назад http://www.proza.ru/2017/12/27/138
Идёт ли реакция-2
1-ая статья из данного цикла была на самом деле посвящена ответу на вопрос: что получится, если исходные вещества таковы? И здесь, как выясилость, ответ не получается однозначным (безвариантным) Теперь же мы займёмся именно темой: идёт ли реакция, то есть реагируют ли между собой (в принципе, как-то) заданные исходные вещества?
В каких случаях реакция может не идти?
1)если энергетический эффект реакции отрицателен.
Но это не говорит о том, что данная реакция не может быть в принципе осуществлена, а говорит всего лишь о том, что при нормальных услових реакция не идёт самопроизвольно (вследствие одного лишь контакта реагентов), поскольку для её проведения необходимы дополнительные затраты энергии, причём не прекращающиеся в течение всего процесса реагирования.
Даже тех случаях, когда энергетический эффект реакции положителен может потребоваться, для инициирования реакции, кратковременное нагревание. Например, таковы все процессы горения: горючее нужно сначала нагреть, чтобы немного прошла сам по себе эндотермическая (то есть требующая затрат энергии) полуреакция распада горючего на частицы, способные соединяться с кислородом, в результате чего и начинается уже экзотермическая полуреакция соединения частиц горючего с килородом, которая и покрывает в дальнейшем затраты энергию на разложения горючего, вследствие чего в дальнейшем нагревание уже не нужно - реакция идёт сама по себе.
2)параллельно с прямой реакцией идёт обратная реакция.
Но ведь параллельно с любой реакцией идёт обратная реакция. Если только мы не вставляем палки в колёса этой обратной, выводя из зоны реакции продукты прямой и не только непосредственно химические, то есть вещества-продукты, но и энергетические. Например, если прямая реакция является экзотермической, то её продуктом является также теплота. Следовательно, если её не ввыводить из РЗ, то это подстегнёт обратную реакцию.
Если реакция ведёт к повышению давления в РЗ (и такое происходит только в реакции между газами с образованием газов), то для того, чтобы не растормошить обратную реакцию требуется сброс давления в РЗ.
Поэтому по-хорошему-то в замкнутой реакционной зоне (далее РЗ) всегда образуется смесь исходных реагентов и продуктов реакции в их равновесных концентрациях. Другое дело, что эту точку равновесия можно тоже сдвинуть. Например, изменяя температуру в РЗ. Так, если реакция эндотермическая при НУ (нормальных условиях), то, увеличивая температуру в РЗ, мы сдвигаем равновесие в сторону продуктов реакции, то есть их равновесная концентарция становится больше. Что же делать, чтобы сдвинуть равновесие в сторону продуктов реакции, если реакция экзотермическая? Правильно, нужно понизить температуру в РЗ.
Ну а вот вопрос на засыпку: что для этой же цели нужно делать, если реакция является нуль-реакцией? (то есть ни экзотермической ни эндотермической. Увы, и такие существуют в природе, несмотря на то, что о них не пишут в учебниках. Одним из примеров такой реакции является незабвенная H2CO3=CO2+H2O) Правильный ответ такой: нет способов, с помощью которых можно сдвинуть равновесие нуль-реакции, ибо оно не зависит от температуры.
Если же в процессе реакции не меняется давление (это своеобразная нуль-реакция, только по давлению. И все реакция без газов – это нуль реакции по давлению), то нет способов сдвинуть равновесие в РЗ такой реакции при помощи изменения давления.
Да, вот еще что важное забыл: существуют способы как бы бесплатного в энергетическом плане вывода продуктов реакции из РЗ. А именно, это продукт-газ
(который, подчёркиваю, при открытости РЗ, сам уходит из РЗ, если она жидкая или твёрдая.
Хотя, замечу, и в жидкой он тоже может растворяться. Ведь именно этим и объясняют в учебниках то, что перед закипанием вода как бы белеет. А потому что наполняется моментально, по всему объёму, пузырьками какого-то газа. Что это за газ? Говорят, что этот газ-воздух, доселе бывший растворённым в воде, как бы выпадает в осадок.
Но правильно ли это? Ведь при нагревании-то растворимость увеличивается. Поэтому неправильно точно.
Каково же правильное объяснение «побеления» воды перед закипанием?)
или продукт, который сам выпадает в осадок, то есть превращается в твёрдость, вследствие своей слааабенькой растворимости. (или наоборот, супер-растворимости, при которой данное вещество образует с растворителем никакими молотками неразрушимый сольват, то есть такой, который даже при выпаривании из растворителя не разрушается (например, медный купорос – это на самом деле не CuSO4, а CuSO4*5H2O, то есть пентагидрат сульфата меди) )
Итак, правильное объяснениет побеления воды перед закипанием – это выделение пара из воды не только на поверхности воды, но и в её объёме.)
3)в случае твердого состояния одного из реагентов требуются затраты энергии также и на гомогенизацию зоны реакции. (Ибо это существенно ускоряет реакцию. Да, эта реакция может идти и гетерогенно, то есть на поверхностях контакта фаз, но скорость будет существенно меньше.)
Вообще-то, по-хорошему, эти затраты энергии требуются при любых агрегатных состояниях исходных реагентов (и продуктов реакции)
Но если агрегатные состояния исходных реагентов совпадают (за исключением твёрдостей), то гомогенизации РЗ происходит как бы бесплатно - они сами между собой гомогенизируются, исключительно за свой счёт. (образуя если не истинные, то хотя бы коллоидные растворы, а это уже гомогенизация! Хотя уже в некотором смысле псевдо Но вот в чём вся фигня: жидкости могут быть друг в друге не истинно раствориться. Не говоря уже о газах, поскольку поверхностное натяжение у них практически отсутствует.)
Другой случай «бесплатной» гомогенизации РЗ – это растворение в воде.(или другом растворителе) Ибо за счёт сольватации исходного вещества (высвобождаемой в ней энергии) может быть обеспечено диссоциация его кристаллической решётки.
Наконец, тупо мы можем гомогенизировать РЗ с твёрдыми реагентами, расплавив их.
Но в этом случае мы должны затратить энергию на расплавление, нагревая РЗ.
Наконец, есть еще вариант затратной гомогенизации, но уже нехимической природы. А именно, механическое измельчение исходных твёрдых реагентов, что и используется во всех пиротехнических системах.
Есть еще две фишки у авторов учебников (и пособий) по химии.
А 1-ая фишка такая: взят ли данный исходный реагент с избытком или с недостатком.
И это тоже вызвает агрессивные вопросы: а вы, господа, про стехиметрическое соотношение, что ли, не в курсе? И не в курсе разве о том, что во всякой уравненной химической реакции (в виде её уравнения) все реагенты находятся в данном, вышеупомянутом, отношении? И не в курсе о том, что если по факту это соотношение не соблюдается, то часть одного из исходных реагентов остаётся в том же состоянии, то есть не вступает в реакцию?
Так зачем же бередить химическую душу? Может, уважаемые авторы, вы тут склоняетесь к тому, что просто не знаете, как определить (реальное) стехиометрическое соотношение в данной реакции?
И это легко объяснимо, если реакция идёт (реально) многими путями. Ибо что же тогда делать? Пустить реакцию по максимуму стехиометрического отношения.
Но ведь и это – проблема. Каков этот максимум и в сторону какого исходного реагента?
Например, если инициируем реакцию
Ag+HNO3=* (не идёт)
Почему реакция «не идёт»?
Вовсе не потому, что серебро – слабый (пассивный, ибо он в электрохимическом ряду после водорода) металл. (как говорится в учебниках) А потому что азотная кислота пассивирует этот «слабый» металл.
Для этого разберёмся, что такое пассивация. Это образование, в результате гетерогенной реакции, то есть реакции на поверхности твердого реагента слоя продукта реакции с контактирующим с ним реагентом, что в итоге разрывает контакт между реагентами. Так, кислота, активно реагируя с металлом даже в гетерогенном режиме, в итоге «перегибает палку»: создаёт слой продукта (=соли), закрывающий ей дальнейший доступ к исходному 2-му реагенту. Или кислород из воздуха, так же активно гетерогенно реагирующий с металлом (с которым он находится в контакте «всю жизнь»), создаёт на этом металле слой оксида, который и перекрывает ему, кислороду, дальнейший доступ к телу металла.
Отсюда вопрос: а нельзя ли предотвратить или нейтрализовать результат пассивации? Конечно, можно! Для этого нужно твердый реагент просто измельчить предварительно, как водится, физико-химическим (если это соль, например. То есть растворением.) или механическим (если это металл, ибо металлы, как известно, в водах не растворяются.) путём. Иногда данный вопрос разрешается и просто нагревом РЗ, что вполне нормально, то есть укладывается в лоно теории.
А фишка 2-ая в экзамене по химии – это концентрированная или разбавленная кислота или щёлочь введена в РЗ. Спрашивается, откуда такие прибамбасы, если, во-первых, есть понятие концентрации, также как есть понятие массы, которую, как и концентрацию, можно измерить, то есть выложить в виде числа? А во-вторых, о концентрации продукта в РЗ (но только относительной, к другому реагенту. А как же еще иначе? Ведь результат реакции зависит не от абсолютной, а от относительной концентрации реагентов) говорит коэффициент перед этим реагентом в записи (уравненного) уравнения химической реакции. И пример действия этого показателя был дан уже в 1-ой статье цикла.
В связи с этим вот что известно: в концентрированных кислотах большинство молекул находятся в недиссоциированном состоянии (т.к. растворителя не хватает на полную диссоциацию всей кислоты), поэтому функцию окислителя выполняет не анион кислоты, а ядерный неметалл кислоты.
В результате чего он и восстанавливается, уменьшая свою степень окисления. (то есть положительную степень окисления по модулю)
Например, с 5 (в HNO3) до 4 (в NO2).
Но, в зависимости от активности металла, конечная степень окисления (ядерного элемента кислоты) будет разная. А именно, чем более сильный металл, тем до более низкой степени окисления он восстанавливает ядерный атом кислоты.(то есть в том числе даже до отрицательной, например, в NH4NO3)
Вот пример данного случая:
Ag+2HNO3=AgNO3+NO2+H2O
(тут что-то азот потянуло на восстановление, а не водород. Да потому что что еще делать оставшемуся (O=)2NO.? В присутствии H. В итоге энергетически наиболее выгодным путём
(а это и получается доминантный путь) оказывается 2(O=)2NO.+2Н. =2NO2+H2O.
И тут еще следует добавить что? Если некоторый элемент, присутствующий в РЗ, способен проявлять разные валентности (а здесь это как раз азот, фокусник валентностей, то его тоже может потянуть на смену этой самой валентности. А также и степени окисления, без смены валентности. Например, как в молекуле Н2O2. Здесь валентность О =2, а СО(О)=-1.
То же самое и в NO2. Здесь СО(N)=4, а валентность по-прежнему 5: )
Что же в итоге? Если данный элемент повышает свою валентность в реакции, то это требует затрат энергии (т.к. всякое повышение валентности атома – это распаривание его электронов, на внешней оболочке, то есть разрыв связи между электронами)
В противном случае – энергия высвобождается. Но сколько именно энергии требуется или высвобождается при этом (а именно, при каждом увеличении валентности на 2) – пока не известно, т.к. науке не дают денег на такие мелочи.)
И в данном случае энергия высвобождается, т.к.азот … понижает свою СО.
После этого позволю себе сформулировать, что же такое (возможно!) имеют в виду авторы пособий по химии для подготовки к ЕГЭ и ОГЭ (а также, скорее всего, и составители самих заданий для этих экзаменов) под термином «реакция не идёт» или «продукт реакции такой-то»:
1)для данной комбинации исходных реагентов при нормальных условиях (если условия явно в задаче не указаны) преобладающий путь реакции - такой-то;
2)для данной комбинации исходных реагентов при нормальных условиях (если условия явно в задаче не указаны) реакция происходит как бы бесплатно (с точки зрения химика), то есть без дополнительных затрат энергии на гомогенизацию РЗ.(если они не разрешены. И это так по умолчанию, по идее.)
3)на вопрос «реагирует-не реагирует» желательно выбирать ответ, где лучше (быстрее) реагирует. Но обязательно при норм. условиях.
Успехов Вам, уважаемые читатели, в освоении химии!
А уж и подавно в сдаче экзамена по химии.