1. Химические реакции.
2. Окислительно-восстановительные реакции.
3. Реакции в растворах электролитов.
4. Представление о кислотах и основаниях.
5. Гидролиз солей.
Список литературы.
1. Химические реакции
Химические свойства веществ выявляются в химических реакциях. Химическая реакция заключается в разрыве одних и образовании других связей. Химическая реакция изображается в общем виде уравнением
aA + bB = cC + dD,
где вещества A и B, вступившие в реакцию, называют реагентами (или исходными веществами), а новые вещества C и D, образующиеся в результате протекания реакции, - продуктами (или конечными веществами). Целочисленные параметры a, b, c и d в уравнении реакции называют стехиометрическими коэффициентами.
Химические реакции классифицируются различными способами:
1) По типу взаимодействия:
реакции разложения 2HgO = 2Hg + O2
реакции соединения 2Na + Cl2 = 2NaCl
реакции замещения CuO + H2 = H2O + Cu
реакции двойного обмена CaO + 2HCl = CaCl2 + H2O
Указанные типы нередко совмещаются в более сложных реакциях. Например:
Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + CO2? + H2O.
Эта реакция – одновременно и реакция двойного обмена, и реакция разложения, так как промежуточно образующаяся угольная кислота H2CO3 неустойчива и разлагается на CO2 и H2O.
2) По тепловому эффекту:
экзотермические реакции, протекающие с экзо-эффектом – выделением энергии в форме теплоты (+Q):
C + O2 = CO2 + Q,
эндотермические реакции, протекающие с эндо-эффектом – поглощением энергии в форме теплоты (-Q):
N2 + O2 = 2NO – Q.
3) По направлению протекания процесса реакции подразделяются на необратимые, которые протекают только в прямом направлении и завершаются полным превращением реагентов в продукты:
AgNO3 + NaCl = AgCl? + NaNO3,
и обратимые реакции, которые протекают одновременно в прямом и обратном направлениях, при этом реагенты превращаются в продукты лишь частично (т.е. реакции не идут до конца слева направо):
2SO2 + O2 ? 2SO3.
Необратимость химической реакции подчёркивается в уравнении знаком равенства (=) между формулами реагентов и формулами продуктов, а обратимость реакции – специальным знаком – противоположно направленными стрелками (?).
4) По изменению степеней окисления реакции подразделяются на:
протекающие без изменения степеней окисления всех элементов, входящих в исходные вещества, например
NaOH + HCl = NaCl + H2O,
и окислительно-восстановительные реакции, протекающие с изменением степеней окисления всех или некоторых (или даже хотя бы одного!) элементов, например:
2Cu0 + O0 = 2Cu2+O2-,
Cu2+O2- + H0 = Cu0 + H1+O2-,
Cl0 + 2Na1+O2-H1+ = Na1+Cl1- + Na1+Cl1+O2- + H1+O2-.
2. Окислительно-восстановительные реакции
Окислительно-восстановительные реакции – это химические реакции, протекающие с изменением степени окисления элементов, входящих в состав реагирующих веществ.
Окисление – это процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом. Если атом отдаёт свои электроны, то он приобретает положительный заряд, например:
Zn0 – 2e = Zn2+.
Если отрицательно заряженный ион (заряд –1), например Cl-, отдаёт 1 электрон, то он становится нейтральным атомом:
Cl- - 1e = Cl0.
Если положительно заряженный ион или атом отдаёт электроны, то величина его положительного заряда увеличивается соответственно числу отданных электронов:
Fe2+ - 1e = Fe3+.
Восстановление – это процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом. Если атом присоединяет электроны, то он превращается в отрицательно заряженный ион:
S0 + 2e = S2-.
Если положительно заряженный ион принимает электроны, то величина его заряда уменьшается, например:
Mn7+ + 5e = Mn2+,
или он может перейти в нейтральный атом:
H+ + 1e = H0,
Al3+ + 3e = Al0.
Окислителем является атом, молекула или ион, принимающий электроны. Восстановителем является атом, молекула или ион, отдающий электроны.
Окислитель в процессе реакции восстанавливается, а восстановитель - окисляется.
Следует помнить, что рассмотрение окисления (восстановления) как процесса отдачи (и принятия) электронов атомами или ионами не всегда отражает истинное положение, так как во многих случаях происходит не полный перенос электронов, а только смещение электронного облака от одного атома к другому.
3. Реакции в растворах электролитов
Электролиты – это вещества, растворы которых обладают ионной проводимостью.
Поскольку электролиты в растворах образуют ионы, то для отражения сущности реакций часто используют так называемые ионные уравнения реакций. Написанием ионных уравнений подчёркивается тот факт, что, согласно теории диссоциации, в растворах происходят реакции не между молекулами, а между ионами.
С точки зрения теории диссоциации при реакциях между ионами в растворах электролитов возможны два исхода:
1. Образующиеся вещества – сильные электролиты, хорошо растворимые в воде и полностью диссоциирующие на ионы.
2. Одно (или несколько) из образующихся веществ – газ, осадок или слабый электролит (хорошо растворимый в воде).
Например, можно рассмотреть две реакции:
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2?, (1)
2Al + 2KOH + 6H2O = 2K[Al(OH)4] + 3H2?. (2)
В ионной форме уравнения (1) и (2) запишутся следующим образом:
2Al + 2Na+ + 2OH- + 6 H2O = 2Na+ + 2[Al(OH)4]- + 3H2?, (3)
2Al + 2K+ + 2OH- + 6 H2O = 2K+ + 2[Al(OH)4]- + 3H2?, (4)
В данном случае алюминий не является электролитом, а молекула воды записывается в недиссоциированной форме потому, что является очень слабым электролитом. Неполярные молекулы водорода практически нерастворимы в воде и удаляются из сферы реакции. Одинаковые ионы в обеих частях уравнений (3), (4) можно сократить, и тогда эти уравнения преобразуются в одно сокращённое ионное уравнение взаимодействия алюминия с щелочами:
2Al + 2OH- + 6H2O = 2[Al(OH)4]- + 3H2?. (5)
Очевидно, что при взаимодействии алюминия с любой щелочью реакция будет описываться уравнением (5). Следовательно, ионное уравнение, в отличие от молекулярного, относится не к одной какой-нибудь реакции между конкретными веществами, а к целой группе аналогичных реакций. В этом его большая практическая ценность и значение, например благодаря этому широко используются качественные реакции на различные ионы.
Так, при помощи ионов серебра Ag+ можно обнаружить присутствие в растворе ионов галогенов, а при помощи ионов галогенов можно обнаружить ионы серебра; при помощи ионов бария Ba2+ можно обнаружить ионы SO2- и наоборот.
С учётом вышеизложенного можно сформулировать правило, которым удобно руководствоваться при изучении процессов, протекающих в растворах электролитов.
Реакции между ионами в растворах электролитов идут практически до конца в сторону образования осадков, газов и слабых электролитов.
Следовательно, реакции идут с образованием веществ с меньшей концентрацией ионов в растворе в соответствии с законом действующих масс. Скорость прямой реакции пропорциональна произведению концентраций ионов реагирующих компонентов, а скорость обратной реакции пропорциональна произведению концентраций ионов продуктов. Но при образовании газов, осадков и слабых электролитов ионы связываются (уходят из раствора) и скорость обратной реакции уменьшается.
4. Представление о кислотах и основаниях
Определения кислот и оснований с точки зрения теории диссоциации были даны С. Аррениусом.
Кислотой называется соединение, образующее при диссоциации в водном растворе из положительных ионов только ионы водорода H+. В соответствии с этим определением к кислотам относятся, например, HCl, H2SO4, HNO3, H2S.
Основанием называется соединение, образующее при диссоциации в водном растворе из отрицательных ионов только гидроксид-ионы OH-. По современной номенклатуре основания принято называть гидроксидами элементов с указанием степени окисления: NaOH – гидроксид натрия, KOH – гидроксид калия, Ca(OH)2 – гидроксид кальция, Cr(OH)2 – гидроксид хрома (II), Cr(OH)3 – гидроксид хрома (III).
Гидроксиды металлов принято делить на две группы: растворимые в воде (образованные щелочными и щелочноземельными металлами) и нерастворимые в воде. Основное различие между ними заключается в том, что концентрация ионов OH- в растворах щелочей достаточно высока, для нерастворимых же оснований она определяется растворимостью вещества и обычно очень мала. Тем не менее небольшие равновесные концентрации иона OH- даже в растворах нерастворимых оснований определяют свойства этого класса соединений.
После Аррениуса было показано, что определение кислот и оснований в терминах теории электролитической диссоциации не охватывает всего многообразия кислотно-основных свойств веществ. Дальнейшее развитие химии потребовало уточнить и дополнить определения кислот и оснований.
Согласно протонной теории кислот и оснований, предложенной И. Бренстедом, кислотой называют вещество, отщепляющее при данной реакции протоны, а основанием – вещество, способное принимать протоны. Любая реакция отщепления протона выражается уравнением
кислота ? основание + H+.
На базе таких представлений понятными становятся основные свойства аммиака, который за счёт неподелённой пары электронов атома азота эффективно принимает протон при взаимодействии с кислотами, образуя за счёт донорно-акцепторной связи ион аммония:
HNO3 + NH3 ? NH+ + NO-.
Возможно и ещё более общее определение кислот и оснований. Г. Льюис предположил, что кислотно-основные взаимодействия совсем необязательно происходят с переносом протона. В определении кислот и оснований по Льюису основная роль отводится участию электронных пар в химическом взаимодействии.
Катионы, анионы или нейтральные молекулы, способные принять одну или несколько пар электронов, называют кислотами Льюиса.
Так, например, фторид алюминия AlF3 – кислота, способная принимать электронную пару при взаимодействии с аммиаком:
AlF3 + :NH3 ? [AlF3]:[NH3].
Катионы, анионы или нейтральные молекулы, способные отдавать электронные пары, называют основаниями Льюиса. В только что рассмотренном примере аммиак является основанием.
Определение Г. Льюиса охватывает все кислотно-основные процессы, рассмотренные ранее предложенными теориями.
5. Гидролиз солей
Солями называются соединения, образующие при диссоциации в водном растворе положительно заряженные ионы металлов и отрицательно заряженные ионы кислотных остатков, а иногда кроме них, ионы водорода и гидроксид-ионы, например:
Na2SO4 ? 2Na+ + SO2-,
NaHSO4 ? Na+ + HSO- ? Na+ + H+ + SO2-,
Mg(OH)Cl ? Mg(OH)+ + Cl- ? Mg2+ + OH- + Cl-.
В соответствии с данным определением соли делятся на средние (Na2SO4), кислые (NaHSO4) и основные (Mg(OH)Cl).
Общеизвестно, что реакция чистой воды является нейтральной (pH = 7). Водные растворы кислот и оснований имеют соответственно кислую (pH < 7) и щелочную (pH > 7) реакцию. Практика, однако, показывает, что не только кислоты и основания, но и соли могут иметь щелочную или кислую реакцию – причиной этого является гидролиз солей.
Взаимодействие солей с водой, в результате которого образуются кислота (или кислая соль) и основание (или основная соль), называется гидролизом солей.
Причиной гидролиза является электролитическая диссоциация соответствующих солей и воды. Вода незначительно диссоциирует на ионы H+ и OH-, но в процессе гидролиза один или оба из этих ионов могут связываться ионами, образующимися при диссоциации соли, в малодиссоциированные, летучие или труднорастворимые вещества. Рассмотрим гидролиз солей следующих основных типов:
1. Соли сильного основания и сильной кислоты при растворении в воде (например, NaCl, CaCl2, K2SO4) не гидролизуются, и раствор соли имеет нейтральную реакцию.
2. Соли сильного основания и слабой кислоты, например KClO, Na2CO3, CH3COONa, NaCN, Na2S, K2SiO3.
Запишем уравнение гидролиза ацетата натрия:
CH3COONa + H2O ? CH3COOH + NaOH.
В результате реакции образовался слабый электролит – уксусная кислота. В ионном виде этот процесс можно записать так:
CH3COO- + H2O ? CH3COOH + OH-.
Следовательно, раствор CH3COONa будет проявлять щелочную реакцию.
При растворении солей многоосновных кислот гидролиз протекает ступенчато, например:
Na2S + H2O ? NaHS + NaOH
или в ионной форме
S2- + H2O ? HS- + OH-. (6)
Процесс (6) отражает гидролиз Na2S по первой ступени. Чтобы гидролиз прошёл полностью, как правило, увеличивают температуру процесса:
HS- + H2O ? H2S + OH-.
Таким образом, при растворении в воде соли сильного основания и слабой кислоты раствор приобретает щелочную реакцию вследствие гидролиза.
3. Соли слабого основания и сильной кислоты, например Al2(SO4)3, FeCl2, CuBr2, NH4Cl.
Рассмотрим гидролиз хлорида железа (II):
FeCl2 + H2O ? Fe(OH)Cl + HCl. (7)
В ионном виде этот процесс можно записать так:
Fe2+ + H2O ? Fe(OH)+ + H+. (8)
По второй ступени гидролиз протекает следующим образом:
Fe(OH)+ + H2O ? Fe(OH)2 + H+. (9)
Из реакций (7)-(9) ясно, что в результате гидролиза солей слабого основания и сильной кислоты раствор приобретает кислую реакцию.
4. Соли слабого основания и слабой кислоты, например Al2S3, Cr2S3, CH3COONH4, (NH4)2CO3. При растворении в воде таких солей образуются малодиссоциирующие кислота и основание:
CH3COONH4 + H2O ? CH3COOH + NH4OH
или в ионном виде:
CH3COO- + NH+ + H2O ? CH3COOH + NH4OH.
Реакция среды в растворах подобных солей зависит от относительной силы кислоты и основания. Другими словами, водные растворы таких солей могут иметь нейтральную, кислую или щелочную реакцию в зависимости от констант диссоциации образующихся кислот и оснований.
Так, при гидролизе CH3COONH4 реакция раствора будет слабощелочной, поскольку константа диссоциации гидроксида аммония (K = 6,3 * 10-5) больше константы диссоциации уксусной кислоты (K = 1,75 * 10-5).
Список литературы
1. Кузьменко Н. Е., Еремин В. В., Попков В. А. Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы: В 2 т. М.: 1-я Федерат. книготорг. компания, 1998.
2. Хомченко Г. П. Химия для поступающих в вузы. М.: Высшая школа, 1988.
3. Фримантл М. Химия в действии: В 2 ч. М.: Мир, 1991.
- 8 -