Какие условия необходимы для протекания хим реакций. Химические процессы и условия их протекания. I. Признаки и условия протекания химических реакций
В главе 5.2 мы познакомились с основными принципами протекания химических реакций. Они и составляют теорию элементарных взаимодействий.
§ 5.3.1 Теория элементарных взаимодействий
Перечисленные ниже основные положения ТЭВ отвечают на вопрос:
Что необходимо для протекания химических реакций?
1.
Химическая реакция инициируется активными частицами реагентов, отличными от насыщенных молекул: радикалами, ионами, координационно ненасыщенными соединениями. Реакционная способность исходных веществ определяется наличием в их составе этих активных частиц.
Химия выделяет три основных фактора, влияющих на химическую реакцию:
- температура;
- катализатор (если нужен);
- природа реагирующих веществ.
Из них важнейшим является последний. Именно природа вещества определяет его способность образовывать те или иные активные частицы. А стимулы лишь помогают осуществиться этому процессу.
2. Активные частицы находятся в термодинамическом равновесии с исходными насыщенными молекулами .
3. Активные частицы взаимодействуют с исходными молекулами по цепному механизму.
4. Взаимодействие между активной частицей и молекулой реагента происходит в три стадии: ассоциации, электронной изомеризации и диссоциации.
На первой стадии протекания химической реакции - стадии ассоциации активная частица присоединяется к насыщенной молекуле другого реагента с помощью химических связей, которые слабее, чем ковалентные. Ассоциат может быть образован с помощью ван-дер-ваальсовой, водородной, донорно-акцепторной и динамической связи.
На второй стадии протекания химической реакции - стадии электронной изомеризации происходит важнейший процесс - преобразование сильной ковалентной связи в исходной молекуле реагента в более слабую: водородную, донорно-акцепторную, динамическую, а то и ван-дер-ваальсовую.
5. Третья стадия взаимодействия между активной частицей и молекулой реагента - диссоциация изомеризованного ассоциата с образованием конечного продукта реакции - является лимитирующей и самой медленной стадией всего процесса.
Великая «хитрость» химической природы веществ
Именно эта стадия определяет общие энергетические затраты на весь трехстадийный процесс протекания химической реакции. И здесь заключена великая «хитрость» химической природы веществ. Самый энергозатратный процесс - разрыв ковалентной связи в реагенте - произошел легко и изящно, практически не заметно во времени по сравнению с третьей, лимитирующей стадией реакции. В нашем примере так легко и непринужденно связь в молекуле водорода с энергией 430 кДж/моль преобразовалась в ван-дер-ваальсовую с энергией в 20 кДж/моль. И все энергозатраты реакции свелись к разрыву этой слабой ван-дер-ваальсовой связи. Вот почему энергетические затраты, необходимые для разрыва ковалентной связи химическим путем, значительно меньше затрат на термическое разрушение этой связи.
Таким образом, теория элементарных взаимодействий наделяет строгим физическим смыслом понятие «энергия активации». Это энергия, необходимая для разрыва соответствующей химической связи в ассоциате, образование которого предшествует получению конечного продукта химической реакции.
Мы еще раз подчеркиваем единство химической природы вещества. Оно может вступить в реакцию лишь в одном случае: при появлении активной частицы. А температура, катализатор и другие факторы, при всем их физическом различии, играют одинаковую роль: инициатора.
В промышленности подбирают такие условия, чтобы осуществлялись нужные реакции, а вредные замедлялись.
ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
В таблице 12 приведены основные типы химических реакций по числу участвующих в них частиц. Даны рисунки и уравнения часто описываемых в учебниках реакций разложения , соединения , замещения и обмена .
В верхней части таблицы представлены реакции разложения воды и гидрокарбоната натрия. Изображён прибор для прохождения через воду постоянного электрического тока. Катод и анод представляют собой металлические пластинки, погружённые в воду и соединённые с источником электрического тока. В связи с тем, что чистая вода практически не проводит электрический ток, к ней добавляют небольшое количество соды (Nа 2 СО 3) или серной кислоты (Н 2 SО 4). При прохождении тока на обоих электродах происходит выделение пузырьков газа. В трубке, где собирается водород, объём оказывается вдвое большим, чем в трубке, где собирается кислород (о его наличии можно удостовериться с помощью тлеющей лучинки). Модельная схема демонстрирует реакцию разложения воды. Химические (ковалентные) связи между атомами в молекулах воды разрушаются, и из освобождающихся атомов образуются молекулы водорода и кислорода.
Модельная схема реакции соединения металлического железа и молекулярной серы S 8 показывает, что в результате перегруппировки атомов в процессе реакции образуется сульфид железа. При этом разрушаются химические связи в кристалле железа (металлическая связь) и молекуле серы (ковалентная связь), а освободившиеся атомы соединяются с образованием ионных связей в кристалл соли.
К другой реакции соединения относится гашение извести СаО водой с образованием гидроксида кальция. При этом жжёная (негашёная) известь начинает разогреваться и образуется рыхлый порошок гашёной извести.
К реакциям замещения относят взаимодействие металла с кислотой или солью. При погружении достаточно активного металла в сильную (но не азотную) кислоту выделяются пузырьки водорода. Более активный металл вытесняет менее активный из раствора его соли.
Типичными реакциями обмена является реакция нейтрализации и реакция между растворами двух солей. На рисунке показано получение осадка сульфата бария. За ходом реакции нейтрализации следят с помощью индикатора фенолфталеина (малиновая окраска исчезает).
Таблица 12
Типы химических реакций
ВОЗДУХ. КИСЛОРОД. ГОРЕНИЕ
Кислород является самым распространённым химическим элементом на Земле. Содержание его в земной коре и гидросфере представлено в таблице 2 "Распространённость химических элементов". На долю кислорода приходится примерно половина (47 %) массы литосферы. Он является преобладающим химическим элементом гидросферы. В земной коре кислород присутствует только в связанном виде (оксиды, соли). Гидросфера также представлена в основном связанным кислородом (часть молекулярного кислорода растворена в воде).
В атмосфере свободного кислорода содержится 20,9 % по объёму. Воздух – сложная смесь газов. Сухой воздух на 99,9 % состоит из азота (78,1 %), кислорода (20,9 %) и аргона (0,9 %). Содержание этих газов в воздухе практически постоянно. В состав сухого атмосферного воздуха также входят диоксид углерода, неон, гелий, метан, криптон, водород, оксид азота(I) (оксид диазота, гемиоксид азота – N 2 О), озон, диоксид серы, монооксид углерода, ксенон, оксид азота(IV) (диоксид азота – NО 2).
Состав воздуха определил французский химик Антуан Лоран Лавуазье в конце XVIII века (таблица 13). Он доказал содержание кислорода в воздухе, и назвал его "жизненный воздух". Для этого он нагревал на печи ртуть в стеклянной реторте, тонкая часть которой поводилась под стеклянный колпак, опущенный в водяную баню. Воздух под колпаком оказывался замкнутым. При нагревании ртуть соединялась с кислородом, превращаясь в оксид ртути красного цвета. "Воздух", оставшийся в стеклянном колпаке после нагревания ртути, не содержал кислорода. Мышь, помещённая под колпак, задыхалась. Прокалив оксид ртути, Лавуазье снова выделил из него кислород и вновь получил чистую ртуть.
Содержание кислорода в атмосфере стало заметно увеличиваться около 2 млрд. лет назад. В результате реакции фотосинтеза поглощался некоторый объём углекислого газа и выделялся такой же объём кислорода. На рисунке таблицы схематически показано образование кислорода при фотосинтезе. В процессе фотосинтеза в листьях зелёных растений, содержащих хлорофилл , при поглощении солнечной энергии происходит превращение воды и углекислого газа в углеводы (сахара) и кислород . Реакцию образования глюкозы и кислорода в зелёных растениях можно записать в следующем виде:
6Н 2 О + 6СО 2 = С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 .
Образующаяся глюкоза превращается в нерастворимый в воде крахмал , который накапливается в растениях.
Таблица 13
Воздух. Кислород. Горение
Фотосинтез представляет собой сложный химический процесс, включающий несколько стадий: поглощение и транспортировку солнечной энергии, использование энергии солнечного света для инициирования фотохимических окислительно-восстановительных реакций, восстановление углекислого газа и образованием углеводов.
Солнечный свет – это электромагнитное излучение разных длин волн. В молекуле хлорофилла при поглощении видимого света (красного и фиолетового) происходят переходы электронов из одного энергетического состояния в другое. На фотосинтез расходуется только небольшая часть солнечной энергии (0,03 %), достигающей поверхности Земли.
Весь имеющийся на Земле диоксид углерода проходит через цикл фотосинтеза в среднем за 300 лет, кислород – за 2000 лет, вода океанов – за 2 млн. лет. В настоящее время в атмосфере установилось постоянное содержание кислорода. Он практически полностью расходуется на дыхание, горение и гниение органических веществ.
Кислород – одно из самых активных веществ. Процессы с участием кислорода называются реакциями окисления. К ним относят горение, дыхание, гниение и многие другие. На таблице показано горение нефти, которое идёт с выделением теплоты и света.
Реакции горения могут принести не только пользу, но и вред. Горение можно остановить, прекратив доступ воздуха (окислителя) к горящему предмету с помощью пены, песка или одеяла.
Пенные огнетушители наполняют концентрированным раствором питьевой соды. При её контакте с концентрированной серной кислотой, находящейся в стеклянной ампуле в верхней части огнетушителя, образуется пена углекислого газа. Для приведения в действие огнетушитель переворачивают и ударяют об пол металлическим штифтом. При этом ампула с серной кислотой разбивается и образующийся в результате реакции кислоты с гидрокарбонатом натрия углекислый газ вспенивает жидкость и выбрасывает её из огнетушителя сильной струёй. Пенистая жидкость и углекислый газ, обволакивая горящий предмет, оттесняют воздух и гасят пламя.
1. Укажите, к физическим или химическим относятся явления, изображенные на рисунках.
2. Установите соотвествие.
Примеры химических реакций:
I. взаимодействие мрамора с соляной кислотой;
II. взаимодействие железа с серой;
III. разложение пероксида водорода;
IV. взаимодействие углекислого газа с извесковой водой.
Условия протекания химических реакций:
а) соприкосновение веществ;
б) нагревание;
в) использование катализатора.
Ответ : I - а; II - а, б; III - в; IV - а.
3. Заполните схему 2.
4. "Кроссоврд - наоборот". Все слова в кроссворде уже вписаны. Дайте каждому из слов как можно более точное определение.
"Ключевое слово" - первая химическая реакция, с которой познакомился человек.
1. Одно из четырех агрегатных состояний вещества.
2. Образование твердого вещества в растворе в ходе химической реакции.
3. Положение двух или нескольких тел, предметов, веществ.
4. Переносное или передвижное устройство для тушения очагов пожара.
5. Процесс характеризуется повышением температуры.
6. Химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции.
7. Воздействие объектов друг на друга.
Разделы: Химия
Тип урока : приобретение новых знаний.
Вид урока : беседа с демонстрацией опытов.
Цели:
Обучающие - повторить отличия химических явлений от физических. Сформировать знания о признаках и условиях протекания химических реакций.
Развивающие - развивать умения, опираясь на знание химии, ставить несложные проблемы, формулировать гипотезы., обобщать.
Воспитательные – продолжить формирование научного мировоззрения учащихся, воспитывать культуру общения через работу в парах «ученик-ученик», «ученик-учитель», а также наблюдательность, внимание, пытливость, инициативу.
Методы и методические приемы : Беседа, демонстрация опытов; заполнение таблицы, химический диктант, самостоятельная работа с карточками.
Оборудование и реактивы . Лабораторный штатив с пробирками, железная ложечка для сжигания веществ, пробирка с газоотводной трубкой, спиртовка, спички, растворы хлорида железа FeCL 3 , роданида калия KNCS, медного купороса (сульфат меди) CuSO 4 , гидрооксида натрия NaOH, карбоната натрия Na 2 CO 3 , соляной кислоты HCL,порошок S.
Ход урока
Учитель. Мы изучаем главу «Изменения, происходящие с веществами» и знаем что изменения могут быть физическими и химическими. В чём отличие химического явления от физического?
Ученик. В результате химического явления изменяется состав вещества, а в результате физического явления состав вещества остается без изменения, а меняется лишь его агрегатное состояние или форма и размеры тел.
Учитель. В одном и том же опыте можно одновременно наблюдать химические и физические явления. Если медную проволоку расплющить молотком, то получится медная пластинка. Изменяется форма проволоки, но состав её остаётся прежним. Это физическое явление. Если медную пластинку нагреть на сильном огне, то исчезнет металлический блеск. Поверхность медной пластинки покроется чёрным налётом, который можно соскрести ножом. Значит, медь взаимодействует с воздухом и превращается в новое вещество. Это химическое явление. Между металлом и кислородом воздуха происходит химическая реакция.
Химический диктант
Вариант 1
Задание. Укажите о каких явлениях (физических или химических) идет речь. Поясните свой ответ.
1. Сгорание бензина в двигателе автомобиля.
2. Приготовление порошка из куска мела.
3. Гниение растительных остатков.
4. Скисание молока.
5. Выпадение дождя
Вариант 2
1. Горение угля.
2. Таяние снега.
3. Образование ржавчины.
4. Образование инея на деревьях.
5. Свечение вольфрамовой нити в лампочке.
Критерии оценивания
Максимально можно набрать 10 баллов (по 1 баллу за правильно указанное явление и по 1 баллу за обоснование ответа).
Учитель. Итак, вам известно, что все явления подразделяются на физические и химические. В отличие от физических явлений при химических явлениях, или химических реакциях, происходит превращение одних веществ в другие. Эти превращения сопровождаются внешними признаками. Для того чтобы познакомить вас с химическими реакциями, я проведу ряд демонстрационных опытов. Вам нужно определить признаки, по которым можно сказать, что произошла химическая реакция. Обратите внимание на то, какие условия необходимы для протекания этих химических реакций.
Демонстрационный опыт №1
Учитель. В первом опыте нужно выяснить, что происходит с хлоридом железа (111) при добавлении к нему раствора роданида калия KNCS.
FeCL 3 + KNCS = Fe(NCS) 3 +3 KCL
Ученик. Реакция сопровождается изменением окраски
Демонстрационный опыт №2
Учитель. В пробирку нальём 2 мл медного купороса, добавим немного раствора гидрооксида натрия.
CuSO 4 + 2 NaOH = Cu (OH) 2↓ +Na 2 SO 4
Ученик . Выпадает осадок голубого цвета Cu (OH) 2↓
Демонстрационный опыт №3
Учитель. К полученному раствору Cu (OH) 2↓ добавить раствор кислоты HCL
Cu (OH) 2↓ + 2 HCL = CuCL 2 +2 HOH
Ученик . Осадок растворяется.
Демонстрационный опыт №4
Учитель. В пробирку с раствором карбоната натрия прильём раствор соляной кислоты HCL.
Na 2 CO 3 +2 HCL = 2 NaCL + H 2 O + CO 2
Ученик . Выделяется газ.
Демонстрационный опыт №5
Учитель. Подожжем в железной ложечке немного серы. Образуется сернистый газ-оксид серы (4) - SO 2.
S + O 2 = SO 2
Ученик. Сера загорается синеватым пламенем, даёт обильный едкий дым, выделяется тепло и свет.
Демонстрационный опыт №6
Учитель. Реакция разложения пермангата калия - реакция получение и распознавания кислорода.
Ученик. Выделяется газ.
Учитель. Эта реакция идет при постоянном нагреве, стоит его прекратить, как прекращается и реакция (кончик газоотводной трубки прибора, где получали кислород, опущен в пробирку с водой - пока нагревание, кислород выделяется, и его можно заметить по выходящим из кончика трубки пузырькам, если же нагревание прекратить – прекращается и выделение пузырьков кислорода).
Демонстрационный опыт №7
Учитель. В пробирку с NH 4 CL хлоридом аммония добавить немного щелочи NaOH при нагревании. Попросить одного из учеников подойти и понюхать, выделяющийся аммиак. Предупредить ученика о резком запахе!
NH 4 CL +NaOH = NH 3 + HOH + NaCL
Ученик . Выделяется газ с резким запахом.
Учащиеся записывают в тетрадь признаки химических реакций.
Признаки химических реакций
Выделение (поглощение) тепла или света
Изменение цвета
Выделение газа
Выделение (растворение) осадка
Изменение запаха
Используя знания учащихся о химических реакциях, на основе проделанных демонстрационных опытов составляем таблицу условия возникновения и протекания химических реакций
Учитель. Вы изучили признаки химических реакций и условия их протекания. Индивидуальная работа по карточкам.
Какие из признаков характерны для химических реакций?
А) Образование осадка
Б) Изменение агрегатного состояния
В) Выделение газа
Г) Измельчение веществ
Заключительная часть
Учитель подводит итоги урока, анализируя полученные результаты. Выставляет оценки.
Домашнее задание
Приведите примеры химических явлений, которые встречаются в трудовой деятельности ваших родителей, в домашнем хозяйстве, в природе.
По учебнику О.С.Габриеляна «Химия -8 класс» § 26, упр. 3,6 с.96
§ 1 Признаки химических реакций
При химических реакциях исходные вещества превращаются в другие вещества, обладающие другими свойствами. Об этом можно судить по внешним признакам химических реакций: образование газообразного или нерастворимого вещества, выделение или поглощение энергии, изменение цвета вещества.
Кусок медной проволоки нагреем в пламени спиртовки. Мы увидим, что та часть проволоки, которая находилась в пламени, почернела.
Прильем 1-2 мл раствора уксусной кислоты к порошку пищевой соды. Наблюдаем появление пузырьков газа и исчезновение соды.
Прильем 3-4 мл раствора хлорида меди к раствору едкого натра. При этом голубой прозрачный раствор превратится в ярко-синий осадок.
К 2 мл раствора крахмала добавим 1-2 капли раствора йода. И полупрозрачная белая жидкость станет непрозрачной темно-синей.
Самым главным признаком химической реакции является образование новых веществ.
Но об этом можно судить и по некоторым внешним признакам протекания реакций:
Выпадение осадка;
Изменение цвета;
Выделение газа;
Появление запаха;
Выделение или поглощение энергии в виде тепла, электричества или света.
Например, если к смеси водорода и кислорода поднести зажженную лучинку или пропустить через эту смесь электрический разряд, то произойдёт оглушительный взрыв, а на стенках сосуда образуется новое вещество - вода. Произошла реакция образования молекул воды из атомов водорода и кислорода с выделением тепла.
Наоборот, разложение воды на кислород и водород требует электрической энергии.
§ 2 Условия возникновения химической реакции
Однако для возникновения химической реакции необходимы определённые условия.
Рассмотрим реакцию горения этилового спирта.
Она происходит при взаимодействии спирта с кислородом воздуха, для начала реакции необходимо соприкосновение молекул спирта и кислорода. Но если мы откроем колпачок спиртовки, то при соприкосновении исходных веществ - спирта и кислорода, реакции не происходит. Поднесём зажжённую спичку. Спирт на фитиле спиртовки нагревается и загорается, начинается реакция горения. Условием, необходимым для возникновения реакции здесь является первоначальное нагревание.
В пробирку нальем 3%-й раствор перекиси водорода. Если оставим пробирку открытой, то перекись водорода начнет медленно разлагаться на воду и кислород. При этом скорость реакции будет такая низкая, что признаков выделения газа мы не увидим. Добавим немного чёрного порошка оксида марганца (IV). Наблюдаем бурное выделение газа. Это кислород, который образовался при реакции разложения перекиси водорода.
Необходимым условием для начала этой реакции было добавление вещества, которое не участвует в реакции, но ускоряет ее.
Такое вещество называется катализатор.
Очевидно, что для возникновения и течения химических реакций необходимы некоторые условия, а именно:
Соприкосновение исходных веществ (реагентов),
Их нагревание до определённой температуры,
Применение катализаторов.
§ 3 Особенности химических реакций
Характерной особенностью химических реакций является то, что они часто сопровождаются поглощением или выделением энергии.
Дмитрий Иванович Менделеев указывал, что важнейшим признаком всех химических реакций является изменение энергии в процессе их протекания.
Выделение или поглощение теплоты в процессе химических реакций обусловлено тем, что энергия затрачивается на процесс разрушения одних веществ (разрушение связей между атомами и молекулами) и выделяется при образовании других веществ (образование связей между атомами и молекулами).
Энергетические изменения проявляются либо в выделении, либо в поглощении теплоты. Реакции, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими.
Реакции, протекающие с поглощением теплоты, называются эндотермическими.
Количество выделенной или поглощённой теплоты называют тепловым эффектом реакции.
Тепловой эффект обычно обозначают латинской буквой Q и соответствующим знаком: +Q для экзотермических реакций и -Q для эндотермических реакций.
Область химии, занимающаяся изучением тепловых эффектов химических реакций, называется термохимией. Первые исследования термохимических явлений принадлежат учёному Николаю Николаевичу Бекетову.
Значение теплового эффекта относят к 1 моль вещества и выражают в килоджоулях (кДж).
Большинство осуществляющихся в природе, лаборатории и промышленности химических процессов являются экзотермическими. К ним относятся все реакции горения, окисления, соединения металлов с другими элементами и другие.
Однако существуют и эндотермические процессы, например разложение воды под действием электрического тока.
Тепловые эффекты химических реакций колеблются в широких пределах от 4 до 500 кДж/моль. Наиболее значителен тепловой эффект при реакциях горения.
Попробуем объяснить, в чём сущность происходящих превращений веществ и что происходит с атомами реагирующих веществ. Согласно атомно-молекулярному учению все вещества состоят из атомов, соединённых друг с другом в молекулы или другие частицы. В процессе реакции происходит разрушение исходных веществ (реагентов) и образование новых веществ (продуктов реакции). Таким образом, все реакции сводятся к образованию новых веществ из атомов, входящих в состав исходных веществ.
Следовательно, сущность химической реакции состоит в перегруппировке атомов, в результате которой из молекул (или других частиц) получаются новые молекулы (или другие формы вещества).
Список использованной литературы:
- Н.Е. Кузнецова. Химия. 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. – М. Вентана-Граф, 2012.