ВВЕДЕНИЕ

Научиться составлять химические уравнения — не значит запомнить или заучить две, три, пять или более сотен или тысяч реакций: такой подход означал бы отказ от сознательного изучения явлений.

Овладеть предметом — это значит изучить свойства элементов периодической системы Д. И. Менделеева и различных классов химических соединений, их характерные особенности, усвоить основные законы превращения веществ и, основываясь на этом, осмысленно составлять уравнения химических реакций.

При составлении химических уравнений нельзя произвольно (наугад) группировать атомы (ионы) в молекулах. Нельзя, написав формулы молекул в левой части уравнения, по своему желанию группировать их в правой части уравнения в любые какие угодно новые молекулы.

На первых этапах развития химии определить, какие вещества образуются в процессе реакции, можно было только постановкой эксперимента и анализом полученных продуктов. Впоследствии, по мере развития науки, стало возможным, базируясь на уже установленных характерных свойствах различных типов соединений, предсказывать результат реакции. Ход многих реакций можно предвидеть, зная химические свойства вступающих в реакцию веществ и входящих в их состав элементов. В тех случаях, когда аналогичные реакции уже изучены, можно также заранее определить продукты реакции.

Так, при взаимодействии кислоты со щелочью всегда получается вода и соль:

При действии сильной кислоты на соль слабой кислоты, как правило, образуется слабая кислота и соль сильной кислоты, например:

При взаимодействии металлов, стоящих в ряду напряжений выше водорода, с разбавленными соляной или серной кислотами всегда получаются газообразный водород и соответствующая соль:

Следовательно, для сознательного составления уравнений реакций требуется знание соответствующих теоретических положений и правил. Хорошее знание теоретического материала позволит относительно быстро и правильно уяснить, какими химическими свойствами обладают вступающие в реакцию атомы, молекулы и ионы, а следовательно, и определить, к какому типу относится та или иная реакция.

Из многообразия химических реакций обычно выделяют два типа:

1. Реакции, протекающие без изменения степени окисления реагирующих веществ. Это могут быть:

а) реакции обмена, например:

б) некоторые реакции соединения, разложения (и др.):

2. Реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления реагирующих веществ. К ним относятся:

а) реакции замещения, например:

б) реакции соединения, разложения (и ):

С точки зрения химической кинетики, изучающей механизм реакций, различают химические реакции гомогенные и гетерогенные.

Гомогенные реакции — это реакции, протекающие в однородной среде, например в смеси реагирующих газов или в растворе. Эти реакции наиболее характерны для жидкой и газообразной сред. Например, в жидкой среде:

в газообразной среде:

Гетерогенные реакции — это реакции, протекающие в неоднородной среде, на поверхности соприкосновения реагирующих веществ, находящихся в разных фазах (например, в твердой и газообразной, в жидкой и газообразной, в твердой и жидкой, в двух жидких, в двух твердых). Например, в реакции присутствуют три фазы — две твердые ( и ) и одна газообразная ;

в реакции

присутствуют три фазы — две твердые и и одна газообразная (СО и ); в реакции

имеются три фазы — твердая , жидкая (раствор ) и газообразная ().

Гомогенные и гетерогенные реакции могут быть простыми и сложными.

Если в системе протекает только одна реакция и притом практически необратимо, то она называется простой. Простые реакции, в зависимости от того, сколько молекул (ионов или свободных радикалов) вступает во взаимодействие и претерпевает превращение в каждом отдельном акте, подразделяют на мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные.

Мономолекулярными (одномолекулярными) называются такие реакции, в элементарном акте которых участвует лишь одна молекула (один вид молекул) исходного вещества, например разложение молекул иода в газообразном состоянии

или азометана

изомеризация цис-стильбена в транс-стильбен

Бимолекулярными (димолекулярными) являются простые реакции, состоящие из одной стадии, в каждом элементарном акте которых участвуют две частицы (молекулы, ионы или свободные радикалы), например:

К тримолекулярным относятся химические реакции, в элементарном акте которых участвуют одновременно три молекулы, например:

Если в системе одновременно протекает несколько химических реакций, то такие реакции называются сложными. Сложные реакции бывают параллельные, последовательные (консекутивные), сопряженные и др.

Параллельными называются такие реакции, в которых исходные вещества реагируют одновременно в двух или более различных направлениях. Из них протекает главным образом та реакция, которая требует наименьшей энергии активации (см. стр. 12), Примеры параллельных реакций: хлорат калия при медленном нагревании разлагается двояким образом

Между бензолом и хлором могут протекать две реакции

в зависимости от условий проведения процесса. Параллельные реакции в химии щироко распространены.

Последовательными (консекутивными) называются реакции, в которых превращение исходных веществ в конечные продукты проходит в несколько последовательных стадий с образованием промежуточных продуктов. Общая схема последовательной реакции может быть записана так:

Вещество А превращается в вещество В, а вещество В (промежуточный продукт) в свою очередь испытывает превращение и дает вещество С; и — константы скоростей двух стадий превращения.

Последовательность реакций может состоять из большего числа стадий. Многие обычные химические реакции в действительности являются суммой ряда последовательных реакций.

Из общей схемы видно, что превращение вещества А в С через промежуточный продукт В протекает в две реакции:

При этом, если скорости этих реакций разные, то скорость превращения А в С будет практически равна скорости более медленной реакции. Примером таких реакций является процесс омыления диэтилоксалата едким натром; этот процесс протекает последовательно в две стадии:

Сопряженными реакциями лазываются такие две реакции, протекающие в одной среде, из которых одна зависит в своем течении от другой.

Это совместные реакции вида: и , из которых одна, например вторая, протекает лишь в присутствии первой (т. е. идет при условии, если взяты вещества А, В и С). Если вторая реакция индуцируется первой, то вещество А (участвующее в обеих реакциях) называется актором, В — индуктором и С — акцептором.

Возможно взаимное сопряжение, при котором обе реакции ускоряются, и отрицательное сопряжение, при котором сопряженные реакции тормозят друг друга.

Примером сопряженных реакций может служить окисление сульфата железа (II) и иодоводорода HI перекисью водорода окисляется перекисью водорода независимо от присутствия HI, но иодоводород не окисляется перекисью водорода без . Другой пример. Раствор индиго кислородом не окисляется (не обесцвечивается), но если к нему добавить бензальдегид, то последний окисляется кислородом в бензойную кислоту, а индиго — в изатин, и раствор при этом обесцвечивается.

В химической кинетике классифицируют химические реакции также в зависимости от того, какие частицы (молекулы, ионы, атомы и свободные радикалы) принимают участие в элементарном акте реакции. Различают три основных типа реакций: 1)молекулярные, или простые (протекающие между насыщенными молекулами), 2) цепные, или радикальные (с промежуточным образованием свободных радикалов или атомов), 3) ионные (протекающие с участием ионов).

Любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением некоторого количества тепла — так называемым тепловым эффектом реакции. Химические уравнения, в которых указаны не только исходные вещества и продукты их превращений, но также и тепловые эффекты реакций, носят название термохимических. Например,

Термохимическое уравнение отражает:

1) качественные изменения, происходящие в процессе реакции (исходные вещества и продукты их взаимодействия);

2) количественные отношения между начальными и конечными продуктами реакции (коэффициенты уравнения);

3) энергетические изменения, имевшие место в ходе процесса (поглощение или выделение тепла, света и т. д.).

О том, имела ли место та или иная реакция, можно судить по изменению цвета; по образованию или растворению осадка; по выделению или поглощению газа; по появлению, изменению или исчезновению запаха; по выделению или поглощению энергии в виде тепла и света и т. д.

Следует помнить, что та или иная химическая реакция может протекать только при определенных условиях. Такими условиями чаще всего являются: реакция среды, концентрация участвующих веществ, температура, давление, катализатор, отсутствие или присутствие веществ, мешающих или способствующих протеканию данной реакции.

Надо, иметь в виду, что химические уравнения нередко отражают только исходные и конечные продукты реакций, хотя на самом деле реакции протекают более сложно, с образованием промежуточных продуктов и в несколько стадий.

В нашем пособии наряду с обычными химическими реакциями, зависящими главным образом от структуры электронных оболочек реагирующих атомов, приводятся и ядерные реакции, связанные с превращением одних элементов в другие (т. е. с перестройкой атомных ядер).