Хімічні рівняння та їх типи

1.1 Хімічні рівняння та їх типи

Хімічне рівняння – це короткий спосіб опису хімічної реакції. Символи, що позначають речовини, які вступають в реакцію, – знаходяться в лівій частині рівняння, а позначення продуктів реакції – в правій:

- де в дужках вказаний агрегатний стан, Q – тепловий ефект реакції. Це рівняння описує хімічну реакцію між натрієм і хлором з утворенням хлориду натрію (куховарська сіль). Натрій – метал, бурхливо реагуючий з водою, хлор – отруйний газ, але, з'єднуючись один з одним, ці елементи утворюють цілком нешкідливу речовину, необхідну для життя. Це приклад реакцій приєднання.

Відомі також хімічні реакції:

-     заміщення, обміну, розкладання та інші;

-     реакції можуть бути оборотні, іонні, окислювально-відновні, ядерні;

-     залежно від принципу класифікації реакцій: по формальній ознаці, по механізму реакцій, по термодинамічних або кінетичних параметрах і т.д.

Реакції приєднання X + У ? XY

Приклади:

Число атомів даного елемента в лівій частині рівняння рівно числу цих атомів в правій частині, іншими словами, речовина в ході хімічної реакції не виникає з нічого і не знищується. Хімічна реакція, в якій виділяється тепло, наприклад реакція (1), називається екзотермічною, а реакція, яка протікає тільки при підводі тепла ззовні, наприклад реакція (2), – ендотермічної. Майже всі хімічні реакції супроводяться виділенням або поглинанням тепла, але в рівняннях це часто не указують, якщо тільки не розглядаються термодинамічні аспекти процесу.

Реакції заміщення:

 

або

Приклади:

В реакції (4) металевий цинк заміщає водень в соляній кислоті. В реакції (5) мідь заміщає срібло в нітраті срібла. В реакції (6) хлор заміщає бром в броміді кальцію.

Реакції обміну (подвійного заміщення):

XY + UV ? XV + UY

Приклади:

Реакція (7) – типовий приклад кислотно-основної реакції (реакції нейтралізації), продуктами якої є сіль і вода. В реакції (8) в результаті взаємодії іона барія Ba2+, що належить нітрату барія Ba(NO3)2, з сульфат-іоном сірчаної кислоти утворюється осад сульфату барія BaSO₄. В реакціях (7) і (8) реагуючі речовини обмінюються катіонами.

Реакції розкладання (розщеплювання):

 

 

Приклади:

 

В реакції (9) сині кристали гідратованого сульфату міді розкладаються при нагріванні, при цьому гідратна вода перетворюється на пару. Реакція (10) протікає при відносно невисокій температурі у присутності каталізатора – діоксиду марганцю. Каталізатор прискорює хімічну реакцію, залишаючись при цьому незмінним. Реакція (11) застосовується в промисловості: вапняк (карбонат кальцію CaCO₃) при інтенсивному нагріванні розкладається, утворюючи негашене вапно (оксид кальцію CaO) – важливу складову частину цементу.

Оборотні реакції:

 

або

Стрілки в прямому і зворотному напрямах указують, що продукти реакції взаємодіють з утворенням початкових реагентів, іншими словами, реакція йде в обох напрямах. Систему, в якій протікає оборотна реакція, можна уподібнити двом водоймищам, сполученим вузькою протокою, в яких мешкають два або декілька видів риб. Риби безперешкодно перепливають з одного водоймища в іншій, так що врешті-решт кожне водоймище виявляється заселеним змішаною популяцією постійного складу. Це і є стан рівноваги.

Приклади:

 

Кількості початкових речовин і продуктів реакції сильно залежать від тиску, температури і концентрації реагуючих речовин.

Іонні реакції. Хімічні рівняння можна записувати з вказівкою заряду початкових речовин і продуктів реакції (+, –, 0 означають позитивний, негативний і нульовий електричні заряди відповідно; їх поміщають вгорі праворуч від символу хімічного елемента).

Члени рівняння в правій і лівій його частинах, відповідаючі групам атомів однакового складу, несучих однаковий заряд, можна скорочувати, як це прийнято в рівняннях алгебри:

 

Іон срібла Ag+несе один позитивний заряд; отже, на кожний атом міді, створюючий двохзарядний позитивний іон, повинне доводитися два іони срібла, оскільки суми зарядів в лівій і правій частинах рівнянь повинні бути однаковий. Після скорочення однакових членів в обох частинах рівняння одержуємо рівняння (16), яке виражає хімічні перетворення, що відбулися в реакції. Приведені вище рівняння – це три різні способи представлення однієї і тієї ж хімічної реакції: її молекулярна форма, повна і скорочена іонні форми.

Ядерні реакції. Ядерні реакції можна віднести до хімічних лише вельми умовно, оскільки в них елемент перетворюється на ізотоп того ж елемента або інший елемент. Іноді якась частина речовини в ядерній реакції зникає, і цей процес супроводжується тим, що вивільняється величезної кількості енергії; такі процеси відбуваються при вибуху атомної бомби або в ядерному реакторі. Звичайно в рівняннях ядерних реакцій фігурують нейтрони (), протони (), електрони () ?-частицы () ?-лучи () і позитрони (). Верхній лівий індекс позначає масу частинки, а нижній лівий – її заряд. Приведемо рівняння типових ядерних реакцій:

Суми верхніх індексів в лівій і правій частинах рівняння повинні бути однаковими; те ж саме відноситься до нижніх індексів. Може показатися, що маса речовини в ході ядерних реакцій (17)–(19) не змінюється. Насправді ж унаслідок взаємодії елементарних частинок в ядрі і зміни їх маси спокою у продуктів маса може виявитися трохи менше ніж у початкових речовин. Саме із зникненням цієї незначної кількості речовини, яка перетворюється на енергію згідно рівнянню Ейнштейна Е = mc2, і зв'язана руйнівна сила ядерного вибуху. Протікаюча при цьому реакція описується рівнянням (19). В рівнянні (17) ((криптон ) випускає нейтрон з утворенням ізотопу з тим же атомним номером (36), але масою, меншою на одиницю.

Окислювально-відновні реакції. В ході окислювально-відновної реакції міняється заряд елементів (їх ступінь окислення), що і враховується при написанні рівняння. Втрата електрона називається окисленням, а придбання – відновленням.

Число відданих і набутих в ході реакції електронів повинне бути однаковим, і виходячи з цього встановлюються співвідношення між всіма учасниками реакції.

Розглянемо реакцію:

Наведемо складніший приклад – окислювально-відновну реакцію між міддю і концентрованою азотною кислотою:

 

В ході цієї реакції Сu⁰ втрачає 2 електрони, перетворюючись на іон Сu2+, а N5+ приймає 1 електрон, перетворюючись в N4+. Щоб зрівняти число відданих електронів з числом придбаних, вводимо коефіцієнт 2 перед NO₂ в правій частині, а щоб число атомів азоту при цьому залишилося колишнім, умножаємо HNO₃ в лівій частині на 2. Cu(NO₃)₂ в правій частині містить два іони ступінь окислення N в яких рівний +5. Щоб зберегти число іонів в лівій частині з тим же ступенем окислення, додаємо в лівій частині 2 молекули HNO3. Далі, щоб зрівняти 4H+, що містяться в молекулах HNO3, записуємо в правій частині 2H2O. В лівій частині маємо 3?4 = 12 іонів кисню, що містяться в кислоті. Ці 12 іонів кисню присутні і в правій частині: 2 у воді, 4 в NO2 і 6 в нітраті міді Cu(NO3)2. Аналогічним чином можна записувати будь-кого, складніші рівняння.

Застосування. Хімічні рівняння використовуються хіміками-технологами при розрахунку характеристик виробничих процесів. Так, з їх допомогою визначається кількість реагентів (сировини), необхідне для отримання даної кількості продукту.