5.6: Види хімічних реакцій

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18713

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Корисно розміщувати хімічні реакції в різні категорії. Тут розглядаються важливі категорії хімічних реакцій.

Найпростіший вид хімічної реакції для візуалізації - це комбінована реакція, в якій дві речовини об'єднуються, утворюючи нову речовину. Речовини можуть бути двома елементами, двома сполуками або елементом і сполукою. Приклад комбінованої реакції виникає при згорянні елементарного вуглецю,

\[\ce{C + O2 \rightarrow CO2}\]

виробляти вуглекислий газ. Оскільки ця реакція генерує лише один продукт, вона відбувається зі 100% економією атомів. Інша комбінована реакція виникає, коли оксид кальцію, СаО, присутній в шарі твердого матеріалу в печі з псевдозрідженим шаром, використовуваної для спалювання вугілля, реагує з діоксидом сірки:

\[\ce{CaO + SO2 \rightarrow CaSO3}\]

Діоксид сірки є потенційним забруднювачем повітря, що утворюється в результаті спалювання сірки, присутньої у вугіллі. Впорскуючи пилоподібне вугілля в пласт СаО та інших мінералів, що зберігаються в рідинно-подібному стані при нагнітанні повітря, діоксид сірки має можливість вступати в реакцію з СаО і не виділяється як забруднювач з газом, що утворюється.

Окрім того, що це комбінована реакція, вищевказана реакція також може називатися реакцією додавання, оскільки SO ₂ додає до CaO. Реакції додавання дуже бажані в практиці зеленої хімії, оскільки вони на 100% атомні економічні.

Протилежністю комбінованої реакції є реакція розкладання. Приклад такої реакції відбувається, коли постійний електричний струм пропускається між двома електродами через воду, до якої додана сіль типу Na ₂ SO ₄, щоб зробити розчин у воді, який електропровідний:

\[\ce{2H2O(l) \: \: \: \underrightarrow{Electrolysis} \: \: \: 2H2(g) + O2(g)}\]

Такі реакції, які відбуваються під дією електрики, пропущеної через розчин, називаються реакціями електролізу. Як написано, реакція на 100% атома економічна. Однак можуть виникнути деякі побічні реакції, які знижують ефективність. Наприклад, домішки хлорид-іона, Cl ^-, слід уникати в розчині, оскільки він може виробляти деяку кількість газу Cl ₂, токсичного, небажаного побічного продукту. Інша неефективність виникає через те, що не вся електроенергія, що пройшла через розчин, використовується для розкладання води.

Прикладом корисної реакції розкладання є високотемпературне розкладання метану,

\[\ce{CH4(g) \: \: \: \underrightarrow{\Delta} \: \: \: C(s) + 2H2(g)}\]

для отримання елементарного газу С і Н ₂ (де трикутник над стрілкою показує, що тепло подається - у цьому випадку до температури 1260—1425° C - для того, щоб реакція відбулася). Елементарний вуглець від цієї реакції утворюється у вигляді дрібного порошку під назвою сажа. Сажа є інгредієнтом пасти в сухих комірках (наприклад, тих, що використовуються в портативних електронних пристроях); вона використовується як наповнювач в шині та для виготовлення електродів для процесів електролізу, таких як той, за допомогою якого отримують алюмінієвий метал.

Реакції розкладання не завжди виробляють елементи. Наприклад, бікарбонат натрію мінерал, NaHCO ₃ може нагріватися,

\[\ce{2NaHCO3(s) \: \: \underrightarrow{\Delta} \: \: Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g)}\]

для отримання карбонату натрію, Na ₂ CO ₃, зазвичай використовується в якості промислової хімічної речовини для обробки води, в очисних розчинів, а також як інгредієнт скла.

Приклад: Використовуючи атомні маси Na 23,0, H 1,0, C 12,0 і O 16,0, обчислити процентну економію атомів вищевказаної реакції для отримання Na ₂ CO _3.

Відповідь: Коли 2 формульні одиниці NaHCO ₃ реагують, виходить 1 формульна одиниця Na ₂ CO ₃. Маси, що беруть участь в одиницях атомної маси, u, такі:

\(\textrm{Mass 2NaHCO}_{3} = 2 \times (23.0 + 1.0 + 12.0 + 3 \times 16.0) = 168 \textrm{ u}\)

\(Na_{2}CO_{3} = 2 \times 23.0 + 12.0 + 3 \times 16.0 = 106 \textrm{ u}\)

\(\textrm{Percent atom economy} = \frac{160 \textrm{ u}}{168 \textrm{ u}} \times 100 = 63.1 \%\)

Реакція заміщення або заміщення - це така, як реакція заліза і сірчаної кислоти,

\[\ce{Fe(s) + H2SO4(aq) \rightarrow H2(g) + FeSO4(aq)}\]

в якому Fe замінює H в H ₂ SO ₄, реакція, показана раніше для приготування FeSO ₄. Ця реакція також підпадає під класифікацію реакцій, що включають виділення газу, в даному випадку виділення водневого газу. Реакція подвійного заміщення, яку також називають реакцією метатезу, є реакцією, в якій дві сполуки торгують іонами або іншими групами. Коли розчинений хлорид кальцію вступає в реакцію з розчиненим карбонатом натрію,

\[\ce{CaCl2(aq) + Na2CO3(aq) \rightarrow CaCO3(s) + 2NaCl(aq)}\]

іон Ca ²⁺ в хлориді кальцію просто перемикає місця з іонами Na ⁺ в карбонаті натрію для отримання твердого карбонату кальцію і NaCl в розчині. Це також реакція опадів, при якій з двох розчинених у воді речовин утворюється твердий матеріал; утворене тверде тіло - осад. Видалення кальцію з води, як показано цією реакцією, є поширеним процесом очищення води, який називається пом'якшенням води. Робиться це тому, що надмірний рівень кальцію викликає утворення накипу, яка може засмітити водопровідні труби і пошкодити сантехнічний апарат. Всякий раз, коли кислота і основа реагують, як показано тут для реакції соляної кислоти з гідроксидом натрію,

\[\ce{HCl(aq) + NaOH(aq) \rightarrow H2O(l) + NaCl(aq)}\]

утворюється вода і сіль. Така реакція являє собою реакцію нейтралізації або просто кислотно-лужну реакцію.

Вправа: Класифікуйте кожну з наступних реакцій як комбінацію, розкладання, заміщення, метатезу, нейтралізацію, осадження або виділення газу. У деяких випадках реакція впишеться не в одну категорію.

(а)\(ce{2Ca(s) + O2(g) \rightarrow 2CaO(s)}\)

(б)\(\ce{2KClO3(s) \underrightarrow{\Delta} 2KCl(s) + 3O2(g)}\)

(c)\(\ce{SO3(g) + H2O(l) \rightarrow H2SO4(aq)}\)

(г)\(\ce{MgCO3(s) + 2HCl(aq) \rightarrow MgCl2(aq) + H2O(l) + CO2(g)}\)

(е)\(\ce{Zn(s) + CuCl2(aq) \rightarrow Cu(s) + ZnCl2(aq)}\)

(f)\(\ce{KOH(aq) + Hcl(aq) \rightarrow KCl(aq) + H2O(l)}\)

(г)\(\ce{MgSO4(aq) + 2KOH(aq) \rightarrow Mg(OH)2(s) + K2SO4(aq)}\)

Відповіді: (а) комбінація, (б) розкладання, еволюція газу, (в) комбінація, (г) метатеза, еволюція газу, (е) заміщення, (f) нейтралізація, метатеза, (g) осадження, метатеза