- Концепція хімічної реакції
- Характеристика хімічних реакцій
- Кінетика
- Консервація тіста
- Фізичні зміни та / або зміни стану
- Варіація кольору
- Викид газів
- Зміни температури
- Частини хімічної реакції
- Реагенти та продукти
- Засоби реакції
- Судна або реактори
- Види хімічних реакцій
- - відновлення окислення (відновлення)
- Окислення міді
- Залізо і кобальт
- Йод і марганець
- Горіння
- - Синтез
- Іонні сполуки
- Координація
- - Розкладання
- Вулкан класу
- - Зсув
- З водню
- З металів та галогенів
- - Газоутворення
- - Метатеза або подвійне переміщення
- Опади
- Базова кислота
- Приклади хімічних реакцій
- Зсув
- Нейтралізація
- Подвійне прокручування
- Redox
- Розв’язані вправи з хімічними реакціями
- - Вправа 1
- - Вправа 2
- - Вправа 3
- Список літератури
У хімічних реакціях є суб'єкт страждає змінами в розташуванні їх атомів, і коли два речовинами є різними сполуками або контакту. У процесі виникають зміни, які можна побачити негайно; наприклад підвищення температури, охолодження, газоутворення, миготіння або осадження твердого речовини.
Найпоширеніші хімічні реакції часто проходять непомітно у повсякденному житті; тисячі з них здійснюються в наших органах. Інші, однак, більш помітні, оскільки ми можемо зробити їх на кухні, вибравши правильний посуд та інгредієнти; наприклад, змішування харчової соди з оцтом, плавлення цукру у воді або підкислення соку червоної капусти.
Реакція харчової соди та оцту є прикладом повторюваної хімічної реакції в кулінарії. Джерело: Кейт Тер Хаар (https://www.flickr.com/photos/katerha/5703151566)
У лабораторіях хімічні реакції стають більш звичними і поширеними; всі вони зустрічаються всередині склянок або колб Ерленмайєра. Якщо вони поділяють щось спільне, це те, що жоден з них не є простим, оскільки вони приховують зіткнення, розриви зв’язків, механізми, формування ланок, енергетичний та кінетичний аспекти.
Хімічні реакції настільки вражають, що любителі та вчені, знаючи токсикологію реагентів та деякі заходи безпеки, відтворюють їх на великих масштабах у захоплюючих демонстраційних заходах.
Концепція хімічної реакції
Хімічні реакції відбуваються, коли відбувається розрив зв’язку (іонного або ковалентного), так що на його місці утворюється інший; два атоми або їх набір перестають сильно взаємодіяти, щоб породжувати нові молекули. Завдяки цьому можна визначити хімічні властивості сполуки, її реакційну здатність, стійкість, з чим вона реагує.
Окрім відповідальності за хімічні реакції, які матерія постійно трансформується, не впливаючи на її атоми, вони пояснюють виникнення сполук таким, яким ми їх знаємо.
Енергія потрібна, щоб облігації розірвалися, а при формуванні облігацій вона вивільняється. Якщо поглинута енергія більша, ніж вивільняється, реакція, як кажуть, є ендотермічною; ми охолоджуємо оточення. Оскільки, якщо виділяється тепло вище, ніж поглинене, це буде екзотермічною реакцією; оточення обігріваються.
Характеристика хімічних реакцій
Кінетика
Молекули теоретично повинні стикатися між собою, несучи з собою достатню кінетичну енергію, щоб сприяти розриву зв'язку. Якщо їх зіткнення відбувається повільно або неефективно, на хімічну реакцію впливає кінетично. Це може статися або за фізичними станами речовин, або за геометрією чи будовою таких самих.
Таким чином, в реакції речовина перетворюється, поглинаючи або виділяючи тепло, в той же час, коли воно зазнає зіткнень, що сприяють утворенню продуктів; найважливіші компоненти будь-якої хімічної реакції.
Консервація тіста
Через закон збереження маси загальна маса збірки залишається постійною після хімічної реакції. Таким чином, сума окремих мас кожної речовини дорівнює масі отриманого результату.
Фізичні зміни та / або зміни стану
Виникнення хімічної реакції може супроводжуватися зміною стану компонентів; тобто зміна твердого, рідкого або газоподібного стану матеріалу.
Однак не всі зміни стану тягнуть за собою хімічну реакцію. Наприклад: якщо вода випаровується через вплив тепла, водяна пара, що утворюється після цієї зміни стану, все ще є водою.
Варіація кольору
Серед фізичних ознак, що виникають в результаті хімічної реакції, виділяється зміна кольору реагентів порівняно з кольором кінцевого продукту.
Це явище помітно при спостереженні за хімічною реакцією металів з киснем: коли метал окислюється, він змінює свій характерний колір (золото або срібло, залежно від випадку), набуваючи червонувато-оранжевий відтінок, відомий як іржа.
Викид газів
Ця характеристика проявляється у вигляді барботажу або з виділенням особливих запахів.
Як правило, бульбашки з’являються як наслідок піддавання рідини високим температурам, що викликає збільшення кінетичної енергії молекул, що входять до складу реакції.
Зміни температури
У випадку, якщо тепло є каталізатором хімічної реакції, в кінцевому продукті буде індуковано зміна температури. Отже, вхід і вихід тепла в процесі також можуть бути характеристикою хімічних реакцій.
Частини хімічної реакції
Реагенти та продукти
Будь-яка хімічна реакція представлена рівнянням типу:
A + B → C + D
Де A і B - реагенти, а C і D - продукти. Рівняння говорить нам про те, що атом або молекула A реагує з B, щоб породжувати продукти C і D. Це незворотна реакція, оскільки реагенти не можуть знову виникати з продуктів. З іншого боку, реакція нижче зворотна:
A + B <=> C + D
Важливо підкреслити, що маса реагентів (A + B) повинна дорівнювати масі продуктів (C + D). Інакше тісто не збережеться. Так само кількість атомів для даного елемента повинна бути однаковою до і після стрілки.
Над стрілкою вказані деякі специфічні характеристики реакції: температура (Δ), частота ультрафіолетового випромінювання (hv) або використовуваний каталізатор.
Засоби реакції
Що стосується життя та реакцій, що відбуваються в нашому тілі, реакційне середовище є водною (змінна). Однак хімічні реакції можуть відбуватися в будь-якому рідкому середовищі (етанолі, льодовиковій оцтовій кислоті, толуолі, тетрагідрофурані тощо) до тих пір, поки реагенти добре розчиняться.
Судна або реактори
Контрольовані хімічні реакції відбуваються в посудині, або в простому скляному посуді, або в реакторі з нержавіючої сталі.
Види хімічних реакцій
Види хімічних реакцій засновані на тому, що відбувається на молекулярному рівні; які зв’язки розірвані і як атоми в кінцевому підключенні. Аналогічно враховується, набувають чи втрачають види електрони; хоча в більшості хімічних реакцій це відбувається.
Тут ми пояснюємо різні види хімічних реакцій, які існують.
- відновлення окислення (відновлення)
Окислення міді
У прикладі патини відбувається реакція окислення: металева мідь втрачає електрони в присутності кисню, щоб перетворитись у відповідний оксид.
4Cu (s) + O 2 (g) => Cu 2 O (s)
Окис міді (I) продовжує окислюватися до оксиду міді (II):
2Cu 2 O (s) + O 2 => 4CuO (s)
Цей тип хімічної реакції, при якому види збільшують або зменшують їх кількість (або стан) окислення, відомий як реакція окислення та відновлення (окислювально-відновної).
Металевий мідь з окислювальним станом 0 спочатку втрачає один електрон, а потім другий (окислює), а кисень залишається (зменшується):
Cu => Cu + + e -
Cu + => Cu 2+ + e -
O 2 + 2e - => 2O 2-
Коефіцієнт посилення або втрати електронів можна визначити, обчисливши окислювальні числа для атомів у хімічних формулах їхніх сполук.
Для Cu 2 O відомо, що оскільки він є оксидом, він має аніон O 2- , тому для збереження нейтралізації зарядів кожен з двох атомів міді повинен мати +1 заряд. Дуже подібне відбувається з CuO.
Мідь при окисленні набуває позитивних окислювальних чисел; і кисень, який повинен бути зменшений, числа негативного окислення.
Залізо і кобальт
Додаткові приклади окислювально-відновних реакцій наведені нижче. Крім того, буде зроблено короткий коментар та уточнено зміни окислювальних чисел.
FeCl 2 + CoCl 3 => FeCl 3 + CoCl 2
Якщо обчислити окислювальні числа, то зауважимо, що значення Cl залишаються з постійним значенням -1; не так, з тими з Віри та Ко.
На перший погляд залізо окислювалося при зниженні кобальту. Звідки ти знаєш? Оскільки залізо в даний час не взаємодіє з двома аніонами Cl - , але з трьома, атом хлору (нейтральний) є більш електронегативний , ніж залізо і кобальт. З іншого боку, з кобальтом відбувається протилежне: воно йде від взаємодії з трьома Cl - до двох з них.
Якщо наведені міркування не зрозумілі, тоді переходимо до написання хімічних рівнянь чистого перенесення електронів:
Fe 2+ => Fe 3+ + e -
Co 3+ + e - => Co 2+
Тому Fe 2+ окислюється, а Co 3+ знижується.
Йод і марганець
6KMnO 4 + 5KI + 18HCl => 6MnCl 2 + 5KIO 3 + 6KCl + 9H 2 O
Вищенаведене хімічне рівняння може здатися складним, але це не так. Хлор (Cl - ) і кисень (O 2- ) відчувають збільшення або втрату своїх електронів. Йод і марганець, так.
Розглядаючи лише сполуки з йодом та марганцем, ми маємо:
KI => KIO 3 (число окислення: -1 до +5, втрачає шість електронів)
KMnO 4 => MnCl 2 (число окислення: +7 до +2, отримує п'ять електронів)
Йод окислюється, а марганець знижується. Як це знати, не роблячи розрахунків? Оскільки йод переходить від калію до взаємодії з трьома оксигенами (більш електронегативними); а марганець, зі свого боку, втрачає взаємодію з киснем, щоб бути з хлором (менш електронегативним).
KI не може втратити шість електронів, якщо KMnO 4 отримує п'ять; тому кількість електронів має бути збалансована в рівнянні:
5 (KI => KIO 3 + 6e - )
6 (KMnO 4 + 5e - => MnCl 2 )
Це призводить до чистого перенесення 30 електронів.
Горіння
Горіння - це енергійне і енергійне окислення, при якому виділяються світло і тепло. Як правило, у цьому виді хімічної реакції кисень бере участь як окислювач або окислювач; тоді як відновлювачем є паливо, яке згорає наприкінці дня.
Там, де є попіл, там було горіння. Вони по суті складаються з оксидів вуглецю та металів; хоча його склад логічно залежить від того, яким було паливо. Нижче наведено кілька прикладів:
C (s) + O 2 (g) => CO 2 (g)
2CO (g) + O 2 (g) => 2CO 2 (g)
C 3 H 8 (g) + 5O 2 (g) => 3CO 2 (g) + 4H 2 O (g)
Кожному з цих рівнянь відповідають повні спалювання; тобто все паливо реагує із надлишком кисню, щоб гарантувати його повне перетворення.
Так само слід зазначити, що CO 2 і H 2 O є основними газоподібними продуктами при згорянні вуглецевих тіл (таких як деревина, вуглеводні та тканини тварин). Неминуче утворюється деякий алотроп вуглецю через недостатню кількість кисню, а також менше кисневих газів, таких як СО та NO.
- Синтез
Графічне зображення реакції синтезу. Джерело: Габріель Болівар.
На зображенні вище зображено надзвичайно просте зображення. Кожен трикутник - це сполука або атом, які приєднуються до утворення єдиної сполуки; два трикутники утворюють паралелограм. Маса збільшується, а фізичні та хімічні властивості продукту багато разів сильно відрізняються від його реагентів.
Наприклад, при спалюванні водню (що також є окислювально-відновлювальною реакцією) утворюється оксид водню або гідрид кисню; більш відома як вода:
H 2 (g) + O 2 (g) => 2H 2 O (g)
Коли обидва гази змішуються, при високій температурі вони згоряють, утворюючи газоподібну воду. Коли температури охолоджуються, пари конденсуються і дають рідку воду. Кілька авторів розглядають цю реакцію синтезу як одну з можливих альтернатив заміни викопного палива для отримання енергії.
Зв’язки HH і O = O розриваються, утворюючи дві нові єдині зв’язки: HOH. Вода, як відомо, є унікальною речовиною (поза романтичним сенсом), а її властивості досить відрізняються від газоподібного водню та кисню.
Іонні сполуки
Утворення іонних сполук з їх елементів також є прикладом реакції синтезу. Одним з найпростіших є утворення галогенідів металів груп 1 і 2. Наприклад, синтез броміду кальцію:
Ca (s) + Br 2 (l) => CaBr 2 (s)
Загальне рівняння для цього типу синтезу:
M (s) + X 2 => MX 2 (s)
Координація
Коли утворена сполука включає металевий атом у межах електронної геометрії, то кажуть, що це комплекс. У комплексах метали залишаються приєднаними до лігандів слабкими ковалентними зв’язками і утворюються шляхом координаційних реакцій.
Наприклад, у вас є комплекс 3+ . Це утворюється, коли катіон Cr 3+ знаходиться в присутності молекул аміаку NH 3 , які виконують роль лігантів хрому:
Cr 3+ + 6NH 3 => 3+
Отриманий координаційний октаедр навколо металевого хрому представлений нижче:
Координаційний октаедр для комплексу. Джерело: Габріель Болівар.
Зауважимо, що заряд 3+ на хромі не нейтралізується в комплексі. Його колір - фіолетовий, і саме тому октаедр представлений цим кольором.
Деякі комплекси цікавіші, як у випадку з певними ферментами, що координують атоми заліза, цинку та кальцію.
- Розкладання
Розкладання - протилежне синтезу: сполука розпадається на один, два чи три елементи або сполуки.
Наприклад, у нас є такі три декомпозиції:
2HgO (s) => 2Hg (l) + O 2 (g)
2H 2 O 2 (l) => 2H 2 O (l) + O 2 (g)
H 2 CO 3 (aq) => CO 2 (g) + H 2 O (l)
HgO - червонувато-тверда речовина, яка під дією тепла розкладається на металеву ртуть, чорну рідину та кисень.
Перекис водню або перекис водню зазнає розкладання, даючи рідку воду та кисень.
А вуглекислота, зі свого боку, розкладається на вуглекислий газ і рідку воду.
"Більш сухим" розкладанням є те, що зазнають металеві карбонати:
CaCO 3 (s) => CaO (s) + CO 2 (g)
Вулкан класу
Горіння вулкану дихромат амонію Джерело: Наталия
Реакція розкладання, яка застосовувалася в класах хімії, - це термічне розкладання дихромату амонію, (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 . Ця канцерогенна помаранчева сіль (тому з нею слід звертатись дуже обережно), спалює, щоб виділити багато тепла та утворювати твердий зелений оксид хрому, Cr 2 O 3 :
(NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 (s) => Cr 2 O 3 (s) + 4H 2 O (g) + N 2 (g)
- Зсув
Графічне зображення реакції зміщення. Джерело: Габріель Болівар.
Реакції переміщення - це тип відновно-відновлювальної реакції, при якому один елемент витісняє інший у сполуці. Зміщений елемент закінчується зменшенням або набиранням електронів.
Для спрощення зазначеного вище зображено зображення. Кола являють собою елемент. Помічено, що вапняно-зелене коло витісняє синє, залишаючись зовні; але не тільки це, але синє коло зменшується в процесі, а липовий зелений окислюється.
З водню
Наприклад, у нас є наступні хімічні рівняння для викриття вищезгаданого:
2Al (s) + 6HCl (aq) => AlCl 3 (aq) + 3H 2 (g)
Zr (s) + 2H 2 O (g) => ZrO 2 (s) + 2H 2 (g)
Zn (s) + H 2 SO 4 (aq) => ZnSO 4 (aq) + H 2 (g)
Що є зміщеним елементом для цих трьох хімічних реакцій? Водень, який зводиться до молекулярного водню, H 2 ; воно переходить від числа окислення від +1 до 0. Зверніть увагу, що метали алюміній, цирконій та цинк можуть витісняти водневі кислоти та воду; тоді як мідь, ні срібло, ні золото, не можуть.
З металів та галогенів
Так само існують ці дві додаткові реакції переміщення:
Zn (s) + CuSO 4 (aq) => Cu (s) + ZnSO 4 (aq)
Cl 2 (g) + 2NaI (aq) => 2NaCl (aq) + I 2 (s)
У першій реакції цинк витісняє менш активний мідний метал; цинк окислюється при зменшенні міді.
З другого боку, хлор, елемент, більш реакційноздатний, ніж йод, витісняє останній у натрієву сіль. Тут навпаки: найбільш реакційноздатний елемент зменшується за рахунок окислення переміщеного елемента; тому хлор знижується за рахунок окислення йоду.
- Газоутворення
У реакціях було видно, що декілька з них утворюють гази, а тому і вступають у цей тип хімічної реакції. Аналогічно, реакції попереднього розділу, як витіснення водню активним металом, вважаються реакціями газоутворення.
Крім уже згаданих, сульфідні метали, наприклад, виділяють сірководень (який пахне гнилими яйцями), коли додається соляна кислота:
Na 2 S (s) + 2HCl (aq) => 2NaCl (aq) + H 2 S (g)
- Метатеза або подвійне переміщення
Графічне зображення реакції подвійного переміщення. Джерело: Габріель Болівар.
У метатезі або реакції подвійного переміщення відбувається те, що відбувається зміна партнерів без передачі електронів; тобто не вважається окислювально-відновлювальною реакцією. Як видно на зображенні вище, зелене коло розриває зв'язок із темно-синім кольором, щоб зв’язати світло-синій круг.
Опади
Коли взаємодії одного з партнерів є досить сильними для подолання ефекту розчинення рідини, виходить осад. Наступні хімічні рівняння представляють реакції осадження:
AgNO 3 (aq) + NaCl (aq) => AgCl (s) + NaNO 3 (aq)
CaCl 2 (aq) + Na 2 CO 3 (aq) => CaCO 3 (s) + 2NaCl (aq)
У першій реакції Cl - витісняє NO 3 - з утворенням хлориду срібла, AgCl, який являє собою білий осад. А у другій реакції CO 3 2- витісняє Cl - для осадження карбонату кальцію.
Базова кислота
Мабуть, найбільш емблематичною з реакцій метатез є реакція нейтралізації кислотно-лужної основи. Нарешті, дві кислотно-лужні реакції показані як приклади:
HCl (aq) + NaOH (aq) => NaCl (aq) + H 2 O (l)
2HCl (aq) + Ba (OH) 2 (aq) => BaCl 2 (aq) + 2H 2 O (l)
OH - витісняють Cl - з утворенням води та хлоридних солей.
Приклади хімічних реакцій
Внизу та нижче згадуються деякі хімічні реакції з відповідними рівняннями та коментарями.
Зсув
Zn (s) + AgNO 3 (aq) → 2Ag (s) + Zn (NO 3 ) 2 (aq)
Цинк витісняє срібло у нітратній солі: він знижує його від Ag + до Ag. В результаті металеве срібло починає осідати в середовищі, спостерігається під мікроскопом, як сріблясті дерева без листя. З іншого боку, нітрат поєднується з отриманими іонами Zn 2+, утворюючи нітрат цинку.
Нейтралізація
CaCO 3 (s) + 2HCl (aq) → CaCl 2 (aq) + H 2 O (l) + CO 2 (г)
Соляна кислота нейтралізує карбонатну сіль кальцію з утворенням солі, хлориду кальцію, води та вуглекислого газу. CO 2 бульбашки вгору і виявляється у воді. Це барботування також отримують додаванням HCl до крейди або яєчних оболонок, багатим CaCO 3 .
NH 3 (g) + HCl (g) → NH 4 Cl (s)
У цій другій реакції пари HCl нейтралізують газоподібний аміак. Сіль хлориду амонію, NH 4 Cl, утворюється у вигляді білуватого диму (нижнє зображення), оскільки містить дуже дрібні частинки, суспендовані у повітрі.
Реакція утворення хлориду амонію Джерело: Адам Рендзіковський
Подвійне прокручування
AgNO 3 (aq) + NaCl (aq) → AgCl (s) + NaNO 3 (aq)
У реакції подвійного переміщення відбувається обмін "партнерами". Срібло змінює партнерів натрієм. Результат полягає в тому, що нова сіль, хлорид срібла, AgCl, осаджується у вигляді молочного твердого речовини.
Redox
Тепло, звук і синє світло виділяються в хімічній реакції Гавкіт. Джерело: Максим Біловіцький через Вікіпедію.
Існує незліченна кількість окисно-відновних реакцій. Одне з найбільш вражаючих - це собака Баркіна:
8 N 2 O (g) + 4 CS 2 (l) → S 8 (s) + 4 CO 2 (g) + 8 N 2 (g)
Енергія, що виділяється при формуванні трьох стабільних продуктів, настільки велика, що утворюється синюватий спалах (верхнє зображення) і чудове підвищення тиску, викликане утворюються газами (CO 2 і N 2 ).
А також, все це супроводжується дуже гучним звуком, схожим на гавкіт собаки. Вироблена сірка S 8 покриває внутрішні стінки трубки жовтим кольором.
Який вид редукується, а який окислюється? Як правило, елементи мають окислення № 0. Тому сірка та азот у продуктах повинні бути видами, які набули або втратили електрони.
Сірка окислюється (втрачає електрони), оскільки мала окиснення номер -2 в CS 2 (C 4+ S 2 2- ):
S 2- → S 0 + 2e -
У той час як азот редукували (набирали електрони), оскільки він мав число окислення +1 у N 2 O (N 2 + O 2- ):
2N + + 2e → N 0
Розв’язані вправи з хімічними реакціями
- Вправа 1
Яка сіль опадає в наступній реакції у водному середовищі?
Na 2 S (aq) + FeSO 4 (aq) → ¿?
Як правило, всі сульфіди, за винятком тих, що утворюються з лужними металами та амонієм, осаджуються у водному середовищі. Існує подвійне витіснення: залізо зв’язується з сіркою, а натрій - сульфатом:
Na 2 S (aq) + FeSO 4 (aq) → FeS (s) + Na 2 SO 4 (aq)
- Вправа 2
Які продукти ми отримаємо з наступної реакції?
Cu (NO 3 ) 2 + Ca (OH) 2 → ¿?
Гідроксид кальцію не дуже розчинний у воді; але додавання нітрату міді допомагає солюбілізувати його, оскільки він реагує з утворенням відповідного гідроксиду:
Cu (NO 3 ) 2 (aq) + Ca (OH) 2 (aq) → Cu (OH) 2 (s) + Ca (NO 3 ) 2 (aq)
Cu (OH) 2 миттєво розпізнається у вигляді синього осаду.
- Вправа 3
Яка сіль вийде в наступній реакції нейтралізації?
Al (OH) 3 (s) + 3HCl (aq) →?
Гідроксид алюмінію поводиться як основа при взаємодії з соляною кислотою. У реакції нейтралізації кислоти-основи (Бронстед-Лоурі) завжди утворюється вода, тому інший продукт повинен бути хлоридом алюмінію, AlCl 3 :
Al (OH) 3 (s) + 3HCl (aq) → AlCl 3 (aq) + 3H 2 O
Цього разу AlCl 3 не осаджується, тому що це сіль (певною мірою), розчинна у воді.
Список літератури
- Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія (8-е видання). CENGAGE Навчання.
- Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
- Ана Зіта. (18 листопада 2019 р.). Хімічні реакції. Відновлено з: todamateria.com
- Кашяп Вяс. (23 січня 2018 р.). 19 Прохолодних хімічних реакцій, які доводять науку, є захоплюючими. Відновлено з: Interestengineering.com
- BeautifulChemistry.net (другий). Реакція. Відновлено: beautifulchemistry.net
- Вікіпедія. (2019). Хімічна реакція. Відновлено з: en.wikipedia.org