Гетерогенные реакции - формулы, особенности протекания и примеры задач

В химии существуют такие термины как гетерогенная реакция и гомогенная реакция. Для понимания этих явлений, нужно обратиться к значению слов. 

«Гетерогенность» трактуется как разнородность по структуре. Гомогенные вещества наоборот составляют единое целое, то есть однородность. 

Примером гетерогенной смеси является вода и жир, а раствор поваренной соли относится к гомогенному соединению.

Что такое гетерогенные реакции

Гетерогенными реакциями ученые называют взаимодействия разнородных составляющих, то есть находящихся в различных фазах.

Термическое разложение солей на газообразные и твердые продукты - типичный пример гетерогенной реакции:

СаСО3 -> СаО + СО2,

где известняк (карбонат кальция) разлагается на оксид кальция и углекислый газ.

Другие примеры: восстановление оксидов металлов при помощи углерода или водорода:

РbО + С -> Рb + СО.

Растворение в кислоте металла записана формулой:

Zn + H2SO4 -> ZnSO4 + Н2.

Для гетерогенных реакций характерным моментом является участие конденсированных фаз (то есть образований, которые, в зависимости от входящих в состав атомов или молекул, можно смоделировать разными способами). 

Это создает трудности перемешивания и кинетики полученных продуктов. При этом возможно получение такого состояния, когда молекулы реагентов активируются на границе раздела фаз.

Одним из примеров гетерогенных процессов – разложение паров этилового спирта. Это первая реакция из органической химии, которая была изучена.

Как отличить гомогенную от гетерогенной реакции

Для гетерогенной реакции характерно следующее явление: реагенты, участвующие в процессе, состоят в разных фазах. 

Это значит что в объеме, где находятся две или несколько фаз, взаимодействие протекает на границе раздела.

В гомогенном процессе вещества находятся в одной из фаз (жидкой, твердой либо газообразной), и зоной протекания служит весь объем.

Гетерогенные реакции, в зависимости от агрегатного состояния исходных веществ, бывают следующих типов:

1. Твердое тело– газ. Сжигания угля иллюстрирует реакцию газа и твердого вещества: твердый углерод взаимодействует с газообразным кислородом, при этом получается углекислый газ;
2. Несмешивающиеся жидкости. При взаимодействии толуола и азотной кислоты, а это несмешивающиеся жидкости, происходит гетерогенная реакция 2 типа;
3. Газ – жидкость. Примером можно назвать процесс орошения, когда диспергированная в виде капель жидкость пролетает через газ;
4. Жидкость – твердое вещество. Серная кислота и оксид цинка – пример реакции между жидкостью и твердой фазой.

Скорость гетерогенной реакции и влияющие на нее факторы

На скорость гетерогенных химических процессов влияют разные факторы. 

Рассмотрим их подробнее.

Концентрация реагентов

С повышением концентрации веществ они сильнее взаимодействуют. Концентрированная кислота реагирует с цинком намного быстрее, чем разбавленная.

Природа реагирующих веществ

Скорость протекания химических процессов зависит от природы реагентов. По-другому можно сказать, что разные вещества взаимодействуют между собой с разной скоростью. 

К примеру, цинк мгновенно вступает в реакцию с соляной кислотой, а железо будет реагировать с ней гораздо медленнее.

Увеличение поверхности реагентов повышает скорость гетерогенных реакций. Для этого твердые элементы измельчают. Пример: чтобы железо и сера вступили во взаимодействие, железо превращают в опилки.

Температура исходных веществ

Температура существенно повышает скорость реакции. Некоторые вещества при повышении температуры всего на 10 градусов начинают вступать в реакцию быстрее от 2 до 4 раз.

Наличие катализатора

Для повышения скорости протекания процессов применяют катализаторы. При этом они сами не расходуются. 

Например, при добавлении оксида марганца происходит бурный распад перекиси водорода 2H₂O₂ = 2H₂O + O₂↑

Остающийся на дне оксид марганца можно использовать еще раз.

Ингибиторами называются вещества, которые, в отличие от катализаторов, замедляют скорость взаимодействия.

Катализаторами биологических процессов являются белки. Их еще называют энзимами.

Примеры решения задач

Задача 1

Твердый малорастворимый электролит, растворяясь, устанавливает равновесие:

Са₃(РО₄)₂ ↓ ↔ 3Са ²⁺ + 2PO₄ ^3-.

По закону действующих масс, для этого состояния составляется уравнение, чтобы найти произведение растворимости (ПР):

ПР = [Са ²⁺] ³[PO₄ ^3-]² / [Са₃(РО₄)₂ ].

Величина [Са₃(РО₄)₂] = const, и ПР(Са₃(РО₄)₂) = [Са ²⁺] ³[PO₄ ^3-]².

Задача 2

Определить процессы, происходящие в растворе с ионами Cl, Br, J при добавлении катиона Ag.