Химические реакции. Энергетика химических процессов. Скорость протекания химических реакций. Катализаторы

Химическая реакция — превращение одного или нескольких исходных веществ (реагентов) в отличающиеся от них по химическому составу или строению вещества (продукты реакции) - химические соединения. В отличие от ядерных реакций, при химических реакциях не изменяется общее число атомов в реагирующей системе, а также изотопный состав химических элементов.

Химические реакции происходят при смешении или физическом контакте реагентов самопроизвольно, при нагревании, участии катализаторов (катализ), действии света (фотохимические реакции), электрического тока (электродные процессы), ионизирующих излучений (радиационно-химические реакции), механического воздействия (механохимические реакции), в низкотемпературной плазме (плазмохимические реакции) и т.п. Превращение частиц (атомов, молекул) осуществляется при условии, что они обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, разделяющего исходное и конечное состояния системы (Энергия активации).

Химические реакции всегда сопровождаются физическими эффектами: поглощением и выделением энергии, например в виде теплопередачи, изменением агрегатного состояния реагентов, изменением окраски реакционной смеси и др. Именно по этим физическим эффектам часто судят о протекании химических реакций.

Катализатор — вещества или внешние воздействия (например ультразвук или ионизирующие излучения), которые ускоряют различные химические и физические процессы (например полимеризация) в заданном направлении.

Основная функция катализатора — образовывать с исходными веществами более реакционно-способные промежуточные соединения и комплексы, позволяющие снизить энергию активации или способствующие образованию определённых изомеров с заданной структурой.

Каталитическими свойствами обладают многие вещества, сплавы, газы и т.д., но лишь немногие из них находят практическое использование. Пример наиболее широко употребляемых катализаторов: платина, родий, палладий, медь, никель, олово, рений, оксиды ванадия, меди, серебра, железа, хрома и др., двуокись азота и др. газы, гамма-излучение, нейтроны, протоны. Катализаторы имеют, как правило, сильно развитую поверхность и зачастую распределяются на инертном носителе (силикагель, оксид алюминия, активированный уголь и др.).

Ионизирующие излучения используются в процессах окисления, восстановления, полимеризации, и предпочтительны для химических и физических реакций протекающих по цепному механизму, их особенность как катализаторов это — полное отсутствие загрязнения готового продукта и исключительная дешевизна их применения.

В биохимических реакциях роль катализаторов играют ферменты.

Отравлением катализатора называется реакция, приводящая катализатор в негодность.

Химические элементы. Валентность элементов. Химические соединения. Ионная, ковалентная и водородная связи.

Дмитрий Иванович Менделеев любил рассказывать, что идея периодической системы пришла ему во сне.

В своей таблице (сегодня мы ее называем периодической таблицей, или системой, элементов) Менделеев расположил химические элементы по рядам в порядке возрастания их массы, подобрав длину рядов таким образом, чтобы химические элементы в одной колонке имели похожие химические свойства. Так, например, правая крайняя колонка таблицы содержит гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. Это благородные газы — вещества, которые неохотно реагируют с другими элементами и проявляют низкую химическую активность. В противоположность этому, элементы самой левой колонки — литий, натрий, калий и др. — реагируют с другими веществами бурно, процесс носит взрывной характер. Аналогичные утверждения можно сделать и о химических свойствах элементов в других колонках таблицы — внутри колонки эти свойства подобны, но варьируются при переходе от одной колонки к другой.

Валентность (от лат. valens — имеющий силу) — способность атомов элементов образовывать химические связи с атомами других элементов. В свете строения атома валентность это способность атомов отдавать или присоединять определенное число электронов.

Ионная связь.

Когда внешние электронные слои полностью заполнены, общая энергия атомов понижается. Например, атом натрия, имеющий на внешнем слое один электрон, охотно отдает этот электрон. И наоборот, атом хлора, которому не хватает одного электрона для заполнения внешнего слоя, стремится присоединить электрон для завершения уровня. Когда атомы натрия и хлора оказываются рядом, натрий отдает электрон, а хлор его принимает. При этом атом натрия, потеряв отрицательный заряд, становится положительно заряженным ионом натрия, а атом хлора, получив дополнительный электрон, становится отрицательно заряженным ионом хлора. По закону Кулона между двумя ионами возникает электростатическое притяжение, приводящее к образованию химической связи, которая и удерживает атомы вместе.

Ковалентная связь.

Некоторые атомы, в основном это касается углерода, образуют связи по-другому. Когда два таких атома достаточно приближаются друг к другу, между ними возникает взаимодействие, которое можно рассматривать как длительный взаимный обмен электронами. Как будто атом бросает один из своих внешних электронов другому атому, затем ловит электрон другого атома и снова бросает его обратно в бесконечной игре в мяч. В соответствии с законами квантовой механики, такой обмен электронами вызывает силу притяжения, которая и удерживает атомы вместе.