействующих веществ: в неорганической химии примерами таких химических реакций являются процессы изменения аллотропных модификаций одного и того же химического элемента (графит переходит в алмаз, кислород в озон);

в органической химии примерами будут реакции изомеризации алканов, алкенов, алкинов и другие, идущие без изменения не только качественного, но и количественного состава реагентов.

б) химические реакции протекающие с изменением состава веществ: реакции соединения, замещения, обмена и разложения.

2. Реакции можно классифицировать по изменению степеней окисления химических элементов взаимодействующих в химической реакции:

а) окислительно-восстановительные химические реакции идут с изменением степени окисления;

б) реакции без изменения степени окисления реагентов.

3. Химические реакции делятся и по тепловому эффекту, возникающему в результате взаимодействий атомов или молекул:

а) экзотермические - с выделением тепла (или энергии);

б) эндотермические - с поглощением энергии.

4. По участию в процессе взаимодействия катализатора, химические реакции делятся на каталитические и некаталитические (более 70% всех реакций относятся к каталитическим).

5. По присутствию в реакции веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях химические реакции подразделяют на гетерогенные (реагенты и продукты находятся в различных агрегатных состояниях) и гомогенные (все реагенты и продукты присутствуют в одной фазе).

6. По направлению течения, химические реакции могут быть обратимыми (идущими в обоих направлениях) или необратимыми.

7. Есть также классификация химических реакций по виду энергии инициирующей реакцию: фотохимические, радиационные, термохимические и электрохимические.

4. Факторы, влияющие на скорость химических реакций

1. Природа реагирующих веществ. Большую роль играет характер химических связей и строение молекул реагентов. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H2 и N2 требуются высокие энергии; такие молекулы мало реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCl, H2O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.

Примеры

Фтор с водородом реагирует со взрывом при комнатной температуре, бром с водородом взаимодействует медленно и при нагревании.

Оксид кальция вступает в реакцию с водой энергично, с выделением тепла; оксид меди - не реагирует.

2. Концентрация. С увеличением концентрации (числа частиц в единице объема) чаще происходят столкновения молекул реагирующих веществ - скорость реакции возрастает.

Закон действующих масс - скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Для одностадийной гомогенной реакции типа А+В ? продукты реакции этот закон выражается уравнением:

v = k c_A c_B,

где v - скорость реакции; c_A и c_B - концентрации веществ А и В, моль/л;

k - коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции.

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

Физический смысл константы скорости заключается в том, что она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ.

Для гетерогенных реакций концентрация твердой фазы в выражение скорости реакции не входит.

3. Температура. При повышении температуры на каждые 10°C скорость реакции возрастает в 2-4 раза (Правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры от t1 до t2 изменение скорости реакции можно рассчитать по формуле:

(где Vt2 и Vt1 - скорости реакции при температурах t2 и t1 соответственно; g- температурный коэффициент данной реакции).

Правило Вант-Гоффа применимо только в узком интервале температур. Более точным является уравнение Аррениуса:

где A - постоянная, зависящая от природы реагирующих веществ;

R - универсальная газовая постоянная [8,314 Дж/(моль * К) = 0,082 л * атм/(моль * К)];

Ea - энергия активации, т.е. энергия, которой должны обладать сталкивающиеся молекулы, чтобы столкновение привело к химическому превращению.

Энергетическая диаграмма химической реакции.

Рис. 1 Экзотермическая реакция Рис. 2 Эндотермическая реакция

А - реагенты, В - активированный комплекс (переходное состояние), С - продукты.

Чем больше энергия активации Ea, тем сильнее возрастает скорость реакции при увеличении температуры.

4. Поверхность соприкосновения реагирующих веществ. Для гетерогенных систем (когда вещества находятся в разных агрегатных состояниях), чем больше поверхность соприкосновения, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердых веществ может быть увеличена путем их измельчения, а для растворимых веществ - путем их растворения.

5. Катализ. Вещества, которые участвуют в реакциях и увеличивают ее скорость, оставаясь к концу реакции неизменными, называются катализаторами. Механизм действия катализаторов связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений. При гомогенном катализе реагенты и катализатор составляют одну фазу (находятся в одном агрегатном состоянии), при гетерогенном катализе - разные фазы (находятся в различных агрегатных состояниях). Резко замедлить протекание нежелательных химических процессов в ряде случаев можно добавляя в реакционную среду ингибиторы (явление "отрицательного катализа").

5. Закон химического равновесия

Химическое равновесие -- состояние химической системы, в котором обратимо протекает одна или несколько химических реакций, причем скорости в каждой паре прямая-обратная реакция равны между собой. Для системы, находящейся в химическом равновесии, концентрации реагентов, температура и другие параметры системы не изменяются со временем.

А + В ? С + D

В состоянии равновесия скорости прямой и обратной реакции становятся равными.

Положение химического равновесия зависит от следующих параметров реакции: температуры, давления и концентрации. Влияние, которое оказывают эти факторы на химическую реакцию, подчиняются закономерности, которая была высказана в общем виде в 1885 году французским ученым Ле-Шателье.

В каждой обратимой реакции одно из направлений отвечает экзотермическому процессу, а другое -- эндотермическому.

Прямая реакция -- экзотермическая, а обратная реакция -- эндотермическая.

Влияние изменения температуры на положение химического равновесия подчиняется следующим правилам: При повышении температуры химическое равновесие смещается в направлении эндотермической реакции, при понижении температуры -- в направлении экзотермической реакции.

Во всех реакциях с участием газообразных веществ, сопровождающихся изменением объема за счет изменения количества вещества при переходе от исходных веществ к продуктам, на положение равновесия влияет давление в системе.

Влияние давления на положение равновесия подчиняется следующим правилам: При повышении давления равновесие сдвигается в направлении образования веществ (или исходных продуктов) с меньшим объемом; при понижении давления равновесие сдвигается в направлении образования веществ с большим объемом:

Таким образом, при переходе от исходных веществ к продуктам объем газов уменьшился вдвое.

Влияние концентрации на состояние равновесия подчиняется следующим правилам:

При повышении концентрации одного из исходных веществ равновесие сдвигается в направлении образования продуктов реакции;

При повышении концентрации одного из продуктов реакции равновесие сдвигается в направлении образования исходных веществ.

Заключение

Таким образом, химическая кинетика трактует качественные и количественные изменения в ходе химического процесса, происходящие во времени. Обычно эту общую задачу подразделяют на две более конкретные:

1) выявление механизма реакции -- установление элементарных стадий процесса и последовательности их протекания (качественные изменения);

2) количественное описание химической реакции -- установление строгих соотношений, которые могли бы удовлетворительно предсказывать изменения количеств исходных реагентов и продуктов по мере протекания реакции.

Как правило, химическая реакция протекает в несколько промежуточных стадий, которые, складываясь, дают суммарную реакцию.

Скорость химической реакции определяется количеством вещества, прореагировавшего в единицу времени в единице объема.

Скорость каждой химической реакции зависит как от природы реагирующих веществ, так и от условий, в которых реакция протекает. Важнейшими из этих условий являются: концентрация, температура и присутствие катализатора. Природа реагирующих веществ оказывает решающее влияние на скорость химической реакции.

Литература

1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания, М.: Центр, 1997

2. Лавриненко В.Н., Ратников В.П., Концепции современного естествознания, М.: ЮНИТИ, 1997

3. Найдышев В.М.Концепции современного естествознания -- М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004.

4. Химия: Справ. изд./ В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.: Пер. с нем. - М.: Химия, 1989

Размещено на Allbest.ru