Правила химического взаимодействия неметаллов

Определение исходных понятий

Опыт показывает, что некоторые вещества реагируют друг с другом, а некоторые - нет, при этом результат эксперимента сильно зависит от условий его проведения. Для веществ, которые реагируют друг с другом в каких-то конкретных условиях, всегда можно найти область условий (например, при более низких температурах), где они не реагируют. Все это обусловлено специфичностью химического поведения веществ, при которой выявить общие правила взаимодействия веществ весьма затруднительно. Чтобы иметь возможность сравнивать химическое поведение всей совокупности веществ в одних и тех же условиях (общих для всех веществ), надо абстрагироваться от специфичности условий химических реакций. Для этого введем понятие доступной области условий для химических реакций.

Доступной областью условий для химических реакций назовем максимально широкую область температур, давлений, набор растворителей и катализаторов, а также различных физических воздействий (электрических разрядов, ультрафиолетового излучения, ультразвука и так далее), которые могут быть использованы для эксперимента. Например, температурный интервал для веществ заключен от температуры, близкой к абсолютному нулю, до ~ 6000°С (при более высоких температурах атомы уже перестают существовать, превращаясь в ионы из-за потери своих электронов). Давление может изменяться от самых малых величин (вакуум) до — 100 тыс. атм. Излучение - от самых коротких длин волн (гамма- или ультрафиолетовое излучение) до самых длинных волн (радиоволны). Состояние вещества - твердое, жидкое, газообразное. Растворители - органические и неорганические, разнообразные катализаторы и так далее.

Будем говорить, что в доступной области условий вещество А реагирует с веществом В, и обозначать это таким образом

МВ),

если найдены конкретные условия (температура, давление, катализатор, растворитель и так далее), при которых из А и В возникают новые вещества в любых, даже самых мизерных (следовых) количествах (определяемых с помощью современных чувствительных методов). Предполагается, что в реакции участвуют только два вещества А и В, а также одно или несколько веществ X (катализатор, растворитель и так далее), которые по завершении реакции остаются в неизменном виде. Такие вещества X в уравнении реакции не указываются. Записи

МВ)

отвечает следующая схема взаимодействия реагирующих веществ

А + В = ...,

где многоточием в правой части схемы реакции обозначены ее продукты. В согласии с этим, реакция синтеза аммиака

N2 + 3H2 = 2NH3,

протекающая в присутствии катализатора при значительном нагревании и давлении, должна рассматриваться как процесс взаимодействия только двух веществ - азота и водорода. Абстрагируясь от конкретных форм существования простых веществ, участвующих в этой реакции, коротко можем записать

N(H).

Верно и обратное

H(N).

Эти записи означают, что в доступной области условий азот реагирует с водородом, причем эти простые вещества могут находиться в любой из форм своего свободного существования - в виде атомов или молекул.

Запись

С(О),

означает, что в доступной области условий углерод реагирует с кислородом. При этом подразумевается, что при протекании этой реакции углерод и кислород могут находиться в любой из форм своего существования: углерод - в виде компактного графита, алмаза или отдельных атомов углерода, а кислород - в виде молекул кислорода 2), атомов кислорода (О) или молекул озона (03).

Когда в доступной области условий конкретные условия для протекания реакции между А и В не найдены, будем писать

Эта запись означает одно из двух:

  • 1) либо вещество А может реагировать с В, но условия для реакции (нужные значения температуры, давления, необходимые растворители или катализаторы и так далее) еще не найдены;
  • 2) либо вещества А и В не могут реагировать друг с другом ни при каких условиях (поэтому эти условия и не найдены).

Помимо взаимодействия веществ А и В по схеме

А +В = ...

возможно и взаимодействие между ними с участием третьего вещества X, причем само вещество X также подвергается химическим превращениям. В этом случае формула

А (В)

уже не применима, а вещество X в уравнении реакции должно указываться

А+В+Х = ...

Подобные, более сложные реакции (с участием более двух реагирующих веществ) пока рассматриваться не будут.

В доступной области условий любые два вещества либо реагируют друг с другом, либо - нет (третьего не дано). Так, при комнатной температуре водород и кислород не реагируют друг с другом, однако при внесении зажженной спички в эту смесь происходит взрыв. Поэтому для этих элементов можем записать

ЩО).

Эта запись означает, что обязательно существуют доступные для эксперимента условия, при которых водород реагирует с кислородом. Взаимодействие между водородом и кислородом происходит, например, и в присутствии платинового катализатора или в электрическом разряде. Уравнение химической реакции во всех этих случаях одно и то же

2 + 02 = 2Н20.

При комнатной температуре водород не реагирует и с хлором, однако при освещении этой смеси газов солнечными лучами происходит взрыв. Значит,

Н(С1).

Взрыв данной газовой смеси произойдет и при внесении в нее зажженной спички. Эта реакция может протекать и при нагревании. Уравнение химической реакции в этих случаях имеет вид

Н2 + Cl2 = 2НС1.

Хотя реакция водорода с кислородом протекает в одних конкретных условиях, а реакция водорода с хлором в иных условиях, тем не менее эти разные условия одновременно принадлежат единой для них - доступной области условий. Поэтому можем сделать обобщение -

Н(0,С1).

Эта запись означает, что в доступной области условий водород реагирует и с кислородом и с хлором.

В обычных условиях азот и кислород также не реагируют друг с другом, однако при электрическом разряде (например, при грозе) реакция протекает

N2 + 02 = 2NO.

Следовательно,

ЩО).

Аналогично в обычных условиях азот и водород не реагируют друг с другом, однако при повышенной температуре, повышенном давлении и в присутствии катализатора в промышленных масштабах получают аммиак

N2 + ЗН2 = 2NH3.

Значит,

ЩН).

Обобщая эти результаты, для азота можем записать

ЩО, Н).

В более общем случае химическое поведение вещества А по отношению к веществам В, С, D, Е, Q можем описать единой формулой

Эта запись означает, что в доступной области условий вещество А попарно реагирует с В, С и D (и условия для их взаимодействия известны), а условия для непосредственного взаимодействия между А и Е (или между А и Q) - неизвестны. Отметим, что список веществ, с которыми «не реагирует» какое-либо вещество, со временем может корректироваться в сторону его сокращения, если для этих веществ будут найдены условия для их химического взаимодействия.

Очевидно, что запись

А (В)

равносильна записи

В (А),

а формула

А (В)

эквивалентна

В(А),

т.е. справедливы формулы:

Они означают, что «если вещество А реагирует с веществом В, то и вещество В реагирует с веществом А». И соответственно, «если вещество А не реагирует с веществом В, то и вещество В не реагирует с веществом Л». Например,

В настоящее время известно более 100 химических элементов. Если из их общего числа исключить все инертные газы, радиоактивные, а также синтезированные в ядерных реакциях элементы, то в распоряжении химиков окажется 78 элементов, из которых возникает многообразие сложных веществ, используемых в науке, быту и технике. По своим физическим свойствам химические элементы этого множества Э делятся на два класса: металлы М (63 элемента) и неметаллы L (15 элементов). К металлам относятся элементы, у которых с повышением температуры электрическое сопротивление повышается. Остальные элементы являются неметаллами. Поскольку химические свойства 14 лантаноидов близки к свойствам лантана, то для начала можно ограничиться рассмотрением химических свойств уже не 63, а 49 металлов. Таким образом, многообразие неорганических веществ мы должны получить из 49 металлов и 15 неметаллов. Составим полный список неметаллов, расположенных в порядке возрастания их атомных весов:

L=H, В, С, N, О, F, Si, Р, S, Cl, As, Se, Вг, Те, I.

Все остальные элементы - металлы. Для начала необходимо выявить химическое отношение элементов друг к другу, а именно: одних неметаллов L к другим неметаллам L', и всех металлов М к неметаллам L. Отношение металлов друг к другу пока не рассматриваются.

Поскольку химические элементы сами с собой новых соединений не образуют, то для любого элемента Э справедлива формула

Превращения простых веществ из одной формы своего существования в другую не рассматриваются как химические реакции. Например, превращение графита в алмаз, красного фосфора в белый, образование молекул водорода из его атомов, образование озона из двухатомных молекул кислорода и так далее. Во всех этих перечисленных процессах элемент переходит в самого себя.

А для любой пары различных химических элементов Эи Э' справедливы формулы:

Они обозначают высказывания: «Если элемент Э реагирует с элементом Это и элемент Э' реагирует с элементом Э. Верно и обратное»,

«Если элемент Э не реагирует с элементом Э', то и элемент Э' не реагирует с элементом Э. Верно и обратное».

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >