Для правильного проведення хімічних реакцій важливо знати, в яких умовах вони протікають. Гомогенне середовище реагентів дозволяє визначати швидкість їх взаємодії. Існують особливі фактори, які можуть уповільнювати або прискорювати гомогенні реакції.
Класифікація
Хімічні взаємодії можна розділити на різні групи, завдяки присутності великої кількості критеріїв.
Існують такі ознаки:
- Наявність розділу реакційної фази. Реакції можуть бути гомогенними або гетерогенними.
- Зміна окислювального ступеня реагуючих речовин.
- Виділення або поглинання тепла.
- Тип змін реагуючих речовин, пов 'язаних з сполукою, розкладанням, заміщенням або обміном.
Гомогенне середовище
Це однорідна система, в якій хімічні та фізичні характеристики компонентів в будь-якій її точці постійні, а якщо вони змінюються, то в безперервному темпі, без прояву різких стрибків. Всі її частини не мають поверхневого поділу. Так протікають гомогенні хімічні реакції.
Наявність декількох реагентів в однорідній фазі не можна візуально визначити або відокремити їх механічним способом. Така особливість можлива завдяки рівномірному розподілу складових частинок одного компонента в іншому.
До прикладів однорідних фаз слід віднести газові суміші, замерзлу воду, розчини в рідкій або твердій формі.
Визначення гомогенних взаємодій
Їх ще називають гомофазними реакціями. Це процеси, що протікають в області одного однорідного середовища, а реагуючі компоненти і одержувані продукти знаходяться в незмінному стані.
Гомогенні реакції мають величини, які залишаються в однакових показниках, а якщо вони змінюються, то з безперервною швидкістю.
Коли процеси проходять в області поділу двох фаз, то їх називають гетерогенними.
Якщо реакції багатостадійні, то вони можуть бути змішаного типу. У них початкові етапи протікають у гомогенному середовищі, а кінцеві процеси в гетерогенній фазі. Такі взаємодії найчастіше відбуваються в природі.
Гомогенні реакції, приклади рівнянь
До них відносять процес хлорування молекул метану в газовому середовищі. Ця реакція протікає при високій температурі або при впливі ультрафіолету. В результаті змішування метану і хлору відбувається поетапна взаємодія екзотермічного типу.
Проміжними продуктами є газоподібні речовини, до яких відносять молекули хлорметану, дихлорметану, трихлорметану, хлороводню. Під час реакції відбувається поступове заміщення атомів водню в метані на атоми хлору. Кінцевою речовиною служить чотирьохлористий вуглець.
Усі стадії протікають у газоподібному середовищі, зазначеному стрілочкою вгору. Схематично процес виглядає так:
H2CH2↑ + ClCl↑ → H2CHCl↑ + HCl↑
H2CHCl↑ + ClCl↑ → H2CCl2↑ + HCl↑
H2CCl2↑ + ClCl↑ → HCCl3↑ + HCl↑
HCCl3↑ + ClCl↑ → CCl4↑ + HCl↑
Існують і одноетапні гомогенні реакції. Приклади таких взаємодій вказані нижче.
До гомофазних процесів можна віднести:
- розщеплення оксиду п 'ятивалентного азоту в газовому середовищі під дією високої температури: N2O5↑ + N2O5↑ → NO2 + NO2 + NO2 + NO2 + O2;
- нейтралізацію розчином гідроксиду натрію розчину соляної кислоти, з утворенням розчину хлориду натрію і води: HCl + NaOH → NaCl + H2O;
- етанове горіння з виділенням оксиду чотирьохвалентного вуглецю і водяної пари: С2Н 6. + С2Н 6. + 7О2. 4СО2. + 6Н2О.
- перетворення молекулярного кисню під час грози на озон: 3О2 2О3.
Гомогенні реакції досить часто протікають в рідкому середовищі. До них зараховують процеси галоїдування, розщеплення всіляких складних сполук на більш прості або на радикали, заміщення одних атомів іншими по нуклеофільному або електрофільному типу, відщеплення частин молекули або їх перегрупування, подовження ланцюжка за рахунок полімеризації, окислювальна взаємодія. У результаті утворюються рідкі продукти.
Швидкість реакцій гомогенних
Протікання того чи іншого процесу може займати різні часові проміжки. Важливою характеристикою такої взаємодії є швидкість гомогенної реакції. Представляє числову величину, яка визначає зміну концентрації будь-якого реагента за часовий проміжок.
Її можна охарактеризувати по-іншому: як значення, що встановлює зміну кількості взаємодіючого компонента в заданому обсязі за певний час. Головною умовою є відсутність зміни маси в системі.
При розрахунку швидкості реакції в гомогенному середовищі (позначають як Vi) використовують спад або приріст молярної кількості реагуючої речовини (Ci) за певний час (t). Існує спеціальна формула розрахунку:
Vi = ± Ci / t.
Для хімічного процесу HCl + NaOH ^ NaCl + H2O швидкість протікання можна визначити по зменшенню концентрації кожного реагенту (соляної кислоти або натрію гідроксиду) або по збільшенню кількості продуктів перетворення (натрію хлориду або води) за часовий проміжок при постійних температурних умовах.
Для визначення швидкості гомогенних реакцій концентрацію беруть у молях на літр, а час вимірюють у секундах. Розрахунок проводиться таким чином:
Vi = ± Ci / t = − [HCl] / t = − [NaOH] / t = [NaCl] / t = [H2O] / t.
Фактори, що впливають на швидкість
Гомогенною є реакція, у якої швидкість протікання даного процесу прямо пропорційна заданій речовині в одиниці обсягу. Чим більше молекул задіяно, тим швидше здійснюється взаємодія.
Основними факторами, що впливають на швидкість процесів в однорідному середовищі, є концентрація реагентів і продуктів реакції, їх хімічна природа, температурні умови, тиск у реакційному обсязі, а також наявність прискорювачів, які каталізують зміни.
Залежність швидкості протікання реакцій від нагрівання була встановлена вченим Вант-Гоффом. Згідно з його твердженням, кожне температурне підвищення на 10 ° збільшує в гомогенних реакціях швидкість в 2 або 4 рази. У більш теплому середовищі молекули починають активніше рухатися, стикатися один з одним, що призводить до їх взаємодії.
Гомогенні реакції з часом протікають з різною інтенсивністю, тому їх швидкості можуть бути справжніми (в певний момент) і середніми, що слід враховувати при розрахунках.