פירוק כימיה של יסודות כימיים. תגובות כימיות: סוגים, תכונות, משוואות
יש להבחין בין תגובות כימיות לתגובות גרעיניות. כתוצאה מתגובות כימיות, המספר הכולל של האטומים של כל יסוד כימי וההרכב האיזוטופי שלו אינם משתנים. תגובות גרעיניות הן עניין אחר - תהליכי טרנספורמציה של גרעיני אטום כתוצאה מהאינטראקציה שלהם עם גרעינים אחרים או חלקיקים יסודיים, למשל הפיכת אלומיניום למגנזיום:
27 13 Al + 1 1 H = 24 12 Mg + 4 2 He
הסיווג של תגובות כימיות הוא רב-צדדי, כלומר, הוא יכול להתבסס על מאפיינים שונים. אבל כל אחד מהמאפיינים האלה יכול לכלול תגובות בין חומרים אנאורגניים ואורגניים כאחד.
הבה נבחן את הסיווג של תגובות כימיות על פי קריטריונים שונים.
I. לפי מספר והרכב החומרים המגיבים
תגובות המתרחשות מבלי לשנות את הרכב החומרים.
בכימיה אנאורגנית, תגובות כאלה כוללות את התהליכים של השגת שינויים אלוטרופיים של יסוד כימי אחד, למשל:
C (גרפיט) ↔ C (יהלום)
S (אורהומבי) ↔ S (מונוקליני)
P (לבן) ↔ P (אדום)
Sn (פח לבן) ↔ Sn (פח אפור)
3O 2 (חמצן) ↔ 2O 3 (אוזון)
בכימיה אורגנית, סוג זה של תגובה יכול לכלול תגובות איזומריזציה, המתרחשות מבלי לשנות לא רק את ההרכב האיכותי, אלא גם את ההרכב הכמותי של מולקולות החומרים, למשל:
1. איזומריזציה של אלקנים.
לתגובת האיזומריזציה של אלקנים יש חשיבות מעשית רבה, שכן לפחמימנים בעלי איזומבנה יכולת נמוכה יותר להתפוצץ.
2. איזומריזציה של אלקנים.
3. איזומריזציה של אלקנים (תגובה של A.E. Favorsky).
CH 3 - CH 2 - C= - CH ↔ CH 3 - C= - C- CH 3
אתיל אצטילן דימתיל אצטילן
4. איזומריזציה של הלואלקנים (A. E. Favorsky, 1907).
5. איזומריזציה של אמוניום ציאניט בחימום.
אוריאה סונתזה לראשונה על ידי F. Wöhler בשנת 1828 על ידי איזומריזציה של אמוניום ציאנט בעת חימום.
תגובות המתרחשות עם שינוי בהרכב החומר
ניתן להבחין בין ארבעה סוגים של תגובות כאלה: שילוב, פירוק, החלפה והחלפה.
1. תגובות מורכבות הן תגובות שבהן נוצר חומר מורכב אחד משני חומרים או יותר
בכימיה אנאורגנית, ניתן לשקול את כל מגוון תגובות התרכובות, למשל, באמצעות דוגמה של תגובות לייצור חומצה גופרתית מגופרית:
1. הכנת תחמוצת גופרית (IV):
S + O 2 = SO - משני חומרים פשוטים נוצר חומר מורכב אחד.
2. הכנת תחמוצת גופרית (VI):
SO 2 + 0 2 → 2SO 3 - חומר מורכב אחד נוצר מחומרים פשוטים ומורכבים.
3. הכנת חומצה גופרתית:
SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 - חומר מורכב אחד נוצר משני חומרים מורכבים.
דוגמה לתגובה מורכבת שבה נוצר חומר מורכב אחד מיותר משני חומרים ראשוניים היא השלב האחרון של ייצור חומצה חנקתית:
4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3
בכימיה אורגנית, תגובות תרכובות נקראות בדרך כלל "תגובות הוספה". ניתן לשקול את כל המגוון של תגובות כאלה באמצעות הדוגמה של גוש תגובות המאפיינות את התכונות של חומרים בלתי רוויים, למשל אתילן:
1. תגובת הידרוגנציה - הוספת מימן:
CH 2 =CH 2 + H 2 → H 3 -CH 3
אתן → אתאן
2. תגובת הידרציה - הוספת מים.
3. תגובת פילמור.
2. תגובות פירוק הן תגובות שבהן נוצרים מספר חומרים חדשים מחומר מורכב אחד.
בכימיה אנאורגנית, ניתן להתייחס לכל מגוון התגובות הללו בגוש התגובות להפקת חמצן בשיטות מעבדה:
1. פירוק תחמוצת כספית(II) - שניים פשוטים נוצרים מחומר מורכב אחד.
2. פירוק אשלגן חנקתי - מחומר מורכב אחד נוצרים אחד פשוט ואחד קומפלקס.
3. פירוק אשלגן פרמנגנט - מחומר מורכב אחד נוצרים שניים מורכבים וחומר אחד פשוט, כלומר שלושה חומרים חדשים.
בכימיה אורגנית ניתן לשקול תגובות פירוק בבלוק התגובות לייצור אתילן במעבדה ובתעשייה:
1. תגובה של התייבשות (חיסול מים) של אתנול:
C 2 H 5 OH → CH 2 =CH 2 + H 2 O
2. תגובת דה-הידרוגנציה (חיסול מימן) של אתאן:
CH 3 -CH 3 → CH 2 =CH 2 + H 2
או CH 3 -CH 3 → 2C + ZN 2
3. תגובת פיצוח (פיצול) פרופאן:
CH 3 -CH 2 -CH 3 → CH 2 =CH 2 + CH 4
3. תגובות החלפה הן תגובות שבהן אטומים של חומר פשוט מחליפים אטומים של יסוד כלשהו בחומר מורכב.
בכימיה אנאורגנית, דוגמה לתהליכים כאלה היא בלוק של תגובות המאפיינות את התכונות של, למשל, מתכות:
1. אינטראקציה של מתכות אלקליות או אדמה אלקליין עם מים:
2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2
2. אינטראקציה של מתכות עם חומצות בתמיסה:
Zn + 2HCl = ZnСl 2 + H 2
3. אינטראקציה של מתכות עם מלחים בתמיסה:
Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu
4. מתכותרמיה:
2Al + Cr 2 O 3 → Al 2 O 3 + 2Сr
נושא חקר הכימיה האורגנית אינו חומרים פשוטים, אלא רק תרכובות. לכן, כדוגמה לתגובת החלפה, אנו מציגים את התכונה האופיינית ביותר של תרכובות רוויות, בפרט מתאן, - היכולת של אטומי המימן שלה להיות מוחלפים באטומי הלוגן. דוגמה נוספת היא ברומינציה של תרכובת ארומטית (בנזן, טולואן, אנילין).
C 6 H 6 + Br 2 → C 6 H 5 Br + HBr
בנזן → ברומובנזן
הבה נשים לב למוזרות של תגובת ההחלפה בחומרים אורגניים: כתוצאה מתגובות כאלה, לא נוצר חומר פשוט ומורכב, כמו בכימיה אנאורגנית, אלא שני חומרים מורכבים.
בכימיה אורגנית, תגובות החלפה כוללות גם כמה תגובות בין שני חומרים מורכבים, למשל, חנקה של בנזן. רשמית זו תגובת חליפין. העובדה שמדובר בתגובת החלפה מתבררת רק כאשר בוחנים את המנגנון שלה.
4. תגובות חליפין הן תגובות שבהן שני חומרים מורכבים מחליפים את מרכיביהם
תגובות אלו מאפיינות את תכונות האלקטרוליטים ובתמיסות ממשיכות לפי הכלל של Berthollet, כלומר רק אם התוצאה היא היווצרות של משקעים, גז או חומר מתנתק מעט (לדוגמה, H 2 O).
בכימיה אנאורגנית, זה יכול להיות בלוק של תגובות המאפיינות, למשל, את התכונות של אלקליות:
1. תגובת נטרול המתרחשת עם היווצרות מלח ומים.
2. התגובה בין אלקלי למלח, המתרחשת עם היווצרות גז.
3. התגובה בין אלקלי למלח, וכתוצאה מכך היווצרות משקעים:
CuSO 4 + 2KOH = Cu(OH) 2 + K 2 SO 4
או בצורה יונית:
Cu 2+ + 2OH - = Cu(OH) 2
בכימיה אורגנית נוכל לשקול בלוק של תגובות המאפיינות, למשל, את התכונות של חומצה אצטית:
1. התגובה המתרחשת עם היווצרות אלקטרוליט חלש - H 2 O:
CH 3 COOH + NaOH → Na(CH3COO) + H 2 O
2. תגובה המתרחשת עם היווצרות גז:
2CH 3 COOH + CaCO 3 → 2CH 3 COO + Ca 2+ + CO 2 + H 2 O
3. התגובה המתרחשת עם היווצרות משקעים:
2CH 3 COOH + K 2 SO 3 → 2K (CH 3 COO) + H 2 SO 3
2CH 3 COOH + SiO → 2CH 3 COO + H 2 SiO 3
II. על ידי שינוי מצבי החמצון של יסודות כימיים היוצרים חומרים
בהתבסס על תכונה זו, ניתן להבחין בין התגובות הבאות:
1. תגובות המתרחשות עם שינוי במצבי החמצון של יסודות, או תגובות חיזור.
אלה כוללים תגובות רבות, כולל כל תגובות ההחלפה, כמו גם אותן תגובות של שילוב ופירוק שבהן מעורב לפחות חומר פשוט אחד, למשל:
1. Mg 0 + H + 2 SO 4 = Mg +2 SO 4 + H 2
2. 2Mg 0 + O 0 2 = Mg +2 O -2
תגובות חיזור מורכבות מורכבות בשיטת איזון האלקטרונים.
2KMn +7 O 4 + 16HCl - = 2KCl - + 2Mn +2 Cl - 2 + 5Cl 0 2 + 8H 2 O
בכימיה אורגנית, דוגמה בולטת לתגובות חיזור היא התכונות של אלדהידים.
1. הם מצטמצמים לאלכוהולים המתאימים:
אלדקידים מתחמצנים לחומצות המתאימות:
2. תגובות המתרחשות מבלי לשנות את מצבי החמצון של יסודות כימיים.
אלה כוללים, למשל, את כל התגובות לחילופי יונים, כמו גם תגובות מורכבות רבות, תגובות פירוק רבות, תגובות אסטריפיקציה:
HCOOH + CHgOH = HCOOCH 3 + H 2 O
III. לפי אפקט תרמי
בהתבסס על האפקט התרמי, התגובות מחולקות לאקסותרמיות ואנדותרמיות.
1. תגובות אקסותרמיות מתרחשות עם שחרור אנרגיה.
אלה כוללים כמעט את כל התגובות המורכבות. חריג נדיר הוא התגובה האנדותרמית של סינתזה של תחמוצת חנקן (II) מחנקן וחמצן והתגובה של גז מימן עם יוד מוצק.
תגובות אקסותרמיות המתרחשות עם שחרור האור מסווגות כתגובות בעירה. הידרוגנציה של אתילן היא דוגמה לתגובה אקסותרמית. הוא פועל בטמפרטורת החדר.
2. תגובות אנדותרמיות מתרחשות עם ספיגת האנרגיה.
ברור, אלה יכללו כמעט את כל תגובות הפירוק, למשל:
1. ירי אבן גיר
2. פיצוח בוטאן
כמות האנרגיה המשתחררת או נספגת כתוצאה מתגובה נקראת ההשפעה התרמית של התגובה, והמשוואה של תגובה כימית המעידה על השפעה זו נקראת המשוואה התרמוכימית:
H 2(g) + C 12(g) = 2HC 1(g) + 92.3 kJ
N 2 (g) + O 2 (g) = 2NO (g) - 90.4 קילו-ג'יי
IV. על פי מצב הצבירה של החומרים המגיבים (הרכב שלב)
על פי מצב הצבירה של החומרים המגיבים, הם נבדלים:
1. תגובות הטרוגניות - תגובות בהן המגיבים ותוצרי התגובה נמצאים במצבי צבירה שונים (בשלבים שונים).
2. תגובות הומוגניות - תגובות שבהן המגיבים ותוצרי התגובה נמצאים באותו מצב צבירה (באותו שלב).
V. על ידי השתתפות זרז
בהתבסס על השתתפותו של הזרז, הם נבדלים:
1. תגובות לא קטליטיות המתרחשות ללא השתתפות של זרז.
2. תגובות קטליטיות המתרחשות בהשתתפות זרז. מכיוון שכל התגובות הביוכימיות המתרחשות בתאים של אורגניזמים חיים מתרחשות בהשתתפותם של זרזים ביולוגיים מיוחדים בעלי אופי חלבוני - אנזימים, כולם קטליטיים או, ליתר דיוק, אנזימטיים. יש לציין כי יותר מ-70% מהתעשיות הכימיות משתמשות בזרזים.
VI. לִקרַאת
לפי הכיוון הם נבדלים:
1. תגובות בלתי הפיכות מתרחשות בתנאים נתונים רק בכיוון אחד. אלה כוללים את כל תגובות החליפין המלוות ביצירת משקעים, גז או חומר מתנתק מעט (מים) וכל תגובות הבעירה.
2. תגובות הפיכות בתנאים אלו מתרחשות בו זמנית בשני כיוונים מנוגדים. הרוב המכריע של תגובות כאלה.
בכימיה אורגנית, סימן ההפיכות משתקף בשמות - אנטונימים של התהליכים:
הידרוגנציה - דהידרוגנציה,
הידרציה - התייבשות,
פילמור - דפולימריזציה.
כל התגובות של אסטריפיקציה (התהליך ההפוך, כידוע, נקרא הידרוליזה) והידרוליזה של חלבונים, אסטרים, פחמימות ופולינוקלאוטידים הן הפיכות. הפיכותם של תהליכים אלה עומדת בבסיס התכונה החשובה ביותר של אורגניזם חי - חילוף החומרים.
VII. על פי מנגנון הזרימה הם נבדלים:
1. תגובות רדיקליות מתרחשות בין הרדיקלים והמולקולות הנוצרות במהלך התגובה.
כפי שאתם כבר יודעים, בכל התגובות נשברים קשרים כימיים ישנים ונוצרים קשרים כימיים חדשים. שיטת שבירת הקשר במולקולות של חומר המוצא קובעת את מנגנון (נתיב) התגובה. אם חומר נוצר על ידי קשר קוולנטי, אזי יכולות להיות שתי דרכים לשבור את הקשר הזה: המוליטי והטרוליטי. לדוגמה, עבור מולקולות Cl 2, CH 4, וכו ', מחשוף המוליטי של קשרים זה יוביל להיווצרות של חלקיקים עם אלקטרונים לא מזווגים, כלומר, רדיקלים חופשיים.
רדיקלים נוצרים לרוב כאשר נשברים קשרים שבהם זוגות האלקטרונים המשותפים מתחלקים בערך שווה בשווה בין האטומים (קשר קוולנטי לא קוטבי), אך גם קשרים קוטביים רבים יכולים להישבר בצורה דומה, במיוחד כאשר התגובה מתרחשת ב שלב הגז ותחת השפעת האור , כמו, למשל, במקרה של התהליכים שנדונו לעיל - האינטראקציה של C 12 ו- CH 4 -. רדיקלים מגיבים מאוד מכיוון שהם נוטים להשלים את שכבת האלקטרונים שלהם על ידי לקיחת אלקטרון מאטום או מולקולה אחרת. לדוגמה, כאשר רדיקל כלור מתנגש עם מולקולת מימן, הוא גורם לזוג האלקטרונים המשותף המקשר בין אטומי המימן להישבר ויוצר קשר קוולנטי עם אחד מאטומי המימן. אטום המימן השני, לאחר שהפך לרדיקל, יוצר זוג אלקטרונים משותף עם האלקטרון הבלתי מזווג של אטום הכלור ממולקולת Cl 2 הקורסת, וכתוצאה מכך נוצר רדיקל כלור התוקף מולקולת מימן חדשה וכו'.
תגובות המייצגות שרשרת של טרנספורמציות עוקבות נקראות תגובות שרשרת. על פיתוח תורת תגובות השרשרת, שני כימאים מצטיינים - בן ארצנו N. N. Semenov והאנגלי S. A. Hinshelwood זכו בפרס נובל.
תגובת ההחלפה בין כלור ומתאן מתנהלת באופן דומה:
רוב תגובות הבעירה של חומרים אורגניים ואי-אורגניים, סינתזה של מים, אמוניה, פילמור של אתילן, ויניל כלוריד וכו', מתרחשות במנגנון הרדיקלי.
2. תגובות יוניות מתרחשות בין יונים שכבר קיימים או נוצרו במהלך התגובה.
תגובות יוניות אופייניות הן אינטראקציות בין אלקטרוליטים בתמיסה. יונים נוצרים לא רק במהלך פירוק אלקטרוליטים בתמיסות, אלא גם תחת פעולת פריקות חשמליות, חימום או קרינה. קרני γ, למשל, הופכות מולקולות מים ומתאן ליונים מולקולריים.
לפי מנגנון יוני אחר, מתרחשות תגובות של הוספת מימן הלידים, מימן, הלוגנים לאלקנים, חמצון והתייבשות של אלכוהולים, החלפת אלכוהול הידרוקסיל בהלוגן; תגובות המאפיינות את התכונות של אלדהידים וחומצות. במקרה זה, יונים נוצרים על ידי ביקוע הטרוליטי של קשרים קוולנטיים קוטביים.
ח. לפי סוג האנרגיה
תחילת התגובה נבדלים:
1. תגובות פוטוכימיות. הם יוזמים על ידי אנרגיית האור. בנוסף לתהליכים הפוטוכימיים של סינתזת HCl או התגובה של מתאן עם כלור שנדונו לעיל, אלה כוללים ייצור של אוזון בטרופוספירה כמזהם אטמוספרי משני. התפקיד העיקרי במקרה זה הוא תחמוצת החנקן (IV), היוצר רדיקלי חמצן בהשפעת האור. רדיקלים אלה מקיימים אינטראקציה עם מולקולות חמצן, וכתוצאה מכך נוצר אוזון.
היווצרות אוזון מתרחשת כל עוד יש מספיק אור, שכן NO יכול לקיים אינטראקציה עם מולקולות חמצן כדי ליצור את אותו NO 2. הצטברות של אוזון ומזהמי אוויר משניים אחרים עלולה להוביל לעפיח פוטוכימי.
תגובה מסוג זה כוללת גם את התהליך החשוב ביותר המתרחש בתאי הצמח - פוטוסינתזה, ששמה מדבר בעד עצמו.
2. תגובות קרינה. הם יוזמים על ידי קרינה באנרגיה גבוהה - קרני רנטגן, קרינה גרעינית (קרני γ, חלקיקי a - He 2+ וכו'). בעזרת תגובות קרינה מתבצעות רדיופולימריזציה מהירה מאוד, רדיוליזה (פירוק קרינה) וכו'.
לדוגמה, במקום ייצור דו-שלבי של פנול מבנזן, ניתן להשיגו על ידי תגובה של בנזן עם מים בהשפעת קרינה. במקרה זה, רדיקלים [OH] ו-[H] נוצרים ממולקולות מים, שאיתן מגיב בנזן ליצירת פנול:
C 6 H 6 + 2[OH] → C 6 H 5 OH + H 2 O
גיפור של גומי יכול להתבצע ללא גופרית באמצעות גיפור רדיו, והגומי המתקבל לא יהיה גרוע יותר מגומי מסורתי.
3. תגובות אלקטרוכימיות. הם יזומים על ידי זרם חשמלי. בנוסף לתגובות האלקטרוליזה הידועות, נציין גם תגובות אלקטרוסינתזה, למשל תגובות לייצור תעשייתי של מחמצנים אנאורגניים
4. תגובות תרמוכימיות. הם יוזמים על ידי אנרגיה תרמית. אלה כוללים את כל התגובות האנדותרמיות ותגובות אקסותרמיות רבות, שתחילתן דורשת אספקה ראשונית של חום, כלומר התחלת התהליך.
הסיווג של תגובות כימיות שנדונו לעיל בא לידי ביטוי בתרשים.
הסיווג של תגובות כימיות, כמו כל הסיווגים האחרים, מותנה. מדענים הסכימו לחלק את התגובות לסוגים מסוימים לפי המאפיינים שהם זיהו. אבל את רוב התמורות הכימיות ניתן לסווג לסוגים שונים. לדוגמה, בואו נאפיין את תהליך סינתזת האמוניה.
זוהי תגובה מורכבת, חיזור, אקסותרמית, הפיכה, קטליטית, הטרוגנית (ליתר דיוק, הטרוגנית-קטליטית), המתרחשת עם ירידה בלחץ במערכת. כדי לנהל את התהליך בהצלחה, יש צורך לקחת בחשבון את כל המידע שסופק. תגובה כימית ספציפית היא תמיד רב-איכותית ומאופיינת במאפיינים שונים.
תגובות כימיות (תופעות כימיות)- אלו תהליכים שכתוצאה מהם מחומרים מסוימים נוצרים אחרים הנבדלים מהמקוריים בהרכבם או במבנה. כאשר מתרחשות תגובות כימיות, אין שינוי במספר האטומים של יסוד מסוים או המרה הדדית של איזוטופים.
הסיווג של תגובות כימיות הוא רב-גוני והוא יכול להתבסס על מאפיינים שונים: מספר והרכב של ריאגנטים ותוצרי תגובה, השפעה תרמית, הפיכות וכו'.
I. סיווג התגובות לפי מספר והרכב המגיבים
א. תגובות המתרחשות ללא שינוי בהרכב האיכותי של החומר . אלו הן טרנספורמציות אלוטרופיות רבות של חומרים פשוטים (לדוגמה, חמצן ↔ אוזון (3O 2 ↔2O 3), פח לבן ↔ פח אפור); מעבר כאשר הטמפרטורה של כמה מוצקים משתנה ממצב גבישי אחד לאחר - טרנספורמציות פולימורפיות(לדוגמה, גבישים אדומים של כספית (II) יודיד, כאשר הם מחוממים, הופכים לחומר צהוב באותו הרכב; כאשר מתקררים, התהליך ההפוך מתרחש); תגובות איזומריזציה (לדוגמה, NH 4 OCN ↔ (NH 2) 2 CO) וכו'.
ב. תגובות המתרחשות עם שינוי בהרכב החומרים המגיבים.
תגובות מורכבות- אלו תגובות שבהן נוצר חומר מורכב אחד חדש משני חומרי מוצא או יותר. חומרי המוצא יכולים להיות פשוטים או מורכבים, למשל:
4P + 5O 2 = 2P 2 O 5; 4NO 2 + O 2 + 2H 2 O = 4HNO 3; CaO+ H 2 O =Ca(OH) 2.
תגובות פירוקהן תגובות שבהן נוצרים שני חומרים חדשים או יותר מחומר מורכב ראשוני אחד. חומרים הנוצרים בתגובות מסוג זה יכולים להיות פשוטים או מורכבים, למשל:
2HI = H 2 + I 2; CaCO 3 =CaO+ CO 2; (CuOH) 2 CO 3 = CuO + H 2 O + CO 2.
תגובות החלפה- אלו תהליכים שבהם אטומים של חומר פשוט מחליפים אטומים של יסוד כלשהו בחומר מורכב. מכיוון שתגובות החלפה כרוכות בהכרח בחומר פשוט כאחד המגיבים, כמעט כל התמורות מסוג זה הן חיזור, למשל:
Zn + H 2 SO 4 = H 2 + ZnSO 4; 2Al + Fe 2 O 3 = 2Fe + Al 2 O 3; H 2 S + Br 2 = 2HBr + S.
החלפת תגובותהן תגובות שבהן שני חומרים מורכבים מחליפים את חלקיהם המרכיבים. תגובות החלפה יכולות להתרחש ישירות בין שני ריאגנטים ללא השתתפות של ממס, לדוגמה: H 2 SO 4 + 2KOH = K 2 SO 4 + 2H 2 O (מוצק) + 4HF (g) = SiF 4 + 2H 2; O.
תגובות חליפין המתרחשות בתמיסות אלקטרוליט נקראות תגובות חילופי יונים. תגובות כאלה אפשריות רק אם אחד החומרים המתקבלים הוא אלקטרוליט חלש ומשתחרר מכדור התגובה בצורה של גז או חומר מסיס בקושי (כלל ברטולט):
AgNO 3 +HCl=AgCl↓ +HNO 3, או Ag + +Cl - =AgCl↓;
NH 4 Cl+ KOH =KCl+NH 3 +H 2 O, או NH 4 + +OH - =H 2 O+NH 3;
NaOH+HCl=NaCl+H 2 O, או H + +OH - =H 2 O.
II. סיווג תגובות לפי השפעה תרמית
א. תגובות המתרחשות עם שחרור אנרגיה תרמית –תגובות אקסותרמיות (+ Q).
ב. תגובות המתרחשות עם ספיגת חום –תגובות אנדותרמיות (- Q).
אפקט תרמיתגובות מתייחסות לכמות החום המשתחררת או נספגת כתוצאה מתגובה כימית. משוואת התגובה, המעידה על השפעתה התרמית, נקראת תרמוכימי.זה נוח לתת את ערך ההשפעה התרמית של תגובה לכל מול 1 של אחד ממשתתפי התגובה, לכן במשוואות תרמוכימיות אתה יכול למצוא לעתים קרובות מקדמי שבר:
1/2N 2 (g) + 3/2H 2 (g) = NH 3 (g) + 46.2 kJ/mol.
כל תגובות הבעירה והרוב המכריע של תגובות החמצון והתרכובות הן אקסותרמיות. תגובות פירוק דורשות בדרך כלל אנרגיה.
9.1. מהן התגובות הכימיות?
הבה נזכור שאנו קוראים לכל תופעה כימית בטבע תגובות כימיות. במהלך תגובה כימית, חלק מהקשרים הכימיים נשברים ואחרים נוצרים. כתוצאה מהתגובה מתקבלים חומרים אחרים מכמה חומרים כימיים (ראה פרק 1).
תוך כדי הכנת שיעורי הבית לסעיף 2.5, התוודעתם לבחירה המסורתית של ארבעה סוגי תגובות עיקריים מכל קבוצת הטרנספורמציות הכימיות, ואז גם הצעתם את שמותיהם: תגובות של שילוב, פירוק, החלפה והחלפה.
דוגמאות לתגובות מורכבות:
C + O 2 = CO 2; (1)
Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3; (2)
NH 3 + CO 2 + H 2 O = NH 4 HCO 3. (3)
דוגמאות לתגובות פירוק:
2Ag 2 O 4Ag + O 2; (4)
CaCO 3 CaO + CO 2; (5)
(NH 4) 2 Cr 2 O 7 N 2 + Cr 2 O 3 + 4H 2 O. (6)
דוגמאות לתגובות החלפה:
CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu; (7)
2NaI + Cl 2 = 2NaCl + I 2; (8)
CaCO 3 + SiO 2 = CaSiO 3 + CO 2. (9)
| החלפת תגובות- תגובות כימיות שבהן נראה כי חומרים מוצאים מחליפים את חלקיהם המרכיבים. |
דוגמאות לתגובות חליפין:
Ba(OH) 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 + 2H 2 O; (10)
HCl + KNO 2 = KCl + HNO 2; (אחד עשר)
AgNO 3 + NaCl = AgCl + NaNO 3. (12)
הסיווג המסורתי של תגובות כימיות אינו מכסה את כל הגיוון שלהן – בנוסף לארבעת סוגי התגובות העיקריות, ישנן גם הרבה יותר תגובות מורכבות.
הזיהוי של שני סוגים נוספים של תגובות כימיות מבוסס על השתתפותם של שני חלקיקים לא כימיים חשובים: אלקטרון ופרוטון.
במהלך תגובות מסוימות מתרחשת העברה מלאה או חלקית של אלקטרונים מאטום אחד לאחר. במקרה זה, מצבי החמצון של האטומים של היסודות המרכיבים את חומרי המוצא משתנים; מבין הדוגמאות שניתנו, אלו הן תגובות 1, 4, 6, 7 ו-8. תגובות אלו נקראות חיזור.
בקבוצה אחרת של תגובות, יון מימן (H+), כלומר פרוטון, עובר מחלקיק מגיב אחד למשנהו. תגובות כאלה נקראות תגובות חומצה-בסיסאוֹ תגובות העברת פרוטונים.
בין הדוגמאות שניתנו, תגובות כאלה הן תגובות 3, 10 ו-11. באנלוגיה לתגובות אלו, תגובות חיזור נקראות לפעמים תגובות העברת אלקטרונים. תתוודע ל-OVR ב-§ 2, ול-KOR בפרקים הבאים.
תגובות תרכובות, תגובות פירוק, תגובות החלפה, תגובות החלפה, תגובות REDOX, תגובות חומצה בסיס.
רשום משוואות תגובה המתאימות לסכמות הבאות:
א) HgO Hg + O 2 ( ט); ב) Li 2 O + SO 2 Li 2 SO 3; ג) Cu(OH) 2 CuO + H 2 O ( ט);
ד) Al + I 2 AlI 3; ה) CuCl 2 + Fe FeCl 2 + Cu; ה) Mg + H 3 PO 4 Mg 3 (PO 4) 2 + H 2;
ז) Al + O 2 Al 2 O 3 ( ט); i) KClO 3 + P P 2 O 5 + KCl ( ט); י) CuSO 4 + Al Al 2 (SO 4) 3 + Cu;
l) Fe + Cl 2 FeCl 3 ( ט); m) NH 3 + O 2 N 2 + H 2 O ( ט); מ) H 2 SO 4 + CuO CuSO 4 + H 2 O.
ציין את סוג התגובה המסורתי. סמן חיזור ותגובות חומצה-בסיס. בתגובות חיזור, ציינו אילו אטומים של יסודות משנים את מצבי החמצון שלהם.
9.2. תגובות חיזור
הבה נבחן את תגובת החיזור המתרחשת בתנורי פיצוץ במהלך הייצור התעשייתי של ברזל (ליתר דיוק, ברזל יצוק) מעפרת ברזל:
Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2.
הבה נקבע את מצבי החמצון של האטומים המרכיבים גם את חומרי המוצא וגם את תוצרי התגובה
| Fe2O3 | + | = | 2 Fe | + |
כפי שניתן לראות, מצב החמצון של אטומי הפחמן עלה כתוצאה מהתגובה, מצב החמצון של אטומי הברזל ירד ומצב החמצון של אטומי החמצן נותר ללא שינוי. כתוצאה מכך, אטומי הפחמן בתגובה זו עברו חמצון, כלומר איבדו אלקטרונים ( מחומצן), ואטומי הברזל - הפחתה, כלומר הוסיפו אלקטרונים ( התאושש) (ראה סעיף 7.16). כדי לאפיין OVR, נעשה שימוש במושגים מְחַמצֵןו חומר מפחית.
לפיכך, בתגובה שלנו האטומים המחמצנים הם אטומי ברזל, והאטומים המצמצמים הם אטומי פחמן.
בתגובה שלנו, חומר החמצון הוא תחמוצת ברזל(III) והחומר המצמצם הוא פחמן(II) חד חמצני.
במקרים בהם אטומים מחמצנים ואטומים מצמצמים הם חלק מאותו חומר (לדוגמה: תגובה 6 מהפסקה הקודמת), לא נעשה שימוש במושגים של "חומר מחמצן" ו"חומר מצמצם".
לפיכך, חומרי חמצון אופייניים הם חומרים המכילים אטומים הנוטים לצבור אלקטרונים (בכלל או בחלקם), ומפחיתים את מצב החמצון שלהם. מבין החומרים הפשוטים, אלו הם בעיקר הלוגנים וחמצן, ובמידה פחותה גופרית וחנקן. מחומרים מורכבים - חומרים המכילים אטומים במצבי חמצון גבוהים יותר שאינם נוטים ליצור יונים פשוטים במצבי חמצון אלו: HNO 3 (N +V), KMnO 4 (Mn +VII), CrO 3 (Cr +VI), KClO 3 (Cl +V), KClO 4 (Cl +VII) וכו'.
חומרים מצמצמים אופייניים הם חומרים המכילים אטומים הנוטים לתרום אלקטרונים באופן מלא או חלקי, מה שמגביר את מצב החמצון שלהם. חומרים פשוטים כוללים מימן, מתכות אלקליות ואדמה אלקליין ואלומיניום. מבין החומרים המורכבים - H 2 S וסולפידים (S –II), SO 2 וסולפיטים (S +IV), יודידים (I –I), CO (C +II), NH 3 (N –III) וכו'.
באופן כללי, כמעט כל החומרים המורכבים והפשוטים רבים יכולים להפגין תכונות מחמצנות והן מפחיתות. לדוגמה:
SO 2 + Cl 2 = S + Cl 2 O 2 (SO 2 הוא חומר מפחית חזק);
SO 2 + C = S + CO 2 (t) (SO 2 הוא חומר מחמצן חלש);
C + O 2 = CO 2 (t) (C הוא חומר מפחית);
C + 2Ca = Ca 2 C (t) (C הוא חומר מחמצן).
נחזור לתגובה שדנו בה בתחילת הסעיף הזה.
| Fe2O3 | + | = | 2 Fe | + |
שימו לב שכתוצאה מהתגובה, אטומים מחמצנים (Fe + III) הפכו לאטומים מצמצמים (Fe 0), ואטומים מצמצמים (C + II) הפכו לאטומים מחמצנים (C + IV). אבל CO 2 הוא חומר מחמצן חלש מאוד בכל תנאי, וברזל, למרות שהוא חומר מפחית, הוא בתנאים אלו חלש בהרבה מCO. לכן, תוצרי התגובה אינם מגיבים זה עם זה, והתגובה ההפוכה אינה מתרחשת. הדוגמה הנתונה היא המחשה של העיקרון הכללי שקובע את כיוון הזרימה של ה-OVR:
תגובות חיזור ממשיכות לכיוון היווצרות של חומר מחמצן חלש יותר וחומר מחמצן חלש יותר.
ניתן להשוות את תכונות החיזור של חומרים רק בתנאים זהים. במקרים מסוימים, השוואה זו יכולה להיעשות כמותית.
בזמן שהכנת את שיעורי הבית שלך עבור הפסקה הראשונה של פרק זה, השתכנעת שדי קשה לבחור מקדמים בכמה משוואות תגובה (במיוחד ORR). כדי לפשט משימה זו במקרה של תגובות חיזור, נעשה שימוש בשתי השיטות הבאות:
א) שיטת איזון אלקטרוניו
ב) שיטת איזון אלקטרונים-יון.
תלמדו עכשיו את שיטת איזון האלקטרונים, ואת שיטת איזון האלקטרון-יון לומדים בדרך כלל במוסדות להשכלה גבוהה.
שתי השיטות הללו מבוססות על העובדה שאלקטרונים בתגובות כימיות לא נעלמים ולא מופיעים בשום מקום, כלומר, מספר האלקטרונים שמקבלים אטומים שווה למספר האלקטרונים המוותרים על ידי אטומים אחרים.
מספר האלקטרונים הנתונים והמקובלים בשיטת איזון האלקטרונים נקבע על פי השינוי במצב החמצון של אטומים. בעת שימוש בשיטה זו, יש צורך לדעת את ההרכב הן של חומרי המוצא והן של תוצרי התגובה.
הבה נבחן את היישום של שיטת האיזון האלקטרוני באמצעות דוגמאות.
דוגמה 1.בואו ניצור משוואה לתגובה של ברזל עם כלור. ידוע שהתוצר של תגובה זו הוא ברזל(III) כלוריד. נרשום את סכימת התגובה:
Fe + Cl 2 FeCl 3.
הבה נקבע את מצבי החמצון של האטומים של כל היסודות המרכיבים את החומרים המשתתפים בתגובה:
אטומי ברזל תורמים אלקטרונים, ומולקולות הכלור מקבלים אותם. הבה נביע את התהליכים הללו משוואות אלקטרוניות:
Fe – 3 ה– = Fe +III,
Cl2+2 ה –= 2Cl –I.
כדי שמספר האלקטרונים שניתן יהיה שווה למספר האלקטרונים המתקבלים, יש להכפיל את המשוואה האלקטרונית הראשונה בשתיים, ואת השנייה בשלוש:
| Fe – 3 ה– = Fe +III, Cl2+2 ה– = 2Cl –I |
2 Fe – 6 ה– = 2Fe +III, 3Cl 2 + 6 ה– = 6Cl –I. |
על ידי הכנסת מקדמים 2 ו-3 לסכימת התגובה, נקבל את משוואת התגובה:
2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3.
דוגמה 2.בואו ניצור משוואה לתגובת הבעירה של זרחן לבן בעודף כלור. ידוע שזרחן (V) כלוריד נוצר בתנאים אלה:
| +V –I | ||||
| P 4 | + | Cl2 | PCl 5. |
מולקולות זרחן לבן מוותרות על אלקטרונים (מתחמצנות), ומולקולות כלור מקבלות אותם (מפחיתות):
| P 4 - 20 ה– = 4P +V Cl2+2 ה– = 2Cl –I |
1 10 |
2 20 |
P 4 - 20 ה– = 4P +V Cl2+2 ה– = 2Cl –I |
P 4 - 20 ה– = 4P +V 10Cl 2 + 20 ה– = 20Cl –I |
לגורמים שהושגו בתחילה (2 ו-20) היה מחלק משותף, שבאמצעותו (כמו מקדמים עתידיים במשוואת התגובה) הם חולקו. משוואת תגובה:
P4 + 10Cl2 = 4PCl5.
דוגמה 3.בואו ניצור משוואה עבור התגובה המתרחשת כאשר ברזל(II) גופרתי נצלה בחמצן.
סכימת תגובה:
| +III –II | +IV –II | |||||
| + | O2 | + |
במקרה זה, גם אטומי ברזל (II) וגם אטומי גופרית (-II) מתחמצנים. הרכב הברזל(II) גופרתי מכיל אטומים של יסודות אלו ביחס של 1:1 (ראה את המדדים בנוסחה הפשוטה ביותר).
איזון אלקטרוני:
| 4 | Fe+II – ה– = Fe +III S–II–6 ה– = S + IV |
בסך הכל הם נותנים 7 ה – |
| 7 | O 2 + 4e – = 2O –II |
משוואת תגובה: 4FeS + 7O 2 = 2Fe 2 O 3 + 4SO 2.
דוגמה 4. בואו ניצור משוואה לתגובה המתרחשת כאשר ברזל(II) דיסולפיד (פיריט) נצלה בחמצן.
סכימת תגובה:
| +III –II | +IV –II | |||||
| + | O2 | + |
כמו בדוגמה הקודמת, גם אטומי ברזל(II) וגם אטומי גופרית מתחמצנים כאן, אך במצב חמצון של I. האטומים של יסודות אלו נכללים בהרכב הפיריט ביחס של 1:2 (ראה מדדים בנוסחה הפשוטה ביותר). בהקשר זה מגיבים אטומי הברזל והגופרית, מה שנלקח בחשבון בעת עריכת המאזן האלקטרוני:
| Fe+III – ה– = Fe +III 2S–I – 10 ה– = 2S +IV |
בסך הכל הם נותנים 11 ה – | |
| O2+4 ה– = 2O –II |
משוואת תגובה: 4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2.
ישנם גם מקרים מורכבים יותר של ODD, שאת חלקם תכירו בזמן הכנת שיעורי הבית.
אטום מחמצן, אטום מפחית, חומר מחמצן, חומר מפחית, שיטת איזון אלקטרוני, משוואות אלקטרוניות.
1. ערכו מאזן אלקטרוני עבור כל משוואת OVR הניתנת בטקסט של § 1 לפרק זה.
2. הרכיב משוואות עבור ה-ORRs שגילית בעת השלמת המשימה עבור § 1 של פרק זה. הפעם, השתמש בשיטת האיזון האלקטרוני כדי לקבוע את הסיכויים. 3.באמצעות שיטת איזון האלקטרונים, צור משוואות תגובה המתאימות לסכימות הבאות: א) Na + I 2 NaI;
ב) Na + O 2 Na 2 O 2;
ג) Na 2 O 2 + Na Na 2 O;
ד) Al + Br 2 AlBr 3;
ה) Fe + O 2 Fe 3 O 4 ( ט);
ה) Fe 3 O 4 + H 2 FeO + H 2 O ( ט);
ז) FeO + O 2 Fe 2 O 3 ( ט);
i) Fe 2 O 3 + CO Fe + CO 2 ( ט);
j) Cr + O 2 Cr 2 O 3 ( ט);
l) CrO 3 + NH 3 Cr 2 O 3 + H 2 O + N 2 ( ט);
l) Mn 2 O 7 + NH 3 MnO 2 + N 2 + H 2 O;
m) MnO 2 + H 2 Mn + H 2 O ( ט);
n) MnS + O 2 MnO 2 + SO 2 ( ט)
p) PbO 2 + CO Pb + CO 2 ( ט);
ג) Cu 2 O + Cu 2 S Cu + SO 2 ( ט);
t) CuS + O 2 Cu 2 O + SO 2 ( ט);
y) Pb 3 O 4 + H 2 Pb + H 2 O ( ט).
9.3. תגובות אקזותרמיות. אנתלפיה
מדוע מתרחשות תגובות כימיות?
כדי לענות על שאלה זו, הבה נזכור מדוע אטומים בודדים מתחברים למולקולות, מדוע נוצר גביש יוני מיונים מבודדים, ומדוע העיקרון של מינימום אנרגיה חל כאשר קליפת האלקטרונים של אטום נוצרת. התשובה לכל השאלות הללו זהה: כי היא מועילה מבחינה אנרגטית. המשמעות היא שבמהלך תהליכים כאלה משתחררת אנרגיה. נראה שתגובות כימיות צריכות להתרחש מאותה סיבה. אכן, ניתן לבצע תגובות רבות, שבמהלכן משתחררת אנרגיה. אנרגיה משתחררת, בדרך כלל בצורה של חום.
אם במהלך תגובה אקסותרמית אין זמן להסיר את החום, אז מערכת התגובה מתחממת.
למשל, בתגובת שריפת מתאן
CH 4 (g) + 2O 2 (g) = CO 2 (g) + 2H 2 O (g)
כל כך הרבה חום משתחרר שמתאן משמש כדלק.
העובדה שהתגובה הזו משחררת חום יכולה לבוא לידי ביטוי במשוואת התגובה:
CH 4 (g) + 2O 2 (g) = CO 2 (g) + 2H 2 O (g) + ש.
זה מה שנקרא משוואה תרמוכימית. כאן הסמל "+ ש" פירושו שכאשר מתאן נשרף, חום משתחרר. חום זה נקרא השפעה תרמית של תגובה.
מאיפה מגיע החום המשתחרר?
אתה יודע שבמהלך תגובות כימיות נשברים ונוצרים קשרים כימיים. במקרה זה, הקשרים בין אטומי פחמן ומימן במולקולות CH 4, כמו גם בין אטומי חמצן במולקולות O 2, נשברים. במקרה זה נוצרים קשרים חדשים: בין אטומי פחמן וחמצן במולקולות CO 2 ובין אטומי חמצן ומימן במולקולות H 2 O כדי לשבור קשרים, אתה צריך להוציא אנרגיה (ראה "אנרגיית קשר", "אנרגיית אטומיזציה". ), וכאשר יוצרים קשרים, משתחררת אנרגיה. ברור שאם הקשרים ה"חדשים" חזקים יותר מהקשרים ה"ישנים", אז יותר אנרגיה תשתחרר מאשר תיספג. ההבדל בין האנרגיה המשתחררת והנספגת הוא ההשפעה התרמית של התגובה.
השפעה תרמית (כמות חום) נמדדת בקילו ג'אול, למשל:
2H 2 (g) + O 2 (g) = 2H 2 O (g) + 484 קילו-ג'יי.
סימון זה אומר ש-484 קילו-ג'אול של חום ישתחררו אם שתי מולים של מימן יגיבו עם מול חמצן אחד כדי לייצר שתי מולות של מים גזים (אדי מים).
לכן, במשוואות תרמוכימיות, המקדמים שווים מספרית לכמויות החומר של המגיבים ותוצרי התגובה.
מה קובע את ההשפעה התרמית של כל תגובה ספציפית?
ההשפעה התרמית של התגובה תלויה
א) על המצבים המצטברים של חומרי המוצא ותוצרי התגובה,
ב) על טמפרטורה ו
ג) האם הטרנספורמציה הכימית מתרחשת בנפח קבוע או בלחץ קבוע.
התלות של ההשפעה התרמית של תגובה במצב הצבירה של חומרים נובעת מכך שתהליכי המעבר ממצב צבירה אחד למשנהו (כמו כמה תהליכים פיזיקליים אחרים) מלווים בשחרור או בליעה של חום. ניתן לבטא זאת גם באמצעות משוואה תרמוכימית. דוגמה - משוואה תרמוכימית לעיבוי אדי מים:
H 2 O (g) = H 2 O (l) + ש.
במשוואות תרמוכימיות, ובמידת הצורך, במשוואות כימיות רגילות, מצבי הצבירה של חומרים מסומנים באמצעות מדדי אותיות:
(ד) - גז,
(ז) - נוזל,
(t) או (cr) - חומר מוצק או גבישי.
התלות של ההשפעה התרמית בטמפרטורה קשורה להבדלים ביכולות החום
חומרי מוצא ומוצרי תגובה.
מכיוון שנפח המערכת תמיד גדל כתוצאה מתגובה אקזותרמית בלחץ קבוע, חלק מהאנרגיה מושקעת בביצוע עבודה להגדלת הנפח, והחום המשתחרר יהיה קטן יותר מאשר אם אותה תגובה מתרחשת בנפח קבוע .
השפעות תרמיות של תגובות מחושבות בדרך כלל עבור תגובות המתרחשות בנפח קבוע ב-25 מעלות צלזיוס והן מסומנות בסמל ש o.
אם אנרגיה משתחררת רק בצורה של חום, ותגובה כימית ממשיכה בנפח קבוע, אז ההשפעה התרמית של התגובה ( Q V) שווה לשינוי אנרגיה פנימית(ד U) חומרים המשתתפים בתגובה, אך עם הסימן ההפוך:
Q V = – U.
האנרגיה הפנימית של גוף מובנת כאנרגיה הכוללת של אינטראקציות בין-מולקולריות, קשרים כימיים, אנרגיית היינון של כל האלקטרונים, אנרגיית הקשר של גרעינים בגרעינים, וכל סוגי האנרגיה האחרים הידועים והבלתי ידועים ש"מאוחסנים" על ידי גוף זה. הסימן "-" נובע מהעובדה שכאשר חום משתחרר, האנרגיה הפנימית פוחתת. זה
U= – Q V .
אם התגובה מתרחשת בלחץ קבוע, אז נפח המערכת יכול להשתנות. ביצוע עבודה להגדלת הנפח לוקח גם חלק מהאנרגיה הפנימית. במקרה הזה
U = –(QP+A) = –(QP+PV),
איפה Qp- ההשפעה התרמית של תגובה המתרחשת בלחץ קבוע. מכאן
Q P = – לְמַעלָהV .
ערך השווה ל U+PVקיבל את השם שינוי באנטלפיהומסומן על ידי ד ח.
H=U+PV.
לָכֵן
Q P = – ח.
לפיכך, ככל שהחום משתחרר, האנטלפיה של המערכת יורדת. מכאן השם הישן לכמות זו: "תכולת חום".
בניגוד לאפקט התרמי, שינוי באנתלפיה מאפיין תגובה ללא קשר אם היא מתרחשת בנפח קבוע או בלחץ קבוע. משוואות תרמוכימיות שנכתבו באמצעות שינוי אנטלפיה נקראות משוואות תרמוכימיות בצורה תרמודינמית. במקרה זה, הערך של שינוי האנתלפיה בתנאים סטנדרטיים (25 מעלות צלזיוס, 101.3 kPa) מסומן, מסומן H o. לדוגמה:
2H 2 (g) + O 2 (g) = 2H 2 O (g) H o= – 484 קילו-ג'יי;
CaO (cr) + H 2 O (l) = Ca(OH) 2 (cr) H o= – 65 קילו-ג'יי.
תלוי בכמות החום המשתחררת בתגובה ( ש) מההשפעה התרמית של התגובה ( ש o) וכמות החומר ( נב) אחד המשתתפים בתגובה (חומר B - חומר המוצא או תוצר התגובה) מבוטא במשוואה:
כאן B היא כמות החומר B, המצוינת במקדם מול הנוסחה של חומר B במשוואה התרמוכימית.
מְשִׁימָה
קבע את כמות חומר המימן שנשרף בחמצן אם השתחרר 1694 קילו-ג'יי של חום.
פִּתָרוֹן
2H 2 (g) + O 2 (g) = 2H 2 O (g) + 484 קילו-ג'יי. |
|
|
Q = 1694 קילו-ג'יי, 6. ההשפעה התרמית של התגובה בין אלומיניום גבישי לכלור גזי היא 1408 קילו-ג'יי. כתבו את המשוואה התרמוכימית לתגובה זו וקבעו את מסת האלומיניום הדרושה להפקת חום של 2816 קילו-ג'יי באמצעות תגובה זו. 9.4. תגובות אנדותרמיות. אנטרופיה בנוסף לתגובות אקסותרמיות, תיתכן תגובות שבהן נספג חום, ואם הוא לא מסופק, מערכת התגובה מתקררת. תגובות כאלה נקראות אנדותרמי. ההשפעה התרמית של תגובות כאלה היא שלילית. לדוגמה: לפיכך, האנרגיה המשתחררת במהלך יצירת הקשרים בתוצרי תגובות אלו ודומותיה קטנה מהאנרגיה הנדרשת לשבירת קשרים בחומרי המוצא.
ניקח שני צלוחיות ונמלא אחד מהם בחנקן (גז חסר צבע) והשני בחנקן דו חמצני (גז חום) כך שגם הלחץ וגם הטמפרטורה בצלוחיות יהיו זהים. ידוע כי חומרים אלו אינם מגיבים כימיים זה עם זה. בואו נחבר היטב את הצלוחיות עם צווארן ונתקין אותן בצורה אנכית, כך שהבקבוקון עם חנקן דו חמצני כבד יותר נמצא בתחתית (איור 9.1). לאחר זמן מה, נראה שחנקן דו חמצני חום מתפשט בהדרגה לתוך הבקבוק העליון, וחנקן חסר צבע חודר לתוך הבקבוק התחתון. כתוצאה מכך, הגזים מתערבבים, וצבע התוכן של הצלוחיות הופך להיות זהה. לכן,
משוואות הקשר בין אנטרופיה ( ס) וכמויות אחרות נלמדות בקורסי פיזיקה וכימיה פיזיקלית. יחידת אנטרופיה [ ס] = 1 J/K. G= H–T ס מצב לתגובה ספונטנית: G< 0. בטמפרטורות נמוכות, הגורם הקובע את האפשרות להתרחשות תגובה הוא במידה רבה גורם האנרגיה, ובטמפרטורות גבוהות הוא גורם האנטרופיה. מהמשוואה שלעיל, במיוחד, ברור מדוע תגובות פירוק שאינן מתרחשות בטמפרטורת החדר (עלייה באנטרופיה) מתחילות להתרחש בטמפרטורות גבוהות. תגובה אנדתרמית, אנטרופיה, גורם אנרגיה, גורם אנטרופיה, אנרגיה ג'יבס. 2CuO (cr) + C (גרפיט) = 2Cu (cr) + CO 2 (g) הוא -46 קילו-ג'יי. רשמו את המשוואה התרמוכימית וחשבו כמה אנרגיה נדרשת להפקת 1 ק"ג נחושת מתגובה זו. CaCO 3 (cr) = CaO (cr) + CO 2 (g) – 179 קילו-ג'יי נוצרו 24.6 ליטר של פחמן דו חמצני. קבע כמה חום התבזבז ללא תועלת. כמה גרם של תחמוצת סידן נוצרו? |
תהליכים רבים שבלעדיהם אי אפשר לדמיין את חיינו (כגון נשימה, עיכול, פוטוסינתזה וכדומה) קשורים לתגובות כימיות שונות של תרכובות אורגניות (ואורגניות). בואו נסתכל על הסוגים העיקריים שלהם ונסתכל מקרוב על התהליך שנקרא חיבור (התקשרות).
מהי תגובה כימית?
ראשית, כדאי לתת הגדרה כללית לתופעה זו. הביטוי המדובר מתייחס לתגובות שונות של חומרים במורכבות משתנה, הגורמות להיווצרות מוצרים שונים מהמקוריים. החומרים המעורבים בתהליך זה נקראים "ריאגנטים".
בכתיבה, תגובות כימיות של תרכובות אורגניות (ואורגניות) נכתבות באמצעות משוואות מיוחדות. כלפי חוץ, הם נראים קצת כמו דוגמאות מתמטיות של חיבור. עם זאת, נעשה שימוש בחצים ("→" או "⇆") במקום סימן השוויון ("="). בנוסף, לפעמים עשויים להיות יותר חומרים בצד ימין של המשוואה מאשר בצד שמאל. כל מה שנמצא לפני החץ הוא החומרים לפני תחילת התגובה (הצד השמאלי של הנוסחה). כל מה שאחריו (צד ימין) הם תרכובות שנוצרו כתוצאה מהתהליך הכימי שהתרחש.
כדוגמה למשוואה כימית, אנו יכולים להתייחס למים למימן ולחמצן בהשפעת זרם חשמלי: 2H 2 O → 2H 2 + O 2. מים הם המגיב הראשוני, וחמצן ומימן הם התוצרים.
כדוגמה נוספת, אך מורכבת יותר, לתגובה כימית של תרכובות, אנו יכולים לשקול תופעה המוכרת לכל עקרת בית שאפתה ממתקים לפחות פעם אחת. אנחנו מדברים על כיבוי סודה לשתייה עם חומץ שולחן. הפעולה המתרחשת מומחשת באמצעות המשוואה הבאה: NaHCO 3 + 2 CH 3 COOH → 2CH 3 COONa + CO 2 + H 2 O. ברור ממנו שבמהלך האינטראקציה של נתרן ביקרבונט וחומץ, מלח נתרן של חומצה אצטית , נוצרים מים ופחמן דו חמצני.
מטבעו הוא תופס מקום ביניים בין פיזי לגרעיני.
שלא כמו הראשונים, תרכובות המשתתפות בתגובות כימיות מסוגלות לשנות את הרכבן. כלומר, מאטומים של חומר אחד יכולים להיווצר כמה אחרים, כמו במשוואה הנ"ל לפירוק מים.
בניגוד לתגובות גרעיניות, תגובות כימיות אינן משפיעות על גרעיני אטומים של חומרים המקיימים אינטראקציה.
מהם סוגי התהליכים הכימיים?
התפלגות התגובות של תרכובות לפי סוג מתרחשת על פי קריטריונים שונים:
- הפיכות/אי הפיכות.
- נוכחות/היעדר חומרים ותהליכים קטליטיים.
- על ידי ספיגה/שחרור של חום (תגובות אנדותרמיות/אקזותרמיות).
- לפי מספר השלבים: הומוגניים/הטרוגניים ושני זנים היברידיים.
- על ידי שינוי מצבי החמצון של חומרים בעלי אינטראקציה.
סוגי תהליכים כימיים לפי שיטת האינטראקציה
קריטריון זה מיוחד. בעזרתו מבחינים בארבעה סוגי תגובות: חיבור, החלפה, פירוק (מחשוף) והחלפה.
השם של כל אחד מהם מתאים לתהליך שהוא מתאר. כלומר, הם משלבים, בהחלפה הם משתנים לקבוצות אחרות, בפירוק נוצרים מספר ריאגנטים, ובתמורה המשתתפים בתגובה מחליפים אטומים זה עם זה.
סוגי תהליכים לפי שיטת האינטראקציה בכימיה אורגנית
למרות המורכבות הרבה שלהן, תגובות של תרכובות אורגניות מתרחשות על פי אותו עיקרון של תרכובות אורגניות. עם זאת, יש להם שמות מעט שונים.
לפיכך, התגובות של שילוב ופירוק נקראות "הוספה", כמו גם "חיסול" (חיסול) ופירוק אורגני ישיר (בחלק זה של כימיה ישנם שני סוגים של תהליכי פיצול).
תגובות אחרות של תרכובות אורגניות הן החלפה (השם אינו משתנה), סידור מחדש (החלפה) ותהליכי חיזור. למרות הדמיון של מנגנוני התרחשותם, בחומר אורגני הם רב-גוניים יותר.
תגובה כימית של תרכובת
לאחר ששקלנו את סוגי התהליכים השונים שבהם חומרים נכנסים לכימיה אורגנית ואנאורגנית, כדאי להתעכב ביתר פירוט על התרכובת.
תגובה זו שונה מכל האחרות בכך, ללא קשר למספר הריאגנטים בהתחלה, בסופו של דבר כולם מתאחדים לאחד.
כדוגמה, אנו יכולים להיזכר בתהליך של השריית סיד: CaO + H 2 O → Ca(OH) 2. במקרה זה, מתרחשת תגובה בין תחמוצת סידן (quicklime) לבין תחמוצת מימן (מים). כתוצאה מכך נוצר סידן הידרוקסיד (סיד מושפל) ומשתחררים אדים חמים. אגב, זה אומר שהתהליך הזה הוא באמת אקסותרמי.
משוואת תגובה תרכובת
באופן סכמטי, ניתן לתאר את התהליך הנדון באופן הבא: A + BV → ABC. בנוסחה זו, ABC הוא חדש שנוצר. A הוא מגיב פשוט, ו-BV הוא גרסה של תרכובת מורכבת.
ראוי לציין שנוסחה זו אופיינית גם לתהליך ההוספה והחיבור.
דוגמאות לתגובה הנבדקת הן האינטראקציה של תחמוצת נתרן ופחמן דו חמצני (NaO 2 + CO 2 (t 450-550 מעלות צלזיוס) → Na 2 CO 3), כמו גם תחמוצת גופרית עם חמצן (2SO 2 + O 2 → 2SO 3).
מספר תרכובות מורכבות מסוגלות גם להגיב זו עם זו: AB + VG → ABVG. לדוגמה, אותה תחמוצת נתרן ותחמוצת מימן: NaO 2 + H 2 O → 2NaOH.
תנאי תגובה בתרכובות אנאורגניות
כפי שהוצג במשוואה הקודמת, חומרים בדרגות שונות של מורכבות יכולים להיכנס לאינטראקציה הנידונה.
יתר על כן, עבור ריאגנטים פשוטים ממקור אנאורגני, תגובות חיזור של התרכובת (A + B → AB) אפשריות.
כדוגמה, אנו יכולים לשקול את התהליך של השגת טריוולנטי לשם כך, מתבצעת תגובה תרכובת בין כלור לפרום (ברזל): 3Cl 2 + 2Fe → 2FeCl 3.
אם אנחנו מדברים על אינטראקציה של חומרים אנאורגניים מורכבים (AB + VG → ABVG), יכולים להתרחש תהליכים בהם, גם משפיעים וגם לא משפיעים על הערכיות שלהם.
כהמחשה לכך, כדאי לשקול את הדוגמה של היווצרות סידן ביקרבונט מפחמן דו חמצני, תחמוצת מימן (מים) וצבעי מאכל לבן E170 (סידן פחמתי): CO 2 + H 2 O + CaCO 3 → Ca (CO 3) 2. במקרה זה, יש לו מקום הוא תגובה מורכבת קלאסית. במהלך יישומו, הערכיות של הריאגנטים אינה משתנה.
משוואה כימית מעט יותר מתקדמת (מהראשונה) 2FeCl 2 + Cl 2 → 2FeCl 3 היא דוגמה לתהליך חיזור במהלך האינטראקציה של ריאגנטים אנאורגניים פשוטים ומורכבים: גז (כלור) ומלח (ברזל כלוריד).
סוגי תגובות הוספה בכימיה אורגנית
כפי שכבר צוין בפסקה הרביעית, בחומרים ממקור אורגני התגובה המדוברת נקראת "תוספת". ככלל, חומרים מורכבים בעלי קשרים כפולים (או משולשים) לוקחים בו חלק.
לדוגמה, התגובה בין דיברומין לאתילן המובילה ליצירת 1,2-דיברומואתאן: (C 2 H 4) CH 2 = CH 2 + Br 2 → (C₂H₄Br₂) BrCH 2 - CH 2 Br. אגב, סימנים הדומים לשווים ומינוס ("=" ו-"-") במשוואה זו מראים את הקשרים בין האטומים של חומר מורכב. זוהי תכונה של כתיבת נוסחאות של חומרים אורגניים.
בהתאם לאיזו מהתרכובות פועלות כריאגנטים, נבדלים מספר סוגים של תהליך ההוספה הנדון:
- הידרוגנציה (מולקולות מימן H מתווספות בקשר מרובה).
- הידרוהלוגנציה (מוסף מימן הליד).
- הלוגנציה (הוספת הלוגנים Br 2, Cl 2 וכדומה).
- פילמור (יצירת חומרים בעלי משקל מולקולרי גבוה ממספר תרכובות במשקל מולקולרי נמוך).
דוגמאות לתגובות הוספה (תרכובות)
לאחר פירוט הזנים של התהליך הנדון, כדאי ללמוד בפועל כמה דוגמאות לתגובות מורכבות.
כהמחשה של הידרוגנציה, ניתן לשים לב למשוואת האינטראקציה של פרופן עם מימן, שתגרום לפרופאן: (C 3 H 6 ) CH 3 -CH = CH 2 + H 2 → (C 3 H 8 ) CH 3 -CH 2 -CH 3.
בכימיה אורגנית, תגובה תרכובת (תוספת) יכולה להתרחש בין חומצה הידרוכלורית (חומר לא אורגני) ואתילן ליצירת כלורואתן: (C 2 H 4) CH 2 = CH 2 + HCl → CH 3 - CH 2 -Cl (C 2 H 5 Cl ). המשוואה המוצגת היא דוגמה להידרוהלוגנציה.
לגבי הלוגנציה, ניתן להמחיש זאת על ידי התגובה בין דיכלור לאתילן, המובילה ליצירת 1,2-דיכלורואתן: (C 2 H 4 ) CH 2 = CH 2 + Cl 2 → (C₂H₄Cl₂) ClCH 2 -CH 2 Cl.
חומרים שימושיים רבים נוצרים הודות לכימיה אורגנית. התגובה של הצטרפות (הוספה) של מולקולות אתילן עם יוזם רדיקלי של פילמור בהשפעת אור אולטרה סגול מאשרת זאת: n CH 2 = CH 2 (R ואור UV) → (-CH 2 -CH 2 -)n. החומר שנוצר בדרך זו מוכר היטב לכל אדם בשם פוליאתילן.
מחומר זה עשויים סוגים שונים של אריזות, שקיות, כלים, צינורות, חומרי בידוד ועוד. תכונה מיוחדת של חומר זה היא האפשרות למיחזור שלו. פוליאתילן חייב את הפופולריות שלו לעובדה שהוא אינו מתפרק, ולכן לשוחרי איכות הסביבה יש יחס שלילי אליו. עם זאת, בשנים האחרונות נמצאה דרך להיפטר בטוח ממוצרי פוליאתילן. לשם כך, החומר מטופל בחומצה חנקתית (HNO 3). לאחר מכן סוגים מסוימים של חיידקים מסוגלים לפרק את החומר הזה לרכיבים בטוחים.
לתגובת החיבור (תוספת) תפקיד חשוב בטבע ובחיי האדם. בנוסף, הוא משמש לעתים קרובות על ידי מדענים במעבדות כדי לסנתז חומרים חדשים עבור מחקרים חשובים שונים.
הַגדָרָה
תגובה כימיתנקראות טרנספורמציות של חומרים שבהן מתרחש שינוי בהרכבם ו(או) המבנה שלהם.
לרוב, תגובות כימיות מובנות כתהליך של המרת חומרי מוצא (ריאגנטים) לחומרים סופיים (מוצרים).
תגובות כימיות נכתבות באמצעות משוואות כימיות המכילות את הנוסחאות של חומרי המוצא ומוצרי התגובה. לפי חוק שימור המסה, מספר האטומים של כל יסוד בצד שמאל וימין של משוואה כימית זהה. בדרך כלל, הנוסחאות של חומרי המוצא כתובות בצד שמאל של המשוואה, והנוסחאות של התוצרים בצד ימין. השוויון של מספר האטומים של כל יסוד בצד שמאל וימין של המשוואה מושג על ידי הצבת מקדמים סטוכיומטריים שלמים מול נוסחאות החומרים.
משוואות כימיות עשויות להכיל מידע נוסף על מאפייני התגובה: טמפרטורה, לחץ, קרינה וכו', אשר מסומן על ידי הסמל המתאים מעל (או "מתחת") לסימן השוויון.
ניתן לקבץ את כל התגובות הכימיות למספר מחלקות, שיש להן מאפיינים מסוימים.
סיווג של תגובות כימיות לפי מספר והרכב החומרים המוצאים והנוצרים
לפי סיווג זה, תגובות כימיות מחולקות לתגובות של חיבור, פירוק, החלפה והחלפה.
כתוצאה תגובות מורכבותמשני או יותר חומרים (מורכבים או פשוטים) נוצר חומר אחד חדש. באופן כללי, המשוואה לתגובה כימית כזו תיראה כך:
לדוגמה:
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3) 2
SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4
2Mg + O 2 = 2MgO.
2FeCl 2 + Cl 2 = 2FeCl 3
התגובות של התרכובת הן ברוב המקרים אקסותרמיות, כלומר. להמשיך עם שחרור החום. אם חומרים פשוטים מעורבים בתגובה, אז תגובות כאלה הן לרוב תגובות חיזור (ORR), כלומר. מתרחשים עם שינויים במצבי החמצון של יסודות. אי אפשר לומר באופן חד משמעי אם התגובה של תרכובת בין חומרים מורכבים תסווג כ-ORR.
תגובות המביאות להיווצרות של כמה חומרים חדשים אחרים (מורכבים או פשוטים) מחומר מורכב אחד מסווגות כ תגובות פירוק. באופן כללי, המשוואה לתגובה הכימית של פירוק תיראה כך:
לדוגמה:
CaCO 3 CaO + CO 2 (1)
2H 2 O = 2H 2 + O 2 (2)
CuSO 4 × 5H 2 O = CuSO 4 + 5H 2 O (3)
Cu(OH) 2 = CuO + H 2 O (4)
H 2 SiO 3 = SiO 2 + H 2 O (5)
2SO 3 =2SO 2 + O 2 (6)
(NH 4) 2 Cr 2 O 7 = Cr 2 O 3 + N 2 +4H 2 O (7)
רוב תגובות הפירוק מתרחשות בחימום (1,4,5). פירוק אפשרי בהשפעת זרם חשמלי (2). הפירוק של הידרטים גבישיים, חומצות, בסיסים ומלחים של חומצות המכילות חמצן (1, 3, 4, 5, 7) מתרחש מבלי לשנות את מצבי החמצון של היסודות, כלומר. תגובות אלו אינן קשורות ל-ODD. תגובות פירוק ORR כוללות פירוק של תחמוצות, חומצות ומלחים הנוצרים על ידי יסודות במצבי חמצון גבוהים יותר (6).
תגובות פירוק נמצאות גם בכימיה אורגנית, אך בשמות אחרים - פיצוח (8), דהידרוגנציה (9):
C 18 H 38 = C 9 H 18 + C 9 H 20 (8)
C 4 H 10 = C 4 H 6 + 2H 2 (9)
בְּ תגובות החלפהחומר פשוט יוצר אינטראקציה עם חומר מורכב, ויוצר חומר פשוט חדש וחומר מורכב חדש. באופן כללי, המשוואה לתגובת החלפה כימית תיראה כך:
לדוגמה:
2Al + Fe 2 O 3 = 2Fe + Al 2 O 3 (1)
Zn + 2HCl = ZnСl 2 + H 2 (2)
2KBr + Cl 2 = 2KCl + Br 2 (3)
2KlO 3 + l 2 = 2KlO 3 + Сl 2 (4)
CaCO 3 + SiO 2 = CaSiO 3 + CO 2 (5)
Ca 3 (PO 4) 2 + 3SiO 2 = 3СаSiO 3 + P 2 O 5 (6)
CH 4 + Cl 2 = CH 3 Cl + HCl (7)
רוב תגובות ההחלפה הן חיזור (1 - 4, 7). דוגמאות לתגובות פירוק שבהן לא מתרחש שינוי במצבי החמצון הן מעטות (5, 6).
החלפת תגובותהן תגובות המתרחשות בין חומרים מורכבים שבהם הם מחליפים את חלקיהם המרכיבים. בדרך כלל מונח זה משמש לתגובות הכוללות יונים בתמיסה מימית. באופן כללי, המשוואה לתגובת החלפה כימית תיראה כך:
AB + CD = AD + CB
לדוגמה:
CuO + 2HCl = CuCl 2 + H 2 O (1)
NaOH + HCl = NaCl + H 2 O (2)
NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2 (3)
AgNO 3 + KBr = AgBr ↓ + KNO 3 (4)
CrCl 3 + ZNaON = Cr(OH) 3 ↓+ ZNaCl (5)
תגובות חליפין אינן חיזור. מקרה מיוחד של תגובות חליפין אלו הוא תגובת הנטרול (תגובה של חומצות עם אלקליות) (2). תגובות החליפין מתרחשות בכיוון שבו לפחות אחד מהחומרים מוסר מכדור התגובה בצורה של חומר גזי (3), משקעים (4, 5) או תרכובת מתנתקת בצורה גרועה, לרוב מים (1, 2). ).
סיווג תגובות כימיות לפי שינויים במצבי חמצון
בהתאם לשינוי במצבי החמצון של היסודות המרכיבים את הריאגנטים ותוצרי התגובה, כל התגובות הכימיות מחולקות לתגובות חיזור (1, 2) ולאלו המתרחשות ללא שינוי מצב החמצון (3, 4).
2Mg + CO 2 = 2MgO + C (1)
Mg 0 – 2e = Mg 2+ (חומר מפחית)
C 4+ + 4e = C 0 (חומר מחמצן)
FeS 2 + 8HNO 3 (קונצרן) = Fe(NO 3) 3 + 5NO + 2H 2 SO 4 + 2H 2 O (2)
Fe 2+ -e = Fe 3+ (חומר מפחית)
N 5+ +3e = N 2+ (חומר מחמצן)
AgNO 3 +HCl = AgCl ↓ + HNO 3 (3)
Ca(OH) 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 ↓ + H 2 O (4)
סיווג של תגובות כימיות לפי השפעה תרמית
תלוי אם חום (אנרגיה) משתחרר או נספג במהלך התגובה, כל התגובות הכימיות מחולקות באופן קונבנציונלי לאקסותרמיות (1, 2) ואנדותרמיות (3), בהתאמה. כמות החום (האנרגיה) המשתחררת או נספגת במהלך תגובה נקראת ההשפעה התרמית של התגובה. אם המשוואה מציינת את כמות החום המשתחררת או נספג, אז משוואות כאלה נקראות תרמוכימיות.
N 2 + 3H 2 = 2NH 3 +46.2 kJ (1)
2Mg + O 2 = 2MgO + 602.5 kJ (2)
N 2 + O 2 = 2NO – 90.4 קילו-ג'יי (3)
סיווג תגובות כימיות לפי כיוון התגובה
על סמך כיוון התגובה, מבחינים בין הפיך (תהליכים כימיים שתוצריהם מסוגלים להגיב זה עם זה באותם תנאים בהם התקבלו ליצירת חומרי המוצא) לבין בלתי הפיך (תהליכים כימיים שתוצריהם אינם מסוגלים להגיב זה עם זה ליצירת חומרי המוצא).
עבור תגובות הפיכות, המשוואה בצורה כללית כתובה בדרך כלל כך:
A + B ↔ AB
לדוגמה:
CH 3 COOH + C 2 H 5 OH ↔ H 3 COOC 2 H 5 + H 2 O
דוגמאות לתגובות בלתי הפיכות כוללות את התגובות הבאות:
2КlО 3 → 2Кl + ЗО 2
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O
עדות לבלתי הפיך של תגובה יכולה להיות שחרור של חומר גזי, משקעים או תרכובת מתנתקת בצורה גרועה, לרוב מים, כתוצרי תגובה.
סיווג תגובות כימיות לפי נוכחות זרז
מנקודת מבט זו, תגובות קטליטיות ולא קטליטיות מובחנות.
זרז הוא חומר שמאיץ את התקדמותה של תגובה כימית. תגובות המתרחשות בהשתתפות זרזים נקראות קטליטיות. חלק מהתגובות אינן יכולות להתרחש כלל ללא נוכחות של זרז:
2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (זרז MnO 2)
לעתים קרובות אחד מתוצרי התגובה משמש כזרז שמאיץ תגובה זו (תגובות אוטוקטליטיות):
MeO+ 2HF = MeF 2 + H 2 O, כאשר Me היא מתכת.
דוגמאות לפתרון בעיות
דוגמה 1