А пойдёт ли реакция?

А пойдёт ли реакция?

Как следует в основном из школьных учебников (но более всего из заданий на экзаменах по химии, как ЕГЭ, так и ОГЭ), основной задачей химии является ответ на вопрос: а идёт ли реакция между веществами А и Б? А, если идёт, то какие в итоге получатся продукты?
Но задания на экзамене, как правило, построены по схеме: возможно ли данное превращение, то есть соответствуют ли данные исходные реагенты (назовём это для краткости (и во избежание путаницы, в данной статье) «реакция». Хотя лучше, конечно, взаимодействие. Но длинно.) данным продуктам (назовём это путь).
Таким образом, в нашей терминологии превращение есть совокупность реакции и пути. А пути, соответствущие некоторой реакции - пути реакции.
Совокупность отображений реакции и пути назовём схемой превращения, уравненная же (по количеству атомов каждого элемента) схема превращения – это уравнение превращения.

Рассмотрим, после данной прелюдии, возможность такого превращения:
AlCl3+NaOH->Al+NaCl
И при этом мы пойдём от самых простых соображений. (а также минимальных знаний о валентности элементов и существовании некоторых химических соединений)
Понятно, что это превращение невозможно, т.к. схему его – невозможно уравнять (то есть превратить в уравнение), ибо в пути его (то есть правой части схемы) отсутствуют элементы О и Н. А значит, она в приниципе неуравниваемо. Но если скорректировать путь вот так:
AlCl3+NaOH->Al+NaCl+Н2О,
то может, тогда удастся уравнять схему превращения?
Однако попытка уравнивания данной схемы показывает, что процесс уравнивания (за счёт перехода по элементу слева направо и обратно) зацикливается после шага уравнивания Н, т.к. это приводит вновь к необходимости уравнивания О и т.д. И выйти из этого замкнутого круга представяется возможным только путём добавления в правую часть еще 3О и 3Na. Учитывая, что существует соединение Na2O, трансформируем:
3О и 3Na = 3/2Na2O+3/2О=3/2Na2O+3/4О2
В итоге получаем следующее уравнение превращения:
AlCl3+6NaOH=Al+3NaCl+3H2O+3/2Na2O+3/4О2
А, учитывая то, что дробные коэффициенты перед формулами веществ в уравнении – это не принято
(а потому и некультурно.
Но почему же так? Ведь под коэффициентами перед формулами веществ можно понимать не только количество молекул этих веществ (как это обычно понимается, хотя молекулы реально существуют только в определённых агрегатных состояниях), но и количество молей этих веществ, которое вполне может быть нецелым),
умножим обе части уравнения на 4 и получим:
4AlCl3+24NaOH=4Al+12NaCl+12H2O+6Na2O+3О2
Таким образом, мы получили безупречное с точки стехиометрии и валентностей элементов уравнение превращения. Но реализуемо ли это превращение на практике? Навряд ли. Но почему? Потому что здесь вступают в свои права уже другие критерии реализумости превращений.

Но о других критериях позже. Сперва же разберём такую задачу: дана реакция С+О2, каково превращение?
Самая 1-ая схема превращения, что приходит на ум:
1)С+О2-> СО2
Но, памятуя о том, что С проявляет и валентность 2, получаем еще одну схему:
2)С+О2-> СО
При каком уже условии реализуется превращение 1, а при каком – превращение 2?
Ответить на этот вопрос помогает уравнивание этих схем:
1)С+О2= СО2
2)С+1/2О2-> СО => 2С+О2-> 2СО (классически это выглядит так. Но, увы, в таком виде мешает пониманию сути вопроса.)
Что же в итоге, какой вывод?

Во-первых, что для одной реакции прервращения вполне уравниеваемы разные пути превращения.
Во-вторых, путь превращения зависит от соотношения количеств исходных реагентов (то есть от соотношения внутри реакции, по нашей терминологии)
Последний вывод можно выразить также следующим образом: путь превращения (для одной реакции) зависит от избыточности или недостаточности того или иного исх.реагента. Но для какого пути превращения? Ведь для пути С+О2-> СО2 недостаточно, если отношение мольных концентраций О2/С<1. Но это по О2. Ибо тогда О2 не хватит, чтобы прореагировал весь С (по по пути С+О2-> СО2) Но для пути С+1/2О2-> СО недостаточность О2 будет иметь место уже при О2/С<1/2.

Итак, резюмируем: об избыточности (или недостаточности) можно говорить только в отношении данного реагента и данного пути превращения (чего не хватает и для чего не хватает (или в избытке)) и устанавливается она по отношению мольных концентраций исходных реагентов. Поэтому утверждение об избыточности данного реагента для данного пути эквивалентно не концентрации его в РЗ, а его относительной концентрации. Поэтому утверждение о том, что при разбавленном данном реагенте реакции превращение идёт по одному пути, а при концентрированном по другому – некорректно.

В реальности, понятно, отношение мольных концентраций исходных реагентов О2/С  в реакционной зоне (далее РЗ) может быть равно не только 1 или, например, 1/2, но и любому другому числу. Что же получится, если О2/С =3/4? Логика подсказывает, что реакция пойдёт сразу (=параллельно) по двум путям:
1)С+О2-> СО2
2)С+1/2О2-> СО
А это значит, что продуктами такого превращения будут одновременно СО2 и СО. А, стало быть, схема такого превращения такова:
С+О2->СО2+СО
Уравняв эту схему, получим:
С+3/4О2->1/2СО2+1/2СО
Просуммируем уравнения базовых путей:
С+О2= СО2
+
С+1/2О2= СО
=
2С+3/2О2= СО2+СО
Отсюда:
С+3/4О2->1/2СО2+1/2СО
=
1/2*(С+О2= СО2)+1/2*(С+1/2О2= СО)

Поэтому вывод: при соотношении концентраций исх. реагентов, промежуточном между соотношениями для базовых путей реакции, имеет место параллельное протекание базовых превращений, то есть сложное превращение. Которое представляет из себя совокупность этих превращений в некотором соотношении. Которое, в свою очередь, зависит от соотношения исх.реагентов в Р.Зоне.
Так, при О2/С =3/4 оба пути рассматриваемой реакции протекают в равной мере (=скорости) Понятно, что если О2/С <3/4, то будет преобладать по скорости путь СО, а при О2/С >3/4 – путь СО2. Отсюда еще 1 вывод:  реализуемость данного превращения имеет меру – скорость. Поэтому можно сказать, что превращение тем менее реализуемо, тем меньше его скорость и наоборот.
Кроме того понятно, что уравнение С+3/4О2->1/2СО2+1/2СО представляет из себя совокупное отображение двух разных превращений, идущих параллельно. А поэтому в нём скрыта информация о реальной сути происходящих процессов.

Посмотрим теперь, что же получится, если О2/С<1/2 То есть даже для пути С+1/2О2-> СО будет иметь место недостаточность О2. Например, так: С+1/4О2. Каков же будет путь реакции?
Вот каков:
С+1/4О2=1/2СО+1/2С
То есть превращение по пути СО будет происходить наполовину (то есть с половинной (возможной) скоростью), в остальном же ничего не будет происходить.(а значит, часть С останется без изменений, т.к. это избыток, даже для самой экономной (по О) реакции.
Можно, руководствуясь «рациональными» соображениями, «сократить» это уравнение, вычтя из обеих его частей 1/2С:
1/2С+1/4О2=1/2СО => 1/2*( С+1/2О2= СО)
Но отображает ли это, последнее, уравнение реальность? Конечно, нет. Ведь в нём нет информации о том, что в РЗ вещество С взято с избытком по отношению даже к пути СО.

***
Возьмём теперь следующую реакцию:
AlCl3+NaOH
Пойдёт ли эта реакция и по какому пути? Многочисленные справочники сообщают, что пути эти таковы:
1)AlCl3+NaOH—Al(OH)3+NaCl
2)AlCl3+NaOH—Na[Al(OH)4]+ NaCl
Причём 1-ый путь реализуется в «разбавленном» растворе NaOH, а 2-ой в «концентрированном». Что же это означает? Уравняв обе схемы, получим ответ на этот вопрос:
1)AlCl3+3NaOH=Al(OH)3+3NaCl
2)AlCl3+4NaOH=Na[Al(OH)4]+3NaCl
Отсюда следует, что AlCl3/NaOH=1/4 – это концентрированный (вообще) р-р NaOH
(а на самом деле по отношению к концентрации AlCl3. Ведь дело в том, что результат реакции, при соблюдении указанного выше отношения мольных концентраций, не зависит от концентраций AlCl3 и NaOH. Но от них зависит скорость превращения: чем меньше концентрации, тем меньше скорость.),
а при AlCl3/NaOH=1/3 – разбавленный.
Если же AlCl3/NaOH<=1/4, то  раствор NaOH (для превращения 2) считается сверхконцентрированным, а при AlCl3/NaOH>=1/3 он становится разбавленным и для превращения 1.(каковы же в этих случаях будут пути реакции?)
Что же будет происходить, если 1/4<AlCl3/NaOH<1/3? Верно, оба указанных превращения будут реализовываться параллельно, в некотором соотношении.

**
Химические справочники сообщают, что реакция Zn(OH)2+KOH идёт по путям:
1)—K[Zn(OH)4]
2)—K2ZnO2+H2O
Причём 1-ый путь реализуется при высокой концентрации KOH. На самом же деле пути эти не зависят от отношения концентраций исходных реагентов. В чём легко убедиться при уравнивании этих схем:
1) Zn(OH)2+2KOH=K2[Zn(OH)4]
2) Zn(OH)2+2KOH=K2ZnO2+2H2O
От чего же тогда на самом деле зависят пути этой реакции? Есть источники, которые сообщают, что путь 1 реализуется в растворе, а путь 2 – при сплавлении исх.реагентов. Почему же путь 2 не может реализоваться в растворе?

Посмотрим на превращение 2 внимательно. В процессе его рвутся связи: ОН – 2 шт, ОК – 2 шт. И точно такие же связи (но только в других местах) и в том же количестве образуются. Что можно в таком случае сказать от энергетическом эффекте данной реакции? И без вычислений понятно, что он равен 0, т.к. на разрыв связей энергия тратится, а при образовании связей – высвобождается. Таким образом, в лице реакции  Zn(OH)2+2KOH=K2ZnO2+2H2O перед нами предстаёт реакция не рыба-не мясо: не экзотермическая и не эндотермическая.
(другой пример такой реакции: СО2+Н2О=Н2СО3. Надо же, а мы-то думали, что таких реакций не бывает! Потому что нам в школе про это не говорили.)
А поэтому такая реакция самопроизвольно не пойдёт.

Кроме того  у такой реакции (нет, превращения), как и следует ожидать, имеются удивительные свойства:
КР  (константа равновесия, то есть отношение скоростей прямой к обратной реакции) данного превращения =1 независимо от температуры в ЗР. (см. уравнение Аррениуса) Поэтому равновесие этой реакции невозможно сдвинуть (то есть разогнать прямую реакцию по отношению к обратной), изменяя температуру в РЗ.
Тогда как же это сделать?
Думаем, думаем, господа!

вперёд http://www.proza.ru/2018/03/15/2279