ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОТЕКАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

СОСТАВИТ КОНСПЕКТ И ВЫПОЛНИТЬ ЗАДАНИЯ

Лекция 7

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

План

1. Строение атома и влияние строения на свойства элемента

2. Ионная связь

3. Ковалентная связь

4. Водородная связь

5. Металлическая связь

 

1. По строению атома все элементы можно разделить на две группы: с завершенным последним квантовым слоем — благородные газы, с незавершенным — все остальные.

Элементы с завершенным слоем при обычных условиях хими­чески инертны, все остальные — активны. Каждый атом стремит­ся быть похожим на инертные газы, т. е. иметь завершенный вне­шний слой (октет), и на пути к этому происходит процесс потери или получения электронов (теория В.Косселя, 1916).

Поведение атомов в химических процессах зависит от того, на­сколько прочно их электроны удерживаются на своих орбиталях.

Энергию, которую необходимо затратить для отрыва электро­на от атома, находящегося в нормальном состоянии, называют энергией ионизации.

Энергия ионизации обычно выражается в электрон-вольтах (эВ); ее часто называют ионизационным потенциалом. Один эВ эквива­лентен 96,6 кДж/моль.

Для многоэлектронных атомов существует несколько энергий ионизации, соответствующих отрыву первого, второго и н-го элек­тронов. Так, отрыв второго электрона от атома лития требует боль­шой энергии (6960 кДж/моль), поэтому в своих соединениях ли­тий одновалентен.

Наиболее легко отдают электроны атомы элементов, у кото­рых на наружной орбите 1, 2, 3 электрона, после чего остается восьмиэлектронная оболочка (октет). В периодах, как правило, ионизационный потенциал увеличивается слева направо. Объяс­няется это тем, что в пределах одной группы увеличивается заряд ядра, а радиус атомов меняется незначительно.

Заряженные отрицательно частицы образуются и при присое­динении электрона к нейтральному атому. Энергия присоедине­ния электрона к атому называется сродством к электрону.

Максимальным сродством к электрону обладают атомы гало­генов: С1 — 3,81; Вг - 3,56; I — 3,29 и S — 2,33.

В пределах рядов слева направо сродство к электрону увеличи­вается, а в подгруппах сверху вниз, как правило, уменьшается.

Наиболее легко присоединяют электроны те атомы, которые достраивают наружную орбиту до восьмиэлектронной, т.е. эле­менты, имеющие на внешнем слое 7, 6, 5, 4 электронов.

 

 

Присоединение одного электрона к атомам кислорода, серы, азота сопровождается выделением энергии. Присоединение же других электронов происходит с затратой энергии вследствие того, что образовавшийся отрицательный ион отталкивает присоеди­няемые электроны.

Сумма энергии ионизации и сродства к электрону называется электроотрицательностью.

2. Рассмотрим с изложенных позиций образование молекулы фторида натрия:

О               0        +1-1

nNa   +   gF  ~* NaF

атом          атом     молекула

)))                     ))

2 8 1                             2 7

Последний электрон в атоме натрия (на М-слое) связан не очень сильно. С другой стороны, атом фтора имеет на L-слое семь электронов и до завершения внешнего слоя к нему можно добавить еще один электрон. Действительно, если атом натрия и атом фтора близко подходят друг к другу, последний электрон натрия может перейти к атому фтора, в результате чего образуется молеку­ла фторида натрия, состоящая из положительного иона натрия и отрицательного иона фтора, испытывающих взаимное притяжение.

Превращение атома в положительно заряженный ион приво­дит к уменьшению его размеров, отрицательно заряженные ионы увеличиваются в размерах по сравнению с атомом, так как ослабляются связи электронов с ядром в силу отталкивания послед­ним избыточного отрицательного заряда. Химическая связь между ионами называется ионной и осуществляется за счёт кулоновских сил притяжения сил притяжения.

Ионы — это заряженные частицы, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов.

Эта связь характерна между атомами металлов и неметаллов, при этом электроны перемещаются из внешнего слоя металлов во внешний слой неметаллов.

Ионных соединений сравнительно немного. Большинство орга­нических, а также многие неорганические соединения не имеют в споем составе ионов.

 

3. В 1916 г. американский ученый Г.Льюис разработал теорию ковалентной химической связи. Он также, как и В. Коссель, исходил из положения, что атомы стремятся иметь восьмиэлектронный внешний слой, электронный октет или элект­ронный дублет (в случае атома водорода).

Химическая связь между атомами образуется в результате того, что их валентные электроны образуют пары (дублеты), общие для обоих атомов. Электроны подобных пар движутся в поле ядер обо­их атомов по так называемым молекулярным орбитам.

Электроны образуют пары при условии, если они имеют про­тивоположные спины. Спаривание электронов с противополож­ными спинами связано с тем, что в пространство, занимаемое «облаком» одного электрона, проникает «облако» другого элект­рона. В результате такого перекрывания в пространстве между ядрами соединяющихся атомов возникает область повышенной электронной плотности, а это приводит к сближению ядер и установлению связи между атомами:

Следовательно, при образовании молекулы электроны, при надлежащие двум разным ядрам, обобществляются, образуя еди­ное электронное облако. Такая двух электронная связь, принадлежащая одновременно двум ядрам, называется ковалентной связью и условно обозначается черточкой, например F—F, 0=0 и т. п.

При образовании молекулы из одинаковых атомов плотность электронного облака оказывается симметричной относительно ядер обоих атомов. Такая ковалентная связь называется неполярной или гомеополярной.

Если же молекула образована различными атомами, то моле­кулярное электронное облако смещается в сторону наиболее элек­троотрицательного атома. Такая ковалентная связь называется по­лярной или гетерополярной. Например, в молекуле хлороводорода общая электронная пара смещена в сторону более электроотрица­тельного атома хлора:

 

В результате у атома хлора возникает некоторый избыточный отрицательный заряд, который называется эффективным, а у атома водорода — равный по величине, но противоположный по знаку эффективный положительный заряд.

 

4. Водородная связь образуется между молекулами. Положительный полюс одной молекулы притягивается к отрицательному полюсу другой молекулы. Связь очень слабая. Характерна для воды, спиртов, органических кислот.

5. Это связь характерна для металлов. Кристаллическая решётка металлов состоит из положительных ионов, между которыми движутся свободные электроны.

 

Задания для самостоятельной работы:

1. Что означают следующие понятия: энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность?

2. Какой из элементов обладает наибольшей электроотрицательностью: хлор, бром, иод, фтор?

3. Что такое ионы? Какая химическая связь называется ионной?

4. Между атомами каких элементов возникает ионная связь?

5. Что такое ковалентная связь? На какие виды по механизму она подразделяется?

6. Между атомами каких элементов возникает ковалентная связь?

7. Какие молекулы называются: а) полярными; б) неполярными; в) ионными? Как по ЭО элементов можно установить характер химической свя­зи в соединении? Как по относительной электроотрицательности элементов можно судить о полярности химической связи в соединении

Лекция 8

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОТЕКАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

План

1. Что такое скорость химических реакций, как вычисляется скорость химических реакций

2. Влияние на скорость реакции различных факторов

3. Химическое равновесие и скорость его смещения

 

1. скорость химической реакции изменение количества вещества, реагирующего в еди­ницу времени, что математически может быть выражено так:

где r¹ — скорость реакции, моль/с; v² — количество веще­ства, моль; ³ — время, с.

Такое определение скорости не позволяет сравнивать скорости реакций, протекающих при различных условиях, так как они оказываются зависимыми не только от условий реакций, но и от количеств реагентов. Ведь очевидно, что чем больше мы взяли реагента, тем большее его количество реагирует в единицу времени. Поэтому в научной практике чаще используется другое определение (для гомогенных реакций):

скорость химической реакции — это изменение количества реагирующего вещества в единицу времени в единице объема

Учитывая, что количество вещества в единице объема — это молярная концентрация С, можем записать:

 

 

Иными словами, скорость реакции — это изменение концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени. А какого именно? Ведь в реакционной системе всегда присутствует несколько веществ.

Напишем уравнение реакции между водородом и азо­том, протекающей в газовой фазе:

N₂ + ЗН₂ = 2NH₃

Видим, что с 1 моль реагирующего азота в реакцию вступает 3 моль водорода и при этом образуется 2 моль ам­миака. Поэтому

r(N₂)=1/3r(H₂)=1/2r(NH₃)

Таким образом, зная скорость реакции по одному из участников реакции (только надо указывать, по какому она определена), можно вычислить скорость реакции по любо­му другому участнику на основании стехиометрических ко­эффициентов в уравнении реакции.

2. Очевидно, что чем прочнее химические связи в веществе, тем труднее оно вступает в реакции. Ведь всякая реакция заключается в перераспределении химических связей между атомами (в результате чего и образуются новые вещества).

Температура. Можно сказать, что в этом состоянии старые связи уже разорвались, а новые еще не образовались. Чтобы реакция осуществилась, сум­марная энергия реагирующих частиц должна быть больше, чем энергия промежуточного состояния, как говорят, час­тицы должны преодолеть энергетический барьер. Высота этого барьера (энергия промежуточного состояния) называ­ется энергией активации. Только так называемые активные молекулы, т. е. молекулы, обладающие достаточно большой энергией, могут преодолеть этот барьер.

Видно, что чем выше температура, тем больше молекул, которые способны перей­ти активационный барьер. С данной энергией активации (высотой барьера) при 500 °С реакция, очевидно, не идет, поскольку практически нет активных молекул.

Скорость реакции определяется скоростью перехода системы через энергетический барьер. Под скоростью пере­хода здесь мы понимаем просто число молекул, перехо­дящих из состояния 1 в состояние 3 в единицу времени (см. рис. 24.8). Очевидно, что там, где барьер ниже, число молекул, преодолевших его, будет больше. Скорость реак­ции в случае б больше, чем в случае а.

Зависимость скорости реакции от температуры очень сильная. Для реакций, происходящих при температурах, близких к комнатным, выполняется правило Вант-Гоффа : при повышении температуры на десять градусов скорость реакции увеличивается в 2—4 раза.

3. На примере реакции рассмотрим 2S0₂ + 0₂ <=> 2S0₃ + 197 кДж

как различные воздействия смещают химическое равновесие. Здесь обсудим причины этого сме­щения. Напомним, что количественно состояние химического равновесия описывается законом дейст­вующих масс¹, который состоит в том, что:

при равновесии (в равновесной химической системе) отно­шение произведения концентраций продуктов реакции (в степенях их стехиометрических коэффициентов) к про­изведению концентраций реагентов (тоже в степенях их стехиометрических коэффициентов) есть величина постоянная, не зависящая от исходных концентраций веществ в реакционной смеси.

Эта постоянная величина, как вы уже знаете, называется константой равновесия. Для вышеприведенной реакции она выражается так:

 

где формулы в квадратных скобках обозначают молярную концентрацию указанных веществ.

При добавлении в реакционную смесь, например кисло­рода, т. е. если возрастает концентрация этого реагента, знаменатель в выражении для К увеличивается, но так как К — константа, то для выполнения этого условия должен увеличиться и числитель. Таким образом, в реакционной смеси возрастает количество продукта реакции. В этом слу­чае говорят о смещении химического равновесия вправо, в сторону продукта.

Итак, при изменении концентрации одного из участни­ков реакции равновесие смещается, что обусловлено зако­ном действующих масс.

По той же причине смещается равновесие реакции при изменении давления. Снова обратимся к реакции окисления сернистого газа. Предположим, что давление повысится, например, в два раза. При этом объем газовой смеси соот­ветственно уменьшится в два раза. Это значит, что концен­трации всех газообразных веществ возрастут в два раза. В этом случае числитель выражения для К увеличится в два раза, а знаменатель в восемь раз, т. е. равенство нарушится. Для его восстановления должны возрасти концентрация ок­сида серы (VI) и уменьшиться концентрации оксида серы (IV) и кислорода. Равновесие сместится вправо.

А как влияет давление на такую реакцию (равновесие между осадком и раствором электролита):

 

 

Изменение давления практически не сказывается на объеме твердых и жидких веществ, т. е. не изменяет их кон­центрацию. Следовательно, равновесие реакций, в которых газы не участвуют, практически не зависит от давления.

Поэтому равновесие реакции

С + С0₂ <=> 2СО

при повышении давления смещается влево (концентрация С не меняется), а равновесие реакции

FeO + Н₂ <=> Fe + Н₂О_г

от давления не зависит, так как количества (в молях) газо­образных веществ (Н₂ и Н₂0) одинаковы слева и справа. «"'

Другой фактор, влияющий на химическое равнове­сие, — температура. При повышении температуры скоро­сти всех реакций (как экзо-, так и эндотермических) увели­чиваются. Причем чем больше энергия активации реакции, тем сильнее ее скорость зависит от температуры.

Обратимся к рисунку 24.8. Энергия активации реакции а больше, чем реакции б. Следовательно, при одинаковом повышении температуры ускорение первой реакции будет больше, чем второй.

Рассматривая тот же рисунок, ответьте на вопрос: «В реакции а энергия активации прямой или обратной ре­акции больше?» Видно, что энергия активации экзотер­мического процесса меньше, чем эндотермического. Это значит, что при повышении температуры обратная реакция ускорится сильнее, чем прямая. Равновесие сместится в сторону эндотермического процесса, т. е. процесса, сопрово­ждающегося поглощением энергии.

На течение химической реакции влияют вещества-ка­тализаторы. Если считать, что на рисунке 24.8 изображены пути одной и той же реакции без катализатора (а) и в его присутствии (б), то видно, что катализатор понижает энер­гии активации как прямой, так и обратной реакции на одну и ту же величину и поэтому равновесия не смещает¹.

Влияние воздействий на химическое равновесие (на са­мом деле на любое равновесие, в том числе механическое, биологическое и др.) суммируется принципом Ле Ша-телье² — Брауна³:

если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается внешнее воздействие, смещающее это равновесие, то рав­новесие смещается в сторону, указанную данным воздей­ствием, до тех пор, пока нарастающее в системе противо­действие не станет равно оказанному действию.

Так, при увеличении концентрации одного из реагентов (исходных веществ) возрастает содержание в системе про­дуктов реакции; при увеличении концентрации одного из продуктов увеличивается количество исходных веществ; при повышении давления происходит процесс, сопровож­дающийся уменьшением объема; при повышении темпе­ратуры происходит процесс, сопровождающийся поглоще­нием теплоты (возрастанием внутренней энергии системы). Возникающее в системе «противодействие» обусловлено изменением концентраций реагентов или продуктов: при накоплении тех или других соответственно ускоряется тот или иной процесс.

Задания для самостоятельной работы:

1 При некоторой температуре (около 2000 °С) в системе

2Н₂ + 0₂ ↔2Н₂О_г

установилось химическое равновесие. В какую сторону оно сместится при добавлении в нее водяного пара? Что значит «сместится»? Концентрации каких веществ и как изменятся?

2) Диссоциация воды — процесс эндотермический:

Н₂О Н⁺ + ОН - 56,9 кДж

Как изменяется степень диссоциации воды с повышением температуры?

3) Для каких реакций повышение давле­ния смещает равновесие в том же направлении, что и пони­жение температуры?

1) СО + Н₂0_ж <=> С0_2,г+ Н_2,г + Q 4) С_т + С0_2г <=>2CO_r + Q

2) 2S0_{2 г} + 0_{2 г} <=> 2S0_{3 г} + Q     5)Н_2,г + С1_2г2НС1_г + Q

3) 2N0_{2 г} <=> 2NO_r + 0_{2 г} - Q       6) РС1_3,Г + С1_2>г<=>PC1_5г + Q

 

 

---

Дата добавления: 2020-11-23; просмотров: 50; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!