HCl алу. HCl алу Химиялық реакциялар h2 cl2

Осы әдіспен тотығу-тотықсыздану реакцияларының теңдеулерін құру кезінде келесі ретті сақтау ұсынылады:

1. Бастапқы және шыққан заттарды көрсететін реакция сызбасын жазыңыз, реакция нәтижесінде тотығу дәрежесін өзгертетін элементтерді анықтаңыз, тотықтырғыш пен тотықсыздандырғышты табыңыз.

2. Тотықтырғыштың электрондарды қабылдайтынына, ал тотықсыздандырғыштың беретініне негізделген электрондық теңдеулерді құрастыр.

3. Электрондық теңдеулер үшін факторларды (негізгі коэффициенттерді) таңдаңыз тотығу кезінде берілген электрондар саны тотықсыздану кезінде алынған электрондар санына тең болды.

4. Реакция теңдеуіндегі коэффициенттерді орналастырыңыз.

3-МЫСАЛ: Темір (III) оксидінің көміртегімен тотықсыздану теңдеуін жазыңыз. Реакция сызба бойынша жүреді:

Fe 2 O 3 + C → Fe + CO

Шешуі: Темір тотықсызданады, тотығу дәрежесін +3-тен 0-ге дейін төмендетеді; көміртегі тотығады, оның тотығу дәрежесі 0-ден +2-ге дейін артады.

Осы процестердің диаграммаларын құрастырайық.

тотықсыздандырғыш 1| 2Fe +3 + 6e = 2Fe 0, тотығу процесі

тотықтырғыш 3| C 0 -2e = C +2, қалпына келтіру процесі

Тотықсыздандырғыш берген электрондардың жалпы саны тотықтырғыш қабылдаған электрондардың жалпы санына тең болуы керек. 2 және 6 сандарының арасындағы ең кіші ортақ еселікті тауып, біз үш тотықсыздандырғыш молекула және екі тотықтырғыш молекула болуы керек екенін анықтаймыз, т.б. тотықсыздандырғыштың, тотықтырғыштың және тотығу мен тотықсыздану өнімдерінің алдындағы реакция теңдеуінен сәйкес коэффициенттерді табамыз.

Теңдеу келесідей болады:

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

Электронды-иондық теңдеулер әдісі (жартылай реакциялар).

Электронды-иондық теңдеулерді құру кезінде заттардың ерітіндідегі болу формасы (жай немесе күрделі ион, суда ерімейтін немесе қиын диссоциацияланатын заттың атомы немесе молекуласы) ескеріледі.

Осы әдіс арқылы тотығу-тотықсыздану реакцияларының теңдеулерін құру үшін келесі ретті сақтау ұсынылады:

1.Бастапқы материалдар мен реакция өнімдерін көрсететін реакция сызбасын құрыңыз, реакция нәтижесінде тотығу дәрежесін өзгертетін иондарды белгілеңіз, тотықтырғыш пен тотықсыздандырғышты анықтаңыз.

2. Реакция жағдайында түзілген бастапқы иондарды немесе молекулаларды көрсете отырып, тотығу және тотықсыздану жартылай реакцияларының диаграммасын құрастырыңыз.

3. Жартылай реакциялардың сол және оң жағындағы әрбір элемент атомдарының санын теңестіру; Сулы ерітінділерде су молекулалары, H + немесе OH - иондары реакцияларға қатыса алатынын есте ұстаған жөн.

Сулы ерітінділерде артық оттегінің байланысуы және тотықсыздандырғышпен оттегінің қосылуы ортаның рН-ына байланысты әртүрлі болатынын есте ұстаған жөн. Қышқыл ерітінділерде артық оттегі сутек иондарымен байланысып, су молекулаларын, ал бейтарап және сілтілі ерітінділерде су молекулалары арқылы гидроксид иондарын түзеді.Мысалы,

MnO 4 - + 8H + + 5e = Mn 2+ + 4H 2 O (қышқылдық орта)

NO 3 - + 6H 2 O + 8e = NH 3 + 9OH - (бейтарап немесе сілтілі орта).

Тотықсыздандырғышпен оттегінің қосылуы қышқыл және бейтарап ортада сутек иондарының түзілуімен су молекулалары есебінен, ал сілтілі ортада – су молекулаларының түзілуімен гидроксид иондарының есебінен жүзеге асады.Мысалы,

I 2 + 6H 2 O - 10e = 2IO 3 - + 12H + (қышқыл немесе бейтарап орта)

CrO 2 - + 4OH - - 3e = CrO 4 2- + 2H 2 O (сілтілі орта)

4. Әрбір жарты реакцияның екі бөлігіндегі зарядтардың жалпы санын теңестіру; Ол үшін жартылай реакцияның сол және оң жақтарына қажетті электрон санын қосыңыз.

5. Жартылай реакциялар үшін көбейткіштерді (негізгі коэффициенттерді) тотықсыздану кезінде берілген электрондар саны тотықсыздану кезінде қабылданған электрондар санына тең болатындай етіп таңдаңыз.

6. Табылған негізгі коэффициенттерді ескере отырып жартылай реакция теңдеулерін қосыңыз.

7. Реакция теңдеуіндегі коэффициенттерді орналастырыңыз.

4-МЫСАЛ: Күкіртсутектің хлорлы сумен тотығу теңдеуін жазыңыз.

Реакция сызба бойынша жүреді:

H 2 S + Cl 2 + H 2 O → H 2 SO 4 + HCl

Шешім. Хлордың тотықсыздануы келесі жартылай реакция теңдеуіне сәйкес келеді: Cl 2 + 2e = 2Cl - .

Күкірттің жартылай тотығу реакциясының теңдеуін құру кезінде мына схемадан шығамыз: H 2 S → SO 4 2-. Бұл процесс кезінде күкірт атомы төрт оттегі атомымен байланысады, оның көзі су молекулалары болып табылады. Бұл жағдайда сегіз H + иондары түзіледі; сонымен қатар H 2 S молекуласынан екі H + иондары бөлінеді.

Барлығы 10 сутегі иондары түзіледі:

Диаграмманың сол жағында зарядталмаған бөлшектер ғана бар, ал диаграмманың оң жағындағы иондардың жалпы заряды +8. Демек, тотығу нәтижесінде сегіз электрон бөлінеді:

H 2 S + 4H 2 O → SO 4 2- + 10 H +

Хлорды тотықсыздандыру кезінде қабылданған және күкірттің тотығуы кезінде берілген электрондар санының қатынасы 8?2 немесе 4?1 болғандықтан, тотықсыздану мен тотығудың жартылай реакцияларының теңдеулерін қосқанда олардың біріншісі 4-ке, екіншісін 1-ге көбейту керек.

Біз аламыз:

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 +

Молекулалық түрде алынған теңдеу келесідей:

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

Әртүрлі жағдайларда бірдей зат тотықтырылуы немесе сәйкес элементтің әртүрлі тотығу дәрежесіне дейін тотықсыздануы мүмкін, сондықтан тотықтырғыш пен тотықсыздандырғыштың эквиваленттік мәні де әртүрлі мәндерге ие болуы мүмкін.

Тотықтырғыштың эквиваленттік массасы оның молярлық массасының берілген реакцияда тотықтырғыштың бір молекуласы қосқан электрондар санына n бөлгеніне тең.

Мысалы, тотықсыздану реакциясында Cl 2 + 2e = 2Cl - . n = 2 Демек, Cl 2 эквивалентті массасы M/2-ге тең, яғни. 71/2 = 35,5 г/моль.

Тотықсыздандырғыштың эквиваленттік массасы оның молярлық массасын берілген реакцияда тотықсыздандырғыштың бір молекуласы шығаратын электрондар санына n бөлгенге тең.

Мысалы, тотығу реакциясында H 2 S + 4H 2 O - 8е = SO 4 2- + 10 H +

n = 8. Демек, H 2 S эквивалентті массасы M/8-ге тең, яғни. 34,08/8 = 4,26 г/моль.

Тізбекті реакцияларолардың механизміне бір типті (тізбек) көптеген ретімен қайталанатын элементар актілерді қосады.

Реакцияны қарастырыңыз:

H2 + Cl2 = 2HCl

Ол барлық тізбекті реакцияларға тән келесі кезеңдерден тұрады:

1) Инициация, немесе тізбекті бастау

Cl 2 = 2Cl

Хлор молекуласының атомдарға (радикалдарға) ыдырауы ультракүлгін сәулелену немесе қыздыру кезінде жүреді.

2) Инициация кезеңінің мәні - белсенді, реактивті бөлшектердің пайда болуы.

Тізбекті дамыту
Cl + H 2 = HCl + H

H + Cl 2 = HCl + Cl

3) Тізбекті дамытудың әрбір элементар актісі нәтижесінде жаңа хлор радикалы түзіледі және бұл кезең теориялық тұрғыдан реагенттер толық таусылғанша қайта-қайта қайталанады.Рекомбинация

, немесе ашық тізбек
2Cl = Cl 2
2H = H 2

H + Cl = HCl

Жақын жерде болатын радикалдар тұрақты бөлшекті (молекула) құра отырып, қайта қосыла алады. Олар «үшінші бөлшекке» артық энергияны береді - мысалы, ыдыстың қабырғалары немесе қоспа молекулалары. Қарастырылдытізбекті реакция болып табыладытармақсыз , өйткені тізбекті дамытудың элементарлы актісінде радикалдар саны көбеймейді . Сутегінің оттегімен тізбекті реакциясыболып табылады:

тармақталған
, өйткені тізбекті дамытудың элементарлы актісінде радикалдар саны артады
H + O 2 = OH + O

Тармақталған тізбекті реакцияларға көптеген жану реакциялары жатады, бос радикалдар санының бақыланбайтын көбеюі (тізбекті тармақталу нәтижесінде де, тым жылдам басталған жағдайда тармақталмаған реакциялар үшін де) реакцияның күшті үдеуіне және жарылысқа әкелуі мүмкін.

Қысым неғұрлым жоғары болса, радикалдардың концентрациясы соғұрлым жоғары және жарылыс ықтималдығы жоғарырақ көрінеді.

Бірақ шын мәнінде, сутегінің оттегімен реакциясы үшін жарылыс тек белгілі бір қысым аймақтарында мүмкін: 1-ден 100 мм Hg дейін. және 1000 мм Hg жоғары. Бұл реакция механизмінен туындайды.

Төмен қысымда пайда болған радикалдардың көпшілігі ыдыстың қабырғаларында рекомбинацияланады және реакция баяу жүреді. Қысым 1 мм Hg дейін көтерілгенде. радикалдар қабырғаларға азырақ жетеді, өйткені молекулалармен жиірек әрекеттеседі. Бұл реакцияларда радикалдар көбейіп, жарылыс пайда болады. Дегенмен, 100 мм Hg жоғары қысымда. заттардың концентрациясының жоғарылағаны сонша, радикалдардың рекомбинациясы үш рет соқтығысудың (мысалы, су молекуласымен) нәтижесінде басталады және реакция жарылыссыз (стационарлық ағын) тыныш жүреді. 1000 мм Hg жоғары. концентрациялары өте жоғары болады, тіпті үш есе соқтығыстар да радикалдардың көбеюіне жол бермеу үшін жеткіліксіз.

Уран-235 бөлінуінің тармақталған тізбекті реакциясын білесіз, оның әрбір элементар әрекетінде 1 нейтрон ұсталады (радикал рөлін атқарады) және 3 нейтронға дейін шығарылады. Жағдайларға байланысты (мысалы, нейтронды сіңіргіштердің концентрациясы бойынша) оның тұрақты ағыны немесе жарылыс болуы да мүмкін. Бұл химиялық және ядролық процестердің кинетикасы арасындағы корреляцияның тағы бір мысалы.

Қолданбалар

Өнеркәсіпте хлорсутекті хлор мен сутектен тікелей синтездеу арқылы немесе алкандарды (метан) хлорлау кезіндегі жанама өнімдерден алады. Біз элементтерден тікелей синтезді қарастырамыз.

HCl – өткір, өзіне тән иісі бар түссіз газ

t° пл = –114,8°C, t° қайнау = –84°C, t° қытырлақ = +57°C, яғни. Хлорсутекті бөлме температурасында қысымды 50 - 60 атм-ге дейін арттыру арқылы сұйық күйінде алуға болады. Газ және сұйық фазаларда жеке молекулалар түрінде кездеседі (сутектік байланыстар жоқ). Күшті қосылыс E St = 420 кДж/моль. t>1500°C температурада элементтерге ыдырай бастайды.

R Cl - = 1,81, яғни. протон хлор ионының электронды бұлтына тиімді радиустың үштен бір бөлігіне енгізіледі және сонымен бірге хлор ионының ядросының жанында оң зарядтың жоғарылауы және оның тебілу әсерін теңестіру есебінен қосылыстың өзі күшейеді. электрондар. Барлық галогенсутектері ұқсас түзілген және күшті қосылыстар болып табылады.

Хлорсутек суда кез келген қатынаста жақсы ериді (Н 2 O бір көлемінде 450 көлемге дейін HCl еріген), сумен бірнеше гидрат түзеді және азеотропты қоспа береді – 20,2% HCl және қайнау температурасы = 108,6°С.

Элементтерден хлорсутектің түзілуі:

Cl 2 + H 2 = 2HCl

Сутегі мен хлор қоспасы жарықтандырылған кезде жарылып, тізбекті реакцияны көрсетеді.

Ғасырдың басында Баденштейн келесі реакция механизмін ұсынды:

Инициация: Cl 2 + hν → ē + Cl 2 +

Тізбек: Cl 2 + + H 2 → HCl + H + Cl +

H + Cl 2 → HCl + Cl

Ашық контур: Cl + + ē → Cl

Cl + Cl → Cl 2

Бірақ ē ыдыстан табылмады.

1918 жылы Нернст басқа механизмді ұсынды:

Инициация: Cl 2 + hν → Cl + Cl

Тізбек: Cl + H 2 → HCl + H

H + Cl 2 → HCl + Cl

Ашық контур: H + Cl → HCl

Кейіннен бұл механизм одан әрі дамыды және толықтырылды.

1 кезең – бастама

реакция Cl 2 + hν → Cl + Cl

Фотохимиялық жолмен инициацияланған, яғни. hν жеңіл квантын жұту арқылы. Сәйкес эквиваленттілік принципіЭйнштейннің айтуынша, жарықтың әрбір кванты тек бір молекуланың өзгеруіне себеп болуы мүмкін. Эквиваленттілік принципінің сандық сипаттамасы реакцияның кванттық шығымы болып табылады:

– жарықтың 1 квантындағы реакцияға түсетін молекулалар саны.

γ кәдімгі фотохимиялық реакциялардағы ≤1. Бірақ тізбекті реакциялар жағдайында γ>>1. Мысалы, HCl синтезі кезінде γ = 10 5, ыдырау кезінде H 2 O 2 γ = 4.

Егер Cl 2 молекуласы жарық квантын жұтса, онда ол қозған күйде болады

10 -8 -10 -3 сек және, егер жарық кванты арқылы алынған энергия түрлендіру үшін жеткілікті болса, онда реакция жүреді, егер олай болмаса, онда молекула қайтадан негізгі күйге өтеді, не жарық кванты эмиссиясымен. (флуоресценция немесе фосфоресценция), немесе электронды қозу діріл немесе айналу энергиясына айналады.

Біздің жағдайда не болатынын көрейік:

E dis H 2 = 426,4 кДж/моль

E dis Cl 2 = 239,67 кДж/моль

E arr HCl = 432,82 кДж/моль – сәулеленусіз реакция жүрмейді.

Жарық квантының энергиясы E q = 41,1 * 10 -20 Дж. Реакцияны бастауға қажет энергия (активтену энергиясы) Cl 2 молекуласының диссоциациялануына кеткен энергияға тең:

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

Потенциалды тосқауыл азайған катализден айырмашылығы, фотохимиялық реакциялар кезінде оны жарық кванты энергиясы жай ғана жеңеді.

Реакцияны бастаудың тағы бір мүмкіндігі - H 2 + Cl 2 қоспасына Na буының қосылуы. Реакция 100°C температурада қараңғыда жүреді:

Na + Cl 2 → NaCl + Cl

Cl + H 2 → HCl + H………

ал 1 Na атомында 1000 HCl дейін түзіледі.

2 кезең – тізбектің жалғасы

HCl өндірісіндегі тізбекті жалғастыру реакцияларының келесі түрлері бар:

1. Cl + H 2 → HCl + H E a =2,0 кДж/моль

2. H + Cl 2 → HCl + Cl E a =0,8 кДж/моль

Бұл тізбекті байланыстар.

Бұл реакциялардың жылдамдығын келесідей көрсетуге болады:

W 1 = K 1 [H 2 ]

W 2 = K 2 [Cl 2 ]

Өйткені Бұл реакциялардың активтену энергиялары аз, содан кейін олардың жылдамдығы жоғары болады. Бұл жағдайда тізбектер тармақталмаған және тармақталмаған тізбектер теориясына сәйкес:

W тізбегінің дамуы = W фотохимиялық жолмен басталады, яғни. жарықты ажырату квантын жұту арқылы,

Cl + Cl +M → Cl 2 + M,

онда W arr = K 2

HCl түзілу жылдамдығы 1 және 2 реакцияларға байланысты

бұл жағдайда W 1 =W 2, өйткені тізбектер айтарлықтай ұзын (тізбекті реакциялар теориясынан)

Бұл кинетикалық теңдеу H 2 + Cl 2 қоспасында қоспалар болмаған кезде жарамды. Егер ауа жүйеге түссе, кинетикалық теңдеу басқаша болады. Сондай-ақ

W arr = K, яғни. квадраттық емес үзіліс және процестің барысы толығымен өзгереді.

Өйткені Тізбекті реакция ингибиторлары болып табылатын заттар бар. HCl түзілу реакциясының ингибиторы оттегі болып табылады:

O 2 + H → O 2 H

Бұл радикал белсенді емес және тек сол радикал, қалпына келтіретін оттегімен әрекеттесе алады

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

Есептеулер көрсеткендей, 1% O 2 болғанда реакция 1000 есе баяулайды. Процестің жылдамдығы оттегіге қарағанда реакцияны 10 5 есе баяулататын NCl 3 болуымен одан әрі баяулайды. Өйткені Азот хлориді өнеркәсіпте өндіріс процесінде хлорда болуы мүмкін, HCl синтезі алдында бастапқы хлорды мұқият тазарту қажет.