Реакционная способность веществ

I. Реакционная способность веществ

2.  Скорость  химических  реакций.  

1. Реакционная способность веществ

     Число известных в природе и технике  химических процессов очень велико. Одни из них, например, окисление бронзы на воздухе, протекают веками, другие — горение бензина — очень быстро. Разложение же взрывчатых веществ происходит в миллионные доли секунды. При промышленном производстве химических продуктов очень важно знать закономерности протекания реакций во времени, т. е. зависимость их скорости и выхода продукта от температуры, давления, концентрации реагентов и примесей. 

Изучением скорости и особенностей протекания химических реакций занимается химическая кинетика. Основополагающим для химической кинетики является представление о  том, что исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточные вещества. Число последовательных стадий может быть очень велико — в цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Время жизни промежуточных веществ весьма разнообразно: одни вполне стабильны, другие существуют в равновесном состоянии доли секунды. Изучение скорости протекания химических процессов показало, что химические реакции протекают тем быстрее, чем выше температура, давление и концентрация реагентов. 

На скорость некоторых химических реакций можно  влиять присутствием небольшого количества определенных веществ, которые сами в реакции участия не принимают. Вещества эти называются катализаторами. Катализаторы бывают положительными, ускоряющими реакцию, и отрицательными — замедляющими ее. Каталитическое ускорение химической реакции называется катализом и является приемом современной химической технологии (производство полимерных материалов, синтетического топлива и др.). Считается, что удельный вес каталитических процессов в химической промышленности достигает 80%. Благодаря катализу существенно повысилась эффективность экономики химической промышленности, поскольку ускорение химических реакций заметно влияет на снижение издержек производства. 

металлы (Au, Pt) и инертные газы (Не, Ar, Kr, Xe) химически инертны, т. е. у них низкая Реакционная способность; щелочные металлы (Li, Na, К, Cs) и галогены (F, Cl, Вг, I) химически активны, т. е. обладают высокой Реакционная способность В органической химии насыщенные углеводороды характеризуются низкой Реакционная способность, для них возможны немногочисленные реакции (радикальное галогенирование и нитрование, дегидрирование, деструкция с разрывом С—С-связей и некоторые др.), происходящие в жёстких условиях (высокая температура, ультрафиолетовое облучение). Для галогенопроизводных насыщенных углеводородов уже возможны, кроме того, реакции дегидрогалогенирования, нуклеофильного замещения галогена, образования магнийорганических соединений и др., происходящие в мягких условиях. Наличие в молекуле двойных и тройных связей, функциональных групп (гидроксильной —ОН, карбоксильной —СООН, аминогруппы —NH2 и др.) приводит к дальнейшему увеличению Реакционная способность Количественно Реакционная способность выражают константами скоростей реакций (см. Кинетика химическая) или константами равновесия в случае обратимых процессов (см. Равновесие химическое). Современные представления о Реакционная способность основаны на электронной теории валентности (см. Валентность) и на рассмотрении распределения (и смещения под действием реагента) электронной плотности в молекуле. Электронные смещения качественно описываются в терминах индуктивных и мезомерных эффектов (см. Мезомерия), количественно — с применением квантовомеханических расчётов (см. Квантовая химия). Главный фактор, определяющий относительную Реакционная способность в ряду родственных соединений, — строение молекулы: характер заместителей, их электронное и пространственное влияние на реакционный центр (см. Пространственные затруднения), геометрия молекул (см. Конфигурация молекул, Конформация). Реакционная способность зависит и от условий реакции (природы среды, присутствия катализаторов или ингибиторов, давления, температуры, облучения и т.п.). Все эти факторы оказывают на скорость реакций различное, а иногда противоположное влияние в зависимости от механизма данной реакции. Количественная связь между константами скорости (или равновесия) в пределах одной реакционной серии может быть представлена корреляционными уравнениями, описывающими изменения констант в зависимости от изменения какого-либо параметра (например, эффекта заместителя — уравнение Гаммета — Тафта, полярности растворителя — уравнение Брёнстеда и т.п.). См. также Реакции химические,Обратимые и необратимые реакции,Скорость химической реакции,Активированный комплекс,Катализ,Ориентации правила,Электронные теории в органической химии,Радикалы свободные. 
 
 

  В  зависимости от характера распределения   электронной плотности в молекуле  различают три основных типа  химической связи: ковалентную,  ионную и металлическую. 

     Универсальный тип химической  связи – ковалентная (гомеополярная)  связь, которая возникает в результате обобществления валентных электронов парой соседних атомов. Эта связь является причиной сосуществования молекул простых газов (Н2, Сℓ2 и пр.), различных соединений (Н2О, NH3 и др.), многочисленных органических молекул (СН4, Н3С – СН3 и т. п.), а также атомных кристаллов (фосфор, сера, графит и др.). Если химическая связь осуществляется между двумя одинаковыми атомами, она называется неполярной (например, N2, О2, атомы полупроводников Ge, Si и др.), в противном случае – полярной (к примеру, НСℓ). 

        В предельном случае полярности, когда электронные облака взаимодействующих   атомов настолько разделены, что   можно говорить об образовании   катионов и анионов, имеет место   ионная связь, которая осуществляется  за счет кулоновского притяжения  разноименно заряженных ионов (например, NaСℓ, CaF2, нитриты, сульфиты, фосфаты и другие соли металлов). 

     По  традиции к химическим связям  относят  также металлическую  и водородную связи, хотя они  отражают специфику  химических  объектов и агрегатных состояний, а не действующих сил. 

     10.5. Реакционная способность   веществ. Химические  реакции 

     Реакционная способность вещества  – это его химическая активность. Примером является восстановительная  способность, когда вещество отдает  электроны, и окислительная способность, когда вещество присоединяет электроны. Восстановительной способностью обладают металлы, окислительной – неметаллы. 

     Различают химические реакции  замещения, разложения, соединения, обмена. 

     Примеры химических реакций: 

     а) реакция замещения:                 б) реакция разложения: при нагревании                                                                                                             

     2HgNO3+Fe=Fe(NO3)2+2Hg                      CaCO3 =t CaO + CO2 

     сложное     простое                                    г) реакция обмена:  

     в) реакция соединения:                             HСℓ + KOH = KСℓ + H2O 

     S + O2 = SO2                                                сложное    простое 

    2. Скорость  химических реакций. Современный катализ 

     Скорость  химических реакций  определяется количеством вещества, прореагировавшего в единицу  времени в единице объема. Скорость  реакции зависит от природы  реагирующих веществ и условий,  в которых реакция протекает. Важнейшим из них является концентрация, температура и присутствие катализатора. Катализатор – это вещество, изменяющее скорость химической реакции, но которое не входит в состав конечных продуктов. Катализ – ускорение химической реакции в присутствии катализаторов. 

       Каталитические процессы можно   классифицировать с учетом их  физической и химической природы.  В гетерогенном катализе химическая  реакция совершается в поверхностных  слоях на границе раздела твердого  тела и газообразной или жидкой  смеси реагентов. Гомогенный катализ происходит либо в газовой смеси, либо в жидкости, где растворены как катализатор, так и реагенты. В электрокатализе реакция протекает на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока. При этом, в отличие от гетерогенного катализа здесь есть возможность управлять процессом при изменение силы электрического тока. В фотокатализе химическая реакция может происходить на поверхности твердого тела (в том числе и на поверхности электрода) или в жидком растворе и стимулирует её энергия поглощенного излучения. Ферментативному катализу присущи свойства как гетерогенного, так и гомогенного катализа. Ферменты – большие белковые структуры способные удерживать молекулы реагента в ожидании реакции. Кроме того, фермент собирает подходящее химическое окружение, катализирующее нужную реакцию. 

   3.  Обратимые и необратимые химические реакции 

     Реакция называется необратимой,  если в результате образуются  газ, осадок или слабодиссицирующие  вещество, например, вода. Например, реакция: HСℓ + NaOH = NaСℓ + H2O. 

     Химическая  реакция не всегда  «доходит до конца», другими словами,  исходные вещества не всегда  полностью превращаются в продукты  реакции. Это происходит потому, что по мере накопления продуктов  реакции могут создаваться условия для протекания реакции в противоположенном направлении. 

     Химические  реакции, которые  могут идти и в противоположенных  направлениях, называются обратимыми. Например, реакция получения аммиака:            N2(t) + 3H2(t) 2NH3 

     Состояние, в котором скорость  обратной реакции  становится  равной скорости прямой реакции,  называется химическим равновесием. 

      Принцип Ле Шателье 

     Состояния химического равновесия  при неизменных внешних условиях  могут сохраняться  бесконечно долго. В реальной действительности при изменении температуры, давления или концентрации реагентов «равновесие» может сместиться в ту или иную сторону. 

     Согласно  принципу Ле Шателье  внешнее воздействие на систему,  находящуюся в равновесии, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабляется. Таким образом, внешнее воздействие на систему изменяет соотношение между скоростями прямого и обратного процесса, благопрепятствуя тому из них, который противодействует внешнему влиянию. Например, в реакции получения аммиака, чтобы увеличить выход продукта (аммиака) надо увеличить давление. При этом равновесие нарушается – увеличивается скорость прямой реакции. 

     Тепловой  эффект реакции 

     Для каждого химического соединения теплота разложения равна теплоте  его образования, но имеет противоположенный  знак. Так при разложении 1 моля метана на углерод и водород поглощается 49 кДж теплоты: 

     CH4 C + 2H2 – 49 кДж; 

А при  соединении углерода и водорода выделяется 49 кДж теплоты: 

     C + 2H2 CH4 + 49 кДж. 

     10.6. Методы качественного  и  количественного  анализа 

     Определение характеристик атомных  и молекулярных частиц (их структуры  и состава) в  аналитической  химии называют качественным анализом, а измерение их относительного содержания – количественным анализом. Новые методы качественного и количественного анализа основываются на последних достижениях различных областей естествознания и в первую очередь физики. Методы аналитической химии широко применяются во многих отраслях: в химии, медицине, сельском хозяйстве, геологии, экологии и т. п.