Г лава 6
Химическая кинетика. Химическое равновесие.
6.1.Химическая кинетика .
Химическая кинетика - раздел химии, изучающий скорости и механизмы химических процессов, а также их зависимость от различных факторов.
Изучение кинетики химических реакций позволяет как определять механизмы химических процессов, так и управлять химическими процессами при их практической реализации.
Любой химический процесс представляет собой превращение реагентов в продукты реакции:
реагенты→ переходное состояние→ продукты реакции.
Реагенты (исходные вещества) – вещества, вступающие в процесс химического взаимодействия.
Продукты реакции – вещества, образующиеся в конце процесса химического превращения. В обратимых процессах продукты прямой реакции являются реагентами обратной реакции.
Необратимые реакции – реакции, протекающие при данных условиях практически в одном направлении (обозначают знаком →).
Например:
CaCO 3 → CaO + CO 2
Обратимые реакции – реакции, протекающие одновременно в двух противоположных направлениях (обозначают знаком).
Переходное состояние (активированный комплекс) – это состояние химической системы, являющееся промежуточным между исходными веществами (реагентами) и продуктами реакции. В этом состоянии происходит разрыв старых химических связей и образования новых химических связей. Далее активированный комплекс превращается в продукты реакции.
Большинство химических реакций являются сложными и состоят из нескольких стадий, называемых элементарными реакциями .
Элементарная реакция – единичный акт образования или разрыва химической связи. Совокупность элементарных реакций, из которых складывается химическая реакция, определяет механизм химической реакции.
В уравнении химической реакции обычно указывается начальное состояние системы (исходные вещества) и её конечное состояние (продукты реакции). В то же время фактический механизм химической реакции может быть достаточно сложным и включать в себя целый ряд элементарных реакций. К сложным химическим реакциям относятся обратимые, параллельные, последовательные и другие многостадийные реакции (цепные реакции , сопряженные реакции и пр.).
Если скорости различных стадий химической реакции существенно различаются, то скорость сложной реакции в целом определяется скоростью самой медленной ее стадии. Такую стадию (элементарную реакцию) называют лимитирующей стадией .
В зависимости от фазового состояния реагирующих веществ, различают два типа химических реакций: гомогенные и гетерогенные .
Фазой называется часть системы, отличающаяся по своим физическим и химическим свойствам от других частей системы и отделенная от них поверхностью раздела. Системы, состоящие из одной фазы, называются гомогенными системами , из нескольких фаз – гетерогенными . Примером гомогенной системы может быть воздух, представляющий собой смесь веществ (азот, кислород и др.), находящихся в одинаковой газовой фазе. Суспензия мела (твердого вещества) в воде (жидкость) является примером гетерогенной системы, состоящей из двух фаз.
Соответственно, реакции, в которых взаимодействующие вещества находятся в одной фазе, называются гомогенными реакциями . Взаимодействие веществ в таких реакциях происходит по всему объёму реакционного пространства.
К гетерогенным реакциям относят реакции, протекающие на границе раздела фаз. Примером гетерогенной реакции может служить реакция цинка (твердая фаза) с раствором соляной кислоты (жидкая фаза). В гетерогенной системе реакция всегда происходит на поверхности раздела двух фаз, так как только здесь реагирующие вещества, находящиеся в разных фазах, могут сталкиваться между собой.
Химические реакции принято различать по их молекулярности , т.е. по числу молекул, участвующих в каждом элементарном акте взаимодействия . По этому признаку различают реакции мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные.
Мономолекулярными называются реакции, в которых элементарный акт представляет собой химическое превращение одной молекулы , например:
Бимолекулярными считаются реакции, элементарный акт в которых осуществляется при столкновении двух молекул, например:
В тримолекулярных реакциях элементарный акт осуществляется при одновременном столкновении трех молекул, например:
Столкновение более чем трех молекул одновременно практически невероятно, поэтому реакции большей молекулярности на практике не встречаются.
Скорости химических реакций могут существенно отличаться. Химические реакции могут протекать крайне медленно, в течение целых геологических периодов, как, например, выветривание горных пород, которое представляет собой превращения алюмосиликатов:
K 2 O · Al 2 O 3 · 6SiO 2 + CO 2 + 2H 2 O → K 2 CO 3 + 4SiO 2 + Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O.
ортоклаз – полевой шпат поташ кварц. песок каолинит (глина)
Некоторые реакции протекают практически мгновенно, например, взрыв черного пороха, представляющего собой смесь угля, серы и селитры:
3C + S + 2KNO 3 = N 2 + 3CO 2 + K 2 S.
Скорость химической реакции служит количественной мерой интенсивности ее протекания.
В общем случае под скоростью химической реакции понимают число элементарных актов реакции, происходящих в единицу времени в единице реакционного пространства.
Так как для гомогенных процессов реакционным пространством является объем реакционного сосуда, то
для гомогенных реакций скорость химической реакции определяется количеством вещества, прореагировавшего в единицу времени в единице объема.
Учитывая, что количество вещества, содержащееся в определенном объеме, характеризует концентрацию вещества, то
скорость реакции – это величина, показывающая изменение молярной концентрации одного из веществ в единицу времени.
Если при неизменных объеме и температуре концентрация одного из реагирующих веществ уменьшилась от с 1 до с 2 за промежуток времени от t 1 до t 2 , то, в соответствии с определением, скорость реакции за данный промежуток времени (средняя скорость реакции) равна:
Обычно для гомогенных реакций размерность скорости V [моль/л·с].
Так как для гетерогенных реакций реакционным пространством является поверхность , на которой протекает реакция, то для гетерогенных химических реакций скорость реакции относится к единице площади поверхности, на которой протекает реакция. Соответственно, средняя скорость гетерогенной реакции имеет вид:
где S – площадь поверхности, на которой протекает реакция.
Размерность скорости для гетерогенных реакций – [моль/л·с·м 2 ].
Скорость химической реакции зависит от целого ряда факторов:
природы реагирующих веществ;
концентрации реагирующих веществ;
давления (для газовых систем);
температуры системы;
площади поверхности (для гетерогенных систем);
наличия в системе катализатора и других факторов.
Так как каждое химическое взаимодействие является результатом столкновения частиц, то увеличение концентрации (числа частиц в заданном объеме) приводит к более частым их столкновениям, и как следствие, к увеличению скорости реакции. Зависимость скорости химических реакций от молярных концентраций реагирующих веществ описывается основным законом химической кинетики – законом действующих масс , который был сформулирован в 1865 году Н.Н.Бекетовым и в 1867 году К.М.Гульдбергом и П. Вааге .
Закон действующих масс гласит: скорость элементарной химической реакции при постоянной температуре прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ в степенях, равных их стехиоме-трическим коэффициентам.
Уравнение, выражающее зависимость скорости реакции от концентрации каждого вещества, называют кинетическим уравнением реакции .
Следует отметить, что закон действующих масс в полной мере применим лишь только к простейшим гомогенным реакциям. Если реакция протекает в несколько стадий, то закон справедлив для каждой из стадий, а скорость сложного химического процесса определяется скоростью наиболее медленно протекающей реакции, являющейся лимитирующей стадией всего процесса .
В общем случае, если в элементарную реакцию вступают одновременно т молекул вещества А и n молекул вещества В :
m А + n В = С ,
то уравнение для скорости реакции (кинетическое уравнение) имеет вид:
где k – коэффициент пропорциональности, который называется константой скорости химической реакции; [А А ; [B ] – молярная концентрация вещества B ; m и n – стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.
Чтобы понять физический смысл константы скорости реакции , надо принять в написанных выше уравнениях концентрации реагирующих веществ [А ] = 1 моль/л и [В ] = 1 моль/л (либо приравнять единице их произведение), и тогда:
Отсюда ясно, что константа скорости реакции k численно равна скорости реакции, в которой концентрации реагирующих веществ (или их произведение в кинетических уравнениях) равны единице .
Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ и температуры, но не зависит от значения концентрации реагентов.
Для гетерогенных реакций концентрация твердой фазы в выражение для скорости химической реакции не включается.
Например, в реакции синтеза метана:
Если реакция протекает в газовой фазе, то существенное влияние на ее скорость оказывает изменение давления в системе, так как изменение давления в газовой фазе приводит к пропорциональному изменению концентрации. Так, увеличение давления приводит к пропорциональному росту концентрации, а уменьшение давления, соответственно, снижает концентрацию газообразного реагирующего вещества.
Изменение давления практически не влияет на концентрацию жидких и твердых веществ (конденсированное состояние вещества) и не оказывает влияния на скорость реакций, протекающих в жидкой или твердой фазах.
Химические реакции осуществляется за счет соударения частиц реагирующих веществ. Однако, далеко не всякое столкновение частиц реагентов является эффективным , т.е. ведет к образованию продуктов реакции. Только частицы, обладающие повышенной энергией – активные частицы , способны осуществить акт химической реакции. С повышением температуры увеличивается кинетическая энергия частиц и увеличивается число активных, следовательно, возрастает скорость химических процессов.
Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 0 С скорость химической реакции возрастает в два – четыре раза.
V 1 – скорость реакции при начальной температуре системы t 1 , V 2 – скорость реакции при конечной температуре системы t 2 ,
γ – температурный коэффициент реакции (коэффициент Вант-Гоффа), равный 2÷4.
Знание величины температурного коэффициента γ дает возможность рассчитать изменение скорости реакции при увеличении температуры от Т 1 до Т 2 . В этом случае можно использовать формулу:
Очевидно, что при повышении температуры в арифметической прогрессии скорость реакции возрастает в геометрической прогрессии. Влияние температуры на скорость реакции тем значительнее, чем больше значение температурного коэффициента реакции g.
Следует заметить, что правило Вант-Гоффа является приближенным и применимо лишь для ориентировочной оценки влияния небольших изменений температуры на скорость реакции.
Энергия, необходимая для протекания реакций, может быть обеспечена различными воздействиями (теплота, свет, электрический ток, лазерное излучение, плазма, радиоактивное излучение, высокое давление и т.д.).
Реакции могут подразделяться на тепловые, фотохимические, электрохимические, радиационно-химические и др. При всех этих воздействиях растет доля активных молекул, которые имеют энергию, равную или большую минимально необходимой для данного взаимодействия энергии Е мин .
При столкновении активных молекул вначале образуется так называемый активированный комплекс , внутри которого и происходит перераспределение атомов.
Энергия, необходимая для увеличения средней энергии молекул реагирующих веществ до энергии активированного комплекса, называется энергией активации Еа.
Энергию активации можно рассматривать как некую дополнительную энергию, которую должны приобрести молекулы реагентов, чтобы преодолеть определенный энергетический барьер . Таким образом, Е а ра вна разности между средней энергией реагирующих частиц E исх и энергией активированного комплекса E мин. Энергия активации определяется природой реагентов. Значение Е а колеблется в пределах от 0 до 400 кДж. Если значение Е а превышает 150 кДж, то такие реакции при температурах, близких к стандартной, практически не протекают.
Изменение энергии системы в ходе реакции может быть графически представлено с помощью следующей энергетической диаграммы (рис. 6.1).
|
Рис. 6.1. Энергетическая диаграмма экзотермической реакции:
E исх – средняя энергия исходных веществ; E прод – средняя энергия продуктов реакции; E мин – энергия активированного комплекса; E акт – энергия активации; ΔH р – тепловой эффект химической реакции
Из энергетической диаграммы видно, что разность между величинами энергии продуктов реакции и энергии исходных веществ, будет представлять из себя тепловой эффект реакции.
Е прод. – Е исх. = ΔН р.
Согласно уравнению Аррениуса, чем больше значение энергии активации E акт, тем в большей степени константа скорости химической реакции k зависит от температуры:
Е - энергия активации (Дж/моль),
R - универсальная газовая постоянная,
T – температура в К,
А - константа Аррениуса,
e = 2,718 – основание натуральных логарифмов.
Катализаторы - это вещества, которые повышают скорость химической реакции. Они вступают во взаимодействие с реагентами с образованием промежуточного химического соединения и освобождаются в конце реакции. Влияние, оказываемое катализаторами на химические реакции, называется катализом.
Например, смесь порошка алюминия и кристаллического йода при комнатной температуре не обнаруживает заметных признаков взаимодействия, но достаточно капли воды, чтобы вызвать бурную реакцию:
Различают гомогенный катализ (катализатор образует с реагирующими веществами гомогенную систему, например, газовую смесь) и гетерогенный катализ (катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах и каталитический процесс идет на поверхности раздела фаз).
Для объяснения механизма гомогенного катализа наибольшее распространение получила теория промежуточных соединений (предложена французским исследователем Сабатье и развита в работах русского ученого Н.Д. Зелинского). Согласно этой теории медленно протекающий процесс, например, реакция:
в присутствии катализатора протекает быстро, но в две стадии. В первой стадии процесса образуется промежуточное соединение одного из реагентов с катализатором A… kat .
Первая стадия:
A + kat = A.∙. kat.
Полученное соединение на второй стадии образует с другим реагентом активированный комплекс [A.∙.kat.∙.B ], который превращается в конечный продукт AB с регенерацией катализатора kat .
Вторая стадия:
A.∙.kat + B = = AB + kat.
Промежуточное взаимодействие катализатора с реагентами, направляет процесс на новый путь, характеризующийся более низким энергетическим барьером. Таким образом, механизм действия катализаторов связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений.
Примером может служить медленно протекающая реакция:
2SO 2 + O 2 = 2SO 3 медленно .
При промышленном нитрозном способе получения серной кислоты в качестве катализатора используется оксид азота (II), что значительно ускоряет реакцию:
Широко используется гетерогенный катализ в процессах нефтепереработки. Катализаторами служат платина, никель, оксид алюминия и др. Гидрирование растительного масла протекает на никелевом катализаторе (никель на кизельгуре) и т.д.
Примером гетерогенного катализа является окисление SO 2 в SO 3 на катализаторе V 2 O 5 при производстве серной кислоты контактным методом.
Вещества, повышающие активность катализатора называют промоторами (или активаторами). При этом, промоторы могут сами и не обладать каталитическими свойствами.
Каталитические яды - посторонние примеси в реакционной смеси, приводящие к частичной или полной потере активности катализатора. Так, следы фосфора и мышьяка вызывают быструю потерю катализатором V 2 O 5 активности в реакции окисления SO 2 в SO 3 .
Многие важнейшие химические производства, такие как получение серной кислоты, аммиака, азотной кислоты, синтетического каучука, ряда полимеров и др., проводятся в присутствии катализаторов.
Биохимические реакции в растительных и животных организмах ускоряются биохимическими катализаторами – ферментами .
Резко замедлить протекание нежелательных химических процессов можно при добавлении в реакционную среду специальных веществ - ингибиторов . Например, для торможения нежелательных процессов коррозионного разрушения металлов широко используются различные ингибиторы коррозии металлов .
6.1.1. Вопросы для самоконтроля знаний теории
по теме « Химическая кинетика»
1. Что изучает химическая кинетика?
2. Что принято понимать под термином « реагенты»?
3. Что принято понимать под термином « продукты реакции»?
4. Как обозначаются в химических реакциях обратимые процессы?
5. Что принято понимать под термином « активированный комплекс»?
6. Что представляет из себя элементарная реакция?
7. Какие реакции считаются сложными?
8. Какую стадию реакций называют лимитирующей стадией?
9. Дайте определение понятию «фаза»?
10. Какие системы считаются гомогенными?
11. Какие системы считаются гетерогенными?
12. Приведите примеры гомогенных систем.
13. Приведите примеры гетерогенных систем.
14. Что считают «молекулярностью» реакции?
15. Что понимают под термином «скорость химической реакции»?
16. Приведите примеры быстрых и медленных реакций.
17. Что понимают под термином «скорость гомогенной химической реакции»?
18. Что понимают под термином «скорость гетерогенной химической реакции»?
19. От каких факторов зависит скорость химической реакции?
20. Сформулируйте основной закон химической кинетики.
21. Что представляет из себя константа скорости химических реакций?
22.От каких факторов зависит константа скорости химических реакций?
23. Концентрации каких веществ не включается в кинетическое уравнение химических реакций?
24. Как зависит скорость химической реакции от давления?
25. Как зависит скорость химической реакции от температуры?
26. Как формулируется «Правило Вант-Гоффа»?
27. Что представляет из себя «температурный коэффициент химической реакции»?
28. Дайте определение понятию «энергия активации».
29. Дайте определение понятию «катализатор химической реакции»?
30. Что представляет из себя гомогенный катализ?
31. Что представляет из себя гетерогенный катализ?
32. Как объясняется механизм действия катализатора при гомогенном катализе?
33. Приведите примеры каталитических реакций.
34. Что такое ферменты?
35. Что такое промоторы?
6.1.2. Примеры решения типовых задач
по теме «Химическая кинетика»
Пример 1 . От площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ зависит скорость реакции:
1) серной кислоты с раствором хлорида бария,
2) горения водорода в хлоре,
3) серной кислоты с раствором гидроксида калия,
4) горения железа в кислороде.
От площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ зависит скорость гетерогенных реакций. Среди приведенных реакций гетерогенной реакцией, т.е. характеризующейся наличием разных фаз, является реакция горения железа (твердая фаза) в кислороде (газовая фаза).
Ответ. 3.
Пример 2. Как изменится скорость реакции
2Н 2(г) + О 2(Г) = 2Н 2 О (г)
при увеличении концентрации исходных веществ в два раза?
Запишем кинетическое уравнение реакции, устанавливающее зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ:
V 1 = k [Н 2 ] 2 · [О 2 ].
Если концентрации исходных веществ увеличить в 2 раза, кинетическое уравнение примет вид:
V 2 = k (2 [Н 2 ]) 2 · 2 [О 2 ] = 8 k [Н 2 ] 2 · [О 2 ], т.е.
При увеличении концентрации исходных веществ в два раза скорость данной реакции возросла в 8 раз.
Ответ. 8.
Пример 3. Как изменится скорость реакции, если общее давление в системе СН 4(Г) + 2О 2(Г) = СО 2(Г) + 2Н 2 О (Г) , уменьшить в 5 раз?
В соответствии с кинетическим уравнением реакции, скорость этой реакции будет определяться:
V 1 = k [СН 4 ] · [О 2 ] 2 .
При уменьшении давления в пять раз концентрация каждого из газообразных веществ уменьшится также в пять раз. Кинетическое уравнение реакции в этих условиях будет следующим:
можно определить, что скорость реакции уменьшилась в 125 раз.
Ответ. 125.
Пример 4. Как изменится скорость реакции, характеризующейся температурным коэффициентом реакции, равным 3, если температура в системе повысилась с 20 до 60°С?
Решение. В соответствии с правилом Вант-Гоффа
При повышении температуры на 40 0 С скорость данной реакции возросла в 81 раз
Ответ. 81.
6.1.3. Вопросы и упражнения для самоподготовки
Скорость химических реакций
1. В зависимости от физического состояния реагирующих веществ химические реакции подразделяют на:
1) экзотермические и эндотермические,
2) обратимые и необратимые,
3) каталитические и некаталитические,
4) гомогенные и гетерогенные.
2. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены гомогенные реакции:
3. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены выражения, с помощью которых можно вычислить скорость гомогенной реакции:
4. Единицей измерения скорости гомогенной реакции может быть:
1) моль/л·с,
3) моль/л·,
4) л/моль·с.
5. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены справедливые выражения. В ходе гомогенной реакции
А + 2B ® 2C + D :
1) концентрации А и В убывают,
2) концентрация С возрастает быстрее, чем концентрация D ,
4) концентрация В убывает быстрее, чем концентрация А ,
8) скорость реакции остается постоянной.
6. Под каким номером показана линия, верно отражающая изменение во времени концентрации образующегося в реакции вещества:
|
|
|
|
|
|
|
|
7. Изменение во времени концентрации исходного вещества в реакции, протекающей до конца, верно
описывает кривая:
|
|
|
|
|
|
9. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены реакции, скорость которых не зависит от того, по какому веществу ее вычисляют?
10. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены факторы, влияющие на скорость реакции:
1) природа реагирующих веществ,
2) концентрация реагирующих веществ,
4) температура реакционной системы,
8) присутствие катализатора в реакционной системе.
11. Основной закон химической кинетики устанавливает зависимость скорости реакции от:
1) температуры реагирующих веществ,
2) концентрации реагирующих веществ,
3) природы реагирующих веществ,
4) времени протекания реакции.
12. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены верные высказывания. Химическая кинетика:
1) раздел физики,
2) изучает скорость химической реакции,
4) использует закон действующих масс,
8) изучает зависимость скорости реакций от условий их протекания.
13. Я.Х. Вант-Гофф:
1) первый лауреат Нобелевской премии по химии,
2) изучал зависимость скорости реакции от температуры,
4) изучал зависимость скорости реакции от концентрации веществ,
8) сформулировал закон действующих масс.
14. В одинаковых условиях быстрее протекает реакция:
1) Ca + H 2 O ®
3) Mg + H 2 O ®
4) Zn + H 2 O ®
15. Скорость выделения водорода наибольшая в реакции:
1) Zn + HCl (5-процентный р–р) ®
2) Zn + НСl (10-процентный р–р) ®
3) Zn + HCl (15-процентный р–р) ®
4) Zn + HCl (30-процентный р–р) ®
16. Концентрация реагирующего вещества не влияет на скорость реакции, если это вещество в реакцию взято в:
1) твердом состоянии,
2) газообразном состоянии,
3) растворенном состоянии.
17. Вычислите среднюю скорость реакции A + B = C (моль/л×с), если известно, что исходная концентрация А составляла 0,8 моль/л, а через 10 секунд стала 0,6 моль/л.
1) 0,2, 2) 0,01, 3) 0,1, 4) 0,02.
18. На сколько моль/л уменьшились концентрации веществ A и B в реакции A + 2B ® 3C , если известно, что за это же время концентрация С увеличилась на 4,5 моль/л?
DС А DС B
19. Вычислите среднюю скорость реакции 2CO + O 2 ® 2CO 2 (моль/л×с), если известно, что исходная концентрация CO составляла 0,60 моль/л, а через 10 секунд стала 0,15 моль/л. На сколько моль/л изменилась за этот промежуток времени концентрация CO 2 ?
3) 0,045; 0,045,
20. На сколько градусов нужно нагреть систему, чтобы скорость протекающей в ней реакции увеличилась в 2–4 раза?
1) 150, 2) 10, 3) 200, 4) 50.
21. Скорость реакции при 20°С равна 0,2 моль/л×с. Определите скорость реакции при 60°C (моль/л×с), если температурный коэффициент скорости реакции равен 3.
1) 16,2, 2) 32,4, 3) 8,1, 4) 4,05.
22. Эмпирическую зависимость скорости реакции от температуры верно отражает уравнение:
23. Скорость реакции при 20°С равна 0,08 моль/л×с. Вычислите скорость реакции при 0°С (моль/л×с), если температурный коэффициент скорости реакции равен 2.
1) 0,16, 2) 0,04, 3) 0,02, 4) 0,002.
24. Во сколько раз возрастет скорость реакции при повышении температуры на 40°С, если температурный коэффициент скорости реакции равен 3?
1) 64, 2) 243, 3) 81, 4) 27.
25. На сколько градусов следует повысить температуру, чтобы скорость реакции возросла в 64 раза, если температурный коэффициент скорости реакции равен 4?
1) 60, 2) 81, 3) 27, 4) 30.
26. Вычислите температурный коэффициент скорости реакции, если известно, что при повышении температуры на 50 о С скорость реакции возрастает в 32 раза.
1) 3, 2) 2, 3) 4, 4) 2,5.
27. Причиной роста скорости реакции с ростом температуры является увеличение:
1) скорости движения молекул,
2) числа столкновений между молекулами,
3) доли активных молекул,
4) стабильности молекул продуктов реакции.
28. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены реакции, для которых MnO 2 является катализатором:
1) 2KClO 3 ® 2KCl + 3O 2 ,
2) 2Al + 3I 2 ® 2AlI 3 ,
4) 2H 2 O 2 ® 2H 2 O + O 2 ,
8) 2SO 2 + O 2 ® 2SO 3 .
29. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены правильные ответы. С помощью каталитических реакций в промышленности получают:
1) соляную кислоту,
2) серную кислоту,
4) аммиак,
8) азотную кислоту.
30. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены правильные ответы. Катализатор:
1) участвует в реакции,
2) используется только в твердом состоянии,
4) не расходуется в ходе реакции,
8) в своем составе обязательно содержит атом металла.
31. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены правильные ответы. В качестве катализаторов используются:
32. Вещества, уменьшающие активность катализатора, называются:
1) промоторами,
2) регенераторами,
3) ингибиторами,
4) каталитическими ядами.
33. Каталитической не является реакция:
1) (C 6 H 10 O 5) n + n H 2 O ® n C 6 H 12 O 6 ,
целлюлоза
2) 2SO 2 + O 2 ® 2SO 3 ,
3) 3H 2 + N 2 ® 2NH 3 ,
4) NH 3 + HCl ® NH 4 Cl.
34. Под каким номером приведено уравнение гомогенного катализа:
35. Механизм действия катализатора верно отражает высказывание. Катализатор:
1) увеличивая кинетическую энергию исходных частиц, увеличивает число их столкновений,
2) образует с исходными веществами промежуточные соединения, легко превращающиеся в конечные вещества,
3) не взаимодействуя с исходными веществами, направляет реакцию по новому пути,
4) уменьшая кинетическую энергию исходных частиц, увеличивает число их столкновений.
36. Роль промотора в каталитической реакции состоит в том, что он:
1) уменьшает активность катализатора,
2) увеличивает активность катализатора,
3) ведет реакцию в желаемом направлении,
4) защищает катализатор от каталитических ядов.
37. Ферменты:
1) биологические катализаторы,
2) имеют белковую природу,
4) не отличаются специфичностью действия,
8) ускоряют биохимические процессы в живых организмах.
38. Гетерогенной является реакция:
39. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены правильные ответы. Чтобы увеличить скорость горения угля: С + O 2 ® СО 2 , необходимо:
1) увеличить концентрацию О 2 ,
2) увеличить концентрацию угля,
4) измельчить уголь,
8) увеличить концентрацию углекислого газа.
40. Если реагирующее вещество А взято в реакцию: А т + Х газ ® в твердом состоянии, то на скорость реакции влияет:
1) концентрация А,
2) площадь поверхности соприкосновения А с Х,
4) молярная масса А,
8) концентрация вещества Х.
41. Размерностью скорости гетерогенной реакции является:
1) моль/л, 2) моль/cм 3 ×с,
3) моль/л×с 4) моль/см 2 ×с.
42. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены правильные ответы. Принцип кипящего слоя используют:
1) для увеличения поверхности соприкосновения реагентов,
2) при обжиге колчедана,
4) в ходе каталитического крекинга нефтепродуктов,
8) для регенерации активности катализатора.
43. Наименьшую
1) Na + H 2 O ® 2) Ca + H 2 O ®
3) K + H 2 O ® 4) Mg + H 2 O ®
44. На графике приведены энергетические диаграммы некаталитической и каталитической реакции разложения иодоводорода. Изменение энергии активации отражает энергетический отрезок:
1) b , 2) c , 3) d , 4) b– c .
45. Наибольшую энергию активации имеет реакция, описываемая схемой:
1) AgNO 3 + KCl ® AgCl + KNO 3 ,
2) BaCl 2 + K 2 SO 4 ® BaSO 4 + 2KCl,
3) 2Na + 2H 2 O ® 2NaOH + 2H 2 ,
6.2. Химическое равновесие.
Наряду с практически необратимыми химическими реакциями:
СaCl 2 + 2AgNO 3 = Ca(NO 3) 2 + 2AgCl↓ и др.
известны многочисленные процессы, когда химическое превращение не доходит до конца, а возникает равновесная смесь всех участников и продуктов реакции, находящихся как в левой, так и в правой частях стехиометрического уравнения реакции. Так, при стандартных условиях обратимой является система:
Рассмотрим особенности протекания обратимых процессов на примере системы, которая, в общем виде, имеет вид:
При условии, что прямая → и обратная ← реакции протекают в одну стадию, согласно закону действующих масс значения скоростей для прямой (V прям) и обратной (V обр) реакций описываются следующими кинетическими уравнениями:
где k прям и k обр - константы скорости, соответственно, прямой и обратной реакций.
В начальный момент времени (см. рис. 6.2) концентрации исходных веществ [A] и [B], а следовательно, и скорость прямой реакции имеют максимальное значение. Концентрации продуктов реакции [С] и [D] и скорость обратной реакции в начальный момент равны нулю. В ходе реакции концентрации исходных веществ уменьшаются, что приводит к снижению скорости прямой реакции. Концентрации же продуктов реакции, а, следовательно, и скорость обратной реакции возрастают. Наконец, наступает момент, при котором скорости прямой и обратной реакций становятся равными.
Состояние системы, при котором V прям = V обр называется химическим равновесием . Это равновесие является динамическим , поскольку в системе имеет место двусторонняя реакция – в прямом (A и B – реагенты, C и D – продукты) и в обратном (A и B – продукты, C и D – реагенты) направлениях.
V обр.
Время реакции
Рис. 6.2. Зависимость скоростей прямой и обратной реакций
от времени их протекания.
В обратимой системе, находящейся в состоянии равновесия, концентрации всех участников процесса называются равновесными концентрациями , так как при этом постоянно и с одинаковой скоростью протекают как прямая, так и обратная реакции.
Количественную характеристику химического равновесия можно вывести, используя соответствующие кинетические уравнения :
Так как константы скоростей реакций при фиксированной температуре постоянны, то будет постоянным и отношение
называемое константой химического равновесия . Приравнивая правые части кинетических уравнений для прямой и обратной реакций можно получить:
где K р – константа химического равновесия, выраженная через равновесные концентрации участников реакции.
Константа химического равновесия представляет собой отношение произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ в степенях их стехиометрических коэффициентов.
Например, для обратимой реакции
выражения для константы равновесия имеет вид:
Если в процессе химического превращения участвуют две или несколько фаз, то в выражении для константы равновесия следует учитывать только те из них, в которых происходят изменения концентраций реагентов. Например, в выражение для константы равновесия для системы
общее количество моль газообразных веществ до и после реакции остается постоянным и давление в системе не меняется. Равновесие в данной системе при изменении давления не смещается.
Влияние изменения температуры на смещение химического равновесия.
В каждой обратимой реакции одно из направлений отвечает экзотермическому процессу, а другое – эндотермическому. Так в реакции синтеза аммиака прямая реакция – экзотермическая, а обратная реакция – эндотермическая.
1) концентрации H 2 , N 2 и NH 3 не изменяются со временем,
3) число молекул NH 3 , распадающихся в единицу времени, равно половине общего числа молекул H 2 и N 2 , образующихся за это время,
4) общее число молекул H 2 и N 2 , превращающихся в единицу времени в NH 3 , равно числу молекул NH 3 , образующихся за это же время.
49. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены правильные ответы. Химическое равновесие в системе: 2SO 2 + O 2 2SO 3 ∆Н ˂0 нарушит:
1) уменьшение давления в системе,
2) нагревание,
4) увеличение концентрации кислорода.
50. Укажите номер или сумму условных номеров, под которыми приведены правильные ответы. Чтобы сместить равновесие в системе N 2 + 3H 2 2NH 3 ∆Н ˂0 влево, надо:
1) ввести в систему H 2 ,
2) удалить из системы NH 3 ,
4) повысить давление,
8) увеличить температуру.
51. Для смещения равновесия реакции 2SO 2 + O 2 2SO 3 ∆Н ˂0 вправо, необходимо:
1) нагреть систему,
2) ввести в систему O 2 ,
4) ввести в систему SO 3 ,
8) уменьшить давление в системе.
52. Правилу (принципу) Ле Шателье не соответствует утверждение:
1) повышение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции;
2) понижение температуры смещает равновесие в сторону экзотермической реакции;
3) повышение давления смещает равновесие в сторону реакции, ведущей к увеличению объема;
N 2 + O 2 ∆Н ˂0,2H 2 O (пар) , 2NH 3 кат. 3H 2 + N 2 . B ,
2) k 1 Ч = k 2 2 ,
67. На константу равновесия (K p ) влияет:
1) давление,
2) температура,
3) концентрация,
4) катализатор.
Пусть в школе мы и относимся к химии как к одному из наиболее сложных и поэтому «нелюбимых» предметов, но спорить с тем, что химия важна и значима, не стоит, ибо спор обречен на неуспех. Химия, как и физика, окружает нас: это молекулы , атомы , их которых состоят вещества , металлы, неметаллы , соединения и др. Поэтому химия – одна из важнейших и обширных областей естествознания.
Химия – это наука о веществах, их свойствах и превращениях.
Предметом химии являются формы существования объектов материального мира. В зависимости от того, какие объекты (вещества) химия изучает, химию принято делить на неорганическую и органическую . Примерами неорганических веществ являются кислород, вода, кремнезём, аммиак и сода, примерами веществ органических – метан, ацетилен, этанол, уксусная кислота и сахароза.
Все вещества, как здания, построены из кирпичиков-частиц и характеризуются определенной совокупностью химических свойств – способностью веществ принимать участие в химических реакциях.
Химические реакции – это процессы образования сложных по составу веществ из более простых, переход одних сложных веществ в другие, разложение сложных веществ на несколько более простых по составу веществ. Иными словами, химические реакции – это превращения одних веществ в другие.
В настоящее время известно много миллионов веществ , к ним постоянно добавляются новые вещества – как открытые в природе, так и синтезированные человеком, т.е. полученные искусственным путем. Число химических реакций не ограничено , т.е. безмерно велико.
Вспомним основные понятия химии – вещество, химические реакции и др.
Центральным понятием химии является понятие вещество . Каждое вещество обладает уникальным набором признаков – физических свойств, определяющих индивидуальность каждого конкретного вещества, например, плотность, цвет, вязкость, летучесть, температуру плавления и кипения.
Все вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях – твердом (лед), жидком (вода) и газообразном (пар), зависящих от внешних физических условий. Как видим, вода H 2 O представлена во всех заявленных состояниях.
Химические свойства вещества от агрегатного состояния не зависят, а вот физические свойства, напротив, зависят. Так, в любом агрегатном состоянии сера S при сгорании образует сернистый газ SO 2 , т.е. проявляет одно и то же химическое свойство, но свойства физические серы весьма различны в разных агрегатных состояниях: например, плотность жидкой серы равна 1,8 г/см 3 , твердой серы 2,1 г/см 3 и газообразной серы 0,004 г/см 3 .
Химические свойства веществ выявляются и характеризуются химическими реакциями. Реакции могут протекать как в смесях различных веществ, так и внутри одного вещества. При протекании химических реакция всегда образуются новые вещества.
Химические реакции изображаются в общем виде уравнением реакции: Реагенты → Продукты , где реагенты – это исходные вещества, взятые для проведения реакции, а продукты – это новые вещества, которые образовались в результате проведения реакции.
Всегда химические реакции сопровождаются физическими эффектами – это может быть поглощение или выделение теплоты, изменения агрегатного состояния и окраски веществ ; о протекании реакций часто судят по наличию этих эффектов. Так, разложение зеленого минерала малахит сопровождается поглощением теплоты (именно поэтому реакция идет при нагревании), а в результате разложения образуется твердый черный оксид меди (II) и бесцветные вещества – углекислый газ CO 2 и жидкая вода H 2 O.
Химические реакции необходимо отличать от физических процессов
, которые изменяют лишь внешнюю форму или агрегатное состоя
ние вещества (но не его состав); наиболее распространены такие физические процессы, как дробление, прессование, совместное сплавление, смешивание, растворение, фильтрирование осадка, перегонка.
С помощью химических реакций можно получать практически важные вещества, которые в природе находятся в ограниченных количествах (азотные удобрения ) или вообще не встречаются (синтетические лекарственные препараты, химические волокна, пластмассы ). Иными словами, химия позволяет синтезировать необходимые для жизнедеятельности человека вещества . Но химическое производство приносит и много вреда окружающему миру – в виде загрязнений, вредных выбросов, отравления флоры и фауны , поэтому использование химии должно быть рациональным, бережным и целесообразным.
blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Химическими реакция называют превращения веществ, в которых происходит изменение их состава и (или) строения.
Наиболее часто под химическими реакциями понимают процесс превращения исходных веществ (реагентов) в конечные вещества (продукты).
Химические реакции записываются с помощью химических уравнений, содержащих формулы исходных веществ и продуктов реакции. Согласно закону сохранения массы, число атомов каждого элемента в левой и правой частях химического уравнения одинаково. Обычно формулы исходных веществ записывают в левой части уравнения, а формулы продуктов – в правой. Равенство числа атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения достигается расстановкой перед формулами веществ целочисленных стехиометрических коэффициентов.
Химические уравнения могут содержать дополнительные сведения об особенностях протекания реакции: температура, давление, излучение и т.д., что указывается соответствующим символом над (или «под») знаком равенства.
Все химические реакции могут быть сгруппированы в несколько классов, которым присущи определенные признаки.
Согласно этой классификации, химические реакции подразделяются на реакции соединения, разложения, замещения, обмена.
В результате реакций соединения из двух или более (сложных или простых) веществ образуется одно новое вещество. В общем виде уравнение такой химической реакции будет выглядеть следующим образом:
Например:
СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Са(НСО 3) 2
SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4
2Mg + O 2 = 2MgO.
2FеСl 2 + Сl 2 = 2FеСl 3
Реакции соединения в большинстве случаев экзотермические, т.е. протекают с выделением тепла. Если в реакции участвуют простые вещества, то такие реакции чаще всего являются окислительно-восстановительными (ОВР), т.е. протекают с изменением степеней окисления элементов. Однозначно сказать будет ли реакция соединения между сложными веществами относиться к ОВР нельзя.
Реакции, в результате которых из одного сложного вещества образуется несколько других новых веществ (сложных или простых) относят к реакциям разложения . В общем виде уравнение химической реакции разложения будет выглядеть следующим образом:
Например:
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)
H 2 SiO 3 = SiO 2 + H 2 O (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)
Большинство реакций разложения протекает при нагревании (1,4,5). Возможно разложение под действием электрического тока (2). Разложение кристаллогидратов, кислот, оснований и солей кислородсодержащих кислот (1, 3, 4, 5, 7) протекает без изменения степеней окисления элементов, т.е. эти реакции не относятся к ОВР. К ОВР реакциям разложения относится разложение оксидов, кислот и солей, образованных элементами в высших степенях окисления (6).
Реакции разложения встречаются и в органической химии, но под другими названиями — крекинг (8), дегидрирование (9):
С 18 H 38 = С 9 H 18 + С 9 H 20 (8)
C 4 H 10 = C 4 H 6 + 2H 2 (9)
При реакциях замещения простое вещество взаимодействует со сложным, образуя новое простое и новое сложное вещество. В общем виде уравнение химической реакции замещения будет выглядеть следующим образом:
Например:
2Аl + Fe 2 O 3 = 2Fе + Аl 2 О 3 (1)
Zn + 2НСl = ZnСl 2 + Н 2 (2)
2КВr + Сl 2 = 2КСl + Вr 2 (3)
2КСlO 3 + l 2 = 2KlO 3 + Сl 2 (4)
СаСО 3 + SiO 2 = СаSiO 3 + СО 2 (5)
Са 3 (РО 4) 2 + ЗSiO 2 = ЗСаSiO 3 + Р 2 О 5 (6)
СН 4 + Сl 2 = СН 3 Сl + НСl (7)
Реакции замещения в своем большинстве являются окислительно-восстановительными (1 – 4, 7). Примеры реакций разложения, в которых не происходит изменения степеней окисления немногочисленны (5, 6).
Реакциями обмена называют реакции, протекающие между сложными веществами, при которых они обмениваются своими составными частями. Обычно этот термин применяют для реакций с участием ионов, находящихся в водном растворе. В общем виде уравнение химической реакции обмена будет выглядеть следующим образом:
АВ + СD = АD + СВ
Например:
CuO + 2HCl = CuCl 2 + H 2 O (1)
NaOH + HCl = NaCl + H 2 O (2)
NаНСО 3 + НСl = NаСl + Н 2 О + СО 2 (3)
AgNО 3 + КВr = АgВr ↓ + КNО 3 (4)
СrСl 3 + ЗNаОН = Сr(ОН) 3 ↓+ ЗNаСl (5)
Реакции обмена не являются окислительно-восстановительными. Частный случай этих реакций обмена -реакции нейтрализации (реакции взаимодействия кислот со щелочами) (2). Реакции обмена протекают в том направлении, где хотя бы одно из веществ удаляется из сферы реакции в виде газообразного вещества (3), осадка (4, 5) или малодиссоциирующего соединения, чаще всего воды (1, 2).
В зависимости от изменения степеней окисления элементов, входящих в состав реагентов и продуктов реакции все химические реакции подразделяются на окислительно-восстановительные (1, 2) и, протекающие без изменения степени окисления (3, 4).
2Mg + CO 2 = 2MgO + C (1)
Mg 0 – 2e = Mg 2+ (восстановитель)
С 4+ + 4e = C 0 (окислитель)
FeS 2 + 8HNO 3 (конц) = Fe(NO 3) 3 + 5NO + 2H 2 SO 4 + 2H 2 O (2)
Fe 2+ -e = Fe 3+ (восстановитель)
N 5+ +3e = N 2+ (окислитель)
AgNO 3 +HCl = AgCl ↓ + HNO 3 (3)
Ca(OH) 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 ↓ + H 2 O (4)
В зависимости от того, выделяется ли или поглощается тепло (энергия) в ходе реакции, все химические реакции условно разделяют на экзо – (1, 2) и эндотермические (3), соответственно. Количество тепла (энергии), выделившееся или поглотившееся в ходе реакции называют тепловым эффектом реакции. Если в уравнении указано количество выделившейся или поглощенной теплоты, то такие уравнения называются термохимическими.
N 2 + 3H 2 = 2NH 3 +46,2 кДж (1)
2Mg + O 2 = 2MgO + 602, 5 кДж (2)
N 2 + O 2 = 2NO – 90,4 кДж (3)
По направлению протекания реакции различают обратимые (химические процессы, продукты которых способны реагировать друг с другом в тех же условиях, в которых они получены, с образованием исходных веществ) и необратимые (химические процессы, продукты которых не способны реагировать друг с другом с образованием исходных веществ).
Для обратимых реакций уравнение в общем виде принято записывать следующим образом:
А + В ↔ АВ
Например:
СН 3 СООН + С 2 Н 5 ОН↔ Н 3 СООС 2 Н 5 + Н 2 О
Примерами необратимых реакций может служить следующие реакции:
2КСlО 3 → 2КСl + ЗО 2
С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6Н 2 О
Свидетельством необратимости реакции может служить выделение в качестве продуктов реакции газообразного вещества, осадка или малодиссоциирующего соединения, чаще всего воды.
С этой точи зрения выделяют каталитические и некаталитические реакции.
Катализатором называют вещество, ускоряющее ход химической реакции. Реакции, протекающие с участием катализаторов, называются каталитическими. Протекание некоторых реакций вообще невозможно без присутствия катализатора:
2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (катализатор MnO 2)
Нередко один из продуктов реакции служит катализатором, ускоряющим эту реакцию (автокаталитические реакции):
MeO+ 2HF = MeF 2 + H 2 O, где Ме – металл.
ПРИМЕР 1
Из неочищенной нефти, добываемой из недр земли, получают путем перегонки различные нефтяные и воскообразные продукты. В косметике используют, прежде всего, жидкое текучее парафиновое (или белое) масло, вязкий плотный вазелин, твердый, воскообразный горный воск (или озокерит) и более чистый парафин.
Парафиновое масло - прозрачное маслообразное вещество без запаха и вкуса, которое может быть различной плотности.
Вазелин представляет собой белое, вязкое, липкое маслообразное вещество, не имеющее запаха. В таком виде его применяют в качестве мази для массажа, а также в качестве основы для приготовления различных лекарственных мазей.
Озокерит и парафин - твердые переменной плотности белые вещества.
Все эти сырьевые продукты, получаемые из нефти, находят широкое применение в косметической промышленности благодаря их дешевой цене и хорошей устойчивости при хранении. Они не могут с легкостью впитываться в кожу, но являются прекрасным исходным материалом для изготовления, например, геля и косметического молочка, а также и для декоративной косметики.
Природные масла благодаря наличию в них ненасыщенных связей менее вязки и более текучи, чем жиры. И масла, и жиры - это сложные эфиры жирных кислот и глицерина; в природе они всегда встречаются в виде различных смесей. Природные жиры быстро портятся из-за своей химической ненасыщенности. Поэтому их часто гидрируют, присоединяя по ненасыщенным связям атомы водорода. В таком виде жир становится твердым и лучше сохраняется, зато одновременно становится менее пригодным для использования в косметике Вилламо Х. Косметическая химия. - М.: Мир, 1990..
Жиры растительного и животного происхождения еще используются для изготовления косметических веществ, хотя по вышеупомянутым причинам они все более уступают место синтетическим веществам, жирным кислотам, жирным спиртам и др. Важнейшими растительными и животными маслами и жирами являются следующие (табл.1) Химия в быту и в производстве. / Под ред. Селиванова М.И. - М.: Химия, 2000..
Таблица 1 Растительные и животные масла и жиры
Помимо приведенных выше находят применение также и некоторые другие природные масла, поскольку в них содержатся определенные дополнительные вещества. В качестве примера можно привести следующие.
Черепаховое масло в сыром виде желтого цвета и имеет очень неприятный запах (его получают путем экстрагирования из половых органов и мышц одного из видов черепах). В нем содержатся, в частности, витамины А, О, К и Н, а также линолевая и линоленовая кислоты. После очистки оно становится пригодным к употреблению косметическим сырьем.
Норковое масло, подобно предыдущему, является животным маслом, насыщенным витаминами (его получают из мышц норки).
В масле из проросших пшеничных семян помимо масел всегда содержится еще 2-12% жирных кислот. Оно хорошо сохраняется и богато, в частности, витамином Е, каротином, линолевой и линоленовой кислотами, эргостерином, а также содержит в небольшом количестве витамин К.
Важнейшим натуральным воском, применяемым в изготовлении гелей, является пчелиный воск. Это твердое желтое или (будучи отбеленным) белое вязкое вещество. В пчелином воске содержится 72% различных натуральных восков (восковых эфиров), около 14% свободных высокомолекулярных жирных кислот, свободных жирных спиртов и др.
Карнаубский воск получают из листьев карнаубской пальмы. Это самый твердый из натуральных восков. Он хорошо смешивается со многими жирами, маслами, восками и т. п., повышая их температуру плавления и увеличивая твердость композиции.
Шерстяной жир - это жироподобное вещество, получаемое из овечьей шерсти в результате ее мытья. Когда к шерстяному жиру добавляют 25% воды, то получают вещество, называемое ланолином. Сырой ланолин по цвету желто-коричневый, а в очищенном виде почти белый. В нем содержится большое количество холестерина (в значительной мере этерифицированного различными жирными кислотами), различных восков, а также свободных высокомолекулярных жирных кислот и жирных спиртов.
Таким образом, очищенный ланолин вполне пригоден в качестве исходного сырья. Кроме того, из него изготавливают для различных целей всевозможные продукты, как, например, ланолиновое масло, разнообразные фракции ланолина.
Все природные жиры и масла являются триглицеридами, т. е. эфирами трехосновного спирта глицерина. В природе нет жиров и масел, в которых глицерин был бы этерифицирован только одной жирной кислотой; природные жиры всегда являются эфирами двух или нескольких жирных кислот.
Животные жиры (такие, как сало) и растительные жиры можно при высокой температуре и давлении гидролизовать с помощью воды на жирные кислоты и глицерин. В результате этого получают главным образом стеариновую кислоту, пальмитиновую кислоту и миристиновую кислоту. Все три кислоты - твердые воскообразные вещества без цвета и запаха. В таком виде они представляют собой прекрасное сырье для приготовления кремов, гелей и различных эмульсий.
В натуральных маслах, помимо приведенных выше кислот, содержатся также ненасыщенные жирные кислоты, такие, например, как олеиновая кислота с одной двойной связью, линолевая кислота с двумя двойными связями и линоленовая кислота с тремя двойными связями. Ненасыщенные жирные кислоты и их эфиры являются жидкими при комнатной температуре. Благодаря наличию в них двойных связей они весьма чувствительны к реакциям разложения, например, к действию микробов, и легко распадаются на более мелкие молекулы, имеющие зачастую неприятный запах. Таким образом, они быстро портятся. Поэтому их обычно гидрируют по двойным связям, и из всех трех вышеназванных ненасыщенных жирных кислот образуется стеариновая кислота; одновременно все они становятся твердыми, почему этот метод и называется отверждением жиров.
Воск образуется из эфира низкомолекулярной карбоновой кислоты, например уксусной, и макромолекулярного так называемого жирного спирта; жирные спирты получают, в частности, путем разложения натуральных восков. Для приготовления гелей важнейшими сырьевыми веществами являются стеариновый спирт и цетиловый спирт.
Эти сравнительно высокомолекулярные соединения, получаемые в результате переработки натуральных жиров и восков, широко используются в косметике. Они представляют собой воскообразные или жироподобные вещества, хорошо ложащиеся на кожу. Они легко смешиваются с кожным салом и создают прекрасное дополнение к основе кремов, гелей и других средств, улучшая их свойства.
Как было отмечено ранее, натуральные жиры, масла и воски всегда представляют собой смеси, содержащие большое количество различных органических соединений. Поэтому в зависимости от места происхождения и других факторов среды они различаются по своему составу и свойствам. Современная промышленность стремится, однако, производить косметические изделия постоянного качества, поэтому устойчивые синтетические вещества заметно потеснили собственно натуральные продукты.
Путем переработки натуральных жиров и восков получают, как было изложено выше, необходимые для промышленного производства жирные кислоты, жирные спирты и, конечно, глицерин. Соединяя их вновь синтетическим способом, получают чистые и с устойчивыми характеристиками жиры и воски. В соответствии с происхождением и способом изготовления их называют полусинтетическими продуктами.
Из синтетических восков можно назвать эфиры стеариновой, пальмитиновой и миристиновой кислот, получаемые в большом количестве из природных веществ. Вторым компонентом в них является чаще всего изопропиловый спирт.
Силиконы представляют собой весьма важную группу синтетических жировых и воскообразных сырьевых веществ. Эти вещества имеют в своей основе цепь чередующихся атомов кремния и кислорода, к которой присоединены боковые органические группы. В качестве примера силиконов можно привести силиконовое масло, являющееся относительно низкомолекулярным производным метилсилоксана.
Говоря о свойствах силиконов, необходимо отметить, что они устойчивы при хранении и, кроме того, отлично переносятся организмом. Они не размягчаются с ростом температуры (это очень важно для использования их в качестве жидкого компонента плотной косметики), хорошо смешиваются с кожным салом и при обильном употреблении образуют водоотталкивающую пленку.
Полиспирт (полиол) - это органическое соединение, в молекуле которого содержится более одной гидроксильной группы ОН. Этиленгликоль и глицерин, имеющие соответственно две и три группы ОН, являются самыми простыми полиспиртами. К этой группе относятся также и все сахара и различные производные гликоля, такие, как, полиэтиленгликоли, которые уже рассматривались выше. В гелях полиспирты используются в качестве увлажнителей; в этом смысле наиболее важными являются глицерин, пропиленгликоль, сорбит и фруктоза.
К коллоидам можно отнести разнообразные вещества растительного и животного происхождения, которые образуют с водой коллоидные растворы; многие из них являются полисахаридами. Из коллоидов, имеющих полисахаридную основу, можно упомянуть следующие (табл. 2).
Таблица 2 Коллоиды, имеющие полисахаридную основу
Клеи являются обычно продуктами растительного происхождения. Здесь указана лишь незначительная часть растительных клеев. Хорошо известен агар-агар, относящийся к группе альгинатов; его получают из морских водорослей и используют для производства сладостей мармеладного типа.
Декстран изготовляется с помощью некоторых микроорганизмов из тростникового сахара. Это полимер, молекулярная масса которого колеблется между 75 000 и 1 000 000. Помимо того, что он используется в качестве заменителя плазмы крови, его можно применять, например, для регулирования вязкости растворов.
Целлюлозы представляют собой широко употребляемую и довольно разнообразную группу веществ, из которой выше приведены лишь три примера. Из многообразных форм применения для целей косметики важны их функции регулятора вязкости растворов и стабилизатора эмульсий.
Коллоидами, имеющими белковую основу, являются, в частности, желатин, получаемый из костей и кож, соевые и кукурузные белки, казеин - белковое вещество молока, а также альбумин, который получают из яичного белка.
Для коллоидов характерно то, что они пригодны для образования гелей и увеличения вязкости растворов и эмульсий.
В современной эмульсионной технике используют различные типы целлюлозы, главным образом в качестве стабилизаторов. Их применяют также в качестве основного компонента масок для лица, а также в различных препаратах для ухода за волосами.
Помимо того, белковые коллоиды применяются в препаратах для ухода за кожей, поскольку они построены из аминокислотных цепей различной длины и, в зависимости от способа обработки, могут также содержать свободные аминокислоты; таким образом, их вполне можно сравнивать с белковыми гидролизатами Химия для косметической продукции. / Под ред. Ованесяна П.Ю. - Красноярск: Марта, 2001. .
Исходные вещества Активированный комплекс Продукты реакции - раздел Химия, Общая химия Для Образования Активного Комплекса Нужно Преодолеть Некоторый Энергетический...
Энергия активации Е А – один из основных параметров, который характеризует скорость химического взаимодействия. Она зависит от природы реагирующих веществ. Чем больше Е А, тем меньше (при прочих равных условиях) скорость реакции.
Обычно реакции между веществами с прочными ковалентными связями характеризуются большими значениями Е А и идут медленно, например:
Низкими значениями Е А и очень большими скоростями характеризуются ионные взаимодействия в растворах электролитов. Например:
Ca +2 + SO= CaSO 4 .
Объясняется это тем, что разноименно заряженные ионы притягиваются друг к другу и не требуется затрат энергии на преодоление сил отталкивания взаимодействующих частиц.
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования.. тюменский государственный нефтегазовый университет..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Общая химия
Курс лекций
Тюмень 2005
УДК 546(075)
Севастьянова Г.К., Карнаухова Т. М.Общая химия: Курс лекций. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2005. – 210 с.
Основные законы химии
1. Закон сохранения массы веществ (М.В. Ломоносов; 1756 г.):
масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.
2. За
Общие положения
Согласно современным представлениям, атом – это наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств. Атом электрически нейтрален и состоит из положительно заряженно
Развитие представлений о строении атома
До конца 19 столетия большинство учёных представляло атом как неразложимую и неделимую частицу элемента – "конечный узел" материи. Считалось также, что атомы неизменны: атом данного элеме
Модель состояния электрона в атоме
В соответствии с квантово – механическими представлениями, электрон – это такое образование, которое ведёт себя и как частица, и как волна, т.е. он обладает, как и другие микрочастицы, корпускул
Квантовые числа
Для характеристики поведения электрона в атоме введены квантовые числа: главное, орбитальное, магнитное и спиновое.
Главное квантовое число n определяет энергию электрона на энергетичес
Электронные конфигурации (формулы) элементов
Запись распределения электронов в атоме по уровням, подуровням и орбиталям получила название электронной конфигурации (формулы) элемента. Обычно электронная формула приводится для основного
Порядок заполнения электронами уровней, подуровней, орбиталей в многоэлектронных атомах
Последовательность заполнения электронами уровней, подуровней, орбиталей в многоэлектронных атомах определяют:
1) принцип наименьшей энергии;
2) правило Клечковского;
3)
Электронные семейства элементов
В зависимости от того, какой подуровень последним заполняется электронами, все элементы делятся на четыре типа – электронные семейства:
1. s – элементы; заполняется электронами s –
Понятие об электронных аналогах
Атомы элементов с одинаковым заполнением внешнего энергетического уровня носят название электронных аналогов. Например:
Периодический закон и периодическая система элементов Д.И. Менделеева
Важнейшим событием химии в 19 веке было открытие периодического закона, сделанное в 1869 г. гениальным русским ученым Д. И. Менделеевым. Периодический закон в формулировке Д. И. Менделеева гласи
Структура периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева
Элементы в периодической системе располагаются в последовательности возрастания порядковых номеров Z от 1 до 110. Порядковый номер элемента Z соответствует заряду ядра его атома, а также числу д
Периодическая система Д.И. Менделеева и электронная структура атомов
Рассмотрим связь между положением элемента в периодической системе и электронным строением его атомов. У каждого последующего элемента периодической системы на один электрон больше, чем у предыдуще
Периодичность свойств элементов
Так как электронное строение элементов изменяется периодически, то соответственно периодически изменяются и свойства элементов, определяемые их электронным строением, такие, как атомный радиус, эне
Теория метода валентных связей
Метод разработан В. Гейтлером и Дж. Лондоном. Большой вклад в его развитие внесли также Дж. Слейтер и Л. Полинг.
Основные положения метода валентных связей:
1. Химическая связь
Ковалентная связь
Химическая связь между атомами, осуществляемая обобществленными электронами, называется ковалентной. Ковалентная связь (означает – «совместно действующая») возникает за счет образования общи
Насыщаемость ковалентной связи
Насыщаемость ковалентной связи (валентные возможности атома, максимальная валентность) характеризует способность атомов участвовать в образовании определенного ограниченного числа ковалентных св
Направленность ковалентной связи
Согласно МВС наиболее прочные химические связи возникают в направлении максимального перекрывания атомных орбиталей. Поскольку атомные орбитали имеют определённую форму, их максимал
Полярность и поляризуемость химической связи
Ковалентная связь, в которой обобществленная электронная плотность (обобществленные электроны, связующее электронное облако) симметрична по отношению к ядрам взаимодействующих атомов, называется
Полярность молекул (типы ковалентных молекул)
Следует отличать полярность молекулы от полярности связи. Для двухатомных молекул типа АВ эти понятия совпадают, как это уже показано на примере молекулы HCl. В таких молекулах чем больше разнос
Ионная связь
При взаимодействии двух атомов, обладающих весьма различными электроотрицательностями, общая пара электронов может быть практически полностью смещена к атому с большей электроотрицательностью. В ре
Металлическая связь
Само название «металлическая связь» указывает, что речь пойдет о внутренней структуре металлов.
Атомы большинства металлов на внешнем энергетическом уровне содержат небольшое число валентн
Гидроксиды
Среди многоэлементных соединений важную группу составляют гидроксиды – сложные вещества, содержащие гидроксогруппы OH. Некоторые из них (основные гидроксиды) проявляют свойства оснований - N
Кислоты
Кислоты – это вещества, диссоциирующие в растворах с образованием катионов водорода и анионов кислотного остатка (с позиций теории электролитической диссоциации).
Кислоты классифици
Основания
Основаниями с позиций теории электролитической диссоциации являются вещества, диссоциирующие в растворах с образованием гидроксид - ионов OH ‾ и ионов металлов (исключение NH4OH
Первый закон термодинамики
Взаимосвязь между внутренней энергией, теплотой и работой устанавливает первый закон (начало) термодинамики. Его математическое выражение:
Q = DU + A,
или для беско
Тепловой эффект химической реакции. Термохимия. Закон Гесса
Все химические процессы сопровождаются тепловыми эффектами.
Тепловым эффектом химической реакции называется теплота, выделяемая или поглощаемая в результате превращения исходных веществ
Энтропия
Если на систему оказать внешнее воздействие, в системе происходят определенные изменения. Если после снятия этого воздействия система может вернуться в первоначальное состояние, то процесс является
Свободная энергия Гиббса
Все химические реакции обычно сопровождаются изменением как энтропии, так и энтальпии. Связь между энтальпией и энтропией системы устанавливает термодинамическая функция состояния, которая называет
Свободная энергия Гельмгольца
Направление протекания изохорных процессов (V = const и Т = const) определяется изменением свободной энергии Гельмгольца, которую называют также изохорно-изотермический потенциал (F):
DF =
Закон действующих масс
Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ определяется законом действующих масс. Этот закон установлен норвежскими учеными Гульдбергом и Вааге в 1867 г. Он формули
Зависимость скорости химической реакции от температуры
Зависимость скорости химической реакции от температурыопределяется правилом Вант-Гоффа и уравнением Аррениуса.
Правило Вант-Гоффа:при увеличении температуры на каждые 1
Влияние катализатора
Изменение скорости реакции под воздействием малых добавок особых веществ, количество которых в ходе процесса не меняется, называется катализом.
Вещества, изменяющие скорость хими
Общие представления о химическом равновесии. Константа химического равновесия
Химические реакции, в результате которых хотя бы одно из исходных веществ расходуется полностью, называются необратимыми, протекающими до конца.
Однако большинство реакций являют
Смещение химического равновесия. Принцип Ле Шателье
Химическое равновесие остается неизменным до тех пор, пока постоянны параметры, при которыхоно устано
Фазовые равновесия. Правило фаз Гиббса
Гетерогенные равновесия, связанные с переходом вещества из одной фазы в другую без изменения химического состава, называются фазовыми.
К ним относятся равновесия в процессах испарен
