7. ХІМІЧНІ РЕАКЦІЇ

7.1. Загальні положення

Перетворення речовин відбувається у ході хімічних реакцій. Для зображення хімічних реакцій користуються хімічними рівняннями, у яких за допомогою хімічних формул і знаків записують реагенти та продукти реакції, а також кількісні співвідношення між ними.

Хімічні рівняння складаються з двох частин, які сполучені знаком “=” “→” або “↔”. Знак рівності ставлять у випадку повністю збалансованого (за елементами та зарядами) рівняння реакції, що відбувається у даному напрямку до кінця. Знак оборотності ставлять для підкреслення оборотності процесу. Стрілку записують у незбалансованих схемах реакцій і в органічній хімії, щоб не сплутати знак “=” з подвійним зв’язком. У лівій частині реакції записують формули реагентів, у правій – продуктів. Кількість атомів кожного елемента до і після реакції повинна бути однаковою, що досягається розставленням коефіцієнтів. Коефіцієнти – цифри, що ставлять перед символами елементів або формулами речовин і вказують на їх кількість.

Хімічні рівняння складають у відповідності із законом збереження маси та енергії.

Основні етапи складання рівнянь хімічних реакцій:

1. Зліва записують формули реагентів, справа – формули продуктів, стрілкою вказують напрям реакції:

Al + HCl → AlCl₃ + H₂

2. Підраховують кількість атомів кожного елемента до і після реакції, при необхідності розставляють коефіцієнти та заміняють стрілку знаком “=”:

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂

Основні типи хімічних рівнянь:

1. Молекулярні – речовини записують у формі молекул або атомів:

Р₂О₅ + Н₂О = Н₃РО₄.

2. Іонні – речовини записують у формі іонів:

Н⁺ + ОН^– = Н₂О.

3. Електронні та електронно-іонні – вказують ступені окиснення елементів або заряди іонів та кількість електронів, що беруть участь у даному процесі:

Cr₂O₇^2– + 14H⁺ + 6е = 2Cr³⁺ + 7H₂O.

4. Термохімічні – вказують агрегатні стани речовин та тепловий ефект реакції.

С_(кр) + O_2(г) = СO_2(г), ΔН = – 395,3 кДж/моль.

Характерними ознаками проходження хімічних реакцій є:

1. Зміна забарвлення:

2HgO = 2Hg + O₂

червоний блискучий безбарвиний

2. Утворення гетерогенних продуктів:

осаду: K₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + KCl,

або газу: CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂↑

3. Виділення або поглинання енергії у вигляді тепла і/або світла:

2Fe + 3O₂ = Fe₂O₃

Існує кілька класифікацій хімічних реакцій залежно від утворених продуктів, агрегатного стану реагентів, оборотності, теплового ефекту, наявності каталізатора, зміни ступеня окиснення елементів, механізму проходження. Остання класифікація широко застосовується в органічній хімії і розглянута у розд. Органічна хімія.

Залежно від результату реакції (утворених продуктів) виділяють основні типи хімічних реакцій:

Сполучення – з кількох речовин або атомів утворюється нова речовина або молекула: 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О.
Розкладання – з однієї речовини або молекули утворюється кілька нових речовин або атомів: 2HgO = 2Hg + O_2.
Обміну – реагенти обмінюються своїми складовими з утворенням нових речовин: NaCl + AgNO₃ = NaNO₃ + AgCl.
Заміщення – один реагент заміщає в іншому певну структурну частину (атом, іон): 2NaBr + Cl₂ = 2NaCl + Br₂.

За агрегатним станом реагентів виділяють:

Гомогенні – реагенти перебувають в одному агрегатному стані: 2H_2(г) + O_2(г) = 2H₂O_(г).
Гетерогенні – реагенти перебувають у різних агрегатних станах: С_(кр) + O_2(г) = СO_2(г).

За ознакою оборотності розрізняють реакції:

Необоротні – відбуваються лише в прямому напрямку і реагенти повністю перетворюються в продукти: Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂.
Оборотні – можуть відбуватись у двох напрямках (прямому і зворотному), не доходячи до кінця по жодному з них: N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃.

За зміною теплового ефекту розрізняють:

Екзотермічні – теплота виділяється з реакційного середовища.
Ендотермічні – теплота поглинається з навколишнього середовища.

За наявністю каталізатора розрізняють:

Каталітичні – відбуваються у присутності каталізатора
Некаталітичні – проходять без каталізатора.

За зміною ступеня окиснення елементів розрізняють:

Реакції невалентних перетворень – відбуваються без зміни ступенів окиснення елементів
Окисно-відновні реакції – проходять зі зміною ступеня окиснення елементів.

Зазначимо, що будь-яка хімічна реакція може одночасно належати до кількох типів. Так, реакція: 2KClO₃ = 2KCl + 3O₂, що відбувається у присутності MnO₂ є гомогенною, необоротною, ендотермічною, каталітичною, окисно-відновною реакцією розкладу.

Кількісні співвідношення між реагентами та продуктами вивчає стехіометрія реакцій.

Розглянемо реакцію:

2HCl + CaCO₃ = CaCl₂ + CO₂ + H₂O.

Коефіцієнти у рівнянні реакції вказують молярне співвідношення реагентів та продуктів: 2 моль HCl реагує з 1 моль CaCO₃, при цьому утворюється 1 моль CaCl₂, 1 моль CO₂ і 1 моль H₂O (або 73 г HCl реагує зі 100 г CaCO₃, утворюючи 111 г CaCl₂, 44 г CO₂ і 18 г H₂O).

Однак, на практиці часто утворюється менша кількість продуктів реакції, ніж розрахована за рівнянням реакції. Причини цього різні – наявність домішок у реагентах, недотримання технології процесу, проходження рівноважних реакції (напр., синтез НІ або NH₃ з елементів), людські помилки. Показником ефективності хімічної реакції є процентний вихід продуктів реакції (η – ета), %, який обчислюють за формулою:

де m_пр_.,V_пр., ν_пр_.– відповідно маса, об’єм або кількість моль практично одержаного продукту реакції;

m_теор_., V_теор., ν_теор_.– теоретично розрахована за рівнянням реакції відповідно маса, об’єм або кількість моль продукту.

Сьогодні фахівці працюють над збільшенням процентного виходу продуктів реакції промислово важливих процесів. Так, застосовуючи сучасні технології добувають амоніак з простих речовин за процесом Габера із виходом понад 90%.