birmaga.ru
добавить свой файл

1
n=Закон сохранения энергии Для получения энергии можно использовать падающую воду в плотине гидроэлектростанции, движение массы воздуха (ветра), ядерную энергию.~sz=226811;pg=1;te=Энергия, скрытая в химических связях различных веществ, превращается в энергию вырывающегося при высоком давлении и температуре нагретого пара. Такая струя подобно потоку воды, падающей на мельничное колесо, вращает турбину и дает электрическую энергию. Выполняется закон сохранения энергии~cat=~t=Закон~!~

4. Закон сохранения энергии
Для получения энергии можно использовать падающую воду в плотине гидроэлектростанции, движение массы воздуха (ветра), ядерную энергию. Но основным энергетическим источником являются электростанции, сжигающие каменный уголь, мазут и природный газ. Энергия, скрытая в химических связях различных веществ, превращается в энергию вырывающегося при высоком давлении и температуре нагретого пара. Такая струя подобно потоку воды, падающей на мельничное колесо, вращает турбину и дает электрическую энергию. Выполняется закон сохранения энергии:


^ Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, она лишь превращается из одних видов в другие.



Он установлен в результате многовековой практической деятельности людей. Изучая различные процессы, мы обращаемся к закону сохранения энергии как к надежному инструменту, позволяющему исключить ошибки. Если полученные результаты измерений не подчиняются закону сохранения энергии, то ошибку следует искать в измерениях, так как сам закон не имеет исключений.

^ Расчет энтальпии химической реакции

по энергиям связей

Чтобы учесть изменение энергетического состояния участников реакции, уравнение реакции записывают следующим образом:

Н2(г) + F2(г) = 2HF(г); ^ Н кДж

.

Такая форма уравнения дает полное представление о химической реакции. Величина Нr называется энтальпией реакции и измеряется в кДж.


^ Энергия в форме теплоты, выделяющаяся или поглощающаяся в результате химической реакции при постоянном внешнем давлении, равна энтальпии химической реакции (Нr).




Е (Н–Н). = +436 кДж/моль Е(H–F) = 568,5 кДж/моль



НН

НН

FF

Н Н

F F


FF







Е (F–F). = +159 кДж/моль Е(H–F) 568,5 кДж/моль
Рассмотрим расчет энтальпии реакции образования фтороводорода Нr(HF) по табличным данным значений энергий связей молекул. В табл. 13 приведены энергии связей в молекулах некоторых газообразных веществ.

При разрыве химических связей Н—Н и F—F в молекулах водорода и фтора энергия поглощается. Поэтому перед численными значениями энергии связей ставят знак (+). При образовании химической связи в молекуле Н–F энергия выделяется, поэтому перед численным значением энергии образующейся связи ставят знак (–).

Нr = Е (Н–Н).n + Е (F–F).n +.Е(H–F) n;

Нr = [436 кДж/моль.1 моль + 159 кДж/моль.1 моль] +

+ [–568,5 кДж/моль.2 моль] = –542 кДж.

Энтальпия реакции образования фтороводорода Нr(HF) = –542 кДж.

Т а б л и ц а 13

Энергии связей в молекулах газообразных веществ


Молекула

Разрываемая

связь

Образующиеся

частицы

Энергия связи

Е, кДж/моль

Н2

H – H

H + H

436

F2

F – F

F + F

159

Cl2

Cl – Cl

Cl + Cl

239,2

Br2(ж)

Br – Br

Br + Br

232

I2(т)

I – I

I + I

213,1

HF

H – F

H + F

568,5

HCl

H – Cl

H + Cl

431,6

HBr

H – Br

H + Br

366,1

HI

H – I

H + I

298,3

H2O

H – OH

H + OH

498,7

OH

O – H

O + H

427,8

O2

O = O

O + O

498,4

CO2

O = CO

O + CO

532,2

CO

C  O

C + O

1076,4

N2

N  N

N + N

945,3

NO

N = O

N + O

632


Реакции, в ходе которых энергия поглощается, называются эндотермическими. Энтальпия такой реакции положительная. Если в ходе химической реакции энергия выделяется, процесс является экзотермическим и энтальпия такой реакции имеет отрицательный знак.



Реакция образования фтороводорода является примером экзотермической реакции.
^ Термохимические расчеты
Пример 1. Оксид азота (II) образуется при грозовых электрических разрядах в облаках. Рассчитайте тепловой эффект реакции окисления 84 г азота в избытке кислорода.

Дано:

m(N2) = 84 г; М(N2)= 28 г/моль

E(N) = +945,3 кДж/моль; E(О=О) = +498,4 кДж/моль; E(N=О) = –632 кДж/моль.

Найти Н

Решение

1) Записывают термохимическое уравнение реакции

N2(г) + О2(г) = 2NO(г); Нr

^ Eсв (+945,3) (+498,4) 2 (–632)

и вычисляют энтальпию реакции Нr по уравнению:

Нr = 9451 моль + 498,41 моль – 6322 моль = 179,4 кДж.

Такое количество энергии соответствует превращению 1 моль азота (nr = 1)

2) Вычисляют количество вещества азота n, содержащееся в 84 г:

моль

3) Вычисляют Н:



кДж

Ответ: окисление 84 г азота (3 моль) в избытке кислорода сопровождается поглощением из окружающей среды 538,2 кДж энергии. Реакция эндотермическая.
Пример 2. При взаимодействии 7 г железа с хлором выделилось 50 кДж энергии. Составить термохимическое уравнение реакции.

Дано:

m(Fe) = 7 г; М(Fe) = 56 г/моль

Н = –50 кДж

Найти Нr


Решение


1) Составляют термохимическое уравнение:

2Fe(т) + 3Cl2(г) = 2FeCl3(т); Нr

2) Определяют n  количество вещества железа массой 7 г



3). В соответствии с термохимическим уравнением в реакции участвует 2 моль железа, следовательно, nr = 2 моль. Соотношение позволяет рассчитать энтальпию реакции ^ Нr и записать термохимическое уравнение с указанием численного значения Нr:

кДж

Ответ: 2Fe(т) + 3Cl2(г) = 2FeCl3(т), Н = –800 кДж.
Вопросы для проверки знаний
1. Что называют химической реакцией?

2. Дайте определение энтальпии химической реакции.

3. Какие химические реакции называют экзотермическими?

4. Какие химические реакции называют эндотермическими?

Упражнения

  1. Отличаются ли энергетические состояния исходных веществ и продуктов химической реакции? Дайте обоснованный ответ.

  2. Почему диссоциация (распад) двухатомной молекулы на атомы всегда является эндотермической химической реакцией?

  3. Почему рекомбинация (объединение) атомов с образованием молекулы всегда является экзотермической реакцией?

  4. Докажите, используя значения энергий химических связей (таблица 16), что реакция 2СО(г) + О2(г) = 2СО2(г) является экзотермической.

  5. По термохимическому уравнению 4Р(т) + 5О2(г) = 2Р2О5(т), Н = –2984 кДж расчитайте количество теплоты, выделившейся при горении 15,5 г фосфора, и массу кислорода, израсходованного на сжигание этого количества фосфора.

ТЕМА 5

^ СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

Цели:

  1. Ввести понятие «скорость химической реакции».

  2. Дать формулировку закона действующих масс.


Чтобы управлять химическими процессами, необходимо знать как быстро протекают химические реакции. Если реакция идет очень быстро, ее требуется замедлить. В других случаях требуется увеличить скорость процесса, если реакция идет слишком медленно. Существуют химические процессы, которые желательно подавить полностью, например, ржавление железа.



Рис. 65. Горение: а) быстрое сгорание лучинки в атмосфере кислорода; б) медленное сгорание лучинки на воздухе

Мы умеем управлять горением природного газа в горелке газовой плиты. Для этого регулируем краном скорость подачи газа. Знаем, что нельзя оставлять горелку с открытым краном не зажженной. Заполненное природным газом помещение становится взрывоопасным: при определенных концентрациях газа достаточно зажечь спичку, чтобы практически мгновенно произошло воспламенение горючего газа во всем объеме помещения (взрыв).

Некоторые химические реакции идут настолько быстро, что их невозможно контролировать. Образование капелек воды при сгорании водорода в кислороде происходит практически мгновенно, со взрывом. Лучинка в атмосфере кислорода горит ярким пламенем. Та же лучинка на воздухе сгорает медленно и горит коптящим пламенем (рис. 65).
^ 1. Модель соударений

Для возникновения и развития химического процесса необходимо:

а) столкновение реагирующих микрочастиц;

б)столкновение частиц определенными участками (реакционными центрами);

в) столкновение с энергией, достаточной для разрыва и образования химических связей.

На рис. 66 представлена модель химического превращения реагентов.

Столкновение, представленное на рис. 66 а, не приводит к химической реакции. Молекула с атомом столкнулись, но не реакционными центрами. Взаимодействие, изображенное на рис. 66 б снова не приводит к химической реакции, потому что частицы, хотя и столкнулись реакционными центрами, но с энергией, недостаточной для разрыва химической связи. В случае, представленном на рис. 66 в, столкновение привело к химической реакции, т. к. частицы столкнулись реакционными центрами с энергией, достаточной для разрыва старой и образования новой химической связи.


Рис. 66. Модель взаимодействия молекулы с атомом
^ Элементарные и сложные химические

реакции


Элементарной называется химическая реакция, идущая в один акт, в одно действие.

Например, реакции распада на атомы (диссоциации) молекул водорода и хлора являются элементарными:

Н2  Н + Н

Cl2  Cl + Cl

С молекулой ничего не произойдет до тех пор, пока она не столкнется с другой молекулой или со стенкой сосуда, в котором смешаны реагенты. Для диссоциации молекул всегда должен присутствовать внешний источник энергии.


^ Сложной называется химическая реакция, которая состоит из двух или большего числа элементарных реакций.




Запишем уравнение химической реакции образования хлороводорода из хлора и водорода:

H2 + Cl2  2HCl

Это сложная реакция. Она не идет так, как представлено стехиометрическим уравнением реакции. Уравнение написано правильно с учетом закона сохранения массы вещества. Оно показывает, что смешивание 1 моль водорода и 1 моль хлора приводит к образованию 2 моль хлороводорода. Но уравнение не раскрывает детали химического превращения.

Зададим вопрос: молекулы какого из двух газов в смеси (Н2 и Cl2) являются менее устойчивыми? Для правильного ответа на этот вопрос сравним с помощью табл. 16 энергии связей в молекулах Н2 и Cl2. Ответ очевиден: наименее устойчивая молекула хлора. Прочность связи в ней меньше, чем в молекуле водорода, поэтому вероятность разрыва этой связи значительно выше. С разрыва химической связи в молекуле хлора и начинается химическое превращение смеси Н2 и Cl2.

Какая причина вызывает разрыв химической связи? Только одна – воздействие внешней среды. При отсутствии такого воздействия молекула сохраняется в устойчивом состоянии. Нагретые стенки сосуда играют роль источника энергии. Молекулы газа при столкновении со стенками сосуда получают удар от атомов, колеблющихся в узлах кристаллической решетки стенки.

Причем удар, энергия которого недостаточна для разрыва связи в молекуле водорода (энергия связи равна 436 кДж/моль), может оказаться вполне достаточным для разрыва связи в молекуле хлора (239,2 кДж/моль). Итак, первая элементарная реакция, с которой начинается химический процесс образования хлороводорода, – это реакция диссоциации молекулы хлора:

Cl2 + M*  Cl + Cl + M

В уравнении символом М* обозначена горячая стенка сосуда или другая микрочастица в газе, обменивающаяся при соударении энергией с молекулой Cl2. М без звездочки соответствует состоянию стенки или микрочастицы после обмена энергией с молекулой хлора.

Появление атомов хлора служит толчком к развитию химического процесса:

Cl + H2  HCl + H

H + Cl2  HCl + Cl

Атомы хлора и водорода способны превратить громадное количество молекул Н2 и Cl2 в молекулу НCl посредством неоднократно повторяющихся реакций, приведенных выше. В одной из реакций атом хлора гибнет, чтобы возродить атом водорода. В другой гибнет атом водорода, чтобы возродить атом хлора. И снова атомы гибнут, и снова возрождаются, чтобы превратить молекулы водорода и хлора в хлороводород.

Иногда атомы хлора сталкиваются между собой и превращаются в молекулы Cl2:

Cl + Cl + M  Cl2 + M*

Приведенные элементарные реакции свидетельствуют о том, что образование хлороводорода – сложная реакция, и превращение:

H2 + Cl2  2HCl

на самом деле представляет собой последовательность элементарных реакций:

Cl2 + M*  Cl + Cl + M

Cl + H2  HCl + H

H + Cl2  HCl + Cl

Cl + Cl + M  Cl2 + M*

Если сложим левые и правые части приведенных выше элементарных реакции (сложим как алгебраические уравнения), то получим в результате сложную химическую реакцию образования хлороводорода.
^ 2. Мономолекулярные и бимолекулярные реакции
Любое химическое взаимодействие начинается с соударения молекул (атомов) реагентов. Сами по себе молекулы находятся в устойчивом состоянии и не могут распадаться на атомы без причины. Так, мчащийся на высокой скорости автомобиль никогда не попадет в аварию без соударения с другим автомобилем или любым препятствием на дороге, несмотря на то, что энергия поступательного движения автомобиля достаточна, чтобы переломить автомобиль пополам.

Мчащиеся с высокой скоростью молекулы претерпевают соударения, но немногие из них получают энергию, способную разорвать химическую связь.

Второе необходимое условие протекания химической реакции – энергия при столкновении должна быть сосредоточена на конкретной химической связи. При наличии двух первых условий должно быть выполнено и третье условие. Энергия, сообщаемая молекуле, должна быть равна энергии разрыва химической связи.

Перечисленные условия резко сокращают число успешных соударений молекул, способных привести к химической реакции. Довольно просто представить элементарную реакцию диссоциации двухатомной молекулы на атомы. Молекула сталкивается с нагретой стенкой сосуда или с какой-либо микрочастицей, получает энергию, необходимую для разрыва химической связи и распадается на атомы.

^ Реакция, в которой в элементарном акте химическому превращению подвергается одна молекула, называется мономолекулярно (от греч. monos один).




Например, реакции распада молекул водорода и хлора на атомы являются мономолекулярными:

Н2  Н + Н


^ Реакция, в которой в элементарном акте химическому превращению подвергаются две микрочастицы, называется бимолекулярно (от лат. bis два, дважды).

Cl2  Cl + Cl
Например, реакции

Cl + H2  HCl + H

H + Cl2  HCl + Cl

являются бимолекулярными. Обратите внимание: в реакции участвуют не только молекулы, но и атомы. Тем не менее такие реакции называют бимолекулярными, подчеркивая тем самым количество частиц, участвующих в элементарном акте, а не природу самих частиц (атом это или молекула).

В общем виде, если в каждом элементарном акте химического превращения участвует одна частица А:

^ А  продукты реакции,

то реакция является мономолекулярной. При этом неважно, сколько частиц продукта реакции образуется.

Если в каждом элементарном акте химического превращения участвуют две частицы:

А + В  продукты реакции,

то реакция является бимолекулярной.

Столкновение трех молекул в элементарной химической реакции – редкое событие. Все сложные реакции включают в основном моно- и бимолекулярные элементарные реакции.
^ 3. Скорость химической реакции

Для того чтобы из исходных веществ образовались продукты реакции, требуется время так же, как требуется время, чтобы подойти к двери (сделать несколько шагов) и открыть ее.

При старте космического корабля, работающего на жидком водороде и кислороде, сгорает большое количество топлива в течение короткого промежутка времени. Это достигается тем, что у ракеты несколько сопл и в каждом из них идет быстрая реакция водорода с кислородом с образованием газообразной воды:
2 + О2  2Н2О

Мощные струи раскаленной газообразной воды выталкивают многотонную громаду космического корабля на околоземную орбиту (рис. 67 а).

При эксплуатации машин и изделий из металла необходимо замедлить окислительно-восстановительные реакции, чтобы избежать разрушения металла и увеличить долговечность конструкций. Для изменения скорости химической реакции необходимо изменить число соударений молекул-реагентов. Самый очевидный способ остановить реакцию  исключить полностью контакт между реагентами. Хорошо, если удается изолировать реагенты друг от друга. Например, хранить их в отдельных резервуарах. На практике так и поступают. Но такой способ не всегда можно реализовать.

Несмотря на все меры предосторожности, изделия из металла подвергаются коррозии, разрушаются под воздействием атмосферного кислорода (рис. 67 б):

4Fe + 3O2 = 2Fe2O3


Рис. 67. Примеры быстрой и медленной реакции: а) быстрая реакция горения водорода в кислороде при запуске космического корабля; б) медленная реакция окисления железа на воздухе

Чтобы избежать коррозии, поверхность металла покрывают красками и эмалями, но со временем при механических воздействиях лакокрасочное покрытие разрушается, и металл все равно постепенно ржавеет (рис. 67 б).

Для того чтобы увеличить или уменьшить скорость химической реакции, регулируют число и энергию столкновений. Число столкновений молекул-реагентов зависит от количества реагентов. Чем большее количество вещества находится в единице объема, тем больше число столкновений.

Чтобы характеризовать быстроту химической реакции ввели понятие скорости реакции.


^ Скорость реакции – это изменение концентрации реагента или продукта реакции в единицу времени.




О скорости реакции в газообразном или жидком растворе судят по уменьшению концентрации одного из реагентов или по увеличению концентрации одного из продуктов реакции. Например, превращение реагента А в продукт В служит примером элементарной реакции:
А  В
Скорость реакции () вычисляют по изменению концентрации (сА) вещества А от за отрезок времени (t):
моль/л .с
сA = скон.. – снач, это разность между конечной и начальной концентрациями реагента А, причем скон.< снач.

t = tкон.. tнач., это отрезок времени в секундах (с) или минутах (мин.), в течение которого концентрация реагента А уменьшилась на сА (моль/л). При введении знака минус в уравнение скорости реакции численное значение  становится положительной величиной.

Вычислим скорость реакции превращения реагента А в продукт В. Концентрация вещества А изменяется в процессе химической реакции следующим образом:


t, мин.

0

10

20

30

40

сА, моль/л

1,0

0,5

0,25

0,125

0,063


с, моль/л


1,0























40

0

10

20

30

0,5

0


t, мин

Рис. 68. Уменьшение концентрации реагента А в реакции А  В
Средняя скорость реакции () в начальный период времени самая высокая и постепенно уменьшается по мере уменьшения концентрации А.

моль/лмин

моль/лмин

моль/лмин

123
На рис. 68 показана графическая зависимость изменения концентрации реагента А и превращения его в продукт В в течение 40 мин.
^ 4. Закон действующих масс

Любая химическая реакция происходит в результате соударения частиц-реагентов и подчиняется закону действующих масс:


скорость реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.




Иллюстрацией закона служит модель соударений. Пусть молекулы А и В, сталкиваясь, образуют продукт реакции А–В:

А + В  А–В
Столкновения частиц А между собой, так же, как столкновения частиц В друг с другом, не приводят к образованию А—В, поэтому не принимаются во внимание. Будем последовательно увеличивать количество сталкивающихся молекул, всякий раз подсчитывая число соударений в реакции (рис. 69).



Рис. 69. Скорость реакции прямо пропорциональна числу сталкивающихся между собой молекул реагентов
Число соударений равно произведению числа молекул вещества А (NA) на число молекул вещества В (NB) в растворе, то есть NA.NB. Чем больше концентрация (моль/л) реагента в растворе, тем больше число частиц этого вещества. Поэтому вместо NA и NB можно поставить концентрации сА и сВ веществ А и В. Тогда число соударений становится пропорциональным произведению концентраций реагирующих веществ сА сВ.

Скорость реакции  должна быть тем больше, чем больше число соударений молекул реагентов, т е.   сAсB. Однако не каждое соударение завершается химическим превращением.

Успешных соударений намного меньше общего числа соударений. Значительная часть соударений завершается безрезультатно, так как не реализуются второе и третье условия протекания химической реакции (молекулы сталкиваются не реакционными центрами или с недостаточной энергией).

Чтобы между скоростью  и произведением концентраций реагирующих веществ сAсB было равенство, вводят некоторый коэффициент пропорциональности k, называемый константой скорости реакции. Именно эта константа вносит поправку на безрезультатные соударения. Теперь уравнение скорости бимолекулярной реакции
А + В  АВ
выглядит следующим образом:
 = kсАсВ

Рассчитаем, во сколько раз возрастет скорость реакции при изменении начальных концентраций реагентов. Допустим, что проведено два опыта. В опыте № 1 взяты следующие концентрации реагентов:

сА = 0,05 моль/л, сВ = 0,1 моль/л.

В опыте № 2 использовались более высокие концентрации реагентов:

сА = 0,15 моль/л и сВ = 0,4 моль/л.

Оба опыта проводили при одной температуре. Константа скорости k – постоянная величина для данной химической реакции. В соответствии с законом действующих масс:

1 = k . сАсВ = k  0,05  0,1

2 = kсАсВ = k  0,15  0,4

Найдем отношение :



Таким образом, вторая реакция идет в 12 раз быстрее первой.
Вопросы для проверки знаний


  1. Назовите условия, необходимые для осуществления химической реакции.

  2. В чем различие между элементарной и сложной химическими реакциями?

  3. Что подразумевают под реакционным центром молекулы или атома?

  4. Любое ли столкновение молекул-реагентов приведет к химической реакции?

  5. Какие реакции называют: а) моно- б) бимолекулярными?

  6. Дайте определение скорости химической реакции.

  7. Сформулируйте закон действующих масс.

  8. Концентрация вещества А в элементарной реакции А  В со временем уменьшается. Происходит ли изменение скорости реакции со временем?

  9. Скорость бимолекулярной реакции А + В  АВ определяли по изменению концентрации вещества А. Можно ли измерить скорость реакции по изменению концентрации вещества В?


Упражнения


  1. К элементарной или сложной химической реакции относится горение сахарозы: С12Н22О11 + 12О2 = 12СО2 + 11Н2О? Дайте обоснованный ответ.

  2. Ниже приведены элементарные химические реакции:

а) Н2  2Н

б) 2I  I2

в) Cl + H2  HCl + H

г) Cl2 + Н  HCl + Cl

Какие из них являются моно-, а какие – бимолекулярными?
Практическое занятие

Вычисление скорости реакции по экспериментальным данным

Задание 1. Изменение концентрации вещества А в элементарной реакции А  В приведено в таблице:


t, мин

0

10

20

30

40

50

СА, моль/л

0,8

0,4

0,2

0,1

0,05

0,025



Представьте на графике изменение концентрации вещества А во времени. Расчитайте среднюю скорость реакции за 50 мин.

Задание 2. Установлено, что масса вещества А в 1 л раствора уменьшилась в течение 10 с от 1 г до 0,5 г в результате элементарной химической реакции А  В. Какое время потребуется, чтобы масса вещества А уменьшилась с 1000 г до 500 г в 1000 л раствора?