Учение о химических процессах.

Разновидности химических процессов.

Растворение веществ – процесс, сопровождающийся разрывом химических связей, взаимодействием частиц растворенного вещества с молекулами растворителя. Растворы – это однородные смеси двух и более веществ. Раствор называется насыщенным, если при данных условиях содержит максимально возможное количество растворенного вещества.

Коэффициент растворимости - масса безводного вещества, насыщающая при данных условиях 100 г воды.

Вещества, которые при растворении в воде под действием ее полярных молекул распадаются на ионы, называются электролитами.

Электролитическая диссоциация – распад вещества в растворе или расплаве на ионы.

Реакции, сопровождающиеся изменением степеней окисления атомов в молекулах реагирующих веществ, называются окислительно-восстановительными.

Окисление – отдача электронов атомом, молекулой или ионом.

Восстановление – присоединение электронов атомом, молекулой или ионом.

Электролиз – совокупность окислительно-восстановительных реакций на электродах под действием электрического тока в расплавах или растворах электролитов.

Энергия химических реакций, цепные реакции, катализ.

Энергия химических реакций возникает за счет изменения в системе или внутренней энергии, или энтальпии.

Внутренняя энергия U – это общий запас энергии системы, который складывается из энергии движения и взаимодействия молекул, энергии движения и взаимодействия ядер и электронов в атомах, в молекулах и т.п.

Энтальпией называют величину: Н=U+pV

p – давление,

V – объем системы.

Приращение энтальпии равно теплоте, полученной системой в изобарном процессе. Т.к. большинство химических реакций протекает при постоянном давлении (изобарный процесс), энергетический эффект реакции оценивается именно изменением энтальпии или тепловым эффектом реакции.

Химические реакции, при протекании которых происходит уменьшение энтальпии системы и во внешнюю среду выделяется теплота, называются экзотермическими.

Реакции, в результате которых энтальпия возрастает и система поглощает теплоту извне, называются эндотермическими.

Для расчета тепловых эффектов химических реакций основное значение имеет закон Гесса: тепловой эффект химической реакции не зависит от пути реакции, а определяется только состоянием исходных веществ и продуктов реакции.

Скорость химической реакции определяется как скорость изменения молярной концентрации одного из реагирующих веществ. если при неизменных объеме и температуре концентрация одного из реагирующих веществ уменьшилась от с₁ до с₂ за промежуток времени ∆t, то скорость реакции за данный промежуток времени равна: v=∆c/∆t.

Химические реакции происходят при столкновении молекул, поэтому скорость реакции зависит от 1) числа столкновений, 2) вероятности того, что столкновение приведет к превращению. Число столкновений определяется концентрацией реагирующих веществ, а вероятность реакции – энергией сталкивающихся молекул (температурой).

Зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ описывается основным законом химической кинетики – законом действующих масс: скорость химической реакции при постоянной температуре прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Зависимость скорости реакции от температуры определяется константой скорости. Правило Вант-Гоффа: при повышении температуры скорость большинства химических реакций возрастает в 2-4 раза при нагревании на каждые 10 градусов. Правило Вант-Гоффа применимо только в узком интервале температур. Более точным является уравнение Аррениуса.

Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми. Состояние, в котором скорость обратной реакции становится равной скорости прямой реакции, называется химическим равновесием. Состояние химического равновесия количественно характеризуется константой равновесия, которая представляет собой отношение констант скорости прямой и обратной реакции. Константа равновесия зависит от температуры и природы реагирующих веществ. чем больше константа равновесия, тем больше равновесие смещено в сторону образования продуктов прямой реакции.

Изменения, происходящие в равновесной системе в результате внешних воздействий, определяются принципом подвижного равновесия – принципом Ле Шателье: внешнее воздействие на систему, находящуюся в состоянии равновесия, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабляется.

Если увеличить давление, то в равновесной системе будут развиваться реакции, происходящие с уменьшением давления, т.е. уменьшением числа газообразных молекул. Если газовая реакция происходит без изменения числа молекул, то давление не влияет на положение равновесия.

Если увеличить температуру, то в равновесной системе будут развиваться реакции, происходящие с уменьшением температуры, т.е. эндотермические.

Цепные химические реакции – большинство химических реакций идет не прямо, а через промежуточные продукты, потому что при этом значительно понижается энергия активации. Она уменьшается особенно заметно, если атомы или соединения, входящие в промежуточные реакции, имеют свободные, ненасыщенные валентности. Такие атомы и соединения называются радикалами. Управление химическими реакциями возможно в том случае, если известны сведения о промежуточных молекулах, образующихся на каждой стадии. Детальное исследование промежуточных процессов химических превращений проводится с помощью:

- электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение используется также и для инициирования химических реакций. Например, видимое или ультрафиолетовое излучение при поглощении молекулами сообщает им энергию, достаточную для ослабления химических связей и возникновения новой молекулярной структуры. Приобретенная молекулой энергия может высвободится в виде светового излучения, этот процесс называется флуоресценцией.

- лазерной техники, которая позволяет изучать возбужденное состояние молекул. При определенной длине волны света генерируются строго определенные возбужденные состояния, и при весьма небольшой длительности импульсов можно определить продолжительность очень быстрых химических процессов и распределение энергии в молекулах и таким образом воспроизвести картину электронных состояний молекул.

- вакуумной техники, которая используется при изучении реакций между газообразными соединениями. В этом случае образование продуктов реакции определяется статистической вероятностью, которая зависит от энергетического состояния исходных соединений, типов возбуждения и взаимной ориентации молекул при столкновении. В вакууме значительно увеличивается свободный пробег молекул, возрастает вероятность участия каждой молекулы не более чем в одном столкновении, приводящем к реакции. Это означает, что появляется возможность для изучения деталей химического превращения, что очень важно для управления химическими процессами.

Катализатором называется вещество, изменяющее скорость химической реакции, но остающееся неизменным после того, как химическая реакция заканчивается. Механизм действия катализаторов связан с тем, что они уменьшают энергию активации за счет образования промежуточных соединений.

Катализ обуславливает высокие скорости реакций при небольших температурах и давлениях, предпочтительное образование определенных продуктов из ряда возможных. Каталитические процессы являются основой многих технологических процессов, большинство процессов, протекающих в живых организмах, также являются каталитическими (ферментативными).

Каталитические процессы можно классифицировать с учетом их физической и химической природы:

- гетерогенный катализ – химическая реакция совершается в поверхностных слоях на границе раздела твердого тела и газообразной или жидкой смеси реагентов,

- гомогенный катализ – исходные реагенты и катализатор находятся в одной фазе (жидкой или газообразной),

- электрокатализ – реакция протекает на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока,

- фотокатализ – химическая реакция может происходить на поверхности твердого тела (в том числе и на поверхности электрода) или в жидком растворе и стимулирует ее энергия поглощенного излучения,

- ферментативный катализ – присущи свойства как гетерогенного, так и гомогенного катализа. Ферменты – это большие белковые структуры, способные удерживать молекулы реагента в ожидании реакции. Кроме того, фермент собирает подходящее химическое окружение, катализирующее нужную реакцию по прибытии партнера.