Химиялық реакциялар. Реакциялардың жіктелуі

Заттар өзара әрекеттесіп әралуан өзгерістерге ұшырайды. Мәселен, бериллий ауадағы оттегімен әрекеттесіп 500°С жоғары температурада бериллий оксидіне ауысады, көмір жанып көмірқышқыл газын түзеді және с. с.

Бір заттың құрамы мен қасиетінің өзгеріп басқа затқа айналуын және бұл кезде атом ядросының құрамында өзгеріс болмайтын құбылысты химиялық деп атайды.

Ауада тотығу, жану, кеннен металдарды алу, темірдің таттануы мұның бәрі химиялық құбылыстар. Оларды өзгеше химиялық өзгерістер, химиялық реакциялар немесе химиялық әрекеттесулер деп атайды.

Химиялық және физикалық құбылыстарды ажырата білу керек.. Физикалық құбылыста заттың пішіні мен физикалық күйі өзгереді немесе атом ядросының құрамы өзгеріп жаңа заттар түзіледі.

Мәселен, газ күйіндегі аммиак сұйық азотпен әрекеттескенде аммиак алғашында сұйық, ал одан кейін қатты күйге өтеді. Бұл химиялық емес, физикалық құбылыс, себебі заттардың (азоттың, аммиактың) құрамы өзгермейді. Жаңа заттардың түзілуіне әкелетін кейбір құбылыстар физикалық құбылысқа жатады. Мәселен, бір элементтің атомынан басқа заттың атомы түзілетін ядролық реакциялар жатады. Мұндай құбылыстарды ядролық физика зерттейді.

Химиялық реакциялар сияқты физикалық кұбылыстар да кең таралған: металл өткізгіштен (сымнан) электр тогының өтуі, металды жаншу және балқыту, жылудың бөлінуі, судың мұзға немесе буға айналуы ж. т. б.

Химнялық реакциялар физикалық құбылыстармен әрдайым бірге жүреді. Мәселен, магний жанғанда жылу мен жарық бөлінеді, ал гальваникалық элементтің химиялық реакция нәтижесінде электр тогы пайда болады.

Атом-молекулалық ілім мен массаның сақталу заңына сай химиялық реакцияда катысқан заттардың атомдарынан жаңа заттар (жәй, күрделі) түзіледі. Әрбір элементтің атомдарының жалпы саны әрдайым тұрақты болады.

Химиялық реакциялар әртүрлі сипаттарына сай жіктеледі:

1. Жылуды бөліп шығару немесе сіңіру сипатына қарай. Жылу бөле жүретін реакцияларды экзотермиялық деп атайды. Мысалы, сутегі мен хлордан хлорсутектің түзілу реакциясы:

Н₂ + С1₂=2НС1, ΔН= –184,6 кДж.

Қоршаған ортадан жылу сіңіре жүретін реакцияларды эндотермиялық деп атайды. Мысалы, жоғарғы температурада жүретін азот пен оттектен азот (II) оксидінің түзілу реакциясы:

N₂ + О₂=2NО ΔН=180,8кДж.

Реакция нәтижесінде бөлініп шыққан немесе сіңіріп алынған жылу мөлшерін процестің жылу эффектісі деп атайды. Әртүрлі процестердің жылу эффектісін зерттейтін химия бөлімін термохимия деп атайды.

Реакциялардың жылу эффектісі келтірілген химиялық теңдеулерді термохимиялық теңдеулер деп атайды. Мұндай тедеулерде формулалар алдындағы коэффициенттер заттардың моль санын көрсетеді, сондықтан да бөлшек сандар болуы мүмкін.

Реакцияның жылу эффектісі температура мен қысымға тәуелді болғандықтан оны қалыпты (стандарттық) жағдайға келтіру келісілген: температура 25°С (298 немесе дәлірек, 298, 15 К), қысым р = 101325 Па≈10ІЗ кПа. Термохимиялық теңдеулерде әрекеттесетін заттардың күйі көрсетіледі: кристалды (к), сұйық (с), газ (г), еріген (е) және т. б.

Жылу эффектісін ΔН деп белгілеу (дельта аш деп оқылады) қабылданған, килоджоулмен (кДж) өрнектеп реакция теңдеуімен анықталған заттың моль санына, шағады. Жылу эффектілерінің таңбалары эндотермиялық процестер үшін оң (жылу сіңіріледі ΔН>0) және экзотермиялық процестер үшін теріс (жылу бөлінеді ΔН<0) деп алынған.

Реакцияның жылу эффектісінің ΔН мәнін түсіндіреміз. Әрбір заттың белгілі бір энтальпиясы (жылу қоры) болады. Энталытия (оны латынша ДН әрпімен белгілейді) зат түзілгенде жиналатын энергияның мөлшері. Тұрақты қысымда реакцияның жылу эффектісі ΔН — реакцияның соңғы өнімдерінің энтальпиясы (Н соңғы деп белгілейді) мен алғашқы әрекеттесуші заттардың энтальпиясының (Н баст. деп белгіленеді) айырымына тең, яғни

ΔН = Н_соңғы—Н_баст (1-4)

Бұл теңдеу ΔН шамасынық физикалық мағынасын(мұндағы грек әрпі Δ — дельта — айырымы деген мағынаны білдіреді) көрсетеді. Изобаралық реакциялар үшін «жылу эффектісі» деген терминнің орнына «процестің энтальпиясы» деген терминді қолданады.

Алғашқы заттар мен реакцияның соңғы өнімдері стандартты күйде болатын болса (Т = 298 К, р≈101,3 кÏа), онда ΔН-ты процестің стандарттық энтальпиясы деп атайды, және ΔН°298 немесе тек қана жоғарғы индекспен ΔН° өрнектейді.

Жоғарыда айтылған бойынша стандартты жағдайда жай заттардан хлорсутектің түзілу экзотермиялық реакциясы мен азот (II) оксидінің түзілу эндотермиялық реакциясының термохимиялық теңдеулері былай жазылады:

I. Н₂(г)+С1₂(г)=2НС1, ΔН⁰₂₉₈ = —184,6 кДж немесе

ІІ. І/2Н₂(г) + 1/2С1₂(г) = НСІ(г), ΔН⁰₂₉₈ = —92,3 кДж/моль

және

I. N₂(г)+0₂(г)=2NO, ΔН⁰₂₉₈ =180,8кДж

II. 1/2N₂(г) + 1/20₂(г)=NO(г), ΔН⁰₂₉₈ =90,4 кДж.

Бұл теңдеулер (II) 0,5 моль газ күйіндегі сутегі мен газ күйіндегі 0,5 моль хлор (стандартты жағдайда) 1 моль газ күйіндегі хлорсутекке айналғанда 92,3 кДж жылу бөліп шығаратындығын, ал газ күйіндегі 0,5 моль азот пен газ күйіндегі 0,5 моль оттегі (стандартты жағдайда) газ күйіндегі азот (II) оксидіне айналғанда 90,4 кДж жылу қабылдап алатындығын көрсетеді.

Бұл реакциялардың теңдеулерінде (1) «моль» деген сөз жазылмаған себебі ΔН бір мольге емес екі мольге қатынасты. Экзотермиялық реакциялар үшін ΔН шамасының алдындағы минус алғашқы заттарға қарағанда реакция өнімдерінде энергия корының аз екендігін көрсетеді. Эндотермиялық реакциялар үшін ΔН шамасының алдындағы плюс таңбасы алғашқы заттар-ға қарағанда реакция өнімдері сыртқы ортадан жылу тартып өз энергиясын көбейтетінін көрсетеді.

Егер қосылу реакциясы — жылу шығара жүрсе, онда оған кері реакция — ыдырау реакциясы жылу сіңіре жүреді. Егер қосылу реакциясы жылу сіңіре жүрсе, онда оған кері — ыдырау реакциясы жылу бөле жүреді. Бірінші мысалда 1 моль хлорсутектің түзілуі ΔН⁰₂₉₈ = —92,3 кДж, ал хлорсутектің ыдырауы ΔН⁰₂₉₈ + 92,3 кДж; Екінші мысалда 1 моль азот (П) оксидінің түзілуі ΔН° = 90,4 кДж, ал 1 моль азот (II) оксидінің ыдырауы ΔН⁰₂₉₈ = —90,4 кДж.

Мектепте оқылатын химия мен оқу кұралдарының көпшілігінде жылу эффектісін (3 арқылы белгілейді. Егер жылу бөлінетін болса, онда оның мәні оң, ал егер жылу сіңірілетін болса, онда—теріс болады. Бұдан ΔН = –Q. Жылу эффектісінің біз енгізген белгісін қолдану керек, себебі ол термодина-микамен бірдей болу үшін енгізілген.

Химиялық реакцияның жылу эффектісін арнайы құралдар — калориметрлер арқылы өлшейді. Олардың құрылысы физика мен физикалық химия курстарында сипатталады.

2. Алғашқы және соқғы заттардың санынық өзгеру сипаты бойынша реакциялар мынадай түрге бөлінеді: қосылу, айырылу, орын басу және алмасу.

Реакция нәтижесінде екі немесе бірнеше заттардан бір жаңа зат түзілетін болса, ондай реакцияны қосылу реациясы деп атайды, Мәселен, хлорсутектің аммиакпен әрекеттесуі

НС1 + NН₃=NН₄С1

немесе жай заттардан магний оксидінің түзілуі

2Мg+О₂ = 2МgО

Реакция нәтижесінде бір заттан бірнеше зат түзілетін болса ондай реакцияны айырылу реациясы деп атайды. Мәселен сутек иодидінің айырылуы:

2HJ = Н₂ + J₂ немесе калий перманганатының айырылуы:

2КМnО₄ = К₂МnО₄ + МnО₂+О₂

Жай және күрделі заттардың арасындағы реакция нәтижесінде жай заттың атомы күрделі заттың бір элементінің атомының орнын басса, онда мұндай реакцияны орын басу реациясы деп атайды. Мәселен, мырыштың қорғасын (II) нитратындағы қорғасынның орнын басуы:

Рb(NО₃)₂ + Zn = Zn(NО₃)₂+Рb

немесе бромды хлормен ығыстыру:

2NaВг + С1₂=Вг₂ + 2NаС1

Реакция нәтижесінде екі зат өзінің құрам бөліктерімен екі жаңа зат түзіп алмасатын болса, онда ол реакцияны алмасу реакциясы деп атайды. Мәселен, алюминий оксидінің күкірт қышқылымен әрекеттесуі:

А1₂О₃ + ЗН₂SО₄=А1₂(SО₄)₃ + ЗН₂О

немесе кальций хлоридінің күміс нитратымен әрекеттесуі:

СаСl₂ + 2АgNО₃ = 2АgС1 + Са (NО₃)₂

немесе негіздің қышқылмен әрекеттесуі:

Са(ОН)₂ + 2НС1=СаС1₂ + 2Н₂О

3. Қайтымдылық сипаты бойынша реакциялар қайтымды және қайтымсыз болып бөлінеді

4. Әрекеттесуші заттардың құрамына кіретін атомдардың тотығу дәрежелерінің өзгеру сипаты бойынша реакциялар атомдардың тотығу дәрежелері өзгермей жүретін реакциялар және тотығу-тотықсыздану реакциялары (тотығу дәрежелері өзгере жүретін) болып бөлінеді. Тотығу-тотықсыздану реакциялары туралы