Материал: Альонкіна К. В., Сотниченко Т. Д Хімія. Підготовка до ЗНО

тема 2. хімічна Реакція

Це найпоширеніша група реакцій між складними речовинами, зокрема між кислотами, основами та оксидами.

Класифікації за можливістю протікання реакції в прямому й зворотному напрямках

Оборотними називають реакції, продукти яких здатні реагувати один з одним у тих самих умовах, у яких вони отримані, з утворенням вихідних речовин. Наприклад, при нагріванні йодоводню до температури 500 °С 24% його розпадається на йод та водень: 2HI → H2 + I2.

Якщо ж у тому самому просторі нагріти однакові кількості йоду й водню до 500 °С, то 76% їх сполучаються й утворюють йодоводень:

Н2 + I2 ←→ 2HI.

Для оборотних реакцій у рівнянні прийнято записувати замість знака рівності двонаправлену стрілку. Цим підкреслюють, що в тих самих умовах проходить як пряма реакція, так і оборотна.

Необоротними називають такі хімічні процеси, продукти яких не здатні реагувати один з одним з утворенням вихідних речовин. Прикладами необоротних реакцій можуть слугувати реакції розкладу калій перманганату при нагріванні:

2KMnO4 to →K2MnO4 +MnO2 +O2.

Органічні реакції в більшості випадків є оборотними, на відміну від неорганічних.

Класифікація за тепловим ефектом

За тепловим ефектом реакції належать або до екзотермічних (реакції з виділенням теплоти) або до ендотермічних (реакції з поглинанням теплоти).

ТеПлОВий ефеКТ хімічНОї реАКції. ТермОхімічНі ріВНяННя

Велика кількість хімічних процесів відбувається з виділенням енергії, зокрема горіння (реакція, що відбувається з виділенням теплоти й світла). Існує й чимало інших реакцій, при проходженні яких виділяється теплота.

Є реакції, у яких теплота поглинається. Їхнє здійснення потребує нагрівання. До таких реакцій належать реакції розкладу гідроксидів, оксигеновмісних кислот, їхніх солей, кристалогідратів.

Реакції, у яких теплота виділяється, називаютьекзотермічними, а реакції, у яких теплота поглинаєть-

ся,— ендотермічними.

Показати виділення або поглинання теплоти можна в хімічному рівнянні: 2Na + 2H2O = 2NaOH +H2; ∆H<O (тепло виділяється.);

CaCO3 = CaO + CO2; ∆H>O (тепло поглинається).

Швидкість хімічної реакції

Кожна реакція має певну швидкість. Швидкість хімічної реакції позначають малою латинською літерою υ. Її оцінюють на підставі зміни числа частинок речовини ( N) реагенту або продукту за одиницю часу. Для визначення швидкості реакції визначають зміну кількості речовини ( n) продукту реакції або реагенту в певному об’ємі реакційної суміші (V):

v = V nτ .

Відношення Vn (якщо об’єм виражений у літрах) є зміною молярної концентрації речовини ( Cм ). Розмірність швидкості реакції: (мольл с).

15

www.e-ranok.com.ua

тема 2. хімічна Реакція

Вплив концентрації реагенту на швидкість реакції

Збільшення концентрації реагенту означає зростання кількості речовини реагенту в одиниці об’єму реакційноїсуміші,азначить—ічислайогочастинок.Збільшуєтьсячислозіткненьцихчастинокізчас- тинками іншого реагенту, а це призводить до зростання швидкості реакції. Упродовж хімічної реакції реагент поступово витрачається, його концентрація зменшується. Тому згодом зменшується й швидкість реакції.

Вплив температури на швидкість реакції

З підвищенням температури швидкість реакції завжди збільшується. При підвищенні температури збільшується швидкість руху частинок рідкої, газуватої речовини або амплітуда їхніх коливань у твердій речовині. Це призводить до збільшення частоти зіткнень частинок реагентів, а значить і до зростання швидкості реакції.

Залежність швидкості реакції від температури описує правило Вант-Гофа: швидкість більшості ре акцій при підвищенні температури на кожні 10 градусів зростає у 2—4 рази (залежно від конкретної

реакції).

t2 − t1 v2 = v1 γ 10 .

У цьому рівнянні число «γ »називають коефіцієнтом Вант-Гофа, або температурним коефіцієнтом реакції. Залежно від реакції температурний коефіцієнт набуває значень від 2 до 4.

Залежність швидкості реакції від ступеня подрібнення реагентів

Зі збільшенням площі поверхні стикання частинки реагентів частіше зіштовхуються одна з одною, а значить швидкість реакції збільшується. Збільшити площу стикання реагентів можна за допомогою збільшення ступеня подрібнення речовин. Отже, чим краще подрібнені речовини, тим більша швидкість реакції між ними.

КАТАліЗ і КАТАліЗАТОри

Існують речовини, які здатні самою своєю присутністю в реактивній суміші змінювати швидкість хімічної реакції. Причому ці речовини в ході реакції самі не змінюються. Такі речовини називають ка талізаторами, а саме явище зміни швидкості реакції в присутності речовини, яка після реакції залишається незмінною,— каталізом.

Під дією каталізаторів швидкість реакції може й уповільнюватися. Таку дію називають негативним каталізом, а каталізатори — «інгібіторами». Інгібітори використовують для того, щоб сповільнити швидкість небажаних реакцій, наприклад для поліпшення схоронності при тривалому зберіганні нестійких речовин (реактивів, ліків тощо).

Окисно-відновні реакції

За зміною ступенів окиснення елементів, що входять до складу реагентів та продуктів реакції, усі хімічні реакції можна розділити на дві групи, а саме на:

1) Реакції,що протікають беззміниступенівокисненнявсіх елементів.До таких реакцій належать, зокрема, реакції йонного обміну в розчинах та деякі інші:

AgNO3 + NaCl → AgCl ↓ + NaNO3 .

2) Реакції, що протікають зізміною ступеняокисненнявсіх або деяких (або навіть одного) елементів, наприклад:

16

www.e-ranok.com.ua

тема 2. хімічна Реакція

4KClO3 → KCl + 3KClO4 .

Хімічні реакції, які протікають зі зміною ступеня окиснення елементів, що входять до складу реагентів, називають окисно-відновними реакціями (ОВР).

Будь-який окисно-відновний процес обов’язково складається з двох протилежних процесів — окиснення та відновлення.

Окиснення — це процес віддачі електронів атомом, йоном або молекулою. Якщо атом віддає електрон, то він здобуває позитивний заряд:

Mg0 −2e → Mg+2 .

Якщонегативнозарядженачастинкавіддаєелектрон, товонаможеперетворюватисявнейтральний атомабопозитивнозарядженучастинку:

Cl− −e → Cl0 або S−2 −8e → S+6 .

Якщо ж позитивно заряджена частинка віддає електрони, то вона збільшує свій позитивний заряд:

Fe+2 − e → Fe+3 ;

S+4 −2e → S+6 .

Відновлення — це процес прийому електронів атомом, йоном або молекулою. Якщо нейтральний атом приймає електрони, то він перетворюється в негативно заряджену частинку:

Cl0 + e → Cl− або S0 +2e → S−2 .

Якщо позитивно заряджена частинка приймає електрони, то вона зменшує свій позитивний заряд і залежно від числа прийнятих електронів може перетворитися в позитивно заряджену частинку з меншим позитивним зарядом, нейтральний атом або негативно заряджену частинку:

Mn+7 +5e → Mn+2 ;

S+4 +4e → S0 ;

N+5 + 8e → N−3 .

Частинку (атом, молекулу або йон), яка приймає електрон, називають окисником, а частинку, яка віддає електрони — відновником. Окисник у процесі реакції відновлюється, а відновник — окисню ється.

При складанні електронного балансу можна дотримуватися такого алгоритму:

1.Записати реагенти й продукти реакції в молекулярному вигляді.

2.Визначити ступені окиснення всіх елементів, які входять до складу реагентів та продуктів реакції.

3.Визначити, які елементи змінюють ступені окиснення.

4.Записати рівняння окиснення та відновлення із зазначенням числа прийнятих і відданих електронів.

5.Знайти найменше спільне кратне для чисел відданих і прийнятих електронів й обчислити коефіцієнти, на які необхідно помножити рівняння окиснення та відновлення.

6.Записати сумарне рівняння окиснення й відновлення.

7.Розставити коефіцієнти у вихідному молекулярному рівнянні.

Розгляньмо простий приклад відновлення ферум(III) оксиду чадним газом (карбон монооксидом). Продуктом реакції є залізо та карбон діоксид (вуглекислий газ):

Fe2O3 + CO → Fe + CO2 .

17

www.e-ranok.com.ua

тема 2. хімічна Реакція

Обчислимо ступені окиснення всіх елементів:

У даному разі ступені окиснення змінюють елементи Ферум (від +3 до 0) та Карбон (від +2 до +4). Виходячи зі зміни ступеня окиснення цими елементами, запишемо рівняння окиснення та відновлення:

При складанні рівнянь окиснення та відновлення іноді складно визначити число прийнятих або відданих електронів. Для цього можна згадати закон збереження заряду: сумарні заряди лівої й правої частин рівнянь мають бути однаковими. При цьому не можна також забувати про те, що електрон має заряд –1. Таким чином, щоб визначити число електронів у першому рівнянні (відновлення), можна скласти математичний вираз, позначивши число електронів символом х: +3 + x (−1)= 0. Розв’язуючи це рівняння, знаходимо, що х = 3, отже, щоб заряд +3 перетворився на 0, необхідно прийняти 3 електрони. Таку саму операцію виконуємо стосовно другого рівняння: +2 + x (−1)= + 4. У цьому разі х = –2, отже, для того щоб заряд +2 перетворився на +4, необхідно віддати 2 електрони (про необхідність віддавати електрони свідчить від’ємний знак значення х).

Наступним етапом буде визначення найменшого спільного кратного для чисел відданих і прийнятих електронів. Для чисел 3 та 2 найменшим спільним кратним є число 6. Тепер, щоб визначити коефіцієнт, на який необхідно помножити рівняння окиснення й відновлення, поділимо найменше спільне кратне на число електронів, які беруть участь у кожному рівнянні. У рівнянні відновлення беруть

2Fe+3 +3C+2 →2Fe0 +3C+4 .

Залишається остання операція: перенести коефіцієнти із сумарного рівняння в молекулярне рівняння реакції. Для цього необхідно коефіцієнти перед відповідними частинками поставити перед записом молекул, до складу яких входять елементи із цими ж ступенями окиснення. Так, Fe+3 входить до складу ферум(III) оксиду, тому перед Fe2O3 необхідно поставити коефіцієнт 2, але оскільки до складу Fe2O3 уже входить два атоми Феруму, то коефіцієнт тут не потрібний; C+2 входить до складу карбон монооксиду, тому перед CO ставлять коефіцієнт 3. Аналогічно переносять і решту коефіцієнтів і одержують:

Fe2O3 +3CO →2Fe +3CO2 .

Приклади розв’язання задач

розрахунки за хімічними рівняннями Задача 2.1. Яка маса вуглекислого газу прореагує із 84 г кальцій оксиду?

18

www.e-ranok.com.ua

тема 2. хімічна Реакція

Обчислюємо молярні маси речовин, указаних в умові задачі:

M(CaO) = 56 г/моль; M(CO2) = 44 г/моль.

Маса 1 моль CaO становить 56 г, а 1 моль CO2 – 44г. Готуємо запис для складання пропорції.

Записуємо під формулами реагентів у хімічному рівняння маси 1 моль кожної сполуки, а над формулами – відому з умови задачі масу кальцій оксиду і невідому масу вуглекислого газу:

Обчислюємо об’єм сірчистого газу за нормальних умов:

V(SO2) = n(SO2) ∙ Vm = 0.4 моль ∙ 22,4 л/моль = 8,96 л. Відповідь: V(SO2) = 8,96 л.

Задачі на термохімічні рівняння Задача 2.3. Дано термохімічне рівняння реакції горіння карбон(ІІ) оксиду:

2СО + О2 = 2СО2 , ∆Н = -566 кДж.

Обчисліть кількість теплоти, що виділяється при спалюванні: 112 л (н. у.) карбон(ІІ) оксиду.

56 г

Відповідь: Q = 1132 кДж.

19

www.e-ranok.com.ua