بدست آوردن HCl آماده سازی HCl واکنش های شیمیایی h2 cl2

هنگام تنظیم معادلات واکنش های ردوکس با استفاده از این روش، توصیه می شود به ترتیب زیر رعایت شود:

1. طرح واکنش نشان دهنده مواد اولیه و حاصل را بنویسید، عناصری را که در نتیجه واکنش حالت اکسیداسیون را تغییر می دهند شناسایی کنید، عامل اکسید کننده و عامل احیا کننده را پیدا کنید.

2. معادلات الکترونیکی را بر اساس این واقعیت بسازید که عامل اکسید کننده الکترون ها را می پذیرد و عامل احیا کننده آنها را می دهد.

3. عوامل (ضرایب اصلی) را برای معادلات الکترونیکی انتخاب کنید تا تعداد الکترون‌هایی که در طول اکسیداسیون از بین می‌روند برابر با تعداد الکترون‌هایی بود که در حین کاهش به دست می‌آیند.

4. ضرایب را در معادله واکنش مرتب کنید.

مثال 3: معادله ای برای احیای اکسید آهن (III) با کربن بنویسید. واکنش طبق این طرح انجام می شود:

Fe 2 O 3 + C → Fe + CO

راه حل: آهن کاهش می یابد و حالت اکسیداسیون را از +3 به 0 کاهش می دهد. کربن اکسید می شود، حالت اکسیداسیون آن از 0 به +2 افزایش می یابد.

بیایید نمودارهای این فرآیندها را ترسیم کنیم.

عامل کاهنده 1| 2Fe +3 + 6e = 2Fe 0، فرآیند اکسیداسیون

عامل اکسید کننده 3| C 0 -2e = C +2، فرآیند بازیابی

تعداد کل الکترون هایی که عامل احیا کننده می دهد باید برابر با تعداد کل الکترون های پذیرفته شده توسط عامل اکسید کننده باشد. با یافتن کمترین مضرب مشترک بین اعداد 2 و 6، تعیین می کنیم که باید سه مولکول کاهنده و دو مولکول اکسید کننده وجود داشته باشد، یعنی. ما ضرایب مربوطه را در معادله واکنش قبل از عامل احیا کننده، عامل اکسید کننده و محصولات اکسیداسیون و احیا پیدا می کنیم.

معادله به صورت زیر خواهد بود:

Fe 2 O 3 + 3C = 2Fe + 3CO

روش معادلات الکترون یون (نیمه واکنش).

هنگام تشکیل معادلات الکترونی-یونی، شکل وجود مواد در محلول در نظر گرفته می شود (یون ساده یا پیچیده، اتم یا مولکول یک ماده نامحلول یا غیرقابل تفکیک در آب).

برای ایجاد معادلات برای واکنش های ردوکس با استفاده از این روش، توصیه می شود به ترتیب زیر رعایت شود:

1. یک نمودار واکنش نشان دهید که مواد اولیه و محصولات واکنش را نشان می دهد، یون هایی را که در نتیجه واکنش حالت اکسیداسیون را تغییر می دهند علامت گذاری کنید، عامل اکسید کننده و عامل احیا کننده را تعیین کنید.

2. نمودارهای نیمه واکنش های اکسیداسیون و احیا را ترسیم کنید که یون ها یا مولکول های اولیه تشکیل شده در شرایط واکنش را نشان می دهد.

3. برابر تعداد اتم های هر عنصر در سمت چپ و راست نیمه واکنش ها. لازم به یادآوری است که در محلول های آبی مولکول های آب، یون های H + یا OH - می توانند در واکنش ها شرکت کنند.

باید به خاطر داشت که در محلول های آبی، اتصال اکسیژن اضافی و افزودن اکسیژن توسط یک عامل کاهنده، بسته به pH محیط، متفاوت است. در محلول‌های اسیدی، اکسیژن اضافی توسط یون‌های هیدروژن برای تشکیل مولکول‌های آب و در محلول‌های خنثی و قلیایی توسط مولکول‌های آب برای تشکیل یون‌های هیدروکسید متصل می‌شود.به عنوان مثال،

MnO 4 - + 8H + + 5e = Mn 2 + + 4H 2 O (محیط اسیدی)

NO 3 - + 6H 2 O + 8e = NH 3 + 9OH - (محیط خنثی یا قلیایی).

افزودن اکسیژن توسط یک عامل کاهنده در محیط های اسیدی و خنثی به دلیل مولکول های آب با تشکیل یون های هیدروژن و در یک محیط قلیایی - به دلیل یون های هیدروکسید با تشکیل مولکول های آب انجام می شود.به عنوان مثال،

I 2 + 6H 2 O - 10e = 2IO 3 - + 12H + (محیط اسیدی یا خنثی)

CrO 2 - + 4OH - - 3e = CrO 4 2- + 2H 2 O (محیط قلیایی)

4. برابر تعداد کل بارها در هر دو قسمت هر نیمه واکنش. برای انجام این کار، تعداد مورد نیاز الکترون را به سمت چپ و راست نیمه واکنش اضافه کنید.

5. ضرایب اصلی (ضرایب اصلی) را برای نیمه واکنش ها انتخاب کنید تا تعداد الکترون هایی که در طول اکسیداسیون از بین می روند با تعداد الکترون های پذیرفته شده در حین کاهش برابر باشد.

6. معادلات نیمه واکنش را با در نظر گرفتن ضرایب اصلی یافت شده جمع کنید.

7. ضرایب را در معادله واکنش مرتب کنید.

مثال 4: معادله ای برای اکسیداسیون سولفید هیدروژن با آب کلر بنویسید.

واکنش طبق این طرح انجام می شود:

H 2 S + Cl 2 + H 2 O → H 2 SO 4 + HCl

راه حل. کاهش کلر با معادله نیمه واکنش زیر مطابقت دارد: Cl 2 + 2e = 2Cl - .

هنگام نوشتن معادله نیمه واکنش اکسیداسیون گوگرد، از این طرح پیروی می کنیم: H 2 S → SO 4 2-. در طی این فرآیند، یک اتم گوگرد با چهار اتم اکسیژن که منبع آن مولکول‌های آب است، پیوند می‌یابد. در این حالت، هشت یون H + تشکیل می شود. علاوه بر این، دو یون H + از مولکول H 2 S آزاد می شود.

در مجموع 10 یون هیدروژن تشکیل می شود:

سمت چپ نمودار فقط شامل ذرات بدون بار است و بار کل یون های سمت راست نمودار +8 است. بنابراین، هشت الکترون در نتیجه اکسیداسیون آزاد می شود:

H 2 S + 4H 2 O → SO 4 2- + 10 H +

از آنجایی که نسبت تعداد الکترون های پذیرفته شده در حین احیای کلر و اهدایی در طی اکسیداسیون گوگرد 8?2 یا 4?1 است، پس هنگام جمع کردن معادلات نیمه واکنش های کاهش و اکسیداسیون، اولین آنها باید در 4 و دومی در 1 ضرب شود.

دریافت می کنیم:

Cl 2 + 2e = 2Cl - | 4

H 2 S + 4H 2 O = SO 4 2- + 10H + +8e - | 1

4Cl 2 + H 2 S + 4H 2 O = 8Cl - + SO 4 2- +10H +

در شکل مولکولی معادله به صورت زیر است:

4Cl 2 + H 2 S + 4H 2 O = 8HCl + H 2 SO 4

یک ماده در شرایط مختلف می تواند اکسید شود یا به حالت های اکسیداسیون مختلف عنصر مربوطه کاهش یابد، بنابراین مقدار معادل عامل اکسید کننده و عامل کاهنده نیز می تواند مقادیر متفاوتی داشته باشد.

جرم معادل عامل اکسید کننده برابر است با جرم مولی آن تقسیم بر تعداد الکترون های n که یک مولکول از عامل اکسید کننده در یک واکنش معین اضافه می کند.

به عنوان مثال، در واکنش کاهش Cl 2 + 2e = 2Cl - . n = 2 بنابراین، جرم معادل Cl 2 برابر است با M/2، یعنی. 71/2 = 35.5 گرم در مول.

جرم معادل یک عامل کاهنده برابر است با جرم مولی آن تقسیم بر تعداد الکترون های n که یک مولکول از عامل احیا کننده در یک واکنش معین از خود جدا می کند.

به عنوان مثال، در واکنش اکسیداسیون H 2 S + 4H 2 O - 8е = SO 4 2- + 10 H +

n = 8. بنابراین، جرم معادل H 2 S برابر است با M/8، یعنی. 34.08/8 = 4.26 گرم در مول.

واکنش های زنجیره ایدر مکانیسم خود بسیاری از اعمال ابتدایی متوالی تکرار شونده از همان نوع (زنجیره) را شامل می شود.

واکنش را در نظر بگیرید:

H2 + Cl2 = 2HCl

این شامل مراحل زیر است که در تمام واکنش های زنجیره ای مشترک است:

1) شروع، یا شروع زنجیره ای

Cl 2 = 2Cl

تجزیه مولکول کلر به اتم ها (رادیکال ها) در طی تابش اشعه ماوراء بنفش یا حرارت دادن اتفاق می افتد.

2) ماهیت مرحله شروع، تشکیل ذرات فعال و فعال است.

توسعه زنجیره ای
Cl + H 2 = HCl + H

H + Cl 2 = HCl + Cl

3) در نتیجه هر عمل ابتدایی توسعه زنجیره، یک رادیکال کلر جدید تشکیل می شود و این مرحله بارها و بارها تکرار می شود، از نظر تئوری، تا زمانی که معرف ها به طور کامل مصرف شوند.نوترکیبی

، یا مدار باز
2Cl = Cl 2
2H = H 2

H + Cl = HCl

رادیکال هایی که اتفاقاً در این نزدیکی هستند می توانند دوباره ترکیب شوند و یک ذره (مولکول) پایدار را تشکیل دهند. آنها انرژی اضافی را به "ذره سوم" می دهند - به عنوان مثال، دیواره های یک ظرف یا مولکول های ناخالصی. در نظر گرفته شده استواکنش زنجیره ای استبدون شاخه از آنجایی که در عمل اولیه توسعه زنجیره تعداد رادیکال ها افزایش نمی یابد . واکنش زنجیره ای هیدروژن با اکسیژناست:

منشعب
، زیرا تعداد رادیکال ها در عمل اولیه توسعه زنجیره افزایش می یابد
H + O 2 = OH + O

واکنش‌های زنجیره‌ای شامل بسیاری از واکنش‌های احتراق می‌شود. افزایش کنترل‌نشده در تعداد رادیکال‌های آزاد (هم در نتیجه انشعاب‌های زنجیره‌ای و هم برای واکنش‌های غیرشاخه‌ای در صورت شروع خیلی سریع) می‌تواند منجر به شتاب شدید واکنش و انفجار شود.

به نظر می رسد که هر چه فشار بیشتر باشد، غلظت رادیکال ها بیشتر و احتمال انفجار بیشتر می شود.

اما در واقع، برای واکنش هیدروژن با اکسیژن، انفجار فقط در مناطق فشار خاصی امکان پذیر است: از 1 تا 100 میلی متر جیوه. و بالای 1000 میلی متر جیوه. این از مکانیسم واکنش ناشی می شود.

در فشار کم، بیشتر رادیکال های حاصل روی دیواره های ظرف دوباره ترکیب می شوند و واکنش به کندی پیش می رود. هنگامی که فشار به 1 میلی متر جیوه افزایش می یابد. رادیکال ها کمتر به دیوارها می رسند، زیرا بیشتر با مولکول ها واکنش نشان می دهند. در این واکنش ها رادیکال ها تکثیر می شوند و انفجار رخ می دهد. اما در فشار بالای 100 میلی متر جیوه. غلظت مواد به حدی افزایش می یابد که ترکیب مجدد رادیکال ها در نتیجه برخوردهای سه گانه (مثلاً با یک مولکول آب) آغاز می شود و واکنش به آرامی و بدون انفجار (جریان ثابت) ادامه می یابد. بالای 1000 میلی متر جیوه غلظت بسیار بالا می شود و حتی برخوردهای سه گانه برای جلوگیری از تکثیر رادیکال ها کافی نیست.

شما می دانید واکنش زنجیره ای شاخه ای شکافت اورانیوم 235 که در هر عمل اولیه 1 نوترون گرفته می شود (نقش یک رادیکال) و حداکثر 3 نوترون ساطع می شود. بسته به شرایط (مثلاً غلظت جاذب های نوترون) ممکن است جریان ثابت یا انفجار داشته باشد. این مثال دیگری از همبستگی بین سینتیک فرآیندهای شیمیایی و هسته ای است.

برنامه های کاربردی

کلرید هیدروژن در صنعت یا از طریق سنتز مستقیم از کلر و هیدروژن و یا از محصولات جانبی در طی کلرزنی آلکان ها (متان) به دست می آید. ما سنتز مستقیم از عناصر را در نظر خواهیم گرفت.

HCl یک گاز بی رنگ با بوی تند و مشخص است

t° pl = -114.8 درجه سانتیگراد، درجه جوش = -84 درجه سانتیگراد، t° ترد = +57 درجه سانتیگراد، یعنی. کلرید هیدروژن را می توان در دمای اتاق به شکل مایع با افزایش فشار به 50 تا 60 اتمسفر به دست آورد. در فازهای گازی و مایع به شکل مولکول های جداگانه (بدون پیوند هیدروژنی) یافت می شود. ترکیب قوی E St = 420 کیلوژول بر مول. در T> 1500 درجه سانتیگراد شروع به تجزیه به عناصر می کند.

R Cl - = 1.81، یعنی. پروتون با یک سوم شعاع موثر به ابر الکترونی یون کلر وارد می شود و در عین حال خود ترکیب به دلیل افزایش بار مثبت در نزدیکی هسته یون کلر و متعادل کردن اثر دافعه تقویت می شود. الکترون ها همه هالیدهای هیدروژن به طور مشابه تشکیل می شوند و ترکیبات قوی هستند.

کلرید هیدروژن به هر نسبت در آب بسیار محلول است (حداکثر 450 حجم HCl در یک حجم H 2 O حل می شود)، چندین هیدرات را با آب تشکیل می دهد و یک مخلوط آزئوتروپیک - 20.2٪ HCl و نقطه جوش = 108.6 درجه سانتیگراد می دهد.

تشکیل هیدروژن کلرید از عناصر:

Cl 2 + H 2 = 2HCl

مخلوطی از هیدروژن و کلر هنگام روشن شدن منفجر می شود که نشان دهنده یک واکنش زنجیره ای است.

در آغاز قرن، بادنشتاین مکانیسم واکنش زیر را پیشنهاد کرد:

شروع: Cl 2 + hν → ē + Cl 2 +

زنجیره: Cl 2 + + H 2 → HCl + H + Cl +

H + Cl 2 → HCl + Cl

مدار باز: Cl + + ē → Cl

Cl + Cl → Cl 2

اما ē در ظرف پیدا نشد.

در سال 1918، نرنست مکانیسم متفاوتی را پیشنهاد کرد:

شروع: Cl 2 + hν → Cl + Cl

زنجیره: Cl + H 2 → HCl + H

H + Cl 2 → HCl + Cl

مدار باز: H + Cl → HCl

پس از آن، این مکانیسم بیشتر توسعه یافت و تکمیل شد.

مرحله 1 - شروع

واکنش Cl 2 + hν → Cl + Cl

به صورت فتوشیمیایی آغاز شد، یعنی. با جذب یک کوانتوم نوری hν. با توجه به اصل هم ارزیبه گفته اینشتین، هر کوانتوم نور می تواند تنها یک مولکول را تغییر دهد. یک مشخصه کمی اصل هم ارزی بازده کوانتومی واکنش است:

- تعداد مولکول‌های واکنش‌دهنده در هر 1 کوانتوم نور.

γ در واکنش های فتوشیمیایی معمولی ≤1. اما در مورد واکنش های زنجیره ای γ>>1. به عنوان مثال، در مورد سنتز HCl γ = 10 5، در طول تجزیه H 2 O 2 γ = 4.

اگر یک مولکول Cl 2 یک کوانتوم نوری را جذب کند، آنگاه در حالت برانگیخته است

10-8-10-3 ثانیه و اگر انرژی دریافتی با کوانتوم نور برای تبدیل کافی بود، واکنشی رخ می دهد، در غیر این صورت، مولکول دوباره به حالت پایه می رود، یا با گسیل یک کوانتوم نور. (فلورسانس یا فسفرسانس)، یا تحریک الکترونیکی به انرژی ارتعاشی یا چرخشی تبدیل می شود.

بیایید ببینیم در مورد ما چه اتفاقی می افتد:

دی H 2 = 426.4 kJ/mol

E dis Cl 2 = 239.67 kJ/mol

E arr HCl = 432.82 kJ/mol - واکنش بدون تابش ادامه نمی یابد.

یک کوانتوم نور دارای انرژی Eq = 41.1 * 10 -20 J است. انرژی مورد نیاز برای شروع واکنش (انرژی فعال سازی) برابر با انرژی صرف شده در تفکیک مولکول Cl 2 است:

آن ها E Cl2<Е кв и энергии кванта достаточно для преодоления потенциального барьера реакции и реакция начинается.

برخلاف کاتالیز که در آن مانع پتانسیل کاهش می‌یابد، در مورد واکنش‌های فتوشیمیایی به سادگی توسط انرژی کوانتومی نور غلبه می‌شود.

امکان دیگر برای شروع واکنش افزودن بخار Na به مخلوط H 2 + Cl 2 است. واکنش در 100 درجه سانتیگراد در تاریکی رخ می دهد:

Na + Cl 2 → NaCl + Cl

Cl + H 2 → HCl + H………

و در هر اتم سدیم تا 1000 HCl تشکیل می شود.

مرحله 2 - ادامه زنجیره

واکنش های ادامه زنجیره ای در تولید HCl از انواع زیر است:

1. Cl + H 2 → HCl + H E a = 2.0 kJ/mol

2. H + Cl 2 → HCl + Cl E a = 0.8 kJ/mol

اینها حلقه های زنجیره ای هستند.

سرعت این واکنش ها را می توان به صورت زیر نشان داد:

W 1 = K 1 [H 2 ]

W 2 = K 2 [Cl 2 ]

چون انرژی فعال سازی این واکنش ها کم است، سپس سرعت آنها زیاد است. زنجیرها در این مورد بدون انشعاب هستند و طبق نظریه زنجیره های بدون انشعاب:

توسعه زنجیره W = W از نظر فتوشیمیایی آغاز می شود، یعنی. با جذب کوانتوم قطع نور،

Cl + Cl + M → Cl 2 + M،

سپس W arr = K 2

سرعت تولید HCl به واکنش های 1 و 2 بستگی دارد

در این مورد W 1 = W 2، زیرا زنجیره ها بسیار طولانی هستند (از تئوری واکنش های زنجیره ای)

این معادله جنبشی در صورت عدم وجود ناخالصی در مخلوط H 2 + Cl 2 معتبر است. اگر هوا وارد سیستم شود، معادله جنبشی متفاوت خواهد بود. به طور خاص

W arr = K، یعنی. شکست غیر درجه دوم و روند روند به طور کامل تغییر می کند.

چون موادی هستند که مهارکننده های واکنش زنجیره ای هستند. بازدارنده واکنش تشکیل HCl اکسیژن است:

O 2 + H → O 2 H

این رادیکال غیر فعال است و فقط می تواند با همان رادیکال و اکسیژن بازسازی کننده واکنش نشان دهد

O 2 H + O 2 H = O 2 + H 2 O 2

محاسبات نشان می دهد که در حضور 1% O 2 واکنش 1000 بار کند می شود. سرعت فرآیند با حضور NCl 3 کاهش می یابد، که سرعت واکنش را 10 5 برابر بیشتر از اکسیژن کند می کند. چون کلرید نیتروژن ممکن است در طول تولید کلر در صنعت وجود داشته باشد.