ХИМИЧНИ РЕАКЦИИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ЧАСТИ, ВИДОВЕ, ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2024

На химическите реакции са промени предмет страда в подреждането на техните атоми, и когато две вещества са различни съединения или контакт. Промените възникват в процеса, които могат да се видят веднага; като повишаване на температурата, охлаждане, образуване на газ, мигане или утаяване на твърдо вещество.

Най-често срещаните химични реакции често остават незабелязани в ежедневието; хиляди от тях се извършват в нашите тела. Други обаче са по-видими, тъй като можем да ги направим в кухнята, като подберем правилните прибори и съставки; например смесване на сода за хляб с оцет, топене на захар във вода или подкисляване на сок от червено зеле.

Реакцията на сода и оцет е пример за повтаряща се химическа реакция при готвене. Източник: Кейт Тер Хаар (https://www.flickr.com/photos/katerha/5703151566)

В лабораториите химичните реакции стават по-обичайни и често срещани; всички те се срещат вътре в стъклени чаши или колби от Ерленмайер. Ако те споделят нещо общо, е, че никой от тях не е прост, тъй като крият сблъсъци, прекъсвания на връзки, механизми, образуване на връзки, енергийни и кинетични аспекти.

Има химически реакции, толкова поразителни, че любители и учени, познавайки токсикологията на реактивите и някои мерки за безопасност, ги възпроизвеждат в големи мащаби в очарователни демонстративни събития.

Концепция за химическа реакция

Химичните реакции протичат при разкъсване на връзка (йонна или ковалентна), така че на нейно място се образува друга; два атома или набор от тях спират да си взаимодействат силно, за да възникнат нови молекули. Благодарение на това могат да се определят химичните свойства на дадено съединение, неговата реактивност, стабилност и това, което реагира.

Освен че са отговорни за химичните реакции, които материята непрекъснато се трансформира, без атомите му да бъдат засегнати, те обясняват появата на съединения, както ги познаваме.

Необходима е енергия, за да се скъсат облигациите, а когато се образуват връзки, тя се освобождава. Ако абсорбираната енергия е по-голяма от освободената, се казва, че реакцията е ендотермична; имаме охлаждане на околността. Като има предвид, че ако отделената топлина е по-висока от погълнатата, тогава това ще бъде екзотермична реакция; околностите се отопляват.

Характеристики на химичните реакции

кинетика

Молекулите на теория трябва да се сблъскват помежду си, носейки със себе си достатъчно кинетична енергия за насърчаване на скъсването на връзка. Ако сблъсъците им са бавни или неефективни, химическата реакция се повлиява кинетично. Това може да се случи или от физичните състояния на веществата, или от геометрията или структурата на същите.

По този начин, в реакция, материята се трансформира чрез поглъщане или освобождаване на топлина, в същото време, че претърпява сблъсъци, които благоприятстват образуването на продукти; най-важните компоненти на всяка химична реакция.

Консервиране на тесто

Поради закона за запазване на масата, общата маса на монтажа остава постоянна след химическа реакция. По този начин сумата от отделните маси на всяко вещество е равна на масата на получения резултат.

Физически промени и / или промени в състоянието

Появата на химическа реакция може да бъде придружена от промяна в състоянието на компонентите; това е изменение в твърдото, течното или газообразно състояние на материала.

Не всички промени в състоянието обаче включват химическа реакция. Например: ако водата се изпари поради ефекта на топлината, водната пара, произведена след тази промяна в състоянието, все още е вода.

Вариация на цвета

Сред физичните характеристики, които са резултат от химическа реакция, се откроява промяната в цвета на реагентите спрямо цвета на крайния продукт.

Това явление е забележимо, когато наблюдаваме химическата реакция на металите с кислород: когато метал се окислява, той променя характерния си цвят (злато или сребро, според случая), за да превърне червеникаво-оранжев оттенък, известен като ръжда.

Изпускане на газове

Тази характеристика се проявява като бълбукане или с излъчване на определени миризми.

Обикновено мехурчетата се появяват като последица от подлагане на течност на високи температури, което предизвиква увеличаване на кинетичната енергия на молекулите, които са част от реакцията.

Температурни промени

В случай, че топлината е катализатор на химическата реакция, в крайния продукт ще бъде предизвикана промяна в температурата. Следователно, входът и изходът на топлина в процеса също могат да бъдат характеристика на химичните реакции.

Части от химическа реакция

Реагенти и продукти

Всяка химическа реакция се представя с уравнение на типа:

A + B → C + D

Където А и В са реагентите, докато С и D са продуктите. Уравнението ни казва, че атомът или молекулата А взаимодействат с В, за да произведат продуктите C и D. Това е необратима реакция, тъй като реагентите не могат да възникнат отново от продуктите. От друга страна, реакцията по-долу е обратима:

A + B <=> C + D

Важно е да се подчертае, че масата на реагентите (A + B) трябва да е равна на масата на продуктите (C + D). В противен случай тестото не би се запазило. По същия начин броят на атомите за даден елемент трябва да бъде еднакъв преди и след стрелката.

Над стрелката са посочени някои специфични спецификации на реакцията: температура (Δ), честота на ултравиолетово лъчение (hv) или използвания катализатор.

Реакционна среда

Що се отнася до живота и реакциите, които се случват в нашите тела, реакционната среда е водна (променлив). Химическите реакции обаче могат да се провеждат във всяка течна среда (етанол, ледена оцетна киселина, толуен, тетрахидрофуран и др.), Стига реагентите да са добре разтворени.

Съдове или реактори

Контролираните химически реакции протичат в съд, било то обикновена стъклена посуда или в реактор от неръждаема стомана.

Видове химични реакции

Видовете химични реакции се основават на това, което се случва на молекулярно ниво; кои връзки са скъсани и как атомите свършват. По същия начин се взема предвид дали видът придобива или губи електрони; въпреки че при повечето химични реакции това се случва.

Тук обясняваме различните видове химически реакции, които съществуват.

- редукция на окисляването (редокс)

Окисление на медта

В примера с патина протича окислителна реакция: металната мед губи електрони в присъствието на кислород, за да се трансформира в съответния си оксид.

4Cu (s) + O ₂ (g) => Cu ₂ O (s)

Медният (I) оксид продължава да се окислява до меден (II) оксид:

2Cu ₂ O (s) + O ₂ => 4CuO (s)

Този тип химическа реакция, при която видът увеличава или намалява техния брой (или състояние) на окисляване, е известен като реакция на окисляване и редукция (окислително-възстановителна).

Металната мед с окислително състояние 0, първо губи един електрон, а след това вторият (окислява), докато кислородът остава (намалява):

Cu => Cu ⁺ + e ^-

Cu ⁺ => Cu ²⁺ + e ^-

O ₂ + 2e ^- => 2O ^2-

Повишението или загубата на електрони може да се определи чрез изчисляване на окислителните числа за атомите в химичните формули на техните получени съединения.

За Cu ₂ O е известно, че тъй като е оксид, той има O ^2- анион, така че за да се запази зарядите неутрализирани, всеки от двата медни атома трябва да има +1 заряд. Много подобно се случва с CuO.

Медта, когато се окислява, придобива положителни окислителни числа; и кислород, който трябва да се намали, отрицателни окислителни числа.

Желязо и кобалт

Допълнителни примери за редокс реакции са показани по-долу. Освен това ще бъде направен кратък коментар и ще бъдат уточнени промените в окислителните числа.

FeCl ₂ + CoCl ₃ => FeCl ₃ + CoCl ₂

Ако се изчислят окислителните числа, ще се отбележи, че тези на Cl остават с постоянна стойност -1; не е така, с тези на Вярата и Ко.

На пръв поглед желязото се окислява, докато кобалта е редуциран. Откъде знаеш? Тъй като сега желязото взаимодейства не с два Cl аниона ^- а с три, атомът на хлора (неутрален) е по-електроотрицателен от желязото и кобалта. От друга страна, при кобалта се случва точно обратното: той преминава от взаимодействие с три Cl ^- до два от тях.

Ако горните разсъждения не са ясни, тогава продължаваме да пишем химическите уравнения на нетния пренос на електрони:

Fe ²⁺ => Fe ³⁺ + e ^-

Co ³⁺ + e ^- => Co ²⁺

Следователно Fe ²⁺ се окислява, докато Co ³⁺ се редуцира.

Йод и манган

6KMnO ₄ + 5KI + 18HCl => 6MnCl ₂ + 5KIO ₃ + 6KCl + 9H ₂ O

Химическото уравнение по-горе може да изглежда сложно, но не е. Хлорът (Cl ^-) и кислородът (O ^2-) изпитват печалба или загуба на своите електрони. Йод и манган, да.

Имайки предвид само съединенията с йод и манган, имаме:

KI => KIO ₃ (номер на окисляване: -1 до +5, губи шест електрона)

KMnO ₄ => MnCl ₂ (окислително число: +7 до +2, печели пет електрона)

Йодът се окислява, докато манганът се редуцира. Как да знам, без да правим изчисления? Тъй като йодът преминава от използването на калий до взаимодействие с три оксигена (по-електроотрицателни); а манганът от своя страна губи взаимодействия с кислорода, за да бъде с хлор (по-малко електронегативен).

KI не може да загуби шест електрона, ако KMnO ₄ спечели пет; затова броят на електроните трябва да бъде балансиран в уравнението:

5 (KI => KIO ₃ + 6e ^-)

6 (KMnO ₄ + 5e ^- => MnCl ₂)

Което води до нетен пренос от 30 електрона.

горене

Изгарянето е енергично и енергично окисляване, при което се отделят светлина и топлина. Обикновено в този тип химическа реакция кислородът участва като окисляващ или окисляващ агент; докато редуциращият агент е горивото, което гори в края на деня.

Там, където има пепел, имаше горене. Те по същество са съставени от въглеродни и метални оксиди; въпреки че съставът му логично зависи от това какво е било горивото. По-долу са някои примери:

C (S) + O ₂ (г) => СО ₂ (г)

2CO (g) + O ₂ (g) => 2CO ₂ (g)

C ₃ H ₈ (г) + 5О ₂ (г) => 3CO ₂ (г) + 4Н ₂ O (ж)

Всяко от тези уравнения съответства на пълни горения; тоест, цялото гориво реагира с излишък от кислород, за да гарантира пълната му трансформация.

По същия начин трябва да се отбележи, че CO ₂ и H ₂ O са основните газообразни продукти, когато въглеродните тела горят (като дърво, въглеводороди и тъкани на животни). Неизбежно е да се образува някакъв въглероден алотроп поради недостатъчен кислород, както и по-малко кислородни газове, като CO и NO.

- Синтез

Графично представяне на реакция на синтез. Източник: Габриел Боливар.

Изображението по-горе показва изключително просто представяне. Всеки триъгълник е съединение или атом, които се съединяват и образуват едно единствено съединение; два триъгълника образуват паралелограм. Масите се увеличават и физичните и химичните свойства на продукта многократно се различават от тези на неговите реагенти.

Например, изгарянето на водород (което също е редокс реакция) произвежда водороден оксид или кислород хидрид; по-известна като вода:

Н ₂ (г) + O ₂ (г) => 2Н ₂ O (ж)

Когато и двете газове се смесват, при висока температура те изгарят, образувайки газообразна вода. Докато температурите се охлаждат, изпаренията се кондензират, за да се получи течна вода. Няколко автори разглеждат тази реакция на синтез като една от възможните алтернативи за заместване на изкопаемите горива при получаване на енергия.

Връзките HH и O = O се разпадат и образуват две нови единични връзки: HOH. Водата, както е добре известно, е уникална субстанция (отвъд романтичния смисъл) и нейните свойства са доста различни от газообразния водород и кислород.

Йонни съединения

Образуването на йонни съединения от техните елементи също е пример за реакция на синтез. Един от най-простите е образуването на метални халиди от групи 1 и 2. Например синтезът на калциев бромид:

Ca (s) + Br ₂ (l) => CaBr ₂ (s)

Общо уравнение за този тип синтез е:

M (s) + X ₂ => MX ₂ (s)

координация

Когато образуваното съединение включва метален атом в рамките на електронна геометрия, тогава се казва, че е комплекс. В комплекси металите остават прикрепени към лигандите чрез слаби ковалентни връзки и се образуват чрез координационни реакции.

Например, имате ³⁺ комплекс. Това се образува, когато Cr ³⁺ катион е в присъствието на молекулите на амоняк, NH ₃, които действат като лиганди хром:

Cr ³⁺ + 6NH ₃ => ³⁺

Полученият координационен октаедър около металния център на хрома е показан по-долу:

Координационен октаедър за комплекса. Източник: Габриел Боливар.

Обърнете внимание, че 3+ зарядът на хром не се неутрализира в комплекса. Цветът му е лилав и затова октаедърът е представен с този цвят.

Някои комплекси са по-интересни, както в случая с някои ензими, които координират атомите на желязо, цинк и калций.

- Разлагане

Разлагането е обратното на синтеза: съединението се разпада на един, два или три елемента или съединения.

Например, имаме следните три разлагания:

2HgO (и) => 2HG (л) + O ₂ (г)

2H ₂ O ₂ (l) => 2H ₂ O (l) + O ₂ (g)

H ₂ CO ₃ (aq) => CO ₂ (g) + H ₂ O (l)

HgO е червеникаво твърдо вещество, което под действието на топлината се разлага на метален живак, черна течност и кислород.

Водородният пероксид или водородният пероксид претърпява разлагане, давайки течна вода и кислород.

А въглеродната киселина от своя страна се разлага на въглероден диоксид и течна вода.

По-сухото разлагане е това, което страдат от метални карбонати:

CaCO ₃ (s) => CaO (s) + CO ₂ (g)

Клас вулкан

Изгаряне на вулкан от амониев дихромат. Източник: Наталия

Реакцията на разлагане, която се използва в часовете по химия, е термичното разлагане на амониев дихромат, (NH ₄) ₂ Cr ₂ O ₇. Тази канцерогенна сол в оранжев цвят (така че с нея трябва да се работи много внимателно), изгаря, за да отдели много топлина и да произведе твърд, хромиран оксид в зелен цвят, Cr ₂ O ₃:

(NH ₄) ₂ Cr ₂ O ₇ (s) => Cr ₂ O ₃ (s) + 4H ₂ O (g) + N ₂ (g)

- Изместване

Графично представяне на реакция на изместване. Източник: Габриел Боливар.

Реакциите на изместване са вид редокс-реакция, при която един елемент измества друг в съединението. Разместеният елемент завършва с редуциране или набиране на електрони.

За да опростите горното, изображението по-горе е показано. Кръговете представляват елемент. Наблюдава се, че липовият зелен кръг измества синия, оставайки от външната страна; но не само това, но синият кръг се свива в процеса, а варовозеленият окислява.

От водород

Например, имаме следните химични уравнения, за да изложим гореописаното:

2AL (и) + 6HCl (вод) => АЮЬ ₃ (воден) + 3H ₂ (г)

Zr (и) + 2Н ₂ O (г) => ZrO ₂ (а) + 2Н ₂ (г)

Zn (s) + H ₂ SO ₄ (aq) => ZnSO ₄ (aq) + H ₂ (g)

Какъв е изместеният елемент за тези три химически реакции? Водородът, който се редуцира до молекулен водород, Н ₂; преминава от окислително число от +1 до 0. Обърнете внимание, че металите алуминий, цирконий и цинк могат да изместват водородите от киселини и вода; докато медът, нито среброто, нито златото, не могат.

От метали и халогени

По същия начин има и тези две допълнителни реакции на изместване:

Zn (s) + CuSO ₄ (aq) => Cu (s) + ZnSO ₄ (aq)

Cl ₂ (g) + 2NaI (aq) => 2NaCl (aq) + I ₂ (s)

При първата реакция цинкът измества по-малко активната метална мед; цинкът се окислява, докато медта се редуцира.

Във втората реакция хлорът, елемент, по-реактивен от йода, измества последния в натриевата сол. Тук е обратното: най-реактивният елемент се редуцира чрез окисляване на изместения елемент; следователно хлорът се редуцира чрез окисляване на йод.

- Образуване на газ

В реакциите се вижда, че няколко от тях генерират газове и следователно също влизат в този вид химическа реакция. По същия начин, реакциите от предишния раздел, тези за изместване на водорода от активен метал, се считат за реакции на газообразуване.

В допълнение към споменатите вече, металните сулфиди например отделят сероводород (който мирише на гнили яйца), когато се добавя солна киселина:

Na ₂ S (и) + 2HCl (вод) => 2NaCl (вод) + Н ₂ S (ж)

- Метатеза или двойно изместване

Графично представяне на реакция с двойно изместване. Източник: Габриел Боливар.

В метатезата или реакцията на двойно изместване се случва промяна на партньори без прехвърляне на електрон; тоест не се счита за редокс реакция. Както се вижда от изображението по-горе, зеленият кръг прекъсва връзката с тъмносиния, за да се свърже със светлосиния кръг.

утаяване

Когато взаимодействията на един от партньорите са достатъчно силни, за да преодолеят ефекта на разтваряне на течността, се получава утайка. Следните химични уравнения представляват реакции на утаяване:

AgNO ₃ (aq) + NaCl (aq) => AgCl (s) + NaNO ₃ (aq)

CaCl ₂ (aq) + Na ₂ CO ₃ (aq) => CaCO ₃ (s) + 2NaCl (aq)

При първата реакция Cl ^- измества NO ₃ ^{- за} да образува сребърен хлорид, AgCl, който е бяла утайка. И във втората реакция, CO ₃ ^2- измества Cl ^- за утаяване на калциев карбонат.

Базова киселина

Може би най-емблематичната реакция на метатезата е реакцията на неутрализация на киселинно-алкалната основа. И накрая, две киселинно-основни реакции са показани като примери:

HCI (вод) + NaOH (воден) => NaCl (вод) + H ₂ O (л)

2HCl (aq) + Ba (OH) ₂ (aq) => BaCl ₂ (aq) + 2H ₂ O (l)

ОН ^- изместват Cl ^{- за} да образуват водни и хлоридни соли.

Примери за химични реакции

По-долу и по-долу ще бъдат споменати някои химични реакции със съответните им уравнения и коментари.

изместване

Zn (s) + AgNO ₃ (aq) → 2Ag (s) + Zn (NO ₃) ₂ (aq)

Цинкът измества среброто в нитратната му сол: намалява го от Ag ⁺ до Ag. В резултат металното сребро започва да се утаява в средата, наблюдавано под микроскоп като сребристи дървета без листа. От друга страна, нитратите се комбинират с получените йони Zn ²⁺ и образуват цинков нитрат.

неутрализация

CaCO ₃ (s) + 2HCl (aq) → CaCl ₂ (aq) + H ₂ O (l) + CO ₂ (g)

Солната киселина неутрализира калциевата карбонатна сол за получаване на сол, калциев хлорид, вода и въглероден диоксид. CO ₂ мехурчета нагоре и се открива във водата. Това барботиране се получава също чрез добавяне на HCl към креда или яйчните черупки, богати на CaCO ₃.

NH ₃ (г) + HCI (д) → NH ₄ Cl (S)

При тази втора реакция, HCl парите неутрализират газообразния амоняк. Солта на амониевия хлорид, NH ₄ Cl, се образува като белезникав дим (по-ниско изображение), тъй като съдържа много фини частици, суспендирани във въздуха.

Реакция на образуване на амониев хлорид. Източник: Адам Рендзиковски

Двойно превъртане

AgNO ₃ (aq) + NaCl (aq) → AgCl (s) + NaNO ₃ (aq)

При реакция на двойно изместване има обмен на "партньори". Среброто сменя партньорите с натрий. Резултатът е, че новата сол, сребърен хлорид, AgCl, се утаява като млечно твърдо вещество.

Redox

Топлината, звукът и синята светлина се отделят при химическата реакция на Лаещото куче. Източник: Максим Биловицки чрез Wikipedia.

Има безброй редокс реакции. Един от най-впечатляващите е този на куче Баркин:

8 N ₂ O (g) + 4 CS ₂ (l) → S ₈ (s) + 4 CO ₂ (g) + 8 N ₂ (g)

Енергията, освободена, когато се формират три стабилни продукти е толкова голямо, че синкав флаш се произвежда (горен изображение) и огромен увеличаване на налягането, причинена от газове (СО ₂ и N ₂).

И също така, всичко това е придружено от много силен звук, подобен на лай на куче. Сярата произведени, S ₈, палта вътрешните стени на тръбата в жълто.

Кой вид е редуциран и кой е окислен? Като общо правило елементите имат окисление номер 0. Следователно сярата и азотът в продуктите трябва да са видовете, които са получили или загубили електрони.

Сярата се окислява (загубени електрони), тъй като има окислително число -2 в CS ₂ (C ⁴⁺ S ₂ ^2-):

S ^2- → S ⁰ + 2e ^-

Докато азот се редуцира (придобит електрони), тъй като тя е окислително число 1 в N ₂ O (N ₂ ⁺ O ²):

2N ⁺ + 2e → N ⁰

Решени упражнения за химически реакции

- Упражнение 1

Каква сол се утаява при следната реакция във водна среда?

Na ₂ S (вод) + FeSO ₄ (воден) → ¿?

Като общо правило всички сулфиди, с изключение на тези, образувани с алкални метали и амоний, се утаяват във водна среда. Има двойно изместване: желязото се свързва със сярата, а натрият - сулфатът:

Na ₂ S (вод) + FeSO ₄ (воден) Ц FES (S) + Na ₂ SO ₄ (воден)

- Упражнение 2

Какви продукти ще получим от следната реакция?

Cu (NO ₃) ₂ + Ca (OH) ₂ → ¿?

Калциевият хидроксид не е много разтворим във вода; но добавянето на меден нитрат спомага за неговото разтваряне, защото той реагира и образува съответния му хидроксид:

Cu (NO ₃) ₂ (aq) + Ca (OH) ₂ (aq) → Cu (OH) ₂ (s) + Ca (NO ₃) ₂ (aq)

Cu (OH) ₂ се разпознава незабавно като синя утайка.

- Упражнение 3

Каква сол ще се получи при следващата реакция на неутрализация?

Al (OH) ₃ (s) + 3HCl (aq) →?

Алуминиевият хидроксид се държи като основа, като реагира със солна киселина. В реакция на неутрализация на киселинно-алкална основа (Bronsted-Lowry) водата винаги се образува, така че другият продукт трябва да бъде алуминиев хлорид, AlCl ₃:

Al (OH) ₃ (s) + 3HCl (aq) → AlCl ₃ (aq) + 3H ₂ O

Този път AlCl ₃ не се утаява, тъй като е сол (до известна степен) разтворима във вода.

Препратки

1. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. (2008 г.). Химия (8-мо изд.). CENGAGE Обучение.
2. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
3. Ана Зита. (18 ноември 2019 г.). Химична реакция. Възстановени от: todamateria.com
4. Кашяп Вяс. (23 януари 2018 г.). 19 Готини химични реакции, които доказват науката, са очарователни. Възстановено от: Interestengineering.com
5. BeautifulChemistry.net (nd). Реакцията. Възстановена от: beautifulchemistry.net
6. Wikipedia. (2019). Химическа реакция. Възстановено от: en.wikipedia.org