Д.Г. Кнорре, Л.Ф. Крылова, В.С. Музыкантов - Физическая химия (1134491), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Один из стехнометрических коэффициентов может быть задан произвольно. Если задать у~= — 1, то из приведенных уравнений получатся все остальные коэффициенты — из условия сохранения числа атомов С уз=1, из условия сохранения числа атомов Н уз=2 и из условия сохранения числа атомов О 2уз= — уз — уз= — 8, т.
е. Уз= з~ Соогношення между стехиометрическимн коэффициентами не изменяются, если все их умножить на одно н то же число. Это позволяет записать стехиометрическое уравнение так, чтобы все стехиометрические коэффициенты были целымн числами. Например, в рассматриваемом случае можно уравнение сгорания метана до СО записать в виде 2СНч+ ЗО, = 2СО+4НзО Чаще всего химики пользуются именно такой формой записи, причем из бесчисленного множества вариантов выбирают тот, при котором стехиометрические коэффициенты не имеют отличного от единицы общего делителя.
В растворах электролитов непосредственными участниками химического превращения могут быть ионы. В этом случае стехиометрическое уравнение можно записать в ионной форме. Например, при окислении водного раствора сульфата железа Ре$0з перманганатом калия КМп04 в присутствии серной кислоты ни ионы 80~э-, ни ионы калия фактически не претерпевают никаких превращений. Поэтому уравнение, записанное в ионной форме, 5Рез++ МпОч + 8Н+ =-5Ре'+ + Мп'+ + 4Н,О выглядит существенно проще, чем уравнение, записанное через символы солей, 10Ре50~+2КМпО,+8Н,БОе=бРе,(ЯО,),+К,БО, +2Мп80„+8Н,О При записи уравнения в ионной форме стехиометрнческие коэффициенты должны удовлетворять не только условиям сохранения числа атомов каждого элемента, но и условиям сохранения заряда.
В рассматриваемом примере между стехиометрическими коэффициентами существует пять соотношений, удовлетворяющих условиям сохранения числа атомов Н, О, Мп, Ре и условию сохранения заряда. Если пронумеровать компоненты реакции в том же порядке, как они фигурируют в стехнометрическом уравнении реакции, то этн условия запишутся в виде: Уз+2Уз=О (сохранение числа атомов Н); 169 4уз+уа=О (сохранение атомов О); Уз+уз — — О (сохранение числа атомов Мп); уз+у,=О (сохраненне числа атомов Ге); 2Уг — Уз+ Уз+ ЗУЯ+ 2уз — — О (сохранение заряда). В общем виде соотношения для определения связей между стехиометрическнми коэффициентами можно записать, обозначив через агр число атомов р-го элемента в г-м компоненте, через г,— заряд 1-го компонента.
Обозначим через Лгнгр изменение в результате химической реакции числа молей р-го элемента в г-м компоненте. Это изменение равно изменению числа молей Лл; 1-го компонента, умноженному на число атомов р-го элемента в этом компоненте, т. е. Лпгаг, или, согласно (11.3) и (11.5), (11.7) анзгр=апа р=(угагр. Но суммарное изменение числа атомов каждого элемента должно быть равно нулю независимо от того, насколько прошла реакция, т.
е. независимо от химической переменной $. Это выполняется, если агруг О (11.8) г-г Аналогичное рассуждение для изменения электрического заряда приводит к выражению ~ л,ус=о, (11.9) г-г где гг — число единиц заряда в 1-м компоненте. Соотношения (11.8) и (11.9) в совокупностиобразуютсистемууравнений для нахождения стехиометрических коэффициентов. В качестве примера применения этой системы уравнений рассмотрим реакцию окисления этилового спирта до уксусной кислоты триоксндом хрома в кислой среде. Учтем сразу же, что в реакции пожег принимать участие вода и что процесс может сопровождаться изменением количества ионов водорола в среде, т. е. включнм НзО и Н+ а число компонентов, участвующих в реакции. Стехиометрическое уравнение запишем в виде у,С,НзОН+уэСгО,+у,Н++у,СНэСООН+уэСг'++у,НэО= 0 Уравнения (11.8) в этом случае запишутся в виде 6у~+уз+Яуг+2уэ 0 (сохранение числа атомов Н); у~+Зуз+2уэ+уэ 0 (сохранение числа атомов О); 2у1+2уэ=0 (сохранение числа атомов С); уз+уз 0 (сохранение числа атомов Сг), 100 а уравнеяие (11.9) — в виде уз+Зуа-о.
Один из стехиометрических коэффициентов всегда можно выбрать проиэволь. яо. Положим уз=1. Из двух последних уравнений сразу же следует, что уз= — 1, а уэ — 3. Выражая у, через у~ с помощью третьего уравнения, легко приводим два первых уравнения к виду 2уг+2ув 3, — у,+у,=З, откуда 4уз=9, 4у,= — 3. Следовательно, стехиометрическое уравнение реакции можно записать в виде — з)чСзНэОН вЂ” СгОа — ЗН++з!зСНеСООН+Сгзе+з!чНаО= О Умножив иа 4, чтобы избавиться от дробных стехиометрических коэффициентов, и записав слева исходные вещества, а справа продукты, получаем химическое уравнение ЗСзНзОН+4СгОз+12Н+ ЗСНаСООН+4Сг'++9НзО В принципе может случиться, что взятый набор компонентов недостаточен, т. е. превращение с участием только этих компонентов вообще ие может идти с выполнением условия сохранения числа атомов каждого элемента и условии сохранения заряда.
В этом случае у системы уравнений (11.8), (11.9) отсутствует какое-либо решение, кроме тривиального решения, когда все уз=о. Тогда в ходе решения мы придем к противоречию. Допустим, например, что мы ие учли с самого начала при рассмотрении реакции окисленкя спирта триоксидом хрома воду, как необходимый компонент реакции.
Это эквивалентно тому, что мы положим в стехиометрическом уравнении уз=о. Тот же ход решения приведет нас к двум взаимоисключающим соотношениям 2у~ 3 и — у~ 3. С помощью системы уравнений (11.8), (119) нетрудно выявить и те случаи, когда химический процесс не может быть записан одным стехнометрнческнм уравнением. Допустим, мы захотели бы записать в виде одного стехиометрического уравнення рассмотренное выше неполное сгорание метана. В уравнении у~СНггузОз+узСО+у,СОз+уэНзО= О нам пришлось бы определить пять коэффициентов у,— уз с помощью трех уравнений системы (!!.8), соответствующих условиям сохранения числа атомов трех элементов, участвующих в превращении: Н, С, О. Ясна, что при этом можно ие только произвольно задать один из стехаометрическнх коэффициентов (скажем, положить у~ — 1), но и задать любое соотношение менову коэффициентами уз н уь в том числе и нецелочнсленное.
Рассмотренный способ нахождения стехиометрических коэффициентов является общим. Однако во многих простых случаях химики уравнивают коэффициенты, ие используя (11.8) и (11.9). При этом практически те же операции в силу нх очевидности проделываются в уме. Простые правила уравнивания коэффициентов созданы химиками для реакций окисления — восстановления. Эти правила основаны на учете числа электронов, получаемых нли отдаваемых каждым из участников реакции. В заключение этого раздела следует обратить внимание, что соотношение (11.4) и вытекающие из него определения (!1.5) и 191 (11.6) для химической переменной и ее изменения (дифференциала) выполняются лишь в том случае, когда изменение содержания компонентов в системе происходит только в результате химического преврашения.
Это справедливо, если в систему на протяжении всего процесса не поступают никакие вешества и если из нее не удаляются компоненты реакционной смеси. Иными словами, предполагается, что отсутствует материальный обмен между системой и окружающей средой. Такие системы называются закрытыми. Именно закрытые системы в основном рассматриваются в настоящем курсе. Следует отметить, что понятие «закрытая система» не означает отсутствия ее взаимодействия с окружающей средой; закрытая система может обмениваться со средой энергией.
Если же отсутствует и обмен веществ, и обмен энергией, то система называется изолированной. Наряду с закрытыми системами существуют открытые системы, в которых осуществляется обмен вешеством с окружающей средой. В некоторых случаях при проведении химических реакций используют такие системы. К ним относятся живые организмы, начиная с простейших одноклеточных. Общеизвестно, что неотъемлемым свойством живой материи является обмен веществ, т. е. поступление в организм продуктов питания, а в огромном числе случаев также и кислорода, и вывод из организма вредных продуктов метаболизма.
В открытых системах изменение количества каждого компонента происходит за счет изменения в результате химического процесса и изменения в результате переноса вещества через границу системы. % 1!.2. Гемегенные н гетерогенные химические реакции Химическая реакция, протекающая полностью в пределах одной фазы, чазывается гомогенной химической реакцией.
Примерами гомогенных реакций являются рассмотренные в $11.! сгорание метана (в газовойфаэе) и окислениесульфатажелезаперманганатом калия в растворе серной кислоты (в растворе). Чтобы реакция была гомогенной, совсем не обязательно, чтобы исходные реагенты представляли собой гомогениую систему. Если пропускать газообразный аммиак через раствор соляной кислоты, то в растворе будет образовываться хлорид аммония НН»+ НС! Ы Н,С! Исходная система — аммиак и раствор соляной кислоты — гетерогенна, но реакция гомогенна, она проходит в жидкой фазе за счет растворения в соляной кислоте аммиака. Несущественно также, образуют ли в конечном итоге продукты реакции гомогенную илн гетерогенную систему.
При прибавлении к раствору карбоната нат- 192 рия раствора соляной кислоты выделяется диоксид углерода 1углекислый газ), который образует отдельную фазу. Однако химическая реакция НазСО,+НС1=2МаС14-СО,+ Н,О полностью проходит в растворе и является гомогенной. Реакция, проходящая на границе раздела фаз, называется зетерогенной химической реакцией. Такова, например, реакция оксида кальция с диоксидам углерода СаО+ СОз = Са СО, Она происходит на границе между твердым оксидом СаО и газообразным СОз. Другой пример гетерогенной реакции — взаимодействие металлического цинка с раствором кислоты.
Запишем уравнение этой реакции в ионной форме: Хп+2Н+=-Еп~++ Н Реакция происходит на границе между твердым металлическим цинком и находящимися в растворе ионами водорода. Реакция может быть гетерогенной н в том случае, когда реагенты и продукты не образуют гетерогенную систему.
Например, реакция азота с водородом с образованием аммиака Ыз+ЗНз=2БНз проводится в присутствии твердых катализаторов, например железа, и протекает на поверхности катализатора, хотя и реагенты Нз и Иь и продукт реакции ХНз представляют собой газовую фазу и образуют гомогенную систему. Химическая реакция в растворе или с участием компонентов раствора сопровождается изменением состава раствора.
Например, при растворении цинка в кислоте в растворе появляются ионы цинка, и их концентрация возрастает в ходе реакции. При этом в растворе уменьшается концентрация ионов водорода. Тем самым изменяются и все зависящие от состава свойства раствора. Раствор, компоненты которого участвуют в химическом превращении, является фазой переменного состава.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
