Хімічні реакції

Вивчаючи матеріал цього розділу, ви докладно ознайомитесь із реакціями, які одночасно відбуваються у двох протилежних напрямках, дізнаєтесь про хімічну рівновагу і чинники, що впливають на її зміщення. Ви отримаєте також інформацію про взаємодію деяких солей з водою та застосування окисно-відновних реакцій у хімічних джерелах струму. Крім того, у розділі розглянуто новий для вас тип розрахункових задач і запропоновано способи їх розв’язування.

§ 9. Необоротні та оборотні хімічні реакції

Матеріал параграфа допоможе вам:

• пригадати класифікацію хімічних реакцій за напрямком перебігу;
• дізнатися про перетворення необоротної реакції на оборотну при зміні зовнішніх умов;
• зрозуміти, чому електролітична дисоціація кислоти є оборотним процесом, а дисоціація основи або солі — необоротним процесом.

Ви знаєте, що існують різні типи хімічних реакцій. Кожний спосіб їх класифікації ґрунтується на певній ознаці (наприклад, за кількістю реагентів і продуктів, наявністю чи відсутністю зміни ступенів окиснення елементів). Серед таких ознак — напрямок перебігу реакції.

Необоротні реакції. Вам відомі випадки, коли хімічних перетворень зазнають лише реагенти, а продукти реакцій не взаємодіють між собою. Такі реакції називають необоротними. Приклади реакцій, необоротних за будь-яких зовнішніх умов:

У рівнянні необоротної реакції між лівою і правою частинами записують знак рівності (=) або стрілку, спрямовану праворуч (→). Іноді кажуть, що така реакція проходить «зліва направо».

Оборотні реакції. Трапляється, що водночас із реакцією між реагентами взаємодіють її продукти (з утворенням реагентів), а в пробірці чи колбі в будь-який момент міститься суміш речовин — реагентів і продуктів.

Реакції, які одночасно відбуваються в протилежних напрямках, називають оборотними.

У рівнянні оборотної реакції використовують знак оборотності (⇄):

Взаємодія речовин А і В є прямою реакцією, а речовин С і D — зворотною реакцією. Будьте уважними, не плутайте терміни «оборотна реакція» і «зворотна реакція».

Відомо багато оборотних реакцій. Серед них — взаємодія водню з парою йоду:

Пряма реакція відбувається при нагріванні й не завершується через одночасний перебіг зворотної реакції — розкладу гідроген йодиду на прості речовини. Досягти повної взаємодії водню з йодом не вдається, якщо підвищити температуру, збільшити тривалість досліду чи додати каталізатор. Аналогічну особливість має реакція водню з азотом, яку використовують у промисловості для добування амоніаку NH₃:

Оборотні реакції також відбуваються під час розчинення багатьох солей у воді (§ 12).

Деякі реакції є оборотними в певному інтервалі температур. Розглянемо приклад взаємоперетворення сполук Кальцію.

Кальцій оксид (технічна назва — негашене вапно) за звичайних умов дуже повільно реагує з вуглекислим газом і перетворюється на сіль — кальцій карбонат:

Тому негашене вапно зберігають у герметичній тарі; в іншому разі цей оксид взаємодіятиме з вуглекислим газом, який є в повітрі, й поступово перетвориться на карбонат. Вапно втратить властивості, які зумовлюють його використання на практиці.

Негашене вапно добувають нагріванням природного кальцій карбонату (вапняку, крейди) за температури 900 °С, тобто здійснюють протилежну реакцію:

За цих умов удається повністю перетворити сіль на оксид.

Цікаво знати

Оборотною в певному температурному інтервалі є реакція Са(ОН)₂ ⇄ СаО + Н₂О.

Якщо нагрівати кальцій карбонат у закритому реакторі при 900 °С, то розкладеться лише частина солі. У посудині виявимо суміш твердих сполук — СаО і СаСО₃, а також вуглекислий газ. Отже, водночас відбуватимуться дві реакції — розкладу солі та сполучення оксидів. Маємо оборотну реакцію; розклад солі є прямою реакцією, а її утворення — зворотною:

Вивчаючи в 9 класі водні розчини, ви дізналися, що основи, кислоти, солі при розчиненні у воді розпадаються на йони. Цей процес називають електролітичною дисоціацією. Для кислот він є оборотним: частина молекул кислоти постійно розпадається на йони, а частина йонів сполучається в молекули:

Електролітична дисоціація основ і солей є повною, тобто необоротним процесом. Це — йонні сполуки; їхні йони під час розчинення речовин переходять у розчин і не сполучаються один з одним:

Розрізняють оборотні та необоротні хімічні реакції. Оборотні реакції одночасно відбуваються у протилежних напрямках: взаємодіють між собою і реагенти (пряма реакція), і продукти (зворотна реакція). Необоротна реакція відбувається лише між реагентами, тобто в одному напрямку.

а) обміну між двома солями в розчині;

б) горіння органічної речовини;

Якщо реакція оборотна, то за будь-яких умов чи в певному інтервалі значень температури?

• 70. Однією з оборотних реакцій між органічними сполуками є реакція естерифікації. Напишіть рівняння реакції між метанолом та етановою кислотою. Яка реакція є прямою, а яка — зворотною?
• 71. До водного розчину натрій хлориду додають розбавлену нітратну кислоту. Чи взаємодіятимуть речовини? Якщо реакція відбувається, то оборотна чи необоротна? Відповідь аргументуйте.
• 72. Назвіть можливі причини неповного перетворення речовин під час необоротної хімічної реакції.
• 73. Наведіть приклад оборотної реакції кислотного оксиду з водою й напишіть відповідне хімічне рівняння.
• 74. Взаємодія водню з киснем за дуже високої температури є оборотною реакцією. Для експерименту взято вдвічі більший об’єм водню, ніж кисню. Із часом виявлено, що половина водяної пари, що утворилася, розклалася на прості речовини. Обчисліть відносну густину за повітрям відповідної суміші трьох газів.

§ 18. ОБОРОТНІ Й НЕОБОРОТНІ РЕАКЦІЇ

Оборотні й необоротні реакції. За напрямом перебігу реакції поділяють на оборотні й необоротні. Під час вивчення електролітичної дисоціації ви ознайомилися з реакціями електролітів у розчинах, які завершуються повним перетворенням реагентів на продукти. До них належать реакції, що відбуваються з випаданням осаду, виділенням газу, утворенням води або іншої малодисоційованої речовини.

Усі попередні реакції взаємодії металів з кислотами, кислот з лугами, металів з неметалами, які ви вивчали, є необоротними, оскільки з отриманих продуктів не можна добути реагенти. Про такі реакції кажуть, що вони відбуваються в одному напрямі.

Хімічні реакції, що відбуваються в одному напрямі й завершуються повним перетворенням реагентів на продукти реакції, називають необоротними.

Наприклад, проведемо дослід взаємодії натрій карбонату з розчином сульфатної кислоти.

Дослід 1. Взаємодія натрій карбонату з розчином сульфатної кислоти. У пробірку насиплемо порошок натрій карбонату й доллємо розчин сульфатної кислоти:

Реакція припиниться тоді, коли один з реагентів витратиться повністю.

Добути натрій карбонат і сульфатну кислоту з утворених продуктів практично неможливо.

Отже, ця реакція необоротна, бо під час її перебігу забезпечуються дві умови: виділився газ й утворилася вода.

Дослід 2. Реакція розкладу амоній хлориду. Насиплемо кристали амоній хлориду масою 2,5-3 г у велику пробірку. Отвір пробірки закриємо корком із скловати й нагріватимемо вміст пробірки. Амоній хлорид розкладається з утворенням амоніаку та гідроген хлориду. Згодом у верхній частині пробірки збирається густий дим, що свідчить про взаємодію утворених продуктів між собою. Продуктом реакції є сіль амоній хлорид.

Отже, у пробірці одночасно відбуваються дві реакції: пряма — розклад амоній хлориду та зворотна — утворення вихідної речовини (рис. 60, с. 118).

Рис. 60. Схема прямої та зворотної реакцій розкладу й утворення амоній хлориду

Хімічні реакції, які одночасно відбуваються у двох протилежних напрямах (прямому й зворотному), називають оборотними.

У рівняннях оборотних реакцій замість знака «=» ставлять дві стрілки, спрямовані в протилежних напрямах.

Оборотною є реакція взаємодії водню з йодом. Утворення молекул гідроген йодиду (рис. 61, а) — це пряма реакція, а розклад утвореного продукту на водень і йод (рис 61, б) — зворотна.

Рис. 61. Схема прямої (а) і зворотної (б) реакцій утворення та розкладу гідроген йодиду

Вивчаючи кристалогідрати, ви ознайомилися з оборотною реакцією, яка відбувається під час сильного нагрівання мідного купоросу. Утворюється безводна сіль купрум(ІІ) сульфат. Зневоднюючись, кристалогідрат змінює забарвлення. Утворена безводна сіль має білий колір. Але якщо до неї додати кілька крапель води, то забарвлення зміниться на попереднє. Пряму й зворотну реакцію подамо таким рівнянням:

Оборотні реакції відбуваються в природі. Під час грози температура в зоні електричного розряду становить 2000 °С, унаслідок чого азот і кисень, що містяться в повітрі, взаємодіють між собою. Утворюється нітроген(ІІ) оксид. Однак продукт цієї реакції є нестійкою речовиною й легко розкладається на реагенти. Ці процеси відображає таке рівняння:

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Хімічні реакції, що відбуваються в одному напрямі й завершуються повним перетворенням реагентів на продукти реакції, називають необоротними.

• Хімічні реакції, які одночасно відбуваються у двох протилежних напрямах, називають оборотними.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

• 1. Назвіть чинник, який узято за основу класифікації хімічних реакцій на оборотні й необоротні.
• 2. Сформулюйте визначення реакцій: а) необоротних; б) оборотних.
• 3. Наведіть приклади реакцій: а) необоротних; б) оборотних.
• 4. Укажіть, які з поданих реакцій є необоротними.

• 6. Під час взаємодії барій нітрату з натрій карбонатом утворився барій карбонат масою 59,1 г. Обчисліть маси реагентів.
• 7. Натрій карбонат повністю прореагував з розчином сульфатної кислоти масою 98 г, масова частка якої становить 0,3. Обчисліть маси утвореної солі й води та об’єм карбон(IV) оксиду.
• 8. Під час кип’ятіння води в чайнику з’являється карбонатна плівка, яка поступово стає товстішою. Запропонуйте доступний спосіб очищення чайника від кальцій і магній карбонатів за участю реакцій обміну. Напишіть рівняння реакцій. Укажіть тип реакцій щодо напряму перебігу.
• 9. Вивчаючи реакції йонного обміну, ви спостерігали, що відбувається: а) знебарвлення підфарбованого розчину лугу; б) випадає осад; в) виділяється газ. Підберіть розчини речовин, щоб реакції між ними були спостережувані. Напишіть рівняння в молекулярній і йонній формах.

ЦІКАВО ЗНАТИ

• Досліджуючи поновлювані джерела енергії, учені пропонують нові розробки, у яких чимало уваги приділяють сонячній енергії. Один з таких процесів — прототип фотосинтезу. Для досягнення результату використовують церій(IV) оксид, що проявляє природну здатність не тільки поглинати, а й виділяти кисень, залежно від того, нагрівається він чи охолоджується.

Швейцарські дослідники використали кварцове скло з малою щільністю, у якому зосереджується сонячне світло, і спрямували його на церій(IV) оксид, який помістили в резервуар з водою та карбон(IV) оксидом (вуглекислим газом). У результаті реакції отримали водень і карбон(ІІ) оксид, які змішуються й утворюють паливо. Продукти синтезу можна вільно зберігати й транспортувати.

Характерною особливістю синтезу є те, що рідкісноземельний метал церій, який використовується, найчастіше трапляється в природі. Тому він матеріально вигідний та економний для масового виробництва палива.

• Вихлопні гази автотранспорту містять нітроген(ІІ) оксид, що утворюється у двигунах внутрішнього згоряння за високих температур. На повітрі він окиснюється до нітроген(IV) оксиду, який розкладається на вихідні речовини. Реакція оборотна: 2NO + O₂ ⇄ 2NO₂. Як наслідок у повітрі зростає вміст оксидів Нітрогену, а під час дощу утворюється нітратна кислота.

НАВЧАЛЬНИЙ ПРОЕКТ

I. Оберіть самостійно або з допомогою вчителя тему навчального проекту з тих, що наведені нижче.

• 1. Ендотермічні реакції, які використовує людина.
• 2. Екзотермічні реакції в життєдіяльності живих організмів.

II. Виконайте проект з обраної теми.

III. Проведіть презентацію проекту.

1. Оборотні і необоротні реакції

Більшість хімічних реакцій відбуваються не до кінця. Продукти, які утворилися в результаті реакції можуть взаємодіяти між собою. Такі реакції називаються оборотними.

Оборотними називають хімічні реакції, які одночасно відбуваються у двох протилежних напрямках.

Необоротними називають хімічні реакції, які відбуваються в одному напрямку і завершуються практично повним перетворенням реагентів у продукти.

Стан системи, коли швидкість прямої і зворотної реакцій є однаковими, називають хімічною рівновагою .

Стан рівноваги можна змістити, змінюючи концентрацію реагентів або утворених продуктів, тиск, температуру. Зміщення рівноваги буде відбуватися у бік зменшення цього впливу.