Химические реакции

Ядерные превращения вещества связаны с сильным взаимодействием элементарных частиц и ядер на расстояниях, соизмеримых с размерами атомных ядер, т.е. на расстояниях 10^-15м.

Химические превращения вещества связаны с электромагнитным взаимодействием атомов и молекул на расстояниях, соизмеримых с размерами атомов, т.е. на расстояниях 10^-10м. Электромагнитные взаимодействия не затрагивают атомные ядра и уступают по силе внутриядерным взаимодействиям. Когда мы говорим о химических превращениях вещества, то подразумеваем химические реакции. Химические реакции – это процессы разрыва и образования связей, сопровождающиеся изменением структуры и состава атомов и молекул. Изменения затрагивают электронные орбитали атомов и молекул. Например, в молекуле водорода ядра атомов удерживаются отрицательным зарядом, существующим между ядрами в результате перекрывания атомных орбиталей. Участие пары электронов с противоположными спинами в образовании химический связи не противоречит принципу запрета Паули.

Ядерные и химические превращения вещества объединяет общее: изменение энергетического состояния, структуры и состава вещества. Только в одних случаях превращения затрагивают состав, структуру и энергетическое состояние ядер, в других–состав, структуру и энергетические состояния атомов и молекул.

Ядерные и химические превращения не соизмеримы по величине энергетических изменений. Связано это с проявлением действия различных по величине сил внутри ядра (сильное взаимодействие) и между атомами и молекулами (электромагнитное взаимодействие). Термоядерные реакции и реакции деления ядер приводят к уменьшению массы Dm, которое сопровождается выделением энергии DE, превосходящим выделение энергии в химических реакциях в миллионы раз.

Относительно небольшие (по сравнению с ядерными реакциями) энергетические изменения позволяют в химических превращениях использовать частные случаи закона сохранения массы-энергии, т.е. закон сохранения энергии и закон сохранения массы как независимые законы. В силу вступает принцип соответствия, сформулированный еще в начале ХХ века Н. Бором. Закон сохранения массы означает сохранение полного числа атомов каждого типа в химической реакции. В продуктах реакции должно содержаться столько атомов каждого элемента, сколько их было в исходных веществах.

 

Рассмотрим реакцию горения водорода (Н₂) в среде кислорода (О₂):

 

2Н₂(г) + О₂(г) 2Н₂О(ж); DH = - 482,6 кДж

	4 моль атомов водорода		2 моль атомов кислорода		4 моль атомов водорода и 2 моль атомов кислорода		Количество выделившейся энергии

 

В соответствии с законом сохранения массы количество вещества до и после реакции не изменяется. Моль–это количество вещества , содержащее 6,02×10²³ микрочастиц (атомов, молекул, ионов, электронов).

 

+436,0 +498,4 -427,8 -427,8

Н

Н

 

 

О

О

 

Н

Н

 

+436,0 -498,7 -498,7

	Молекулы получают энергию из окружающей среды для разрыва связей

 

 

DH=2Е_Н-Н + 2Е_Н-Н +2Е_Н-О + 2Е_НО-Н = 2×436,0 + 498,4 -2×427,8 -2×498,7 = -×482,6 кДж

 

Рис.21. Модель изменения энергетического состояния вещества в результате химической реакции горения водорода в кислороде (стрелки показывают направление потока энергии от связи или на связь)

Где скрыта энергия, которая выделяется в окружающую среду при химическом превращении вещества? Потенциальная энергия любого химического процесса заключена в химических связях. Модель изменения энергетического состояния химических веществ на примере горения водорода представлена на рис.21. Атомы в молекулах изображены в виде шариков, соединенных пружинками (химическими связями)

Для двух- и трехатомных молекул удается рассчитать энтальпию (DH) химической реакции по значениям энергий связей. Для более сложных молекул такой расчет становится невозможным, т.к. отсутствуют данные энергии связи в сложных молекулах. На помощь приходит термодинамика – наука о тепловых явлениях.