9.1. Các phản ứng hóa học là gì?
Chúng ta hãy nhớ rằng chúng ta gọi bất kỳ hiện tượng hóa học nào trong tự nhiên là phản ứng hóa học. Trong một phản ứng hóa học, một số bị phá vỡ và một số khác hình thành. liên kết hóa học. Kết quả của phản ứng là các chất khác thu được từ một số chất hóa học (xem Chương 1).
Thực hiện bài tập về nhàĐến § 2.5, bạn đã làm quen với việc lựa chọn truyền thống bốn loại phản ứng chính từ toàn bộ tập hợp các biến đổi hóa học, sau đó bạn đề xuất tên của chúng: phản ứng kết hợp, phân hủy, thay thế và trao đổi.
Ví dụ về phản ứng hợp chất:
C + O 2 = CO 2; (1)
Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3; (2)
NH 3 + CO 2 + H 2 O = NH 4 HCO 3. (3)
Ví dụ về các phản ứng phân hủy:
2Ag 2 O 4Ag + O 2; (4)
CaCO3 CaO + CO2; (5)
(NH 4) 2 Cr 2 O 7 N 2 + Cr 2 O 3 + 4H 2 O. (6)
Ví dụ về các phản ứng thay thế:
CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu; (7)
2NaI + Cl 2 = 2NaCl + I 2; (8)
CaCO 3 + SiO 2 = CaSiO 3 + CO 2. (9)
| Phản ứng trao đổi- phản ứng hóa học trong đó các chất ban đầu dường như trao đổi thành phần. |
Ví dụ về phản ứng trao đổi:
Ba(OH) 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 + 2H 2 O; (10)
HCl + KNO 2 = KCl + HNO 2; (11)
AgNO3 + NaCl = AgCl + NaNO3. (12)
Phân loại truyền thống phản ứng hóa học không bao gồm hết sự đa dạng của chúng - ngoài các phản ứng thuộc bốn loại chính, còn có nhiều phản ứng phức tạp hơn.
Việc xác định hai loại phản ứng hóa học khác dựa trên sự tham gia của hai hạt phi hóa học quan trọng: electron và proton.
Trong một số phản ứng, xảy ra sự chuyển hoàn toàn hoặc một phần electron từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Trong trường hợp này, trạng thái oxy hóa của nguyên tử của các nguyên tố tạo nên chất ban đầu thay đổi; trong số các ví dụ đã cho, đây là các phản ứng 1, 4, 6, 7 và 8. Những phản ứng này được gọi là oxi hóa khử.
Trong một nhóm phản ứng khác, ion hydro (H +), tức là proton, truyền từ hạt phản ứng này sang hạt phản ứng khác. Những phản ứng như vậy được gọi là phản ứng axit-bazơ hoặc phản ứng chuyển proton.
Trong số các ví dụ đã cho, những phản ứng như vậy là phản ứng 3, 10 và 11. Tương tự với các phản ứng này, phản ứng oxi hóa khử đôi khi được gọi là phản ứng chuyển điện tử. Bạn sẽ làm quen với OVR trong § 2 và với KOR trong các chương sau.
PHẢN ỨNG HỢP HỢP, PHẢN ỨNG PHÂN HỦY, PHẢN ỨNG THAY THẾ, PHẢN ỨNG TRAO ĐỔI, PHẢN ỨNG oxi hóa khử, PHẢN ỨNG ACID-Bazơ.
Viết các phương trình phản ứng tương ứng với các sơ đồ sau:
a) HgO Hg + O 2 ( t); b) Li 2 O + SO 2 Li 2 SO 3; c) Cu(OH) 2 CuO + H 2 O ( t);
d) Al + I 2 AlI 3; e) CuCl2 + Fe FeCl2 + Cu; đ) Mg + H 3 PO 4 Mg 3 (PO 4) 2 + H 2 ;
g) Al + O 2 Al 2 O 3 ( t); i) KClO 3 + P P 2 O 5 + KCl ( t); j) CuSO 4 + Al Al 2 (SO 4) 3 + Cu;
l) Fe + Cl 2 FeCl 3 ( t); m) NH 3 + O 2 N 2 + H 2 O ( t); m) H 2 SO 4 + CuO CuSO 4 + H 2 O.
Chỉ định kiểu truyền thống phản ứng. Nêu tên các phản ứng oxi hóa khử và axit-bazơ. Trong các phản ứng oxi hóa khử, hãy chỉ ra nguyên tử nào của các nguyên tố thay đổi trạng thái oxy hóa.
9.2. Phản ứng oxi hóa khử
Chúng ta hãy xem xét phản ứng oxi hóa khử xảy ra trong lò cao trong quá trình sản xuất công nghiệp sắt (chính xác hơn là gang) từ quặng sắt:
Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2.
Hãy xác định trạng thái oxi hóa của các nguyên tử tạo nên chất ban đầu và sản phẩm phản ứng
| Fe2O3 | + | = | 2Fe | + |
Như bạn có thể thấy, mức độ oxy hóa của các nguyên tử carbon tăng lên do phản ứng, mức độ oxy hóa của các nguyên tử sắt giảm và mức độ oxy hóa của các nguyên tử oxy không thay đổi. Do đó, các nguyên tử carbon trong phản ứng này trải qua quá trình oxy hóa, nghĩa là chúng bị mất electron ( bị oxy hóa) và các nguyên tử sắt – khử, nghĩa là chúng thêm các electron ( đã phục hồi) (xem § 7.16). Để mô tả đặc điểm của OVR, các khái niệm được sử dụng chất oxy hóa Và chất khử.
Do đó, trong phản ứng của chúng ta, các nguyên tử oxy hóa là nguyên tử sắt và nguyên tử khử là nguyên tử carbon.
Trong phản ứng của chúng tôi, chất oxy hóa là oxit sắt (III) và chất khử là carbon (II) monoxide.
Trong trường hợp nguyên tử oxy hóa và nguyên tử khử là bộ phận của cùng một chất (ví dụ: phản ứng 6 ở đoạn trước), khái niệm “chất oxy hóa” và “chất khử” không được sử dụng.
Như vậy, các tác nhân oxy hóa điển hình là những chất chứa các nguyên tử có xu hướng nhận electron (toàn bộ hoặc một phần), làm giảm trạng thái oxy hóa của chúng. Trong số các chất đơn giản, chủ yếu là halogen và oxy, ở mức độ thấp hơn là lưu huỳnh và nitơ. Từ các chất phức tạp - những chất chứa nguyên tử ở trạng thái oxy hóa cao hơn không có xu hướng tạo thành các ion đơn giản ở trạng thái oxy hóa này: HNO 3 (N +V), KMnO 4 (Mn +VII), CrO 3 (Cr +VI), KClO 3 (Cl +V), KClO 4 (Cl +VII), v.v.
Các chất khử điển hình là những chất có chứa các nguyên tử có xu hướng nhường hoàn toàn hoặc một phần electron, làm tăng trạng thái oxy hóa của chúng. Trong số các chất đơn giản, đó là hydro, kiềm và kim loại kiềm thổ, cũng như nhôm. Trong số các chất phức tạp - H 2 S và sunfua (S –II), SO 2 và sulfite (S +IV), iodua (I –I), CO (C +II), NH 3 (N –III), v.v.
TRONG trường hợp chung Hầu như tất cả các chất phức tạp và nhiều chất đơn giản đều có thể thể hiện cả tính chất oxy hóa và tính khử. Ví dụ:
SO 2 + Cl 2 = S + Cl 2 O 2 (SO 2 là chất khử mạnh);
SO 2 + C = S + CO 2 (t) (SO 2 là chất oxy hóa yếu);
C + O 2 = CO 2 (t) (C là chất khử);
C + 2Ca = Ca 2 C(t) (C là chất oxi hóa).
Hãy quay lại phản ứng mà chúng ta đã thảo luận ở đầu phần này.
| Fe2O3 | + | = | 2Fe | + |
Xin lưu ý rằng do phản ứng, các nguyên tử oxy hóa (Fe + III) biến thành nguyên tử khử (Fe 0) và nguyên tử khử (C + II) biến thành nguyên tử oxy hóa (C + IV). Nhưng CO 2 là chất oxy hóa rất yếu trong mọi điều kiện, và sắt, mặc dù là chất khử, nhưng trong những điều kiện này yếu hơn CO rất nhiều. Do đó, các sản phẩm phản ứng không phản ứng với nhau và phản ứng nghịch không xảy ra. Ví dụ đã cho là minh họa cho nguyên tắc chung xác định hướng của dòng OVR:
Phản ứng oxi hóa khử diễn ra theo hướng hình thành chất oxy hóa yếu hơn và chất khử yếu hơn.
Tính chất oxi hóa khử của các chất chỉ có thể được so sánh trong những điều kiện giống nhau. Trong một số trường hợp, sự so sánh này có thể được thực hiện một cách định lượng.
Khi làm bài tập về đoạn đầu tiên của chương này, bạn đã bị thuyết phục rằng việc chọn hệ số trong một số phương trình phản ứng (đặc biệt là ORR) là khá khó khăn. Để đơn giản hóa nhiệm vụ này trong trường hợp phản ứng oxi hóa khử, hai phương pháp sau được sử dụng:
MỘT) phương pháp cân điện tử
Và
b) phương pháp cân bằng electron-ion.
Bây giờ bạn sẽ học phương pháp cân bằng điện tử và phương pháp cân bằng điện tử-ion thường được nghiên cứu trong các cơ sở giáo dục đại học.
Cả hai phương pháp này đều dựa trên thực tế là các electron trong các phản ứng hóa học không biến mất cũng không xuất hiện ở bất cứ đâu, nghĩa là số lượng electron được các nguyên tử chấp nhận bằng số lượng electron mà các nguyên tử khác nhường cho.
Số lượng electron đã cho và được chấp nhận trong phương pháp cân bằng điện tử được xác định bởi sự thay đổi trạng thái oxy hóa của các nguyên tử. Khi sử dụng phương pháp này cần phải biết thành phần của cả chất ban đầu và sản phẩm phản ứng.
Hãy xem xét ứng dụng của phương pháp cân điện tử bằng các ví dụ.
Ví dụ 1. Hãy lập phương trình phản ứng của sắt với clo. Được biết, sản phẩm của phản ứng này là sắt(III) clorua. Hãy viết sơ đồ phản ứng:
Fe + Cl 2 FeCl 3 .
Hãy xác định trạng thái oxi hóa của nguyên tử của tất cả các nguyên tố tạo nên các chất tham gia phản ứng:
Nguyên tử sắt nhường electron và phân tử clo nhận chúng. Hãy để chúng tôi thể hiện các quá trình này phương trình điện tử:
Fe – 3 e– = Fe +III,
Cl2+2 e –= 2Cl –I.
Để số electron cho bằng số electron nhận, phương trình điện tử thứ nhất phải nhân với hai và phương trình thứ hai với ba:
| Fe – 3 e– = Fe +III, Cl2+2 e– = 2Cl –I |
2Fe – 6 e– = 2Fe +III, 3Cl 2 + 6 e– = 6Cl –I. |
Bằng cách đưa hệ số 2 và 3 vào sơ đồ phản ứng, chúng ta thu được phương trình phản ứng:
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3.
Ví dụ 2. Hãy lập phương trình phản ứng cháy phốt pho trắng lượng clo dư thừa. Được biết, phốt pho (V) clorua được hình thành trong các điều kiện sau:
| +V –I | ||||
| P 4 | + | Cl2 | PCl5. |
Các phân tử phốt pho trắng nhường electron (oxy hóa) và các phân tử clo chấp nhận chúng (khử):
| P 4 – 20 e– = 4P +V Cl2+2 e– = 2Cl –I |
1 10 |
2 20 |
P 4 – 20 e– = 4P +V Cl2+2 e– = 2Cl –I |
P 4 – 20 e– = 4P +V 10Cl 2 + 20 e– = 20Cl –I |
Các số nhân thu được ban đầu (2 và 20) có ước số chung, trong đó (như các hệ số tương lai trong phương trình phản ứng) chúng được chia. Phương trình phản ứng:
P4 + 10Cl2 = 4PCl5.
Ví dụ 3. Hãy lập phương trình phản ứng xảy ra khi nung sắt(II) sunfua trong oxy.
Sơ đồ phản ứng:
| +III –II | +IV –II | |||||
| + | O2 | + |
Trong trường hợp này, cả nguyên tử sắt(II) và lưu huỳnh(–II) đều bị oxy hóa. Thành phần của sắt(II) sunfua chứa các nguyên tử của các nguyên tố này theo tỷ lệ 1:1 (xem chỉ số ở phần công thức đơn giản nhất).
Cân bằng điện tử:
| 4 | Fe+II – e– = Fe +III S–II–6 e– = S +IV |
Tổng cộng họ cho 7 e – |
| 7 | O 2 + 4e – = 2O –II |
Phương trình phản ứng: 4FeS + 7O 2 = 2Fe 2 O 3 + 4SO 2.
Ví dụ 4. Hãy lập phương trình phản ứng xảy ra khi nung sắt(II) disulfua (pyrit) trong oxy.
Sơ đồ phản ứng:
| +III –II | +IV –II | |||||
| + | O2 | + |
Như trong ví dụ trước, cả nguyên tử sắt(II) và nguyên tử lưu huỳnh cũng bị oxy hóa ở đây, nhưng với trạng thái oxy hóa là I. Các nguyên tử của các nguyên tố này có trong thành phần của pyrit theo tỷ lệ 1:2 (xem phần chỉ số trong công thức đơn giản nhất). Về vấn đề này, các nguyên tử sắt và lưu huỳnh phản ứng, điều này được tính đến khi lập cân bằng điện tử:
| Fe+III – e– = Fe +III 2S–I – 10 e– = 2S +IV |
Tổng cộng họ cho 11 e – | |
| O2+4 e– = 2O –II |
Phương trình phản ứng: 4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2.
Ngoài ra còn có những trường hợp ODD phức tạp hơn, một số trường hợp trong số đó bạn sẽ quen khi làm bài tập về nhà.
NGUYÊN TỬ Ôxi hóa, nguyên tử khử, chất oxy hóa, chất khử, phương pháp cân bằng điện tử, phương trình điện tử.
1. Lập cân điện tử cho từng phương trình OVR được nêu trong nội dung § 1 của chương này.
2. Lập các phương trình cho ORR mà bạn đã khám phá khi hoàn thành nhiệm vụ ở § 1 của chương này. Lần này, hãy sử dụng phương pháp cân bằng điện tử để đặt tỷ lệ cược. 3.Dùng phương pháp cân bằng điện tử xây dựng các phương trình phản ứng tương ứng với sơ đồ sau: a) Na + I 2 NaI;
b) Na + O 2 Na 2 O 2 ;
c) Na 2 O 2 + Na Na 2 O;
d) Al + Br 2 AlBr 3;
e) Fe + O 2 Fe 3 O 4 ( t);
e) Fe 3 O 4 + H 2 FeO + H 2 O ( t);
g) FeO + O 2 Fe 2 O 3 ( t);
i) Fe 2 O 3 + CO Fe + CO 2 ( t);
j) Cr + O 2 Cr 2 O 3 ( t);
l) CrO 3 + NH 3 Cr 2 O 3 + H 2 O + N 2 ( t);
m) Mn 2 O 7 + NH 3 MnO 2 + N 2 + H 2 O;
m) MnO 2 + H 2 Mn + H 2 O ( t);
n) MnS + O 2 MnO 2 + SO 2 ( t)
p) PbO 2 + CO Pb + CO 2 ( t);
c) Cu 2 O + Cu 2 S Cu + SO 2 ( t);
t) CuS + O 2 Cu 2 O +SO 2 ( t);
y) Pb 3 O 4 + H 2 Pb + H 2 O ( t).
9.3. Phản ứng tỏa nhiệt. Entanpi
Tại sao xảy ra phản ứng hóa học?
Để trả lời câu hỏi này, chúng ta hãy nhớ tại sao các nguyên tử riêng lẻ kết hợp thành phân tử, tại sao tinh thể ion được hình thành từ các ion riêng biệt và tại sao nguyên lý năng lượng tối thiểu được áp dụng khi lớp vỏ electron của nguyên tử được hình thành. Câu trả lời cho tất cả những câu hỏi này đều giống nhau: bởi vì nó có lợi về mặt năng lượng. Điều này có nghĩa là trong quá trình như vậy năng lượng được giải phóng. Có vẻ như các phản ứng hóa học sẽ xảy ra cũng vì lý do tương tự. Thật vậy, nhiều phản ứng có thể được thực hiện trong đó năng lượng được giải phóng. Năng lượng được giải phóng, thường ở dạng nhiệt.
Nếu trong một phản ứng tỏa nhiệt, nhiệt không có thời gian để loại bỏ thì hệ phản ứng sẽ nóng lên.
Ví dụ, trong phản ứng đốt cháy metan
CH 4 (g) + 2O 2 (g) = CO 2 (g) + 2H 2 O (g)
rất nhiều nhiệt được giải phóng đến nỗi khí mê-tan được sử dụng làm nhiên liệu.
Việc phản ứng này tỏa nhiệt có thể được phản ánh trong phương trình phản ứng:
CH 4 (g) + 2O 2 (g) = CO 2 (g) + 2H 2 O (g) + Q.
Đây là cái gọi là phương trình nhiệt hóa. Ở đây có ký hiệu "+ Q" nghĩa là khi đốt cháy khí metan thì nhiệt lượng tỏa ra. Nhiệt lượng này gọi là hiệu ứng nhiệt của phản ứng.
Nhiệt lượng tỏa ra đến từ đâu?
Bạn biết rằng trong các phản ứng hóa học, các liên kết hóa học bị phá vỡ và hình thành. TRONG trong trường hợp này liên kết giữa các nguyên tử cacbon và hydro trong phân tử CH4 cũng như giữa các nguyên tử oxy trong phân tử O2 bị phá vỡ. Trong trường hợp này, các liên kết mới được hình thành: giữa các nguyên tử carbon và oxy trong phân tử CO 2 và giữa các nguyên tử oxy và hydro trong phân tử H 2 O, bạn cần tiêu hao năng lượng (xem “năng lượng liên kết”, “năng lượng nguyên tử hóa”. ) và khi hình thành liên kết thì năng lượng được giải phóng. Rõ ràng, nếu liên kết “mới” mạnh hơn liên kết “cũ” thì năng lượng được giải phóng sẽ nhiều hơn là được hấp thụ. Sự khác biệt giữa năng lượng giải phóng và năng lượng hấp thụ là hiệu ứng nhiệt của phản ứng.
Hiệu ứng nhiệt (lượng nhiệt) được đo bằng kilôgam, ví dụ:
2H 2 (g) + O 2 (g) = 2H 2 O (g) + 484 kJ.
Ký hiệu này có nghĩa là 484 kilojoules nhiệt sẽ được giải phóng nếu hai mol hydro phản ứng với một mol oxy để tạo ra hai mol nước khí (hơi nước).
Như vậy, trong các phương trình nhiệt hóa, các hệ số bằng số lượng bằng lượng chất của chất phản ứng và sản phẩm phản ứng.
Điều gì quyết định hiệu ứng nhiệt của từng phản ứng cụ thể?
Hiệu ứng nhiệt của phản ứng phụ thuộc
a) về trạng thái kết hợp của chất ban đầu và sản phẩm phản ứng,
b) về nhiệt độ và
c) về việc liệu một sự biến đổi hóa học có xảy ra trong quá trình khối lượng không đổi hoặc ở áp suất không đổi.
Nghiện hiệu ứng nhiệt phản ứng từ trạng thái kết tụ các chất là do các quá trình chuyển từ trạng thái kết tụ này sang trạng thái kết tụ khác (giống như một số quá trình vật lý khác) đều đi kèm với sự giải phóng hoặc hấp thụ nhiệt. Điều này cũng có thể được thể hiện bằng một phương trình nhiệt hóa. Ví dụ - phương trình nhiệt hóa học cho sự ngưng tụ hơi nước:
H 2 O (g) = H 2 O (l) + Q.
Trong các phương trình nhiệt hóa và nếu cần thiết, trong các phương trình hóa học thông thường, trạng thái tổng hợp của các chất được biểu thị bằng các chỉ số chữ cái:
(d) – khí,
(g) – chất lỏng,
(t) hoặc (cr) – chất rắn hoặc tinh thể.
Sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ có liên quan đến sự khác biệt về công suất nhiệt
nguyên liệu ban đầu và sản phẩm phản ứng.
Vì thể tích của hệ luôn tăng do phản ứng tỏa nhiệt ở áp suất không đổi nên một phần năng lượng được dùng để thực hiện công tăng thể tích và nhiệt lượng tỏa ra sẽ ít hơn nếu phản ứng tương tự xảy ra ở thể tích không đổi. .
Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng thường được tính cho các phản ứng xảy ra ở thể tích không đổi ở 25°C và được biểu thị bằng ký hiệu Qồ.
Nếu năng lượng chỉ được giải phóng dưới dạng nhiệt và phản ứng hóa học xảy ra với thể tích không đổi thì hiệu ứng nhiệt của phản ứng ( Q V) bằng với sự thay đổi năng lượng bên trong
(D bạn) các chất tham gia phản ứng nhưng trái dấu:
QV = – bạn.
Nội năng của một cơ thể được hiểu là tổng năng lượng của các tương tác giữa các phân tử, liên kết hóa học, năng lượng ion hóa của tất cả các electron, năng lượng liên kết của các nucleon trong hạt nhân và tất cả các loại năng lượng đã biết và chưa biết khác được “lưu trữ” bởi cơ thể này. Dấu “–” là do khi nhiệt tỏa ra thì nội năng giảm đi. Đó là
bạn= – Q V .
Nếu phản ứng xảy ra ở áp suất không đổi thì thể tích của hệ có thể thay đổi. Thực hiện công việc tăng âm lượng cũng tiêu tốn một phần năng lượng bên trong. Trong trường hợp này
U = –(QP+A) = –(QP+PV.),
Ở đâu Qp- Hiệu ứng nhiệt của phản ứng xảy ra ở áp suất không đổi. Từ đây
Q P = – HƯỚNG LÊNV. .
Một giá trị bằng U+PV. có tên sự thay đổi entanpi và ký hiệu là D H.
H=U+PV..
Kể từ đây
Q P = – H.
Do đó, khi nhiệt được giải phóng, entanpy của hệ giảm. Do đó tên cũ của đại lượng này là: “hàm lượng nhiệt”.
Không giống như hiệu ứng nhiệt, sự thay đổi entanpy đặc trưng cho một phản ứng bất kể nó xảy ra ở thể tích không đổi hay áp suất không đổi. Các phương trình nhiệt hóa viết bằng cách sử dụng biến đổi entanpi được gọi là phương trình nhiệt hóa học ở dạng nhiệt động. Trong trường hợp này, giá trị thay đổi entanpy trong điều kiện tiêu chuẩn (25 °C, 101,3 kPa) được đưa ra, ký hiệu là H ô. Ví dụ:
2H 2 (g) + O 2 (g) = 2H 2 O (g) H ô= – 484 kJ;
CaO (cr) + H 2 O (l) = Ca(OH) 2 (cr) H ô= – 65 kJ.
Sự phụ thuộc của nhiệt lượng tỏa ra trong phản ứng ( Q) do hiệu ứng nhiệt của phản ứng ( Q o) và lượng chất ( N B) một trong những chất tham gia phản ứng (chất B - chất ban đầu hoặc sản phẩm phản ứng) được biểu thị bằng phương trình:
Ở đây B là lượng chất B, được xác định bằng hệ số đứng trước công thức của chất B trong phương trình nhiệt hóa.
Nhiệm vụ
Xác định lượng chất hydro bị đốt cháy trong khí oxi nếu tỏa ra nhiệt lượng 1694 kJ.
Giải pháp
2H 2 (g) + O 2 (g) = 2H 2 O (g) + 484 kJ. |
|
|
Q = 1694 kJ, 6. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng giữa nhôm tinh thể và khí clo là 1408 kJ. Viết phương trình nhiệt hóa của phản ứng này và xác định khối lượng nhôm cần thiết để tạo ra nhiệt lượng 2816 kJ khi sử dụng phản ứng này. 9.4. Phản ứng thu nhiệt. Entropy Ngoài các phản ứng tỏa nhiệt, có thể xảy ra các phản ứng trong đó nhiệt được hấp thụ và nếu không được cung cấp nhiệt thì hệ phản ứng sẽ được làm mát. Những phản ứng như vậy được gọi là thu nhiệt. Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng như vậy là tiêu cực. Ví dụ: Do đó, năng lượng giải phóng trong quá trình hình thành liên kết trong sản phẩm của các phản ứng này và các phản ứng tương tự nhỏ hơn năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết trong các chất ban đầu.
Hãy lấy hai bình và đổ đầy nitơ vào một trong số chúng ( khí không màu), và loại còn lại chứa nitơ dioxit (khí màu nâu) sao cho áp suất và nhiệt độ trong các bình bằng nhau. Được biết, các chất này không phản ứng hóa học với nhau. Hãy nối chặt các bình với cổ của chúng và lắp chúng theo chiều dọc sao cho bình có chứa nitơ dioxide nặng hơn ở phía dưới (Hình 9.1). Sau một thời gian, chúng ta sẽ thấy nitơ dioxide màu nâu lan dần vào bình trên và nitơ không màu thấm vào bình dưới. Kết quả là các khí trộn lẫn và màu sắc của chất chứa trong bình trở nên giống nhau. Như vậy,
Phương trình kết nối giữa entropy ( S) và các đại lượng khác được nghiên cứu trong các môn vật lý và hóa lý. Đơn vị Entropy [ S] = 1J/K. G= H–T S Điều kiện để xảy ra phản ứng tự phát: G< 0. Tại nhiệt độ thấp Yếu tố quyết định khả năng xảy ra phản ứng ở mức độ lớn hơn là hệ số năng lượng và khi cao thì hệ số entropy. Đặc biệt, từ phương trình trên, có thể thấy rõ tại sao nhiệt độ phòng phản ứng phân hủy (tăng entropy) bắt đầu xảy ra ở nhiệt độ cao. PHẢN ỨNG NHIỆT, ENTROPY, YẾU TỐ NĂNG LƯỢNG, YẾU TỐ ENTROPY, NĂNG LƯỢNG GIBBS. 2CuO (cr) + C (graphit) = 2Cu (cr) + CO 2 (g) là –46 kJ. Viết phương trình nhiệt hóa và tính lượng năng lượng cần thiết để tạo ra 1 kg đồng từ phản ứng này. CaCO 3 (cr) = CaO (cr) + CO 2 (g) – 179 kJ 24,6 lít khí cacbonic được tạo thành. Xác định lượng nhiệt đã lãng phí một cách vô ích. Có bao nhiêu gam canxi oxit được tạo thành? |
SỰ ĐỊNH NGHĨA
Phản ứng hóa họcđược gọi là sự biến đổi của các chất trong đó xảy ra sự thay đổi về thành phần và (hoặc) cấu trúc của chúng.
Thông thường, phản ứng hóa học được hiểu là quá trình chuyển hóa chất ban đầu (thuốc thử) thành chất cuối cùng (sản phẩm).
Phản ứng hóa học được viết bằng phương trình hóa học chứa công thức của chất ban đầu và sản phẩm phản ứng. Theo luật bảo toàn khối lượng, số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở bên trái và bên phải phương trình hóa học giống nhau. Thông thường, công thức của các chất ban đầu được viết ở bên trái của phương trình và công thức của các sản phẩm ở bên phải. Sự bằng nhau về số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố ở bên trái và bên phải của phương trình đạt được bằng cách đặt các hệ số cân bằng hóa học nguyên trước công thức của các chất.
Phương trình hóa học có thể chứa thông tin bổ sung về các đặc tính của phản ứng: nhiệt độ, áp suất, bức xạ, v.v., được biểu thị bằng ký hiệu tương ứng ở trên (hoặc “dưới”) dấu bằng.
Tất cả các phản ứng hóa học có thể được nhóm thành nhiều loại, có những đặc điểm nhất định.
Phân loại phản ứng hóa học theo số lượng, thành phần chất ban đầu và chất thu được
Theo cách phân loại này, các phản ứng hóa học được chia thành các phản ứng kết nối, phân hủy, thay thế và trao đổi.
Kết quả là phản ứng phức hợp từ hai chất trở lên (phức tạp hoặc đơn giản) sẽ tạo thành một chất mới. TRONG cái nhìn tổng quát phương trình của phản ứng hóa học như vậy sẽ như thế nào như sau:
Ví dụ:
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3) 2
SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4
2Mg + O2 = 2MgO.
2FeCl2 + Cl2 = 2FeCl3
Các phản ứng của hợp chất trong hầu hết các trường hợp đều tỏa nhiệt, tức là tiến hành giải phóng nhiệt. Nếu các chất đơn giản tham gia vào phản ứng thì những phản ứng đó thường là phản ứng oxi hóa khử (ORR), tức là. xảy ra với sự thay đổi trạng thái oxy hóa của các nguyên tố. Rõ ràng là liệu sẽ có phản ứng kết nối giữa chất phức tạp không thể được coi là OVR.
Các phản ứng dẫn đến sự hình thành một số chất mới khác (phức tạp hoặc đơn giản) từ một chất phức tạp được phân loại là phản ứng phân hủy. Nói chung, phương trình phản ứng hóa học phân hủy sẽ như sau:
Ví dụ:
CaCO 3 CaO + CO 2 (1)
2H 2 O = 2H 2 + O 2 (2)
CuSO 4 × 5H 2 O = CuSO 4 + 5H 2 O (3)
Cu(OH) 2 = CuO + H 2 O (4)
H2SiO3 = SiO2 + H2O (5)
2SO 3 =2SO 2 + O 2 (6)
(NH 4) 2 Cr 2 O 7 = Cr 2 O 3 + N 2 +4H 2 O (7)
Hầu hết các phản ứng phân hủy xảy ra khi đun nóng (1,4,5). Có thể phân hủy do phơi nhiễm dòng điện(2). Sự phân hủy của hydrat tinh thể, axit, bazơ và muối axit chứa oxy(1, 3, 4, 5, 7) xảy ra mà không làm thay đổi trạng thái oxy hóa của các nguyên tố, tức là những phản ứng này không liên quan đến ODD. Phản ứng phân hủy ORR bao gồm phân hủy oxit, axit và muối, được hình thành bởi các yếu tốở trạng thái oxy hóa cao hơn (6).
Phản ứng phân hủy cũng xảy ra ở hóa học hữu cơ, nhưng dưới những tên khác - nứt (8), khử hydro (9):
C 18 H 38 = C 9 H 18 + C 9 H 20 (8)
C 4 H 10 = C 4 H 6 + 2H 2 (9)
Tại phản ứng thay thế chất đơn giản tác dụng với chất phức tạp tạo thành chất đơn giản mới và chất phức tạp mới. Nói chung, phương trình phản ứng thay thế hóa học sẽ như sau:
Ví dụ:
2Al + Fe 2 O 3 = 2Fe + Al 2 O 3 (1)
Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 (2)
2KBr + Cl 2 = 2KCl + Br 2 (3)
2КlO 3 + l 2 = 2KlO 3 + Сl 2 (4)
CaCO 3 + SiO 2 = CaSiO 3 + CO 2 (5)
Ca 3 (PO 4) 2 + 3SiO 2 = 3СаSiO 3 + P 2 O 5 (6)
CH 4 + Cl 2 = CH 3 Cl + HCl (7)
Hầu hết các phản ứng thay thế đều là oxi hóa khử (1 – 4, 7). Rất ít ví dụ về các phản ứng phân hủy trong đó không xảy ra sự thay đổi trạng thái oxy hóa (5, 6).
Phản ứng trao đổi là những phản ứng xảy ra giữa các chất phức tạp trong đó chúng trao đổi các thành phần cấu thành của chúng. Thông thường thuật ngữ này được sử dụng cho các phản ứng liên quan đến các ion trong dung dịch nước. Nói chung, phương trình của phản ứng trao đổi hóa học sẽ như sau:
AB + CD = AD + CB
Ví dụ:
CuO + 2HCl = CuCl 2 + H 2 O (1)
NaOH + HCl = NaCl + H 2 O (2)
NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2 (3)
AgNO3 + KBr = AgBr ↓ + KNO 3 (4)
CrCl 3 + ZNaON = Cr(OH) 3 ↓+ ZNaCl (5)
Phản ứng trao đổi không phải là oxi hóa khử. Trường hợp đặc biệt những phản ứng trao đổi này là phản ứng trung hòa (phản ứng giữa axit và kiềm) (2). Phản ứng trao đổi tiến hành theo hướng trong đó ít nhất một trong các chất được loại bỏ khỏi phạm vi phản ứng ở dạng chất khí(3), trầm tích (4, 5) hoặc hợp chất phân ly kém, thường là nước (1, 2).
Phân loại phản ứng hóa học theo sự thay đổi trạng thái oxy hóa
Tùy thuộc vào sự thay đổi trạng thái oxy hóa của các nguyên tố tạo nên thuốc thử và sản phẩm phản ứng, tất cả các phản ứng hóa học được chia thành phản ứng oxi hóa khử (1, 2) và những phản ứng xảy ra mà không làm thay đổi trạng thái oxy hóa (3, 4).
2Mg + CO 2 = 2MgO + C (1)
Mg 0 – 2e = Mg 2+ (chất khử)
C 4+ + 4e = C 0 (chất oxy hóa)
FeS 2 + 8HNO 3 (conc) = Fe(NO 3) 3 + 5NO + 2H 2 SO 4 + 2H 2 O (2)
Fe 2+ -e = Fe 3+ (chất khử)
N 5+ +3e = N 2+ (chất oxy hóa)
AgNO 3 +HCl = AgCl ↓ + HNO 3 (3)
Ca(OH) 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 ↓ + H 2 O (4)
Phân loại phản ứng hóa học theo hiệu ứng nhiệt
Tùy thuộc vào việc nhiệt (năng lượng) được giải phóng hay hấp thụ trong quá trình phản ứng, tất cả các phản ứng hóa học thường được chia thành tỏa nhiệt (1, 2) và thu nhiệt (3), tương ứng. Lượng nhiệt (năng lượng) toả ra hoặc hấp thụ trong một phản ứng được gọi là hiệu ứng nhiệt của phản ứng. Nếu phương trình chỉ ra lượng nhiệt tỏa ra hoặc hấp thụ thì phương trình đó được gọi là nhiệt hóa.
N 2 + 3H 2 = 2NH 3 +46,2 kJ (1)
2Mg + O 2 = 2MgO + 602,5 kJ (2)
N 2 + O 2 = 2NO – 90,4 kJ (3)
Phân loại phản ứng hóa học theo chiều phản ứng
Dựa vào hướng của phản ứng, người ta phân biệt các phản ứng thuận nghịch ( quá trình hóa học, các sản phẩm có khả năng phản ứng với nhau trong cùng điều kiện thu được để tạo thành chất ban đầu) và không thuận nghịch (các quá trình hóa học trong đó các sản phẩm không thể phản ứng với nhau để tạo thành chất ban đầu).
Vì phản ứng thuận nghịch Phương trình ở dạng tổng quát thường được viết như sau:
A + B ↔ AB
Ví dụ:
CH 3 COOH + C 2 H 5 OH ↔ H 3 COOC 2 H 5 + H 2 O
Ví dụ phản ứng không thể đảo ngược Các phản ứng sau đây có thể phục vụ:
2КlО 3 → 2Кl + ЗО 2
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O
Bằng chứng về tính không thuận nghịch của một phản ứng có thể là sự giải phóng một chất khí, một chất kết tủa hoặc một hợp chất phân ly kém, thường là nước, dưới dạng sản phẩm phản ứng.
Phân loại phản ứng hóa học theo sự có mặt của chất xúc tác
Từ quan điểm này, các phản ứng xúc tác và không xúc tác được phân biệt.
Chất xúc tác là chất làm tăng tốc độ tiến triển của phản ứng hóa học. Các phản ứng xảy ra với sự tham gia của chất xúc tác được gọi là chất xúc tác. Một số phản ứng hoàn toàn không thể xảy ra nếu không có chất xúc tác:
2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (xúc tác MnO 2)
Thông thường một trong các sản phẩm phản ứng đóng vai trò là chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng này (phản ứng tự xúc tác):
MeO+ 2HF = MeF 2 + H 2 O, trong đó Me là kim loại.
Ví dụ về giải quyết vấn đề
VÍ DỤ 1
7.1. Các loại phản ứng hóa học cơ bản
Sự biến đổi các chất kèm theo sự thay đổi thành phần và tính chất của chúng được gọi là phản ứng hóa học hoặc tương tác hóa học. Trong các phản ứng hóa học, không có sự thay đổi về thành phần hạt nhân nguyên tử.
Hiện tượng trong đó hình dạng hoặc tình trạng thể chất chất hoặc thành phần hạt nhân nguyên tử thay đổi gọi là vật chất. Ví dụ hiện tượng vật lý là quá trình xử lý nhiệt của kim loại, bao gồm thay đổi hình dạng của chúng (rèn), nấu chảy kim loại, thăng hoa iốt, chuyển nước thành băng hoặc hơi nước, v.v., cũng như phản ứng hạt nhân, kết quả là nguyên tử của các nguyên tố khác được hình thành từ nguyên tử của một số nguyên tố.
Hiện tượng hóa học có thể đi kèm biến đổi vật lý. Ví dụ, do các phản ứng hóa học xảy ra trong tế bào điện, một dòng điện sẽ phát sinh.
Phản ứng hóa học được phân loại theo các tiêu chí khác nhau.
1. Theo dấu hiệu của hiệu ứng nhiệt, mọi phản ứng được chia thành thu nhiệt(tiến hành hấp thụ nhiệt) và tỏa nhiệt(chảy cùng với sự giải phóng nhiệt) (xem § 6.1).
2. Bởi trạng thái tập hợp Nguyên liệu ban đầu và sản phẩm phản ứng được phân biệt:
phản ứng đồng nhất, trong đó tất cả các chất đều ở cùng một pha:
2 KOH (p-p) + H 2 SO 4 (p-p) = K 2 SO (p-p) + 2 H 2 O (l),
CO(g) + Cl2(g) = COCl2(g),
SiO 2(k) + 2 Mg (k) = Si (k) + 2 MgO (k).
phản ứng không đồng nhất , các chất ở các pha khác nhau:
CaO (k) + CO 2 (g) = CaCO 3 (k),
CuSO 4 (dung dịch) + 2 NaOH (dung dịch) = Cu(OH) 2 (k) + Na 2 SO 4 (dung dịch),
Na 2 SO 3 (dung dịch) + 2HCl (dung dịch) = 2 NaCl (dung dịch) + SO 2 (g) + H 2 O (l).
3. Theo khả năng chỉ chảy theo hướng thuận, cũng như theo hướng trực tiếp và hướng ngược lại phân biệt không thể đảo ngược Và có thể đảo ngược phản ứng hóa học (xem § 6.5).
4. Dựa vào sự có mặt hay vắng mặt của chất xúc tác, người ta phân biệt chất xúc tác Và không xúc tác phản ứng (xem § 6.5).
5. Theo cơ chế xảy ra, các phản ứng hóa học được chia thành ion, cấp tiến v.v. (cơ chế phản ứng hóa học xảy ra với sự tham gia hợp chất hữu cơ, được thảo luận trong quá trình hóa học hữu cơ).
6. Tùy theo trạng thái oxy hóa của các nguyên tử tạo nên chất phản ứng, các phản ứng xảy ra không thay đổi trạng thái oxy hóa nguyên tử và với sự thay đổi trạng thái oxy hóa của nguyên tử ( phản ứng oxi hóa khử) (xem § 7.2) .
7. Phản ứng được phân biệt bằng sự thay đổi thành phần của chất ban đầu và sản phẩm phản ứng kết nối, phân rã, thay thế và trao đổi. Những phản ứng này có thể xảy ra khi có hoặc không có sự thay đổi trạng thái oxy hóa của các nguyên tố, bảng . 7.1.
Bảng 7.1
Các loại phản ứng hóa học
Ví dụ về các phản ứng xảy ra mà không làm thay đổi trạng thái oxy hóa của các nguyên tố |
Ví dụ về phản ứng oxi hóa khử |
||
Kết nối (một chất mới được tạo thành từ hai hay nhiều chất) |
HCl + NH 3 = NH 4 Cl; SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 |
H2 + Cl2 = 2HCl; 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3 |
|
Sự phân hủy (từ một chất tạo ra nhiều chất mới) |
A = B + C + D |
MgCO3 MgO + CO2; H2SiO3SiO2 + H2O |
2AgNO 3 2Ag + 2NO 2 + O 2 |
Thay người (khi các chất tương tác với nhau, nguyên tử của chất này thay thế nguyên tử của chất khác trong phân tử) |
A + BC = AB + C |
CaCO 3 + SiO 2 CaSiO 3 + CO 2 |
Pb(NO 3) 2 + Zn = Mg + 2HCl = MgCl2 + H 2 |
|
(hai chất trao đổi phần tử tạo thành hai chất mới) |
AB + CD = AD + CB |
AlCl3 + 3NaOH = Ca(OH) 2 + 2HCl = CaCl 2 + 2H 2 O |
7.2. Phản ứng oxi hóa khử
Như đã đề cập ở trên, tất cả các phản ứng hóa học được chia thành hai nhóm:
Phản ứng hóa học xảy ra với sự thay đổi trạng thái oxy hóa của các nguyên tử tạo nên chất phản ứng được gọi là phản ứng oxi hóa khử.
quá trình oxy hóa là quá trình nhường electron bởi nguyên tử, phân tử hoặc ion:
Na o – 1e = Na + ;
Fe 2+ – e = Fe 3+ ;
H 2 o – 2e = 2H + ;
2Br – – 2e = Br 2o.
Sự hồi phục là quá trình thêm electron vào nguyên tử, phân tử hoặc ion:
Vậy o + 2e = S 2– ;
Cr 3+ + e = Cr 2+ ;
Cl 2 o + 2e = 2Cl – ;
Mn 7+ + 5e = Mn 2+ .
Nguyên tử, phân tử hoặc ion nhận electron được gọi là chất oxy hóa. Người phục hồi là các nguyên tử, phân tử hoặc ion nhường electron.
Bằng cách nhận electron, chất oxy hóa bị khử trong quá trình phản ứng và chất khử bị oxy hóa. Sự oxi hóa luôn đi kèm với sự khử và ngược lại. Như vậy, số electron mà chất khử nhường luôn bằng số electron mà chất oxi hóa nhận.
7.2.1. Trạng thái oxy hóa
Trạng thái oxy hóa là điện tích có điều kiện (chính thức) của một nguyên tử trong hợp chất, được tính theo giả định rằng nó chỉ bao gồm các ion. Trạng thái oxy hóa thường được biểu thị bằng chữ số Ả Rập phía trên ký hiệu nguyên tố có dấu “+” hoặc “-”. Ví dụ: Al 3+, S 2–.
Để tìm trạng thái oxy hóa, chúng được hướng dẫn bởi các quy tắc sau:
trạng thái oxy hóa của các nguyên tử trong các chất đơn giản bằng không;
tổng đại số các trạng thái oxy hóa của các nguyên tử trong phân tử bằng 0, trong ion phức - điện tích của ion;
trạng thái oxy hóa của nguyên tử kim loại kiềm luôn bằng +1;
nguyên tử hydro trong các hợp chất với phi kim loại (CH 4, NH 3, v.v.) thể hiện trạng thái oxy hóa +1, và với các kim loại hoạt động, trạng thái oxy hóa của nó là –1 (NaH, CaH 2, v.v.);
Nguyên tử flo trong hợp chất luôn thể hiện trạng thái oxi hóa –1;
Trạng thái oxy hóa của nguyên tử oxy trong các hợp chất thường là –2, ngoại trừ peroxit (H 2 O 2, Na 2 O 2), trong đó trạng thái oxy hóa của oxy là –1 và một số chất khác (superoxit, ozonit, oxy florua).
Trạng thái oxy hóa dương tối đa của các nguyên tố trong một nhóm thường bằng số nhóm. Các trường hợp ngoại lệ là flo và oxy, vì trạng thái oxy hóa cao nhất của chúng thấp hơn số lượng nhóm mà chúng được tìm thấy. Các nguyên tố thuộc phân nhóm đồng tạo thành các hợp chất trong đó trạng thái oxy hóa của chúng vượt quá số nhóm (CuO, AgF 5, AuCl 3).
Tối đa mức độ tiêu cực quá trình oxy hóa các nguyên tố được tìm thấy trong các phân nhóm chính bảng tuần hoàn có thể được xác định bằng cách trừ số nhóm từ 8. Đối với carbon là 8 – 4 = 4, đối với phốt pho – 8 – 5 = 3.
Ở các phân nhóm chính, khi di chuyển từ các nguyên tố từ trên xuống dưới thì độ ổn định của trạng thái oxy hóa dương cao nhất giảm; ở các phân nhóm thứ cấp, ngược lại, từ trên xuống độ ổn định của các trạng thái oxy hóa cao hơn lại tăng lên.
Tính quy ước của khái niệm trạng thái oxy hóa có thể được chứng minh bằng ví dụ về một số hợp chất vô cơ và hữu cơ. Đặc biệt, trong các axit phosphinic (phốt pho) H 3 PO 2, photphonic (phốt pho) H 3 PO 3 và axit photphoric H 3 PO 4, trạng thái oxy hóa của phốt pho lần lượt là +1, +3 và +5, trong khi ở tất cả các hợp chất này photpho có hóa trị năm. Đối với cacbon trong metan CH 4, metanol CH 3 OH, formaldehyde CH 2 O, axit formic HCOOH và carbon monoxide (IV) CO 2, trạng thái oxy hóa của carbon lần lượt là –4, –2, 0, +2 và +4, trong khi hóa trị của nguyên tử carbon trong tất cả các hợp chất này là bốn.
Mặc dù thực tế trạng thái oxy hóa là một khái niệm thông thường nhưng nó được sử dụng rộng rãi trong việc tạo ra các phản ứng oxi hóa khử.
7.2.2. Chất oxi hoá và chất khử quan trọng nhất
Các chất oxi hóa điển hình là:
1. Chất đơn giản, nguyên tử của chúng có độ âm điện cao. Trước hết, đây là các phần tử của nhóm con chính VI và Nhóm VII bảng tuần hoàn: oxy, halogen. Trong số các chất đơn giản, chất oxy hóa mạnh nhất là flo.
2. Các hợp chất chứa một số cation kim loại ở trạng thái oxy hóa cao: Pb 4+, Fe 3+, Au 3+, v.v.
3. Các hợp chất chứa một số anion phức, trong đó có các nguyên tố có trạng thái oxi hóa dương cao: 2–, –, v.v.
Các chất khử bao gồm:
1. Các chất đơn giản có nguyên tử có độ âm điện thấp là kim loại hoạt động. Đặc tính phục hồi Các phi kim loại, chẳng hạn như hydro và carbon, cũng có thể biểu hiện.
2. Một số hợp chất kim loại chứa cation (Sn 2+, Fe 2+, Cr 2+), khi cho electron sẽ có thể làm tăng trạng thái oxy hóa của chúng.
3. Một số hợp chất chứa ion đơn giản như I – , S 2– .
4. Các hợp chất chứa các ion phức (S 4+ O 3) 2–, (НР 3+ O 3) 2–, trong đó các nguyên tố có thể, bằng cách nhường electron, làm tăng mức độ tích cực quá trình oxy hóa.
TRONG thực hành thí nghiệm Chất oxi hóa thường được sử dụng nhất là:
thuốc tím (KMnO 4);
kali dicromat (K 2 Cr 2 O 7);
axit nitric (HNO 3);
tập trung axit sulfuric(H2SO4);
hydro peroxide (H 2 O 2);
oxit mangan (IV) và chì (IV) (MnO 2, PbO 2);
kali nitrat nóng chảy (KNO 3) và nóng chảy của một số nitrat khác.
Các chất khử được sử dụng trong thực hành trong phòng thí nghiệm bao gồm:
- magiê (Mg), nhôm (Al) và các kim loại hoạt động khác;
- hydro (H 2) và cacbon (C);
- kali iodua (KI);
- natri sunfua (Na 2 S) và hydro sunfua (H 2 S);
- natri sulfit (Na 2 SO 3);
- thiếc clorua (SnCl2).
7.2.3. Phân loại phản ứng oxi hóa khử
Phản ứng oxi hóa khử thường được chia thành ba loại: phản ứng liên phân tử, phản ứng nội phân tử và phản ứng không cân xứng (tự oxy hóa-tự khử).
Phản ứng liên phân tử xảy ra với sự thay đổi trạng thái oxy hóa của các nguyên tử được tìm thấy trong các phân tử khác nhau. Ví dụ:
2 Al + Fe 2 O 3 Al 2 O 3 + 2 Fe,
C + 4 HNO 3(conc) = CO 2 + 4 NO 2 + 2 H 2 O.
ĐẾN phản ứng nội phân tửĐây là những phản ứng trong đó chất oxy hóa và chất khử là một phần của cùng một phân tử, ví dụ:
(NH 4) 2 Cr 2 O 7 N 2 + Cr 2 O 3 + 4 H 2 O,
2 KNO 3 2 KNO 2 + O 2 .
TRONG phản ứng không cân xứng(tự oxy hóa - tự khử) nguyên tử (ion) của cùng một nguyên tố vừa là chất oxy hóa vừa là chất khử:
Cl 2 + 2 KOH KCl + KClO + H 2 O,
2 NO 2 + 2 NaOH = NaNO 2 + NaNO 3 + H 2 O.
7.2.4. Quy tắc cơ bản để thực hiện các phản ứng oxi hóa khử
Thành phần của phản ứng oxi hóa khử được thực hiện theo các bước trình bày trong bảng. 7.2.
Bảng 7.2
Các bước lập phương trình phản ứng oxi hóa khử
Hoạt động |
|
Xác định chất oxi hóa và chất khử. |
|
Xác định sản phẩm của phản ứng oxi hóa khử. |
|
Tạo cân bằng điện tử và sử dụng nó để ấn định hệ số cho các chất thay đổi trạng thái oxy hóa của chúng. |
|
Sắp xếp hệ số các chất khác tham gia và tạo thành phản ứng oxi hóa khử. |
|
Kiểm tra tính đúng đắn của các hệ số bằng cách đếm lượng chất của các nguyên tử (thường là hydro và oxy) nằm ở bên trái và bên phải của phương trình phản ứng. |
Chúng ta hãy xem xét các quy tắc tạo ra các phản ứng oxi hóa khử bằng ví dụ về sự tương tác của kali sulfite với thuốc tím trong môi trường axit:
1. Xác định chất oxy hóa, chất khử
Nằm ở bằng cấp cao nhất oxi hóa, mangan không thể nhường electron. Mn 7+ sẽ nhận electron, tức là là chất oxi hóa.
Ion S4+ có thể cho hai electron và chuyển sang S6+, tức là là chất khử. Như vậy, trong phản ứng đang xét, K 2 SO 3 là chất khử và KMnO 4 là chất oxy hóa.
2. Hình thành sản phẩm phản ứng
K2SO3 + KMnO4 + H2SO4?
Bằng cách nhường hai electron cho một electron, S 4+ trở thành S 6+. Kali sulfite (K 2 SO 3) do đó chuyển thành sunfat (K 2 SO 4). Trong môi trường axit, Mn 7+ nhận 5 electron và trong dung dịch axit sunfuric (môi trường) tạo thành mangan sunfat (MnSO 4). Kết quả của phản ứng này, các phân tử kali sunfat bổ sung cũng được hình thành (do các ion kali có trong thuốc tím), cũng như các phân tử nước. Do đó, phản ứng đang xét sẽ được viết là:
K 2 SO 3 + KMnO 4 + H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + MnSO 4 + H 2 O.
3. Biên dịch cân bằng điện tử
Để biên soạn cân bằng điện tử, cần chỉ ra các trạng thái oxy hóa thay đổi trong phản ứng đang xem xét:
K 2 S 4+ O 3 + KMn 7+ O 4 + H 2 SO 4 = K 2 S 6+ O 4 + Mn 2+ SO 4 + H 2 O.
Mn 7+ + 5 e = Mn 2+ ;
S 4+ – 2 e = S 6+.
Số electron mà chất khử nhường phải bằng số electron mà chất oxy hóa nhận. Do đó, hai Mn 7+ và năm S 4+ phải tham gia phản ứng:
Mn 7+ + 5 e = Mn 2+ 2,
S 4+ – 2 e = S 6+ 5.
Như vậy, số electron được chất khử (10) nhường sẽ bằng số electron được chất oxy hóa (10) nhận.
4. Sắp xếp các hệ số trong phương trình phản ứng
Để cân bằng electron, cần đặt hệ số 5 trước K 2 SO 3, 2 trước KMnO 4. Ở vế phải, trước kali sunfat ta đặt hệ số 6, vì một phân tử được thêm vào năm phân tử K 2 SO 4 được hình thành trong quá trình oxy hóa kali sulfite K 2 SO 4 do sự liên kết của các ion kali có trong thuốc tím. Vì phản ứng bao gồm hai các phân tử permanganat, ở phía bên phải cũng được hình thành hai phân tử mangan sunfat. Để liên kết các sản phẩm phản ứng (ion kali và mangan có trong thuốc tím), cần thiết ba do đó, các phân tử axit sulfuric là kết quả của phản ứng, ba phân tử nước. Cuối cùng chúng tôi nhận được:
5 K 2 SO 3 + 2 KMnO 4 + 3 H 2 SO 4 = 6 K 2 SO 4 + 2 MnSO 4 + 3 H 2 O.
5. Kiểm tra tính đúng đắn của các hệ số trong phương trình phản ứng
Số nguyên tử oxy ở vế trái của phương trình phản ứng là:
5 3 + 2 4 + 3 4 = 35.
Ở bên phải con số này sẽ là:
6 4 + 2 4 + 3 1 = 35.
Số nguyên tử hydro ở vế trái của phương trình phản ứng là sáu và tương ứng với số nguyên tử này ở vế phải của phương trình phản ứng.
7.2.5. Ví dụ về các phản ứng oxi hóa khử liên quan đến chất oxy hóa và chất khử điển hình
7.2.5.1. Phản ứng oxi hóa khử liên phân tử
Dưới đây, làm ví dụ, chúng tôi xem xét các phản ứng oxi hóa khử liên quan đến kali permanganat, kali dicromat, hydro peroxide, kali nitrit, kali iodua và kali sunfua. Phản ứng oxi hóa khử liên quan đến các chất oxy hóa và chất khử điển hình khác sẽ được thảo luận trong phần thứ hai của sổ tay (“Hóa học vô cơ”).
Phản ứng oxi hóa khử liên quan đến thuốc tím
Tùy thuộc vào môi trường (axit, trung tính, kiềm), thuốc tím, hoạt động như một tác nhân oxy hóa, cho sản phẩm khác nhau phục hồi, Hình. 7.1.
Cơm. 7.1. Sự hình thành các sản phẩm khử thuốc tím trong môi trường khác nhau
Dưới đây là các phản ứng của KMnO 4 với kali sunfua làm chất khử trong các môi trường khác nhau, minh họa sơ đồ, Hình 2. 7.1. Trong các phản ứng này, sản phẩm oxy hóa của ion sunfua là lưu huỳnh tự do. TRONG môi trường kiềm Các phân tử KOH không tham gia phản ứng mà chỉ xác định sản phẩm khử của thuốc tím.
5 K 2 S + 2 KMnO 4 + 8 H 2 SO 4 = 5 S + 2 MnSO 4 + 6 K 2 SO 4 + 8 H 2 O,
3 K 2 S + 2 KMnO 4 + 4 H 2 O 2 MnO 2 + 3 S + 8 KOH,
K 2 S + 2 KMnO 4 – (KOH) 2 K 2 MnO 4 + S.
Phản ứng oxi hóa khử liên quan đến kali dicromat
Trong môi trường axit, kali dicromat là chất oxy hóa mạnh. Hỗn hợp K 2 Cr 2 O 7 và H 2 SO 4 đậm đặc (crom) được sử dụng rộng rãi trong thực hành phòng thí nghiệm như một tác nhân oxy hóa. Tương tác với chất khử, một phân tử kali dicromat nhận sáu electron, tạo thành các hợp chất crom hóa trị ba:
6 FeSO 4 +K 2 Cr 2 O 7 +7 H 2 SO 4 = 3 Fe 2 (SO 4) 3 +Cr 2 (SO 4) 3 +K 2 SO 4 +7 H 2 O;
6 KI + K 2 Cr 2 O 7 + 7 H 2 SO 4 = 3 I 2 + Cr 2 (SO 4) 3 + 4 K 2 SO 4 + 7 H 2 O.
Phản ứng oxi hóa khử liên quan đến hydro peroxide và kali nitrit
Hydrogen peroxide và kali nitrit thể hiện chủ yếu tính chất oxy hóa:
H 2 S + H 2 O 2 = S + 2 H 2 O,
2 KI + 2 KNO 2 + 2 H 2 SO 4 = I 2 + 2 K 2 SO 4 + H 2 O,
Tuy nhiên, khi tương tác với các tác nhân oxy hóa mạnh (chẳng hạn như KMnO 4), hydro peroxide và kali nitrit đóng vai trò là chất khử:
5 H 2 O 2 + 2 KMnO 4 + 3 H 2 SO 4 = 5 O 2 + 2 MnSO 4 + K 2 SO 4 + 8 H 2 O,
5 KNO 2 + 2 KMnO 4 + 3 H 2 SO 4 = 5 KNO 3 + 2 MnSO 4 + K 2 SO 4 + 3 H 2 O.
Cần lưu ý rằng hydro peroxide, tùy thuộc vào môi trường, bị khử theo sơ đồ, Hình 2. 7.2.
Cơm. 7.2. Các sản phẩm khử hydro peroxide có thể
Trong trường hợp này, do các phản ứng, các ion nước hoặc hydroxit được hình thành:
2 FeSO 4 + H 2 O 2 + H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 2 H 2 O,
2KI + H 2 O 2 = I 2 + 2 KOH.
7.2.5.2. Phản ứng oxi hóa khử nội phân tử
Phản ứng oxi hóa khử nội phân tử thường xảy ra khi các chất có phân tử chứa chất khử và chất oxy hóa được đun nóng. Ví dụ về các phản ứng oxy hóa khử nội phân tử là các quá trình phân hủy nhiệt nitrat và thuốc tím:
2 NaNO 3 2 NaNO 2 + O 2,
2 Cu(NO 3) 2 2 CuO + 4 NO 2 + O 2,
Hg(NO 3) 2 Hg + NO 2 + O 2,
2 KMnO 4 K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2.
7.2.5.3. Phản ứng không cân xứng
Như đã lưu ý ở trên, trong các phản ứng không cân xứng, cùng một nguyên tử (ion) vừa là chất oxy hóa vừa là chất khử. Chúng ta hãy xem xét quá trình tạo ra loại phản ứng này bằng ví dụ về sự tương tác của lưu huỳnh với kiềm.
Trạng thái oxy hóa đặc trưng của lưu huỳnh: – 2, 0, +4 và +6. Đóng vai trò là chất khử, lưu huỳnh nguyên tố nhường 4 electron:
Vì thế – 4e = S 4+.
lưu huỳnh – Chất oxi hóa nhận 2 electron:
Vậy o + 2е = S 2– .
Do đó, do phản ứng mất cân đối lưu huỳnh, các hợp chất được hình thành có trạng thái oxy hóa của nguyên tố là – 2 và phải +4:
3 S + 6 KOH = 2 K 2 S + K 2 SO 3 + 3 H 2 O.
Khi oxit nitơ (IV) không cân xứng trong kiềm, thu được nitrit và nitrat - các hợp chất trong đó trạng thái oxy hóa của nitơ lần lượt là +3 và +5:
2 N 4+ O 2 + 2 KOH = KN 3+ O 2 + KN 5+ O 3 + H 2 O,
Sự mất cân đối của clo trong dung dịch kiềm lạnh dẫn đến sự hình thành hypochlorite và trong dung dịch kiềm nóng - clorat:
Cl 0 2 + 2 KOH = KCl – + KCl + O + H 2 O,
Cl 0 2 + 6 KOH 5 KCl – + KCl 5+ O 3 + 3H 2 O.
7.3. Điện phân
Quá trình oxi hóa khử xảy ra trong dung dịch hoặc tan chảy khi có dòng điện một chiều chạy qua chúng được gọi là điện phân. Trong trường hợp này, quá trình oxy hóa anion xảy ra ở điện cực dương (cực dương). Các cation bị khử ở điện cực âm (cực âm).
2 Na 2 CO 3 4 Na + O 2 + 2CO 2 .
Với điện phân dung dịch nước chất điện giải cùng với sự biến đổi chất hòa tan có thể xảy ra quá trình điện hóa với sự tham gia của các ion hydro và ion hydroxit của nước:
cực âm (–): 2 Н + + 2е = Н 2,
cực dương (+): 4 OH – – 4e = O 2 + 2 H 2 O.
Trong trường hợp này, quá trình khử ở cực âm xảy ra như sau:
1. Cation kim loại hoạt động(kể cả Al 3+) không bị khử ở cực âm; thay vào đó hydro bị khử.
2. Các cation kim loại xếp thành hàng chuẩn thế điện cực(trong dãy điện áp) ở bên phải hydro, trong quá trình điện phân chúng bị khử ở cực âm thành kim loại tự do.
3. Các cation kim loại nằm giữa Al 3+ và H+ bị khử ở cực âm đồng thời với cation hydro.
Các quá trình xảy ra trong dung dịch nước ở cực dương phụ thuộc vào chất tạo ra cực dương. Có cực dương không hòa tan ( trơ) và hòa tan ( tích cực). Than chì hoặc bạch kim được sử dụng làm vật liệu của cực dương trơ. Cực dương hòa tan được làm từ đồng, kẽm và các kim loại khác.
Trong quá trình điện phân các dung dịch có cực dương trơ, có thể tạo thành các sản phẩm sau:
1. Khi các ion halogenua bị oxy hóa, các halogen tự do được giải phóng.
2. Trong quá trình điện phân các dung dịch chứa anion SO 2 2–, NO 3 –, PO 4 3–, oxy được giải phóng, tức là. Không phải những ion này bị oxy hóa ở cực dương mà là các phân tử nước.
Xem xét các quy tắc trên, chúng ta hãy xem xét ví dụ về quá trình điện phân dung dịch nước NaCl, CuSO 4 và KOH bằng điện cực trơ.
1). Trong dung dịch, natri clorua phân ly thành các ion.