Uvjeti za odvijanje kemijskih reakcija i teorija elementarnih interakcija. Uvjeti za spontano odvijanje kemijske reakcije Uvjet za odvijanje kemijske reakcije može biti

Tijekom života neprestano se susrećemo s fizikalnim i kemijskim pojavama. Prirodni fizikalni fenomeni toliko su nam poznati da im već dugo nismo pridavali veliku važnost. U našem tijelu stalno se događaju kemijske reakcije. Energija koja se oslobađa tijekom kemijskih reakcija neprestano se koristi u svakodnevnom životu, u proizvodnji i pri lansiranju svemirskih brodova. Mnogi materijali od kojih su napravljene stvari oko nas nisu uzeti iz prirode u gotovom obliku, već su napravljeni kemijskim reakcijama. U svakodnevnom životu nema puno smisla da shvaćamo što se dogodilo. Ali kada proučavate fiziku i kemiju na dovoljnoj razini, ne možete bez ovog znanja. Kako razlikovati fizikalne pojave od kemijskih? Postoje li znakovi koji mogu pomoći u tome?

Tijekom kemijskih reakcija iz nekih tvari nastaju nove tvari, različite od prvobitnih. Po nestanku znakova prvog i pojavi znakova drugog, kao i po oslobađanju ili apsorpciji energije, zaključujemo da je došlo do kemijske reakcije.

Ako zagrijete bakrenu ploču, na njezinoj se površini pojavi crna prevlaka; Kada se ugljični dioksid upuhuje kroz vapnenu vodu, stvara se bijeli talog; pri sagorijevanju drva na hladnim stijenkama posude pojavljuju se kapljice vode, pri sagorijevanju magnezija dobiva se bijeli prah.

Pokazalo se da su znakovi kemijske reakcije promjene boje, mirisa, stvaranje taloga i pojava plina.

Pri razmatranju kemijskih reakcija potrebno je obratiti pozornost ne samo na to kako se odvijaju, već i na uvjete koji moraju biti ispunjeni da reakcija započne i teče.

Dakle, koji uvjeti moraju biti ispunjeni da bi započela kemijska reakcija?

Da biste to učinili, prije svega, potrebno je dovesti tvari koje reagiraju u kontakt (kombinirati ih, pomiješati). Što su tvari usitnjenije, što je veća površina njihovog dodira, to se reakcija među njima odvija brže i aktivnije. Na primjer, šećer u grudima teško je zapaliti, ali smrvljen i raspršen u zraku izgori u nekoliko sekundi, stvarajući svojevrsnu eksploziju.

Uz pomoć otapanja možemo zdrobiti tvar u sitne čestice. Ponekad prethodno otapanje polaznih tvari olakšava kemijsku reakciju između tvari.

U nekim slučajevima dovoljan je kontakt tvari, na primjer, željeza s vlažnim zrakom da dođe do reakcije. Ali najčešće za to nije dovoljan sam kontakt tvari: moraju se ispuniti još neki uvjeti.

Dakle, bakar ne reagira s kisikom iz zraka na niskim temperaturama od oko 20˚-25˚S. Da bi došlo do reakcije između bakra i kisika, potrebno je koristiti toplinu.

Zagrijavanje na različite načine utječe na odvijanje kemijskih reakcija. Neke reakcije zahtijevaju kontinuirano zagrijavanje. Kad prestane zagrijavanje, prestaje i kemijska reakcija. Na primjer, za razgradnju šećera potrebna je stalna toplina.

U drugim slučajevima zagrijavanje je potrebno samo za odvijanje reakcije, ono daje poticaj, a zatim reakcija teče bez zagrijavanja. Na primjer, promatramo takvo zagrijavanje tijekom izgaranja magnezija, drva i drugih zapaljivih tvari.

web stranice, pri kopiranju materijala u cijelosti ili djelomično, poveznica na izvor je obavezna.

I. Znakovi i uvjeti za odvijanje kemijskih reakcija

Mnoge tvari već poznajete, promatrali ste njihove pretvorbe i pretvorbe koje prate te pretvorbe. znakovi.

Najviše glavna značajka Kemijska reakcija je stvaranje novih tvari. Ali o tome se također može suditi prema nekim vanjskim znakovima reakcija koje se javljaju.

Vanjski znakovi kemijskih reakcija:

• taloženje
• promjena boje
• razvijanje plina
• pojava mirisa
• apsorpcija i oslobađanje energije (toplina, elektricitet, svjetlost)

Očito je da Za nastanak i tijek kemijskih reakcija potrebni su određeni uvjeti:

• kontakt polaznih tvari (reagensa)
• zagrijavanje na određenu temperaturu
• korištenje tvari koje ubrzavaju kemijske reakcije (katalizatori)

II. Toplinski učinak kemijske reakcije

DI. Mendeljejev je istaknuo: najvažnija značajka svih kemijskih reakcija je promjena energije tijekom njihovog odvijanja.

Svaka tvar skladišti određenu količinu energije. Ovo svojstvo tvari susrećemo već za doručkom, ručkom ili večerom, budući da hrana omogućuje našem tijelu da koristi energiju najrazličitijih kemijskih spojeva sadržanih u hrani. U tijelu se ta energija pretvara u kretanje, rad i koristi se za održavanje stalne (i dosta visoke!) tjelesne temperature.

Oslobađanje ili apsorpcija topline tijekom kemijskih reakcija nastaje zbog činjenice da se energija troši na proces razaranja nekih tvari (razaranja veza između atoma i molekula), a oslobađa se tijekom nastajanja drugih tvari (stvaranje veza između atoma i molekule).

Energetske promjene očituju se ili oslobađanjem ili apsorpcijom topline.

Reakcije koje se odvijaju uz oslobađanje topline nazivaju se egzotermna (od grčkog "exo" - van).

Reakcije koje se odvijaju uz apsorpciju energije nazivaju seendotermički (od latinskog "endo" - iznutra).

Najčešće se energija oslobađa ili apsorbira u obliku topline (rjeđe u obliku svjetlosti ili mehaničke energije). Ova se toplina može mjeriti. Rezultat mjerenja izražava se u kilodžulima (kJ) za jedan MOL reaktanta ili (rjeđe) za jedan mol produkta reakcije. Količina topline koja se oslobađa ili apsorbira tijekom kemijske reakcije naziva se toplinski učinak reakcije(Q).

Egzotermna reakcija:

Polazne tvari → produkti reakcije + Q kJ

Endotermna reakcija:

Polazne tvari → produkti reakcije - Q kJ

Toplinski učinci kemijskih reakcija potrebni su za mnoge tehničke proračune. Zamislite sebe na trenutak kao dizajnera snažne rakete koja može lansirati svemirske brodove i druge terete u orbitu.

Recimo da znate rad (u kJ) koji će biti potrebno utrošiti da se raketa s teretom dopremi s površine Zemlje u orbitu; također znate rad za svladavanje otpora zraka i druge troškove energije tijekom leta. Kako izračunati potrebnu zalihu vodika i kisika koji se (u ukapljenom stanju) u ovoj raketi koriste kao gorivo i oksidans?

Bez pomoći toplinskog učinka reakcije nastajanja vode iz vodika i kisika to je teško izvedivo. Na kraju krajeva, toplinski učinak je sama energija koja bi trebala lansirati raketu u orbitu. U komorama za izgaranje rakete ta se toplina pretvara u kinetičku energiju molekula vrućeg plina (pare) koji izlazi iz mlaznica i stvara mlazni potisak.

U kemijskoj industriji toplinski učinci su potrebni za izračunavanje količine topline za zagrijavanje reaktora u kojima se odvijaju endotermne reakcije. U energetskom sektoru proizvodnja toplinske energije izračunava se pomoću topline izgaranja goriva.

Dijetetičari koriste toplinske učinke oksidacije hrane u tijelu za stvaranje pravilne prehrane ne samo za pacijente, već i za zdrave ljude - sportaše, radnike raznih zanimanja. Tradicionalno, izračuni ovdje ne koriste džule, već druge energetske jedinice - kalorije (1 cal = 4,1868 J). Energetski sadržaj hrane odnosi se na bilo koju masu prehrambenih proizvoda: 1 g, 100 g, pa čak i standardno pakiranje proizvoda. Na primjer, na naljepnici staklenke kondenziranog mlijeka možete pročitati sljedeći natpis: "sadržaj kalorija 320 kcal / 100 g."

Područje kemije koje se bavi proučavanjem toplinskih učinaka i kemijskih reakcija naziva se termokemija.

Jednadžbe kemijskih reakcija u kojima je naznačen toplinski učinak nazivaju se termokemijski.

U poglavlju 5.2 naučili smo o osnovnim principima kemijskih reakcija. Oni čine teoriju elementarnih međudjelovanja.

§ 5.3.1 Teorija elementarnih interakcija

Navedeno ispod glavne odredbe TEV odgovori na pitanje:

Što je potrebno za odvijanje kemijskih reakcija?

1. Kemijsku reakciju pokreću čestice aktivnog reagensa koje nisu zasićene molekule: radikali, ioni, koordinativno nezasićeni spojevi. Reaktivnost polaznih tvari određena je prisutnošću ovih aktivnih čestica u njihovom sastavu.

Kemija identificira tri glavna čimbenika koji utječu na kemijsku reakciju:

• temperatura;
• katalizator (ako je potrebno);
• prirodu tvari koje reagiraju.

Od njih je najvažniji posljednji. Priroda tvari je ta koja određuje njezinu sposobnost stvaranja određenih aktivnih čestica. A poticaji samo pomažu da se taj proces dogodi.

2. Aktivne čestice su u termodinamičkoj ravnoteži s izvornim zasićenim molekulama.

3. Aktivne čestice stupaju u interakciju s originalnim molekulama putem lančanog mehanizma.

4. Interakcija između aktivne čestice i molekule reagensa odvija se u tri faze: asocijacija, elektronska izomerizacija i disocijacija.

U prvoj fazi kemijske reakcije, fazi pridruživanja, aktivna se čestica veže na zasićenu molekulu drugog reagensa pomoću kemijskih veza koje su slabije od kovalentnih. Asocijat se može formirati korištenjem van der Waalsovih, vodikovih, donor-akceptorskih i dinamičkih veza.

U drugoj fazi kemijske reakcije - fazi elektronske izomerizacije - događa se najvažniji proces - transformacija jake kovalentne veze u početnoj molekuli reagensa u slabiju: vodikovu, donorsko-akceptorsku, dinamičku ili čak van derovu. Waals.

5. Treća faza interakcije između aktivne čestice i molekule reagensa - disocijacija izomeriziranog asocijata uz nastanak konačnog produkta reakcije - ograničavajuća je i najsporija faza cijelog procesa.

Velika "lukavost" kemijske prirode tvari

Upravo ta faza određuje ukupne troškove energije za cijeli trostupanjski proces kemijske reakcije. I tu leži veliko "lukavstvo" kemijske prirode tvari. Najzahtjevniji proces - kidanje kovalentne veze u reagensu - odvijao se lako i graciozno, gotovo neprimjetno u vremenu u usporedbi s trećim, ograničavajućim stupnjem reakcije. U našem primjeru veza u molekuli vodika s energijom od 430 kJ/mol tako se lako i prirodno transformirala u van der Waalsovu vezu s energijom od 20 kJ/mol. I sva potrošnja energije reakcije je smanjena na kidanje ove slabe van der Waalsove veze. Zbog toga su troškovi energije potrebni za kemijski raskid kovalentne veze znatno manji od troškova toplinskog razaranja te veze.

Dakle, teorija elementarnih interakcija daje strogo fizičko značenje konceptu "aktivacijske energije". To je energija potrebna da se prekine odgovarajuća kemijska veza u asociatu, čije stvaranje prethodi proizvodnji konačnog produkta kemijske reakcije.

Još jednom naglašavamo jedinstvo kemijske prirode tvari. Može reagirati samo u jednom slučaju: kada se pojavi aktivna čestica. A temperatura, katalizator i drugi čimbenici, unatoč svim svojim fizičkim razlikama, igraju istu ulogu: inicijator.

Brzina kemijske reakcije je promjena u količini reaktanta ili produkta reakcije po jedinici vremena po jedinici volumena (za homogenu reakciju) ili po jedinici međupovršine (za heterogenu reakciju).

Zakon djelovanja mase: ovisnost brzine reakcije o koncentraciji reaktanata. Što je veća koncentracija, to je veći broj molekula sadržanih u volumenu. Posljedično se povećava broj kolizija, što dovodi do povećanja brzine procesa.

Kinetička jednadžba– ovisnost brzine reakcije o koncentraciji.

Krute tvari su 0

Molekularnost reakcije je minimalni broj molekula uključenih u elementarni kemijski proces. Na temelju molekularnosti elementarne kemijske reakcije dijele se na molekularne (A →) i bimolekularne (A + B →); trimolekularne reakcije su izuzetno rijetke.

Opći redoslijed reakcija je zbroj eksponenata stupnjeva koncentracije u kinetičkoj jednadžbi.

Konstanta brzine reakcije- koeficijent proporcionalnosti u kinetičkoj jednadžbi.

Van't Hoffovo pravilo: Za svaki porast temperature od 10 stupnjeva, konstanta brzine homogene elementarne reakcije povećava se dva do četiri puta

Aktivna teorija sudara(TAC), postoje tri uvjeta potrebna da dođe do reakcije:

Molekule se moraju sudarati. To je važan uvjet, ali nije dovoljan, jer sudar ne mora nužno izazvati reakciju.

Molekule moraju imati potrebnu energiju (aktivacijsku energiju).

Molekule moraju biti pravilno orijentirane jedna u odnosu na drugu.

Energija aktivacije- minimalna količina energije koju je potrebno dostaviti sustavu da bi došlo do reakcije.

Arrheniusova jednadžba utvrđuje ovisnost konstante brzine kemijske reakcije o temperaturi

A - karakterizira učestalost sudara reagirajućih molekula

R je univerzalna plinska konstanta.

Utjecaj katalizatora na brzinu reakcije.

Katalizator je tvar koja mijenja brzinu kemijske reakcije, ali se ne troši u reakciji i ne ulazi u konačne proizvode.

U tom slučaju dolazi do promjene brzine reakcije zbog promjene energije aktivacije, a katalizator s reagensima tvori aktivirani kompleks.

kataliza - kemijski fenomen, čija je bit promjena brzina kemijskih reakcija pod djelovanjem određenih tvari (nazivaju se katalizatori).

Heterogena kataliza - Reaktant i katalizator su u različitim fazama – plinovitoj i krutoj.

Homogena kataliza - reaktanti (reagensi) i katalizator su u istoj fazi – npr. oba su plinovi ili su oba otopljena u nekom otapalu.

Uvjeti kemijske ravnoteže

stanje kemijske ravnoteže održava se sve dok su uvjeti reakcije nepromijenjeni: koncentracija, temperatura i tlak.

Le Chatelierov princip: Ako se na sustav koji je u ravnoteži izvrši bilo kakav vanjski utjecaj, tada će se ravnoteža pomaknuti prema reakciji da će to djelovanje oslabiti.

Konstanta ravnoteže – Ovo je mjera potpunosti reakcije; što je veća vrijednost konstante ravnoteže, to je veći stupanj pretvorbe polaznih tvari u produkte reakcije.

ΔG<0 К р >1 Iz pr > Iz van

ΔG>0 K str<1 С пр <С исх

§ 1 Znakovi kemijskih reakcija

U kemijskim reakcijama polazne tvari se pretvaraju u druge tvari različitih svojstava. O tome se može suditi po vanjskim znakovima kemijskih reakcija: nastajanju plinovite ili netopljive tvari, oslobađanju ili apsorpciji energije, promjeni boje tvari.

Zagrijte komad bakrene žice na plamenu alkoholne lampe. Vidjet ćemo da je dio žice koji je bio u plamenu pocrnio.

U prah sode bikarbone dodajte 1-2 ml otopine octene kiseline. Promatramo pojavu mjehurića plina i nestanak sode.

Dodajte 3-4 ml otopine bakrenog klorida u otopinu natrijevog hidroksida. U tom će se slučaju plava prozirna otopina pretvoriti u svijetloplavi talog.

Dodajte 1-2 kapi otopine joda u 2 ml otopine škroba. A prozirna bijela tekućina postat će neprozirna tamnoplava.

Najvažniji znak kemijske reakcije je nastajanje novih tvari.

Ali to se također može procijeniti prema nekim vanjskim znakovima reakcije:

Taloženje;

Promjena boje;

Otpuštanje plina;

Pojavljuje se miris;

Oslobađanje ili apsorpcija energije u obliku topline, elektriciteta ili svjetlosti.

Na primjer, prinesete li upaljenu krhotinu mješavini vodika i kisika ili propustite električno pražnjenje kroz tu smjesu, dogodit će se zaglušujuća eksplozija, a na stijenkama posude stvorit će se nova tvar - voda. Došlo je do reakcije stvaranja molekula vode iz atoma vodika i kisika uz oslobađanje topline.

Naprotiv, za razgradnju vode na kisik i vodik potrebna je električna energija.

§ 2. Uvjeti za odvijanje kemijske reakcije

Međutim, za odvijanje kemijske reakcije potrebni su određeni uvjeti.

Razmotrite reakciju izgaranja etilnog alkohola.

Nastaje kada alkohol stupa u interakciju s kisikom u zraku; da bi reakcija započela, molekule alkohola i kisika moraju doći u kontakt. Ali ako otvorimo čep alkoholne lampe, onda kada polazne tvari - alkohol i kisik - dođu u dodir, ne dolazi do reakcije. Ponesimo upaljenu šibicu. Alkohol na fitilju alkoholne lampe se zagrije i zapali te počinje reakcija izgaranja. Uvjet nužan za odvijanje reakcije ovdje je početno zagrijavanje.

U epruvetu ulijte 3% otopinu vodikovog peroksida. Ostavimo li epruvetu otvorenu, vodikov peroksid će se polako početi raspadati na vodu i kisik. U tom će slučaju brzina reakcije biti toliko niska da nećemo vidjeti nikakve znakove razvijanja plina. Dodajte malo praha crnog mangan (IV) oksida. Opažamo brzo oslobađanje plina. To je kisik koji je nastao tijekom reakcije razgradnje vodikovog peroksida.

Nužan uvjet za početak ove reakcije bio je dodatak tvari koja ne sudjeluje u reakciji, ali je ubrzava.

Ova tvar se naziva katalizator.

Očito je da su za nastanak i tijek kemijskih reakcija potrebni određeni uvjeti, i to:

Kontakt polaznih tvari (reagensa),

Zagrijati ih na određenu temperaturu,

Primjena katalizatora.

§ 3 Značajke kemijskih reakcija

Karakteristična značajka kemijskih reakcija je da ih često prati apsorpcija ili oslobađanje energije.

Dmitrij Ivanovič Mendeljejev istaknuo je da je najvažnija značajka svih kemijskih reakcija promjena energije tijekom njihovog odvijanja.

Oslobađanje ili apsorpcija topline tijekom kemijskih reakcija nastaje zbog činjenice da se energija troši na proces razaranja nekih tvari (razaranja veza između atoma i molekula), a oslobađa se tijekom nastajanja drugih tvari (stvaranje veza između atoma i molekule).

Energetske promjene očituju se ili oslobađanjem ili apsorpcijom topline. Reakcije koje se odvijaju uz oslobađanje topline nazivaju se egzotermne.

Reakcije koje se odvijaju uz apsorpciju topline nazivaju se endotermne.

Količina oslobođene ili apsorbirane topline naziva se toplinski učinak reakcije.

Toplinski učinak obično se označava latiničnim slovom Q i pripadajućim znakom: +Q za egzotermne reakcije i -Q za endotermne reakcije.

Grana kemije koja proučava toplinske učinke kemijskih reakcija naziva se termokemija. Prva istraživanja termokemijskih pojava pripadala su znanstveniku Nikolaju Nikolajeviču Beketovu.

Vrijednost toplinskog učinka odnosi se na 1 mol tvari i izražava se u kilodžulima (kJ).

Većina kemijskih procesa koji se odvijaju u prirodi, laboratoriju i industriji su egzotermni. To uključuje sve reakcije izgaranja, oksidacije, kombinacije metala s drugim elementima i druge.

No postoje i endotermni procesi, primjerice razgradnja vode pod utjecajem električne struje.

Toplinski učinci kemijskih reakcija uvelike variraju od 4 do 500 kJ/mol. Toplinski učinak je najznačajniji tijekom reakcija izgaranja.

Pokušajmo objasniti bit tekućih transformacija tvari i što se događa s atomima tvari koje reagiraju. Prema atomsko-molekularnoj teoriji sve se tvari sastoje od atoma međusobno povezanih u molekule ili druge čestice. Tijekom procesa reakcije polazne tvari (reagensi) se uništavaju i nastaju nove tvari (produkti reakcije). Dakle, sve se reakcije svode na stvaranje novih tvari iz atoma koji čine izvorne tvari.

Dakle, bit kemijske reakcije je preslagivanje atoma, uslijed čega se iz molekula (ili drugih čestica) dobivaju nove molekule (ili drugi oblici tvari).

Popis korištene literature:

1. NE. Kuznjecova. Kemija. 8. razred. Udžbenik za općeobrazovne ustanove. – M. Ventana-Graf, 2012. (monografija).