Тема : Типы химических реакций. Реакции горения.
Цели: Способствовать развитию у школьников интереса к химии и ОБЖ, раскрыть межпредметные связи, повторить типы химических реакций, совершенствовать учебные умения школьников при составлении химических уравнений, приобрести навыки работы с огнетушителем, познакомиться с мерами профилактики пожаров, способствовать развитию умений сравнивать и обобщать, быстро и четко формулировать и высказывать свои мысли, применять свои знания на практике.
Оборудование и реактивы : презентация к уроку, фарфоровая чашка, спирт, картонка, спички, воздушно-пенный и углекислотный огнетушители.
Ход урока:
Учитель химии: Горение это первая химическая реакция, с которой познакомился человек. Огонь…Можно ли представить наше существование без огня? Он вошел в нашу жизнь, стал неотделим от нее. Но далеко не всегда , вглядываясь в танцующий язычок пламени, мы задумываемся над тем, какую великую роль сыграл огонь в судьбе человеческой. Без огня человек не сварит ни пищу, ни сталь, без него невозможно движение транспорта. Без огня человек, наверное, не смог бы стать человеком… «Только научившись добывать огонь с помощью трения, люди впервые заставили служить себе некоторую неорганическую силу природы», - писал Ф.Энгельс.
Сущность процесса горения долгое время оставалась загадкой природы. Только лишь два века назад наконец удалось проникнуть в тайны горения. И сделала это всемогущая химия. До этого ошибочно думали, что всякое горючее вещество содержит в себе особую «огненную материю», некую мифическую субстанцию – флогистрон, которая при горении выделяется из вещества и поглощается воздухом. Таким образом, горение считали реакцией разложения.
На самом же деле огонь – это признак такого процесса, в ходе которого горящие вещества взаимодействуют с кислородом с выделением большого количества теплоты и света. Этот химический процесс и называют горением.
Задание: Напишите уравнения взаимодействия и кислородом: лития, серы, углерода, фосфора.
Один ученик выполняет задания на доске. Остальные – в тетрадях.
Учитель:
Ученик: Это реакции соединения. По тепловому эффекту экзотермические, идут с выделением теплоты. Продукты реакций горения – оксиды. Оксиды – это бинарные соединения, в состав которых входит кислород со степенью окисления -2.
Учитель: Какие условия должны соблюдаться для протекания реакции горения?
Ученик: Чтобы вещество загорелось должны быть соблюдены два условия: 1) достижение температуры воспламенения вещества и 2) доступ кислорода.
Учитель проводит опыт:
Опыт1. Горение спирта. В фарфоровую чашку налить немного спирта, поджечь его, а затем плотно прикрыть чашку листом картона.
Учитель: : Почему пламя гаснет, а бумага не загорается?
Ученик: Пламя гаснет, так как нет доступа кислорода, бумага не загорается т.к. не была достигнута температура воспламенения.
Учитель: Каковы условия прекращения процесса горения?
К какому типу относятся эти реакции. Какие это реакции по тепловому эффекту? К какому классу веществ относятся продукты этих реакций? Какие вещества называются оксидами?
Ученик: Для прекращения процесса горения следует либо охладить вещество ниже температуры воспламенения, либо прекратить к нему доступ кислорода.
Задание: Допишите уравнения химических реакций: презентация слайд №
+ О2 → CuO
Mg + … → MgO
… + O2 → CO2
CuS + … → SO2 + …
Один учащийся записывает на доске, остальные в тетрадях, затем проводят самопроверку.
Учитель ОБЖ: Знание условий горения веществ необходимо человеку для тушения пожара. Причиной пожара являются многие факторы, и прежде всего – это химическая неграмотности многих людей, недопустимая небрежность в выполнении учебных, бытовых и производственных операций, нарушение условий обращения с веществами и источниками энергии. Что же такое пожар?
Пожар – это неконтролируемый, быстропротекающий при высокой температуре химический процесс, сопровождающийся выделением большого количества теплоты, уничтожающий материальные ценности и создающий опасность для жизни людей. Как правило, пожар возникает из-за несоблюдения мер предосторожности при работе с огнем и нарушения правил противопожарной безопасности.
При тушении пожара водой создаются два условия: вода охлаждает горячие предметы, а ее пары затрудняют к ним доступ кислорода. Кроме того, для прекращения доступа воздуха часто используют песок, оксид углерода (IV ), который получают в огнетушителях, взрывчатые вещества (при взрыве образуется относительный вакуум и прекращается горение). Этот прием используется при тушении пожаров в случаях горения нефти и ее продуктов.
Пожар можно погасить:
Охлаждением горящего предмета;
Прекращением доступа воздуха к очагу горения;
Удалением горючих веществ и предметов с возможных путей распространения огня
Ученик: Для тушения пожара применяют воду, пену, углекислый газ, снег, землю, песок и другие сыпучие негорючие материалы. Вода является эффективным огнегасительным средством, доступным, дешевым и безвредным. Она оказывает сильное охлаждающее действие, резко понижая температуру горящего тела. Однако, вода неэффективна при тушении горючих органических жидкостей, таких как, бензин, керосин, бензол, нефть, которые легче воды и не смешиваются с ней. Нельзя использовать воду для гашения загоревшегося газа. Непригодна вода и для тушения пожара при наличии электроустановок, находящихся под напряжением. Использовать воду для тушения пожаров в этом случае опасно для жизни, так как вода электропроводна. Горящие жидкости можно засыпать песком. Он устраняет доступ кислорода и ликвидирует пламя. Более эффективным средством пожаротушения является сода (карбонат и бикарбонат натрия). Она разлагается при повышенной температуре, при этом поглощается тепло и выделяется углекислый газ, обволакивающий горящий предмет.
Загорание жидкого топлива, смазочных масел, а также газов на воздухе из трубопроводов и баллонов можно остановить, набросив накидку из огнезащитной ткани или тяжелое покрывало.
Задание: Какие средства тушения пожара нужно использовать в следующих случаях: а) загорелась одежда на человеке; б) воспламенился бензин; в) возник пожар на складе лесоматериалов; г) загорелась нефть на поверхности воды?
Учитель химии: Особое внимание необходимо обратить на приемы тушения пожара, который может возникнуть в кабинете химии. Горючие спирт и ацетон разрешается тушить водой, так как они в ней хорошо растворяются.
Спиртовку после употребления убирают лишь после того, как погасят пламя и она остынет.
При воспламенении одежды следует как можно быстрее снять ее, плотно свернуть, погасить пламя песком или водой. Помните, что при загорании одежды нельзя бежать или совершать резкие движения. При беге и резких движениях доступ воздуха увеличивается, а это приводит к усилению процесса горения. Если снять воспламенившуюся одежде невозможно, необходимо плотно завернуть человека в накидку, облить водой или воспользоваться огнетушителем.
Огнетушители могут быть воздушно-пенные и углекислотные.
Учитель ОБЖ: Рассмотрим устройство и принцип работы содового огнетушителя
Для тушения пожаров применяют специальный аппарат – огнетушитель. Содовый огнетушитель состоит из резервуара, заполненного раствором соды, капсулы, в которую налита соляная кислота, и раструба, с помощью которого сильную струю углекислого газа направляют в очаг пожара. Чтобы привести огнетушитель в действие, необходимо разбить капсулу, слегка встряхнуть содержимое резервуара и направить струю углекислого газа в зону горения.
Учитель ОБЖ : Как привести в действие огнетушитель?
Ученик: Необходимо пусковую рукоятку поднять вверх и отвести ее вперед, повернув на 180 0 от начального положения, а затем повернуть огнетушитель.
В приведенных в действие огнетушителях происходит химическая реакция, в результате чего из отверстия выбрасывается струя пены длиной 6-8 м. Эту струю надо направить на очаг пожара. Продолжительность действие огнетушителей около 1 мин. При этом выбрасывается почти 40 л пены.
Демонстрация огнетушителей и освоение работы с ними
Рефлексия:
Ответьте на вопросы:
Какими явлениями сопровождается горение? (Горение сопровождается и физическими и химическими явлениями: выделение и передача теплоты, химическая реакция окисления, выделение продуктов сгорания и распределение их в окружающей среде).
Как изменяется агрегатное состояние веществ в ходе горения? (Твердые вещества в ходе горения превращаются в жидкие и газообразные).
Что называют дымом? (Дым – это смесь газообразных и твердых продуктов сгорания)
Какие компоненты дыма обладают токсичностью, т.е. вредными для организма человека свойствами? (Оксид углерода (II ), оксид фосфора (V ), формальдегид, оксиды азота, сероводород, хлороводород, фосген, пары синильной кислоты)
Почему для человека опасна большая плотность дыма? (Большая концентрация продуктов горения в составе дыма понижает процентное содержание кислорода. При содержании кислорода в воздухе 14-16% наступает кислородное голодание, 9%-ное содержание кислорода опасно для жизни).
Почему вода гасит пламя? (Вода, обладая высокой теплоемкостью, может интенсивно поглощать теплоту, выделяющуюся при горении. Способность воды гасить пламя усиливается еще тем, что, превращаясь при нагревании в пар, вода разбавляет реагирующие при горении вещества).
Какие вы знаете вещества или материалы, создающие условия для прекращения горения? (Водные растворы солей, пена, песок, флюсы, тальк, мел, водяной пар, углекислый газ, азот и др.)
Домашнее задание: Вычислите массу железа и объем кислорода (н.у.), который необходимо взять, чтобы получить 0,3 моль оксида железа (III ).
Подведение итогов урока, учитель благодарит детей за активное участие, выставляет и комментирует оценки учащихся.
Акты химического превращения происходят при непосредственном контакте реагирующих компонентов (молекул, атомов, радикалов), но только в тех случаях, когда их энергия превышает определенный энергетический предел, называемый энергией активации Е а. Изобразим графически изменение энергии реагирующих компонентов (горючего и окислителя) и продуктов реакции при горении (рис.1.)
Изобразим графически изменение энергии реагирующих компонентов (горючего и окислителя) и продуктов реакции при горении (рис.1.)
Рис 1. Изменение энергии реагирующих веществ и продуктов реакции при горении
По
оси абсцисс изображен путь реакции
горения, по оси ординат – энергия.
–
средняя начальная энергия реагирующих
компонентов,
-
средняя энергия продуктов горения.
В
реакцию горения будут вступать только
активные частицы горючего и окислителя,
которые будут обладать энергией,
необходимой для вступление во
взаимодействие, т.е. способные преодолеть
энергетический барьер
.
Избыточная энергия активных частиц по
сравнению сос средней энергией
,
называется энергией активации
.
Поскольку реакции, протекающие при
горении являются экзотермическими
.
Разность энергий образовавшихся
продуктов горения и исходных веществ
(горючего и окислителя) определяет
тепловой эффект реакции:
Д
оля
активных молекул возрастает при
увеличении температуры горючей смеси.
На рис.2. изображено
распределение энергий между молекулами
при температуре
Если по оси энергий отметить значение,
равное энергии активации
,
то получим долю активных молекул в смеси
при заданной температуре
.
Если под действием источника тепла
температура смеси возросла до значения
,
то возрастет и доля активных молекул,
а следовательно, и скорость реакции
горения.
Однако существуют химические реакции, которые не нуждаются для своего развития в заметном предварительном подогреве. Это цепные реакции.
Основа теории цепных реакций – предположение о том, что исходные вещества превращаются в конечный продукт не сразу, а с образованием активных промежуточных продуктов
Продукт первичной химической реакции обладает большим запасом энергии, которая может рассеиваться в окружающем пространстве при соударении молекул продуктов реакции или за счет излучения, а может передаваться молекулам реагирующих компонентов, переводя их в активное состояние. Эти активные молекулы (атомы, радикалы) реагирующих веществ порождают цепь реакций, где энергия передается от одной молекулы к другой. Поэтому такие реакции называются цепными.
Химически
активные молекулы, атомы, радикалы,
образующиеся на элементарных стадиях
цепной реакции – звеньях цепи- называются
активными центрами. Большую часть
активных центров составляют атомы и
радикалы, которые наиболее реакционно
способны. Но вследствие этого они и
неустойчивы, т.к. могут вступать в реакции
рекомбинации с образованием малоактивных
продуктов.
Длина цепи, образуемая одним начальным активным центром, может достигать несколько сотен тысяч звеньев. Кинетические закономерности цепных реакций существенно зависят от того, сколько активных центров образуется в одном звене цепи. Если при участии исходного активного центра в результате образуется только один активный центр, то такая цепная реакция называется неразветвленной, если же в одном звене цепи образуются два или более активных центров, то такая цепная реакция называется разветвленной. Скорость разветвленных цепных реакций возрастает лавинообразно, в чем и состоит причина самоускорения химических реакций окисления при горении, так как для большинства из них характерен механизм разветвленных цепных реакций.
Практически любая реакция горения может иметь одновременно признаки и теплового и цепного механизма протекания реакции. Зарождение первых активных центров может иметь тепловой характер, а реагирование активных частиц по цепному механизму приводит к выделению тепла, разогреву горючей смеси и тепловому зарождению новых активных центров.
Любая цепная реакция складывается из элементарных стадий зарождения, продолжения и обрыва цепи.
Зарождение
цепи
является
эндотермической реакцией. Образование
свободных радикалов (т.е. атомов или
групп атомов, имеющих свободные
валентности, например,
)
из молекул исходных веществ возможно
в результате мономолекулярного или
бимолекулярного взаимодействия, а также
в результате каких-либо посторонних
воздействий на горючую смесь –инициирования.
Инициирование
может осуществляться путем добавки
специальных вещест – инициаторов
,
легко образующих свободные радикалы
(например, пероксидов, химически активных
газов
),
под действием ионизирующих излучений,
под действием света – фотохимическое
инициирование. Например, взаимодействие
водорода с хлором
при обычных условиях протекает крайне медленно, а при сильном освещении (солнечным светом, горящим магнием) протекает со взрывом.
К реакциям продолжения цепи относятся элементарные стадии цепной реакции, идущие с сохранением свободной валентности и приводящие к расходованию исходных веществ и образованию продуктов реакции.
зарождение цепи:
разветвление цепи:
обрыв цепи:
гомогенный
гетерогенный
При развитии цепи, когда концентрация активных центров станет достаточно большой возможно образование такого звена, в котором активный центр прореагирует без генерации нового активного центра. Такое явление называется обрывом цепи.
Обрыв цепи может быть гомогенным и гетерогенным.
Гомогенный обрыв цепей возможен либо при взаимодействии радикалов или атомов между собой с образованием устойчивых продуктов, либо при реакции активного центра с посторонней для основного процесса молекулой без генерации новых активных центров.
Гетерогенный обрыв цепи происходит на стенках сосуда, где протекает реакция горения или поверхности твердых микрочастиц, присутствующих в газовой фазе, иногда специально вводимых (например, как при тушении порошками). Механизм гетерогенного обрыва цепей связан с адсорбцией активных центров на поверхности твердых частиц или материалов. Скорость гетерогенного обрыва цепей сильно зависит от соотношения площади поверхности стенок к объему сосуда, где происходит горение. Таким образом, уменьшение диаметра сосуда заметно снижает скорость реакции горения, вплоть до его полного прекращения. На этом основано создание огнепреградителей.
Примером разветвленной цепной реакции может служить реакция горения водорода в кислороде.
зарождение цепи:
разветвление цепи:
обрыв цепи:
гомогенный
Горение - это сложный физико-химический процесс взаимодействия горючих компонентов топлива с окислителем, в частности, горение топлива - это реакция быстрого окисления его компонентов, сопровождающаяся интенсивным тепловыделением и резким повышением температуры.
Рассмотрим реакцию горения метана как основного компонента из числа составляющих природного газа:
СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О.
Из уравнения этой реакции следует, что для окисления одной молекулы метана необходимы две молекулы кислорода, т.е. для полного сгорания 1 м 3 метана требуется 2 м 3 кислорода.
В качестве окислителя используется атмосферный воздух, который представляет собой сложную смесь веществ, в числе которых 21 об. % О 2 , 78 об. % N 2 и 1 об. % СО 2 , инертных газов и др. Для технических расчетов обычно принимают условный состав воздуха из двух компонентов: кислорода (21 об. %) и азота (79 об. %). С учетом такого состава воздуха для проведения любой реакции горения на воздухе для полного сжигания топлива потребуется воздуха по объему в 100/21 = 4,76 раза больше, чем кислорода.
Продуктами полного сгорания природного газа являются: диоксид углерода СО 2 , водяные пары Н 2 О, некоторое количество избыточного кислорода О 2 и азот N 2 . Избыточный кислород содержится в продуктах горения только в тех случаях, когда горение происходит с избытком воздуха, а азот в продуктах сгорания содержится всегда, так как является составной частью воздуха и не принимает участия в горении. Продуктами неполного сгорания газа являются: оксид углерода СО, несгоревшие водород Н 2 и метан СН 4 , тяжелые углеводороды С m Н n и сажа. Таким образом, чем больше в продуктах сгорания диоксида углерода СО 2 , тем меньше будет в них оксида углерода СО, т. е. тем полнее будет сгорание. Введено понятие максимально содержание СО 2 в продуктах сгорания – это количество СО 2 , которое можно было бы получить в сухих продуктах сгорания при полном сгорании газа без избытка воздуха.
Наиболее совершенный способ контроля поступления воздуха в топку и полноты его сгорания – анализ продуктов сгорания с помощью автоматических газоанализаторов. Газоанализаторы периодически отбирают пробу отходящих газов и определяют содержание в них диоксида углерода,а также сумму оксида углерода и несгоревшего водорода (СО + Н 2) в объемных процентах. Если показания по стрелке по шкале (СО + Н 2) равны 0, значит горение полное, и в продуктах сгорания нет (СО + Н 2). Если стрелка отклонилась от нуля вправо, то в продуктах сгорания есть (СО + Н 2), т.е. происходит неполное сгорание. На другой шкале стрелка газоанализаторы должна показывать максимальное содержание СО 2 max в продуктах сгорания. Полное сгорание происходит при максимальном проценте диоксида углерода и нулевом содержании (СО + Н 2).
Тема 3. ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГОРЕНИЯ.
3.1. Химизм реакций горения.
Как Вы уже уяснили, горением называется быстропротекающая хими-ческая реакция, сопровождающаяся выделением тепла и свечением (пламе-нем). Обычно – это экзотермическая окислительная реакция соединения го-рючего вещества с окислителем – кислородом воздуха.
Горючими веществами могут быть и газы, и жидкости, и твердые те-ла. Это Н 2 , СО, сера, фосфор, металлы, С m H n (углеводороды в виде газов, жидкостей и твердых веществ, т.е. органические вещества. Природными уг-леводородами, например, являются природный газ, нефть, уголь). В принци-пе, горючими могут все вещества, способные к окислению.
Окислителями служат: кислород, озон, галогены (F, Cl, Br, J), закись азота (NO 2), аммиачная селитра (NH 4 NO 3) и др. У металлов окислителями могут быть также СО 2 , Н 2 О, N 2 .
В некоторых случаях горение возникает при реакциях разложения ве-ществ, полученных в эндотермических процессах. Например, при распаде ацетилена:
С 2 Н 2 = 2С + Н 2 .
Экзотермические реакции – это реакции, проходящие с выделением тепла.
Эндотермические реакции – это реакции, проходящие с поглощением тепла.
Например:
2Н 2 +О 2 = 2Н 2 О+Q – экзотермическая реакция,
2Н 2 О+Q=2Н 2 +О 2 – эндотермическая реакция,
где: Q – тепловая энергия.
Таким образом, эндотермические реакции могут протекать только с внесением внешней тепловой энергии, т.е. при нагреве.
В химических реакциях по закону сохранения масс вес веществ до ре-акции равен весу веществ, образованных после реакции. При уравнивании химических уравнений получаются стехиометрические составы.
Например, в реакции
СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О
имеем 1 моль СН 4 + 2 моля О 2 = 1 моль СО 2 + 2 моля Н 2 О.
Количество молей перед формулами веществ называется стехиометри-ческими коэффициентами.
Учитывая понятия «молярный объем», «молярная концентрация», «парциальное давление», получаем, что для полного реагирования метана надо смешать 1 моль СН 4 с 2 молями О 2 , или 1/3= 33,3% СН 4 и 2/3=66,7% О 2 . Такой состав и называется стехиометрическим.
Если рассмотреть горение СН 4 в воздухе, т.е. в смеси 21% О 2 +79% N 2 или О 2 +79/21N 2 или О 2 +3,76N 2 , то реакция запишется так:
СН 4 +2О 2 +2×3,76N 2 =СО 2 +2Н 2 О+2×3,76N 2 .
1 моль СН 4 +2 моля О 2 +7,52 моля N 2 = 10,52 моля смеси О 2 , N 2 и СН 4 .
Тогда стехиометрический состав смеси будет:
(1/10,52)*100%=9,5% СН 4 ; (2/10,52)*100%=19,0% О 2 ;
(7,52/10,52)*100%=71,5% N 2 .
Значит в наиболее горючей смеси вместо 100% (СН 4 +О 2) в реакции с кислородом будет 24% (СН 4 +О 2) в реакции с воздухом, т.е. тепла выделится значительно меньше.
Та же картина получится, если смешивать произвольные, нестехиомет-рические составы.
Например, в реакции 2СН 4 +2О 2 =СО 2 +2Н 2 О+СН 4 1 моль СН 4 не про-реагирует.
В реакции СН 4 +4О 2 =СО 2 +2Н 2 О+2О 2 2 моля О 2 не участвует в реак-ции, а играют роль балласта, требующие на свой нагрев какое-то количество тепла.
Таким образом, если сравнить реакции горения метана в кислороде и воздухе или в избытке СН 4 и О 2 , то ясно, что количество выделяемого тепла в первой реакции будет больше, чем в остальных, так как в них:
Меньше концентраций реагирующих веществ в общей смеси;
Часть тепла уйдет на нагрев балласта: азота, кислорода или метана.
Зададимся вопросами:
Какая же энергия может выделиться при реакции?
Отчего зависит количество теплоты, т.е. тепловой эффект ре-
Сколько нужно добавить тепловой энергии, чтобы протекла
эндотермическая реакция?
Для этого введено понятие теплосодержание вещества.
3.2.Теплосодержание веществ.
Откуда же взялась теплота в реакции горения метана? Значит она была скрыта в молекулах СН 4 и О 2 , а теперь высвободилась.
Приведем пример более простой реакции:
2Н 2 +О 2 =2Н 2 О+Q
Значит энергетический уровень стехиометрической смеси водорода с кислородом был выше, чем у продукта реакции Н 2 О и «лишняя» энергия вы-свободилась из вещества.
При обратной реакции электролиза воды, т.е. разложения воды с помо-щью электрической энергии, происходит перераспределение атомов в моле-куле воды с образованием водорода и кислорода. При этом теплосодержание Н 2 и О 2 повышается.
Таким образом, каждое вещество при его образовании получает или от-даст определенную энергию, и мера тепловой энергии, накапливаемой веще-ством при его образовании, называется теплосодержанием, или энтальпией .
В отличие от химии, в химической термодинамике теплота образования вещества обозначается не символом Q, а символом DН со знаком (+), если теплота поглощается химическим соединением, и со знаком (-), если теплота выделяется при реакции, то есть «уходит» из системы.
Стандартная теплота образования 1 моля вещества при давлении 101,3 кПа и температуре 298 К обозначается .
В справочниках даны теплоты образования соединений из про-стых веществ.
Например:
У СО 2 = - 393,5 кДж/моль
У Н 2 О газ = - 241,8 кДж/моль
Но у веществ, образующихся при эндотермических процессах, напри-мер, ацетилена С 2 Н 2 = +226,8 кДж/моль, при образовании атома водо-рода Н + по реакции Н 2 = Н + + Н + =+217,9 кДж/моль.
Для чистых веществ, состоящих из одного химического элемента в ус-тойчивой форме (Н 2 , О 2 , С, Na и др.) DН условно принята равной нулю.
Однако, если мы обсуждаем макроскопические свойства веществ, то выделяем несколько форм энергии: кинетическую, потенциальную, химиче-скую, электрическую, тепловую, ядерную энергии и механическую работу. А если рассматривать вопрос на молекулярном уровне, то эти формы энергии можно объяснить исходя лишь из двух форм – кинетической энергии движе-ния и потенциальной энергией покоя атомов и молекул.
При химических реакциях изменяются только молекулы. Атомы оста-ются неизменными. Энергия молекулы – это энергия связи ее атомов, нако-пленная в молекуле. Она определяется силами притяжения атомов друг к другу. Кроме того, существует потенциальная энергия притяжения молекул друг к другу. В газах она мала, в жидкостях больше и еще больше в твердых телах.
Каждый атом обладает энергией, часть которой связана с электронами, а часть – с ядром. Электроны обладают кинетической энергией вращения во-круг ядра и потенциальной электрической энергией притяжения друг к другу и отталкивания друг от друга.
Сумма этих форм молекулярной энергии и составляет теплосодержание молекулы.
Если просуммировать теплосодержание 6,02×10 23 молекул вещества, то получим молярное теплосодержание этого вещества.
Почему теплосодержание одноэлементных веществ (молекул одного элемента) взято за ноль, можно пояснить следующим образом.
DН химического элемента, то есть энергия его образования, связана с внутриядерными процессами. Ядерная энергия связана с силами взаимодей-ствия внутриядерных частиц и превращением одного химического элемента в другой при ядерных реакциях. Например, реакция распада урана:
или проще: U+n®Ba+Kr+3n.
где: n ’ o – нейтронная частица с массой 1 и нулевым зарядом.
Уран захватывает нейтрон, в результате чего расщепляется (распадает-ся) на два новых элемента – барий и криптон – с образованием 3 х нейтронов, и выделяется ядерная энергия.
Следует сказать, что с ядерными реакциями связаны в миллионы раз большие изменения энергии, чем при химических реакциях. Так, энергия распада урана составляет 4,5×10 9 ккал/моль×урана. Это в 10 млн. раз больше, чем при сгорании одного моля угля.
В химических реакциях атомы не изменяются, а изменяются молекулы. Поэтому энергия образования атомов химиками не учитывается, и DН одно-элементных газовых молекул и атомов чистых веществ принята равной нулю.
Приведенная реакция распада урана – это классический пример цепной реакции. Теорию цепного механизма реакции горения мы будем рассматри-вать позднее. А вот откуда берется нейтрон и что заставляет его реагировать с ураном – это связано с так называемой энергией активации, которую рас-смотрим чуть позднее.
3.3. Тепловой эффект реакции.
То, что в каждом индивидуальном веществе заключено определенное количество энергии, служит объяснением тепловых эффектов химических реакций.
По закону Гесса: Тепловой эффект химической реакции зависит только от природы начальных и конечных продуктов и не зависит от числа проме-жуточных реакций перехода от одного состояния к другому.
Следствие 1 этого закона: Тепловой эффект химической реакции равен разности между суммой теплот образования конечных продуктов и суммой теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов при форму-лах этих веществ в уравнении реакции.
Например, в реакции 2Н 2 +О 2 =2Н 2 О±DН.
; 
; .
В итоге общее уравнение реакции будет выглядеть так:
2Н 2 +О 2 =2Н 2 О – 582 кДж/моль.
И если DН со знаком (-), то реакция экзотермическая.
Следствие 2 . По закону Лавуазье-Лапласа тепловой эффект разложе-ния химического соединения равен и противоположен по знаку тепловому эффекту его образования.
Тогда реакция разложения воды будет:
2Н 2 О=2Н 2 +О 2 +582 кДж/моль, т.е. эта реакция эндотермическая.
Пример более сложной реакции:
СН 4 +2О 2 =СО 2 +2Н 2 О.
Тогда реакция запишется так:
СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О – 742,3 кДж/моль, значит реакция экзотермиче-ская.
3.4. Кинетические основы газовых реакций.
По закону действующих масс скорость реакции при постоянной темпе-ратуре пропорциональна концентрации реагирующих веществ или, как гово-рят, «действующих масс».
Скоростью химической реакции (υ ) принято считать количество веще-ства, реагирующего в единицу времени (d t ) в единице объема (dV ).
Рассмотрим реакцию, протекающую по уравнению:
А + В = С + Д.
Поскольку скорость реакции характеризует уменьшение во времени концентрации реагирующих веществ и увеличение концентрации продуктов реакции, то можно записать:
, (3.1)
где минусы при производных говорят о направлении изменения концентра-ции компонентов, а в квадратных скобках указаны концентрации компонен-тов.
Тогда прямая необратимая реакция при Т = const протекает со скоро-стью:
, (3.2)
где: k – константа скорости химической реакции. Она не зависит от концентрации компонентов, а изменяется только с температурой.
По закону действующих масс концентрации компонентов реакции вхо-дят в кинетическое уравнение в степени, равной стехиометрическому коэф-фициенту этого компонента.
Так, для реакции
аА + bB = cC + dД
Кинетическое уравнение имеет вид:
Показатели степеней a, b, c, d принято называть порядками реакции по компонентам А, В, С, Д, а сумму показателей – общим порядком реакции.
Например, реакции типа
А ® bB + cC – I порядка,
2А = bB + cC – II порядка,
А + B = cC + dД – III порядка.
Поскольку концентрации всех реагирующих компонентов связаны ме-жду собой стехиометрическими уравнениями, то простейшие кинетические уравнения I порядка являются дифференциальными уравнениями I порядка с одной независимой переменной – концентрацией – и могут быть проинтегри-рованы.
Простейшим кинетическим уравнением является уравнение I порядка типа
для которого 
. (3.4)
Обозначим через концентрацию компонента А до начала реакции и, проинтегрировав уравнение при граничном условии t=0, [А]=[А 0 ], получа-ем:
Или [A]=×e - kt . (3.5)
Таким образом, зависимость скорости реакции от концентрации ве-ществ имеет экспоненциальный характер.
Кинетическая энергия газов объясняет это так. По гипотезе Аррениуса реакция между молекулами проходит лишь в том случае, если они являются активными, т.е. обладают избыточной энергией, достаточной для разрыва межатомных связей, так называемой энергией активации Е А.
Т.е. скорость химической реакции зависит не от количества столкнове-ний всех молекул, а только активированных.
По закону Больцмана, число активных молекул
n A = n о * e - E / RT , (3.6)
где: Е – энергия активации,
Т – температура газовой смеси,
n о – общее число молекул.
Тогда и число эффективных соударений, совпадающее со скоростью реакции, равно:
υ р = Z эфф = Z 0 * e - E / RT , (3.7)
где: Z 0 – общее число соударений молекул.
1) скорость реакции пропорциональна концентрации активных моле-кул, число которых зависит от температуры и давления в смеси, так как дав-ление и есть количество молекул, сталкивающихся с какой-либо поверхно-стью;
2) реакция возможна лишь в том случае, если взаимодействующие мо-лекулы получают определенный запас энергии, достаточный для разрыва или ослабления межатомных связей. Активация заключается в переходе молекул в такое состояние, в котором возможно химическое превращение.
Чаще всего процесс активации идет путем образования промежуточных неустойчивых, но высокоактивных соединений атомов.
Таким образом, не только для протекания эндотермических процессов нужен внешний подвод энергии, но и для экзотермических. Чтобы произош-ла экзотермическая реакция, надо сообщить ей какой-то импульс тепловой энергии. Например, для протекания реакции горения в смеси водорода с ки-слородом, надо ее поджечь.
Минимальное количество тепловой энергии, необходимое для «запус-ка» химической реакции, называется энергией активации.
3.5. Энергия активации реакции.
Для объяснения данного явления часто пользуются следующим приме-ром (рис. 9):
На площадке лежит шар. Площадка расположена перед горкой. Поэто-му шар мог бы скатиться сам вниз, если бы не горка. Но для самопроизволь-ного спуска его надо поднять на вершину горки. При этом освободится не только энергия подъема на горку, но и энергия спуска вниз.
Рис. 9. Схема активирования реакции.
Рассмотрим две реакции:
1) Н 2 +О 2 =Н 2 О-
2) Н 2 О=Н 2 +О 2 +
Как видно из рисунка, Е 2 =+Е 1 ;
В общем, при любой реакции
.
И от разности Е 1 и Е 2 , которые всегда положительные, зависит знак те-плового эффекта.
Таким образом, энергия активации – это энергия, необходимая для пре-вращения реагирующих веществ в состояние активного комплекса (разрыв межатомных связей, сближение молекул, накопление энергии в молекуле…).
С повышением температуры газов резко увеличивается доля активных молекул (е -Е/ RT), а значит скорость реакции по экспоненциальной зависимо-сти. Эту зависимость можно проиллюстрировать следующим образом:
Рис. 10. Зависимость скорости реак-ции от температуры: 1 – скорость 1-ой реакции, 2 – скорость 2-ой реак-ции.
Как видно из рисунка 10, скорость первой реакции меньше скорости второй реакции, а энергия активации 1-ой реакции больше, чем Е второй. И при одинаковой температуре Т 2 υ 2 > υ 1 . Чем больше энергия активации, тем выше температура, необходимая для достижения данной скорости реакции.
Причина этого в том, что когда Е больше, то существующие межатом-ные связи в молекулах реагирующих компонентов сильнее, и нужно больше энергии на преодоление этих сил. При этом доля активных молекул соответ-ственно меньше.
Из сказанного видно, что величина энергии активации является важ-нейшей характеристикой химического процесса. Она определяет высоту энергетического барьера, преодоление которого представляет собой условие протекание реакции. С другой стороны, она характеризует скорость реакции от температуры, т.е. чем выше энергия активации, тем выше температура для достижения заданной реакции.
3.6. Катализ.
Кроме повышения температуры и концентрации веществ, для ускоре-ния химической реакции используют катализаторы , т.е. вещества, которые вводятся в реагирующую смесь, но не расходуются при реакции, а ускоряют ее путем снижения энергии активации.
Процесс увеличения скорости реакции с помощью катализаторов назы-вается катализом .
Катализаторы участвуют в промежуточных реакциях по созданию ак-тивированного комплекса за счет ослабления связей в молекулах исходных веществ, их разложения, адсорбции молекул на поверхности катализатора, либо ввода активных частиц катализатора.
Характер участия катализатора можно пояснить следующей схемой:
Реакция без катализатора: А + В = АВ.
С катализатором Х: А + Х = АХ ® АХ + В = АВ + Х.
Приведем картинку, подобно представленной на рис. 9.
Рис. 11. Схема действия ката-лизатора: Е б.кат и Е с кат – энер-гии активации реакции без ка-тализатора и с катализатором соответственно.
При вводе катализатора (рис. 11) реакция может протекать по иному пути с меньшим энергетическим барьером. Этот путь соответствует новому механизму реакции через образование другого активированного комплекса. И новый более низкий энергетический барьер может преодолеть большее число частиц, что и приводит к увеличению скорости реакции.
Следует отметить, что энергия активации обратной реакции понижает-ся на такую же величину, как и энергия активации прямой реакции, т.е. обе реакции ускоряются одинаково, и катализаторы не инициируют реакцию, они только ускорят реакцию, которая может происходить в их отсутствии, но значительно медленнее.
Катализаторами могут стать промежуточные продукты реакции, тогда эта реакция называется автокаталитической. Так, если скорость обычных ре-акций снижается по мере расходования реагирующих веществ, то реакция горения из-за автокатализа самоускоряется и является автокаталитической.
Наиболее часто в качестве катализаторов используются твердые веще-ства, которые адсорбируют молекулы реагирующих веществ. При адсорбции ослабляются связи в реагирующих молекулах, и таким образом облегчается реакция между ними.
Что же такое адсорбция?
3.7. Адсорбция.
Адсорбция – поверхностное поглощение какого-либо вещества из га-зообразной среды или раствора поверхностным слоем другого вещества – жидкости или твердого тела.
Например, адсорбция токсичных газов на поверхности активированно-го угля, используемого в противогазах.
Различают физическую и химическую адсорбцию.
При физической адсорбции захваченные частицы сохраняют свои свойства, а при химической – образуются химические соединения адсорбата с адсорбентом.
Процесс адсорбции сопровождается выделением теплоты. У физической адсорбции она незначительна (1-5 ккал/моль), у химической – значительно больше (10-100 ккал/моль). Тем самым могут ускоряться химические реакции при катализе.
Для процессов горения и взрыва можно привести следующие примеры:
1. Температура самовоспламенения смеси Н 2 +О 2 равна 500 0 С. В при-сутствии палладиевого катализатора она снижается до 100 0 С.
2. Процессы самовозгорания угля начинаются с химической адсорбции кислорода на поверхности угольных частиц.
3. При работах с чистым кислородом на одежде хорошо адсорбируется кислород (физическая адсорбция). И при наличии искры или пламени одежда легко вспыхивает.
4. Кислород хорошо адсорбируется и абсорбируется техническими мас-лами с образованием взрывчатой смеси. Смесь взрывается самопроизвольно, без источника зажигания (химическая абсорбция).
I. Горение и медленное окисление
Горение – это первая химическая реакция, с которой
познакомился человек. Огонь… Можно ли представить наше существование без
огня? Он вошел в нашу жизнь, стал неотделим от нее. Без огня человек не
сварит пищу, сталь, без него невозможно движение транспорта. Огонь стал нашим
другом и союзником, символом славных дел, добрых свершений, памятью о минувшем.
Мемориал славы в г. Сыктывкаре
Пламя, огонь, как одно из проявлений реакции горения, имеет и свое монументальное отражение. Яркий пример – мемориал славы в г. Сыктывкаре.
Раз в четыре года в мире происходит событие, сопровождающееся переносом «живого» огня. В знак уважения к основателям олимпиад огонь доставляют из Греции. По традиции один из выдающихся спортсменов доставляет этот факел на главную арену олимпиады.
Об огне сложены сказки, легенды. В старину люди думали, что в огне живут маленькие ящерицы – духи огня. А были и такие, которые считали огонь божеством и строили в его честь храмы. Сотни лет горели в этих храмах, не угасая, светильники, посвященные богу огня. Поклонение огню было следствием незнания людьми процесса горения.
Олимпийский огонь
М.В.Ломоносов говорил: «Изучение природы огня и без химии предпринимать отнюдь невозможно».
Горение - реакция окисления, протекающая с достаточно большой скоростью , сопровождающаяся выделением тепла и света.
Схематически этот процесс окисления можно выразить следующим образом:
Реакции, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими (от греч. «экзо» - наружу).
При горении идет интенсивное окисление, в процессе горения появляется огонь, следовательно, такое окисление протекает очень быстро. Если скорость реакции окажется достаточно большой? Может произойти взрыв. Так взрываются смеси горючих веществ с воздухом или кислородом. К сожалению, известны случаи взрывов смесей воздуха с метаном, водородом, парами бензина, эфира, мучной и сахарной пылью и т.п., приводящие к разрушениям и даже человеческим жертвам.
Для возникновениягорениянеобходимы:
- горючее вещество
- окислитель (кислород)
- нагревание горючего вещества до температуры воспламенения
Температура воспламенения у каждого вещества различна.
В то время как эфир может воспламениться от горячей проволоки, для того чтобы поджечь дрова, нужно нагреть их до нескольких сот градусов. Температура воспламенения веществ различна. Сера и дерево воспламеняются при температуре около 270 °С, уголь – около 350 °С, а белый фосфор – около 40 °С.
Однако не всякое окисление непременно должно сопровождаться появлением света.
Существует значительное число случаев окисления, которые мы не можем назвать процессами горения, ибо они протекают столь медленно, что остаются незаметными для наших органов чувств. Лишь по прошествии определенного, часто весьма продолжительного времени мы можем уловить продукты окисления. Так, например, обстоит дело при весьма медленном окислении (ржавлении) металлов
или при процессах гниения.
Разумеется, при медленном окислении выделяется теплота, но это выделение вследствие продолжительности процесса протекает медленно. Однако сгорит ли кусок дерева быстро или подвергнется медленному окислению на воздухе в течение многих лет, все равно – в обоих случаях при этом выделится одинаковое количество теплоты.
Медленное окисление – это процесс медленного взаимодействия веществ с кислородом с медленным выделением теплоты (энергии).
Примеры взаимодействия веществ с кислородом без выделения света : гниение навоза, листьев, прогоркание масла, окисление металлов (железные форсунки при длительном употреблении становятся тоньше и меньше), дыхание аэробных существ, т. е. дышащих кислородом, сопровождается выделением теплоты, образованием углекислого газа и воды.
Познакомимся с характеристикой процессов горения и медленного окисления приведённой в таблице.
Характеристика процессов горения и медленного окисления
|
Признаки реакции |
Процесс |
|
|
Горение |
Медленное окисление |
|
|
Образование новых веществ |
Да |
Да |
|
Выделение теплоты |
Да |
Да |
|
Скорость выделения теплоты |
Большая |
Небольшая |
|
Появление света |
Да |
Нет |
Вывод
: реакции горения и медленного
окисления – это экзотермические реакции, отличающиеся скоростью протекания этих
процессов.
II. Тепловой эффект химической реакции.
В каждом веществе запасено определенное количество энергии. С этим свойством веществ мы сталкиваемся уже за завтраком, обедом или ужином, так как продукты питания позволяют нашему организму использовать энергию самых разнообразных химических соединений, содержащихся в пище. В организме эта энергия преобразуется в движение, работу, идет на поддержание постоянной (и довольно высокой!) температуры тела.
Любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. Чаще всего энергия выделяется или поглощается в виде теплоты (реже - в виде световой или механической энергии). Эту теплоту можно измерить. Результат измерения выражают в килоджоулях (кДж) для одного МОЛЯ реагента или (реже) для моля продукта реакции. Количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при химической реакции, называется тепловым эффектом реакции (Q ) . Например, тепловой эффект реакции сгорания водорода в кислороде можно выразить любым из двух уравнений:
2 H 2 (г) + O 2 (г) = 2 H 2 О(ж) + 572 кДж
2 H 2 (г) + O 2 (г) = 2 H 2 О(ж) + Q
Это уравнение реакции называется термохимическимуравнением . Здесь символ "+ Q " означает, что при сжигании водорода выделяется теплота. Эта теплота называется тепловым эффектом реакции . В термохимических уравнениях часто указывают агрегатные состояния веществ.
Реакции протекающие с выделением энергии называются ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИМИ (от латинского "экзо" – наружу). Например, горение метана:
CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q
Реакции протекающиес поглощением энергии называются ЭНДОТЕРМИЧЕСКИМИ (от латинского "эндо" - внутрь). Примером является образование оксида углерода (II) CO и водорода H 2 из угля и воды, которое происходит только при нагревании.
C + H 2 O = CO + H 2 – Q
Тепловые эффекты химических реакций нужны для многих технических расчетов.
Тепловые эффекты химических реакций нужны для
многих технических расчетов. Представьте себя на минуту конструктором мощной
ракеты, способной выводить на орбиту космические корабли и другие полезные
грузы (рис.).
Рис. Самая мощная в мире российская ракета "Энергия" перед стартом на космодроме Байконур. Двигатели одной из её ступеней работают на сжиженных газах - водороде и кислороде.
Допустим, вам известна работа (в кДж), которую придется затратить для доставки ракеты с грузом с поверхности Земли до орбиты, известна также работа по преодолению сопротивления воздуха и другие затраты энергии во время полета. Как рассчитать необходимый запас водорода и кислорода, которые (в сжиженном состоянии) используются в этой ракете в качестве топлива и окислителя?
Без помощи теплового эффекта реакции образования воды из водорода и кислорода сделать это затруднительно. Ведь тепловой эффект - это и есть та самая энергия, которая должна вывести ракету на орбиту. В камерах сгорания ракеты эта теплота превращается в кинетическую энергию молекул раскаленного газа (пара), который вырывается из сопел и создает реактивную тягу.
В химической промышленности тепловые эффекты нужны для расчета количества теплоты для нагревания реакторов, в которых идут эндотермические реакции. В энергетике с помощью теплот сгорания топлива рассчитывают выработку тепловой энергии.
Врачи-диетологи используют тепловые эффекты
окисления пищевых продуктов в организме для составления правильных рационов
питания не только для больных, но и для здоровых людей - спортсменов,
работников различных профессий. По традиции для расчетов здесь используют не
джоули, а другие энергетические единицы - калории (1 кал = 4,1868 Дж).
Энергетическое содержание пищи относят к какой-нибудь массе пищевых продуктов:
к 1 г, к 100 г или даже к стандартной упаковке продукта. Например, на этикетке
баночки со сгущенным молоком можно прочитать такую надпись: "калорийность
320 ккал/100 г".
№2. Головоломка «Не повторяющиеся буквы».
Для решения этой головоломки внимательно просмотри каждую строчку. Выбери из них ни разу не повторяющиеся буквы. Если ты сделаешь это правильно, то сможешь из этих букв составить пословицу о правилах обращения с огнем.
ДОПОЛНИТЕЛЬНО:
