Химические процессы (реакции)

Химическая реакция – это превращение одних веществ в другие. Впрочем, такое определение нуждается в одном существенном дополнении. В ядерном реакторе или в ускорителе тоже одни вещества превращаются в другие, но такие превращения химическими не называют. Существует принципиальное различие. В ядерном реакторе происходят ядерные реакции. Они заключаются в том, что ядра элементов при столкновении с частицами высокой энергии (ими могут быть нейтроны, протоны и ядра иных элементов) - разбиваются на осколки, представляющие собой ядра других элементов. Возможно и слияние ядер между собой. Эти новые ядра затем получают электроны из окружающей среды и, таким образом, завершается образование двух или нескольких новых веществ. Все эти вещества являются какими-либо элементами Периодической системы.

В отличие от ядерных реакций, в химических реакциях не затрагиваются ядра атомов. Все изменения происходят только во внешних электронных оболочках. Разрываются одни химические связи и образуются другие.

Химическими реакциями называются явления, при которых одни вещества, обладающие определенным составом и свойствами, превращаются в другие вещества - с другим составом и другими свойствами. При этом в составе атомных ядер изменений не происходит.

Рассмотрим типичную химическую реакцию: сгорание природного газа (метана) в кислороде воздуха. Все у кого дома есть газовая плита, могут ежедневно наблюдать эту реакцию у себя на кухне. Запишем реакцию так, как показано на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Метан СН₄ и кислород О₂ реагируют между собой с образованием диоксида углерода СО₂ и воды Н₂О.

При этом разрываются связи между атомами С и Н в молекуле метана и между атомами кислорода в молекуле О₂. На их месте возникают новые связи между атомами С и О, Н и О. На рисунке хорошо видно, что для успешного осуществления реакции на одну молекулу метана надо взять две молекулы кислорода. Существует несколько способов классификации химических реакций, из которых мы рассмотрим два способа. По первому из них все химические реакции различают по признаку изменения числа исходных и конечных веществ. Здесь можно найти 4 типа химических реакций:

- реакции СОЕДИНЕНИЯ,

- реакции РАЗЛОЖЕНИЯ,

- реакции ОБМЕНА,

- реакции ЗАМЕЩЕНИЯ.

При расчете тепловых эффектов химических процессов важное значение имеет энтальпия. Энтальпия реакции образования одного моля химического соединения из соответствующих простых веществ называется энтальпией образования данного соединения. Зависимость энтальпии от давления, температуры, агрегатного состояния требует ее отнесения к определенному стандартному состоянию, в качестве которого выбирают модификацию чистого вещества устойчивого при температуре 298, 15 К и давлении 101325 Па. Измерение термохимических и термодинамических величин, отнесенных к стандартным условиям, называют стандартными измерениями. На основе измерений составляют таблицы стандартных величин (энтальпии, энергии Гиббса и др.).

Химические процессы характеризуются также величиной называемой «скорость реакции». Скорость реакции – это изменение концентрации реагирующих веществ или продуктов реакции в единицу времени. Пользуясь данной величиной необходимо различать гомогенные и гетерогенные процессы. Гомогенные процессы состоят из одной фазы, а гетерогенные – из нескольких фаз. Под фазой понимают группу однородных частей системы, обладающих одинаковым химическим составом и одинаковыми химическими свойствами, но ограниченных от остальных частей системы поверхностью раздела. Например, взаимодействие серной кислоты и гидроксида натрия, образующих при сливании одну фазу; растворение цинка в соляной кислоте представляет собой гетерогенную реакцию.

Отличие гомогенных и гетерогенных реакций состоит в том, что гомогенные реакции протекают во всем объеме системы, а гетерогенные – только на поверхности раздела фаз, где соприкасаются друг с другом реагирующие вещества.

Существует учение о скорости химических реакций, называемое химической кинетикой. Оно рассматривает зависимость химических процессов от ряда условий: природы веществ, температуры, концентрации, наличия катализаторов и др.

Химическая кинетика опирается на утверждение о том, что химические процессы – это результат взаимодействия исходных частиц вещества атомов, молекул, ионов. Основной формой взаимодействия исходных частиц является соударение. Число соударений возрастает с ростом концентрации реагирующих веществ.

Движущую силу химических процессов можно установить на основе правила М. Бертло и Ю. Томсона (середина XIX века), которое гласит: химические процессы могут протекать самопроизвольно только в том случае, если они сопровождаются выделением теплоты, т.е. уменьшением энтальпии (Н), которая по сути характеризует уменьшение внутренней энергии системы. Иными словами движущей силой химических процессов является стремление системы к минимуму внутренней энергии.

Однако в термодинамике существует величина энтропия (S), которая возрастает в случае, когда термодинамическая система стремится к равновесию. Для того чтобы учесть влияние энтропийного и энтальпийного факторв в химических процессах существует функция под названием энергия Гиббса (G). Эта функция записывается следующим образом для случая протекания химических процессов при постоянном давлении и температуре: G = H - T S, а изменение энергии Гиббса – dG = dH - T dS. Характер этого изменения позволяет судить о принципиальной возможности осуществления химических процессов. При постоянных давлении и температуре самопроизвольное протекание реакций возможно только с уменьшением энергии Гиббса.