Уравнение химической реакции – модель и реальность

Химия

Основные понятия химии

Химическая эволюция материи

Общая и неорганическая химия

ЛЕКЦИИ В.В.Загорский

Лекция 2. Основные понятия химии.

Д.И.Менделеев [[1]]: "Ближайший предмет химии составляет изучение однородных веществ, из сложения которых составлены все тела мира, превращений их друг в друга и явлений, сопровождающих такие превращения."

Комплект определений из Химической энциклопедии [[2]]:

(Более ранние определения см. в Дополнении 1)

Вещество – вид материи, которая обладает массой покоя. Состоит из элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов, мезонов и др. Химия изучает главным образом вещество, организованное в атомы, молекулы, ионы и радикалы. Такие вещества принято подразделять на простые и сложные (хим. соединения).

Простые вещества образованы атомами одного хим. элемента и потому являются формой его существования в свободном состоянии, напр. Сера, железо, озон, алмаз. Сложные вещества образованы разными элементами и могут иметь состав постоянный (стехиометрические соединения или дальтониды) или меняющийся в некоторых пределах (нестехиометрические соединения или бертоллиды).

Атом (от греч. atomos – неделимый), наименьшая частица химического элемента, носитель его свойств. Каждому химическому элементу соответствует совокупность определенных атомов.

Элементы химические, совокупности атомов с определенным зарядом ядра Z. Д.И.Менделеев определял Э.Х. так: "материальные части простых или сложных тел, которые придают им известную совокупность физических и химических свойств".

Формами существования Э.Х. в свободном виде являются простые вещества.

Молекула (новолат. molecula, уменьшит. от лат. moles – масса), микрочастица, образованная из двух или большего числа атомов и способная к самостоятельному существованию. Имеет постоянный состав (качественный и количественный) входящих в нее атомных ядер и фиксированное число электронов и обладает совокупностью свойств, позволяющих отличать одну молекулу от других, в т.ч. от молекул того же состава.

Ионы (от греч. ion – идущий), одноатомные или многоатомные частицы, несущие электрический заряд. Положительные ионы называют катионами (от греч. kation, буквально – идущий вниз), отрицательные – анионами (от греч. anion, буквально идущий вверх). В свободном состоянии существуют в газовой фазе (в плазме).

Валентность (от лат. valentia – сила), способность атома присоединять или замещать определенное число других атомов или атомных групп с образованием химической связи. Количественной мерой валентности атома элемента Э служит число атомов водорода или кислорода (эти элементы принято считать соответственно одно- и двухвалентными), которые Э присоединяет, образуя гидрид ЭН_х или оксид Э_nО_m. Валентность элемента может быть определена и по другим атомам с известной валентностью. …

В рамках электронной теории химической связи валентность атома определяется числом его неспаренных электронов в основном или возбужденном состоянии, участвующих в образовании общих электронных пар с электронами других атомов.

В химии понятие “валентность” так же относительно, как в физике – “энергия”. Попробуем оценить энергию стакана воды, стоящего на столе. Это, во-первых, потенциальная энергия 180 г воды (для простоты 10 моль). Но это и возможная энергия, которая выделится из протонов воды при нуклеосинтезе [[3]]:

4 ¹H ® ⁴He + 26,7 МэВ

1 эВ = 96,48 кДж/моль; 1 МэВ = 96480000 кДж/моль

Реакции химические (от лат. re- – приставка, означающая обратное действие, и actio – действие), превращения одних веществ (исходных соединений) в другие (продукты реакции) при неизменяемости ядер атомов.

Исходные вещества иногда называют реагентами, однако чаще (особенно в органической химии) термин “реагент” используют по отношению к одному, наиболее активному исходному соединению, определяющему направление химической реакции.

Далеко не всегда химические реакции строго соответствуют тщательно уравненным уравнениям. Скорее наоборот – в большинстве случаев уравнение отражает либо основной процесс, либо наиболее желательный.

Однозначным уравнением невозможно,например, описать реакции растворения в азотной кислоте многих металлов – одновременно идут процессы образования NO₂, NO, N₂O, N₂, NH₄NO₃ [[4]].

В некоторых учебниках и пособиях по химии можно встретить уравнение реакции горения черного (дымного) пороха – самого древнего боевого взрывчатого вещества:

2 KNO₃ + S + 3 C = K₂S + 3 CO₂ + N₂

Левая часть уравнения примерно отражает состав реальных порохов. Однако правая часть не согласуется с экспериментальными данными. В продуктах сгорания черного пороха обнаружено не менее 8 твердых и 6 газообразных веществ. Авторы книги, ориентированной на специалистов-практиков [[5]], предлагают уравнение, более соответствующее реальности, но не отвечающее принятым правилам записи (свободные углерод и сера слева и справа):

74 KNO₃ + 96 C + 30 S + 16 H₂O = 35 N₂ + 56 CO₂ + 14 CO + 3 CH₄ + 2 H₂S + 4 H₂ +

+ 19 K₂CO₃ + 7 K₂SO₄ + 8 K₂S₂O₃ + 2 K₂S + 2 KSCN + (NH₄)₂CO₃ + C + S

Наличие слева воды не удивительно, поскольку в буром древесном угле, используемом в производстве черного пороха, содержание углерода обычно не превышает 75%; такой уголь содержит фрагменты молекул целлюлозы. Кроме того, еще в XIX веке была обнаружена и исследована значительная зависимость состава продуктов горения черного пороха от давления – следовательно, уравнение зависит от условий осуществления реакции [[6]].

В целом традиция сводить химические процессы именно к уравнениям, а не схемам химических реакций (больше всего от этого страдают школьники и абитуриенты) соответствует только химии соединений постоянного состава (дальтонидов). Подавляющее большинство химических реакций нельзя описать уравнениями на 100%, поэтому их обычно разделяют на главную и побочную реакции. Особенно это относится к органической химии.

Дата добавления: 2014-12-16