Prefazione
introduzione
§ 1. Oggetto della chimica del suono
§ 2. Saggio sullo sviluppo della chimica del suono
§ 3. Metodi sperimentali della chimica del suono
Capitolo 1. Campo sonoro e cavitazione ultrasonica
§ 4. Campo acustico e grandezze che lo caratterizzano (concetti fondamentali)
§ 5. Cavitazione acustica nei liquidi
§ 6. Nuclei di cavitazione nei liquidi
§ 7. Pulsazione e collasso delle bolle di cavitazione
§ 8. Dinamica di sviluppo della regione di cavitazione
Capitolo 2. Studi sperimentali e teorici sulle reazioni sonochimiche e sulla soioluminescenza
§ 9. Influenza vari fattori e il verificarsi di reazioni sonochimiche e soioluminescenza
§ 10. Columinescenza in vari liquidi
§ 11. Processi fisici che portano al verificarsi di reazioni suono-chimiche e soioluminescenza
§ 12. Studi spettrali della columinescenza
§ 13. Processi elementari primari e secondari in una bolla di cavitazione
§ 14. Classificazione delle reazioni chimiche ultrasoniche
§ 15. Sul meccanismo d'influenza dei gas e sul verificarsi di reazioni suono-chimiche
§ 16. Campi acustici a basse intensità
§ 17. Campi acustici a bassa frequenza
Capitolo 3. Energia delle reazioni suono-chimiche e dei processi fisico-chimici causati dalla cavitazione
§ 18. Le principali vie di conversione dell'energia delle vibrazioni acustiche
§ 19. Resa chimico-acustica dei prodotti di reazione (resa energetica)
§ 20. Rese iniziali chimico-acustiche dei prodotti per la scissione dell'acqua ad ultrasuoni
§ 21. Resa energetica della columinescenza
§ 22. Dipendenza della velocità delle reazioni suono-chimiche dall'intensità delle onde ultrasoniche
§ 23. Dipendenza della velocità dei processi fisici e chimici causati dalla cavitazione dall'intensità delle onde ultrasoniche
§ 24. Leggi quantitative generali
§ 25. Sul rapporto tra le emissioni energetiche delle reazioni suono-chimiche e la sonoluminescenza
Capitolo 4. Cinetica delle reazioni chimiche ultrasoniche
§26. Stato stazionario per la concentrazione di radicali media sul periodo di oscillazione e sul volume (prima approssimazione)
§ 27. Variazione della concentrazione di radicali media sul volume (seconda approssimazione)
§ 28. Modello cavitazione-diffusione della distribuzione spazio-temporale dei radicali (terza approssimazione)
§ 29. Il posto dell'energia delle onde ultrasoniche tra gli altri metodi fisici di influenza sulla materia
§ 30. Caratteristiche della propagazione del calore da una bolla di cavitazione
Capitolo 5. Chimica corretta dell'acqua e delle soluzioni acquose
§ 31. Caratteristiche principali dei risultati sperimentali ottenuti
§ 32. Sonolisi di soluzioni di acido cloroacetico. Sulla comparsa degli elettroni idratati nel campo delle onde ultrasoniche
§ 33. Ossidazione del solfato di ferro (II) nel campo delle onde ultrasoniche
§ 34. Riduzione del solfato di cerio (IV) nel campo delle onde ultrasoniche
§ 35. Sintesi del perossido di idrogeno durante la sonolisi dell'acqua e soluzioni acquose di formiati
§ 36. Calcolo dei valori delle rese chimico-acustiche iniziali
§ 37. Reazioni suono-chimiche in acqua e soluzioni acquose in atmosfera di azoto
§ 38. Avvio mediante onde ultrasoniche di una reazione a catena di stereoisomerizzazione dell'acido etilene-1,2-dicarbossilico e dei suoi esteri
Conclusione. Prospettive per l'uso delle onde ultrasoniche nella scienza, nella tecnologia e nella medicina
Letteratura
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• introduzione
• 1. Il concetto di suono. Onde sonore
• 1.1 Campo di studio degli effetti sonori sui processi chimici
• 1.2 Metodi di chimica del suono
• 2. Utilizzo degli infrasuoni come metodo di intensificazione processi tecnologici chimici
• 3. Utilizzo degli ultrasuoni come mezzo per intensificare i processi chimici
• Conclusione
• introduzione
• Il ventunesimo secolo è il secolo delle bio e nanotecnologie, dell'informatizzazione universale, dell'elettronica, degli infrasuoni e degli ultrasuoni. Gli ultrasuoni e gli infrasuoni rappresentano un movimento oscillatorio propagantesi come un'onda delle particelle del mezzo e sono caratterizzati da un numero di caratteristiche distintive rispetto alle fluttuazioni della gamma udibile. Nella gamma delle frequenze ultrasoniche è relativamente facile ottenere radiazioni direzionate; Le vibrazioni ultrasoniche si prestano bene alla messa a fuoco, a seguito della quale aumenta l'intensità delle vibrazioni ultrasoniche in determinate aree di influenza. Quando distribuito in gas, liquidi e solidi ah, le vibrazioni sonore danno origine a fenomeni unici, molti dei quali sono stati riscontrati uso pratico In vari campi della scienza e della tecnologia sono emerse dozzine di tecnologie sonore altamente efficienti e che risparmiano risorse. IN l'anno scorso l'uso delle vibrazioni sonore sta iniziando a svolgere un ruolo sempre più importante nell'industria e ricerca scientifica. Ricerca teorica e sperimentale nel campo della cavitazione ultrasonica e flussi acustici, che hanno permesso di sviluppare nuovi processi tecnologici che avvengono sotto l'influenza degli ultrasuoni in fase liquida.
• Attualmente si sta formando una nuova direzione della chimica: la chimica sonica, che consente di accelerare molti processi chimico-tecnologici e ottenere nuove sostanze, insieme alla ricerca teorica e sperimentale nel campo delle reazioni chimiche soniche, molto è stato fatto lavoro pratico. Lo sviluppo e l'applicazione delle tecnologie del suono aprono attualmente nuove prospettive nella creazione di nuove sostanze e materiali, nel conferire nuove proprietà a materiali e ambienti conosciuti e richiedono quindi la comprensione dei fenomeni e dei processi che si verificano sotto l'influenza degli ultrasuoni e degli infrasuoni, la capacità delle nuove tecnologie e prospettive della loro applicazione.
• 1. Il concetto di suono. Onde sonore

Suono -- fenomeno fisico, che è la propagazione sotto forma di onde elastiche di vibrazioni meccaniche in un mezzo solido, liquido o gassoso. In senso stretto, il suono si riferisce a queste vibrazioni, considerate in relazione a come vengono percepite dai sensi degli animali e dell'uomo.

Come ogni onda, il suono è caratterizzato da ampiezza e spettro di frequenze. Una persona comune in grado di sentire le vibrazioni sonore nella gamma di frequenza da 16-20 Hz a 15-20 kHz. Il suono al di sotto della gamma dell'udibilità umana è chiamato infrasuono; superiore: fino a 1 GHz - ultrasuoni, da 1 GHz - ipersuono. Il volume del suono dipende in modo complesso dall'effettiva pressione sonora, dalla frequenza e dalla forma delle vibrazioni, mentre l'altezza del suono dipende non solo dalla frequenza, ma anche dall'entità della pressione sonora.

Le onde sonore nell'aria sono aree alternate di compressione e rarefazione. Le onde sonore possono servire come esempio di un processo oscillatorio. Qualsiasi oscillazione è associata a una violazione dello stato di equilibrio del sistema ed è espressa nella deviazione delle sue caratteristiche dai valori di equilibrio con successivo ritorno al valore originale. Per le vibrazioni sonore, questa caratteristica è la pressione in un punto del mezzo e la sua deviazione è la pressione sonora.

Se si effettua un brusco spostamento delle particelle del mezzo elastico in un punto, ad esempio utilizzando un pistone, la pressione in questo punto aumenterà. Grazie ai legami elastici delle particelle, la pressione viene trasmessa alle particelle vicine, che a loro volta agiscono su quelle successive, e l'area ipertensione come se si muovesse in un mezzo elastico. Ad una regione di alta pressione segue una regione di bassa pressione, si formano così una serie di regioni alternate di compressione e rarefazione, che si propagano nel mezzo sotto forma di onda. Ogni particella del mezzo elastico in questo caso eseguirà movimenti oscillatori.

Figura 1 - Movimento delle particelle durante la propagazione dell'onda a) movimento delle particelle del mezzo durante la propagazione di un'onda longitudinale; b) il movimento delle particelle del mezzo durante la propagazione di un'onda trasversale.

Figura 2 - Caratteristiche del processo oscillatorio

Nei mezzi liquidi e gassosi, dove non vi sono fluttuazioni significative di densità, le onde acustiche sono di natura longitudinale, cioè la direzione della vibrazione delle particelle coincide con la direzione del movimento dell'onda. Nei solidi, oltre alle deformazioni longitudinali, si verificano anche deformazioni elastiche di taglio, che provocano l'eccitazione di onde trasversali (di taglio); in questo caso le particelle oscillano perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell'onda. La velocità di propagazione delle onde longitudinali è molto maggiore della velocità di propagazione delle onde trasversali.

1.1 Campo di studio degli effetti sonori sui processi chimici

La branca della chimica che studia l'interazione delle potenti onde acustiche e gli effetti chimici e fisico-chimici che ne derivano è chiamata sonochimica (sonochimica). La chimica del suono studia la cinetica e il meccanismo delle reazioni chimiche del suono che si verificano nel volume di un campo sonoro. Il campo della chimica del suono comprende anche alcuni processi fisici e chimici nel campo sonoro: sonoluminescenza, dispersione di una sostanza sotto l'influenza del suono, emulsione e altri processi chimici colloidali. La sonoluminescenza è il fenomeno di un lampo di luce che si verifica durante il collasso delle bolle di cavitazione generate in un liquido da una potente onda ultrasonica. Un tipico esperimento per osservare la sonoluminescenza è il seguente: un risonatore viene posto in un contenitore d'acqua e al suo interno viene creata un'onda ultrasonica sferica stazionaria. Con una potenza ultrasonica sufficiente, al centro del serbatoio appare una fonte puntiforme di luce bluastra: il suono si trasforma in luce. La sonochimica si concentra sullo studio delle reazioni chimiche che avvengono sotto l'influenza delle vibrazioni acustiche: reazioni suono-chimiche.

Di norma, i processi chimici del suono vengono studiati nella gamma degli ultrasuoni (da 20 kHz a diversi MHz). Le vibrazioni sonore nella gamma dei kilohertz e nella gamma degli infrasuoni vengono studiate molto meno frequentemente.

La chimica del suono studia i processi di cavitazione. Cavitamcia (dal latino cavita - vuoto) è il processo di vaporizzazione e successiva condensazione di bolle di vapore in un flusso liquido, accompagnato da rumore e shock idraulici, dalla formazione di cavità nel liquido (bolle di cavitazione o caverne) riempite con il vapore del liquido stesso in cui si presenta. La cavitazione avviene a seguito di una diminuzione locale della pressione nel liquido, che può verificarsi sia con un aumento della sua velocità (cavitazione idrodinamica), sia con il passaggio di un'onda acustica ad alta intensità durante il semiperiodo di rarefazione (cavitazione acustica ); ci sono altre ragioni per l'effetto. Muoversi con il flusso verso un'area con più alta pressione oppure durante il semiciclo di compressione, la bolla di cavitazione collassa emettendo un'onda d'urto.

1.2 Metodi di chimica del suono

Per studiare le reazioni suono-chimiche vengono utilizzati i seguenti metodi: l'effetto piezoelettrico inverso e l'effetto magnetostrizione per generare vibrazioni sonore ad alta frequenza in un liquido, la chimica analitica per studiare i prodotti delle reazioni suono-chimiche, l'effetto piezoelettrico inverso - l'effetto verificarsi di deformazioni meccaniche sotto l'influenza di un campo elettrico (utilizzato negli emettitori acustici, nei sistemi movimenti meccanici - attivatori).

Il magnetostreaming è un fenomeno per cui quando cambia lo stato di magnetizzazione di un corpo, cambiano il suo volume e le sue dimensioni lineari (utilizzate per generare ultrasuoni e ipersuoni).

Infrasuoni -- onde sonore, avente una frequenza inferiore a quella percepita orecchio umano. Poiché l'orecchio umano è solitamente in grado di udire suoni nell'intervallo di frequenza compreso tra 16 e 20.000 Hz, 16 Hz viene solitamente considerato il limite superiore dell'intervallo di frequenza degli infrasuoni. Il limite inferiore dell'intervallo degli infrasuoni è convenzionalmente definito come 0,001 Hz.

Gli infrasuoni hanno una serie di caratteristiche associate alla bassa frequenza delle vibrazioni di un mezzo elastico: ha ampiezze di vibrazione molto maggiori; si diffonde molto più lontano nell'aria, poiché il suo assorbimento nell'atmosfera è trascurabile; presenta il fenomeno della diffrazione, in conseguenza del quale penetra facilmente nelle stanze e aggira gli ostacoli che bloccano i suoni udibili; fa vibrare oggetti di grandi dimensioni a causa della risonanza.

cavitazione chimica ad ultrasuoni ad onde

2. L'uso degli infrasuoni come mezzo per intensificare i processi chimici e tecnologici

L'influenza fisica sulle reazioni chimiche in questo caso viene effettuata in dispositivi a infrasuoni,- dispositivi in ​​cui, per intensificazione processi tecnologici nei mezzi liquidi vengono utilizzate vibrazioni acustiche a bassa frequenza (in realtà infra frequenza del suono fino a 20 Hz, frequenze sonore fino a 100 Hz). Le vibrazioni vengono create direttamente nel mezzo lavorato utilizzando emettitori flessibili di varie configurazioni e forme o pistoni metallici rigidi collegati alle pareti di contenitori tecnologici tramite elementi elastici (ad esempio gomma). Ciò consente di alleggerire le pareti dell'apparato infrasonico dalle vibrazioni della sorgente, riducendone sensibilmente il livello vibrazionale e di rumore in locali di produzione. Nei dispositivi a infrasuoni vengono eccitate vibrazioni con grandi ampiezze (da unità a decine di mm).

Tuttavia, il basso assorbimento degli infrasuoni da parte del mezzo di lavoro e la possibilità di abbinarlo all'emettitore di oscillazione (selezione di parametri di sorgente appropriati) e le dimensioni dell'apparato (per l'elaborazione di determinati volumi di liquido) consentono di estendere l'onda non lineare effetti che si verificano quando esposti agli infrasuoni a grandi volumi tecnologici. Per questo motivo i dispositivi a infrarossi sono fondamentalmente diversi da quelli a ultrasuoni, nei quali i liquidi vengono trattati in un piccolo volume.

Nei dispositivi a infrasuoni sono implementati: effetti fisici(uno o più contemporaneamente): cavitazione, segno alternato di grande ampiezza e pressione di radiazione (radiazione sonora), flussi alternati di liquidi, flussi acustici (vento sonico), degassamento del liquido e formazione di numerose bolle di gas e dei loro strati di equilibrio in esso , sfasamento delle oscillazioni tra particelle sospese e liquido. Questi effetti accelerano significativamente le reazioni redox, elettrochimiche e di altro tipo, intensificano di 2-4 volte i processi industriali di miscelazione, filtraggio, dissoluzione e dispersione di materiali solidi in liquidi, separazione, classificazione e disidratazione delle sospensioni, nonché pulizia di parti e meccanismi, ecc. .

L'uso degli infrasuoni consente di ridurre più volte il consumo specifico di energia e metallo dimensioni dispositivi, nonché trattare i liquidi direttamente nel flusso durante il trasporto attraverso condutture, eliminando l'installazione di miscelatori e altri dispositivi.

Figura 3 - Apparecchio infrasonico per la miscelazione delle sospensioni: 1 - emettitore di vibrazioni a membrana; 2 - modulatore dell'aria compressa; 3 - dispositivo di avvio; 4 - compressore

Uno dei campi di applicazione più comuni degli infrasuoni è la miscelazione di sospensioni utilizzando, ad esempio, dispositivi infrasonici a tubi. Tale macchina è costituita da uno o più emettitori idropneumatici collegati in serie e da un dispositivo di caricamento.

3. L'uso degli ultrasuoni nell'intensificazione dei processi chimici

Ultrasuoni mk - onde sonore aventi una frequenza superiore a quella percepita dall'orecchio umano, normalmente per ultrasuoni si intendono frequenze superiori a 20.000 Hertz; Le vibrazioni ad alta frequenza utilizzate nell'industria vengono solitamente create utilizzando trasduttori piezoceramici. Nei casi in cui la potenza delle vibrazioni ultrasoniche è di primaria importanza, vengono utilizzate sorgenti meccaniche di ultrasuoni.

L'impatto degli ultrasuoni sui processi chimici e fisico-chimici che si verificano nei liquidi comprende: l'avvio di alcune reazioni chimiche, cambiamenti nella velocità e talvolta nella direzione delle reazioni, la comparsa di luminescenza liquida (sonoluminescenza), la creazione di onde d'urto nei liquidi, l'emulsificazione di materiali immiscibili liquidi e coalescenza (fusione) di particelle all'interno di un mezzo in movimento o sulla superficie di un corpo), emulsioni, dispersione (macinazione fine di solidi o liquidi) di solidi e coagulazione (combinazione di piccole particelle disperse in aggregati più grandi) di particelle solide in un liquido, degasaggio di un liquido, ecc. I dispositivi ad ultrasuoni vengono utilizzati per eseguire processi tecnologici.

L'influenza degli ultrasuoni su vari processi è associata alla cavitazione (la formazione in un liquido durante il passaggio di un'onda acustica di cavità (bolle di cavitazione) piene di gas, vapore o una miscela di essi).

Le reazioni chimiche che si verificano in un liquido sotto l'influenza degli ultrasuoni (reazioni suono-chimiche) possono essere suddivise in: a) reazioni redox che si verificano in soluzioni acquose tra soluti e prodotti di decomposizione delle molecole d'acqua all'interno di una bolla di cavitazione (H, OH,), Per esempio :

b) Reazioni tra gas disciolti e sostanze con elevata pressione di vapore situate all'interno della bolla di cavitazione:

c) Reazioni a catena avviate non dai prodotti di decomposizione radicale dell'acqua, ma da qualche altra sostanza che si dissocia nella bolla di cavitazione, ad esempio l'isomerizzazione dell'acido maleico in acido fumarico sotto l'influenza di Br, formata a seguito della dissociazione sonochimica.

d) Reazioni che coinvolgono macromolecole. Per queste reazioni non sono importanti solo la cavitazione e le onde d'urto associate e i getti cumulativi forze meccaniche, scomponendo le molecole. I macroradicali risultanti in presenza del monomero sono in grado di avviare la polimerizzazione.

e) Innesco di esplosione in esplosivi liquidi e solidi.

f) Reazioni in sistemi liquidi non acquosi, ad esempio pirolisi e ossidazione di idrocarburi, ossidazione di aldeidi e alcoli, alchilazione di composti aromatici, ecc.

La principale caratteristica energetica delle reazioni sonochimiche è la resa energetica, che è espressa dal numero di molecole di prodotto formate a scapito di 100 eV di energia assorbita. La resa energetica dei prodotti delle reazioni redox di solito non supera diverse unità, e per reazioni a catena raggiunge diverse migliaia.

Sotto l'influenza degli ultrasuoni, in molte reazioni è possibile aumentare più volte la velocità (ad esempio, nelle reazioni di idrogenazione, isomerizzazione, ossidazione, ecc.), A volte aumenta anche la resa contemporaneamente.

È importante tenere conto dell'impatto degli ultrasuoni durante lo sviluppo e l'esecuzione di vari processi tecnologici (ad esempio, quando esposto all'acqua in cui è disciolta l'aria, si formano ossidi di azoto), al fine di comprendere i processi che accompagnano l'assorbimento del suono in media.

Conclusione

Attualmente, le vibrazioni sonore sono ampiamente utilizzate nell'industria, essendo un fattore tecnologico promettente che consente, se necessario, di intensificare notevolmente i processi produttivi.

L’utilizzo di potenti ultrasuoni nei processi tecnologici di produzione e lavorazione di materiali e sostanze consente:

Ridurre il costo di un processo o di un prodotto,

Ottieni nuovi prodotti o migliora la qualità di quelli esistenti,

Intensificare i processi tecnologici tradizionali o stimolare l’implementazione di nuovi,

Contribuire a migliorare la situazione ambientale riducendo l'aggressività dei fluidi di processo.

Va notato, tuttavia, che gli ultrasuoni hanno un effetto estremamente negativo sugli organismi viventi. Per ridurre tali impatti si consiglia di collocare gli impianti ad ultrasuoni in locali appositi, utilizzando su di essi sistemi per l'esecuzione di processi tecnologici telecomando. L'automazione di queste installazioni ha un grande effetto.

Un modo più economico per proteggersi dagli effetti degli ultrasuoni è utilizzare involucri fonoisolanti che ricoprono le unità ad ultrasuoni o schermi posizionati nel percorso di propagazione degli ultrasuoni. Questi schermi sono realizzati in lamiera d'acciaio o duralluminio, plastica o gomma speciale.

Elenco delle fonti utilizzate

1. Margulis MA Fondamenti di chimica del suono (reazioni chimiche in campi acustici); manuale manuale di chimica e tecnologo chimico. Specialità universitarie / M.A. Margulis. M.: Scuola superiore, 1984. 272 ​​p.

2. Susliсk K.S. Ultrasuoni. I suoi effetti chimici, fisici e biologici. Ed.: VCH, N.Y., 336 rubli.

3. Kardashev G.A. Metodi fisici intensificazione dei processi tecnologici chimici. M.: Chimica, 1990, 208 p.

5. Luminescenza

6. Ultrasuoni

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DEFINIZIONE

Reazione chimica sono chiamate trasformazioni di sostanze in cui si verifica un cambiamento nella loro composizione e (o) struttura.

Molto spesso, per reazioni chimiche si intende il processo di conversione delle sostanze iniziali (reagenti) in sostanze finali (prodotti).

Le reazioni chimiche vengono scritte utilizzando equazioni chimiche contenenti le formule delle sostanze di partenza e dei prodotti di reazione. Secondo la legge di conservazione della massa, il numero di atomi di ciascun elemento a sinistra e parti giuste le equazioni chimiche sono le stesse. Tipicamente, le formule delle sostanze di partenza sono scritte sul lato sinistro dell'equazione e le formule dei prodotti su quello destro. L'uguaglianza del numero di atomi di ciascun elemento sui lati sinistro e destro dell'equazione si ottiene ponendo coefficienti stechiometrici interi davanti alle formule delle sostanze.

Le equazioni chimiche possono contenere informazioni aggiuntive sulle caratteristiche della reazione: temperatura, pressione, radiazione, ecc., che sono indicate dal simbolo corrispondente sopra (o “sotto”) il segno di uguale.

Tutte le reazioni chimiche possono essere raggruppate in diverse classi, che hanno determinate caratteristiche.

Classificazione delle reazioni chimiche in base al numero e alla composizione delle sostanze di partenza e risultanti

Secondo questa classificazione, le reazioni chimiche si dividono in reazioni di connessione, decomposizione, sostituzione e scambio.

Di conseguenza reazioni composte da due o più sostanze (complesse o semplici) si forma una nuova sostanza. IN vista generale L'equazione per una reazione chimica di questo tipo sarà simile alla seguente:

Per esempio:

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2

SO3 + H2O = H2SO4

2Mg + O2 = 2MgO.

2FeCl2 + Cl2 = 2FeCl3

Le reazioni del composto sono nella maggior parte dei casi esotermiche, cioè procedere con il rilascio del calore. Se la reazione comporta sostanze semplici, allora tali reazioni sono molto spesso reazioni redox (ORR), cioè si verificano con cambiamenti negli stati di ossidazione degli elementi. È impossibile dire in modo inequivocabile se la reazione di un composto tra sostanze complesse sarà classificata come ORR.

Le reazioni che danno luogo alla formazione di diverse altre nuove sostanze (complesse o semplici) da una sostanza complessa sono classificate come reazioni di decomposizione. In generale, l'equazione per la reazione chimica di decomposizione sarà simile alla seguente:

Per esempio:

CaCO3 CaO + CO2 (1)

2H2O = 2H2 + O2 (2)

CuSO4 × 5H2O = CuSO4 + 5H2O (3)

Cu(OH)2 = CuO + H2O (4)

H2SiO3 = SiO2 + H2O (5)

2SO3 = 2SO2 + O2 (6)

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 = Cr 2 O 3 + N 2 +4H 2 O (7)

La maggior parte delle reazioni di decomposizione si verificano quando riscaldate (1,4,5). Possibile decomposizione sotto l'influenza della corrente elettrica (2). La decomposizione di idrati cristallini, acidi, basi e sali di acidi contenenti ossigeno (1, 3, 4, 5, 7) avviene senza modificare gli stati di ossidazione degli elementi, ad es. queste reazioni non sono correlate all'ODD. Le reazioni di decomposizione ORR includono la decomposizione di ossidi, acidi e sali formati da elementi in gradi più alti ossidazione (6).

Le reazioni di decomposizione si trovano anche in chimica organica, ma sotto altri nomi: cracking (8), deidrogenazione (9):

C18 H38 = C9 H18 + C9 H20 (8)

C4H10 = C4H6 + 2H2 (9)

A reazioni di sostituzione una sostanza semplice interagisce con una sostanza complessa, formando una nuova sostanza semplice e una nuova complessa. In generale, l’equazione per una reazione di sostituzione chimica sarà simile a questa:

Per esempio:

2Al + Fe2O3 = 2Fe + Al2O3 (1)

Zn + 2HCl = ZnСl 2 + H 2 (2)

2KBr + Cl2 = 2KCl + Br2 (3)

2КlO 3 + l 2 = 2KlO 3 + Сl 2 (4)

CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2 (5)

Ca 3 (PO 4) 2 + 3SiO 2 = 3СаSiO 3 + P 2 O 5 (6)

CH4 + Cl2 = CH3 Cl + HCl (7)

La maggior parte delle reazioni di sostituzione sono redox (1 – 4, 7). Sono pochi gli esempi di reazioni di decomposizione in cui non si verifica alcun cambiamento negli stati di ossidazione (5, 6).

Reazioni di scambio sono reazioni che avvengono tra sostanze complesse in cui si scambiano le loro componenti. Tipicamente questo termine viene utilizzato per le reazioni che coinvolgono gli ioni presenti in soluzione acquosa. In generale, l’equazione per una reazione di scambio chimico sarà simile a questa:

AB + CD = AD + CB

Per esempio:

CuO + 2HCl = CuCl2 + H2O (1)

NaOH + HCl = NaCl + H 2 O (2)

NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2 (3)

AgNO3 + KBr = AgBr ↓ + KNO3 (4)

CrCl 3 + ZNaON = Cr(OH) 3 ↓+ ZNaCl (5)

Le reazioni di scambio non sono redox. Caso speciale queste reazioni di scambio sono reazioni di neutralizzazione (reazioni tra acidi e alcali) (2). Le reazioni di scambio procedono nella direzione in cui almeno una delle sostanze viene rimossa dalla sfera di reazione sotto forma di una sostanza gassosa (3), un precipitato (4, 5) o un composto scarsamente dissociante, molto spesso acqua (1, 2 ).

Classificazione delle reazioni chimiche in base al cambiamento degli stati di ossidazione

A seconda del cambiamento degli stati di ossidazione degli elementi che compongono i reagenti e i prodotti della reazione, tutte le reazioni chimiche si dividono in reazioni redox (1, 2) e quelle che si verificano senza modificare lo stato di ossidazione (3, 4).

2Mg + CO2 = 2MgO + C (1)

Mg 0 – 2e = Mg 2+ (agente riducente)

C 4+ + 4e = C 0 (agente ossidante)

FeS 2 + 8HNO 3 (conc) = Fe(NO 3) 3 + 5NO + 2H 2 SO 4 + 2H 2 O (2)

Fe 2+ -e = Fe 3+ (agente riducente)

N 5+ +3e = N 2+ (agente ossidante)

AgNO3 +HCl = AgCl ↓ + HNO3 (3)

Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4 ↓ + H2O (4)

Classificazione delle reazioni chimiche per effetto termico

A seconda che durante la reazione venga rilasciato o assorbito calore (energia), tutte le reazioni chimiche sono convenzionalmente divise rispettivamente in esotermiche (1, 2) ed endotermiche (3). La quantità di calore (energia) rilasciata o assorbita durante una reazione è chiamata effetto termico della reazione. Se l'equazione indica la quantità di calore rilasciato o assorbito, tali equazioni sono chiamate termochimiche.

N2 + 3H2 = 2NH3 +46,2 kJ (1)

2Mg + O2 = 2MgO + 602,5 kJ (2)

N2 + O2 = 2NO – 90,4 kJ (3)

Classificazione delle reazioni chimiche in base alla direzione della reazione

In base alla direzione della reazione si distingue tra reversibili (processi chimici i cui prodotti sono in grado di reagire tra loro nelle stesse condizioni in cui sono stati ottenuti, per formare le sostanze di partenza) e irreversibili (processi chimici, i prodotti di cui non sono in grado di reagire tra loro per formare le sostanze di partenza).

Per le reazioni reversibili, l'equazione in forma generale è solitamente scritta come segue:

A + B ↔ AB

Per esempio:

CH3COOH + C2H5OH ↔ H3COOC2 H5 + H2O

Esempi di reazioni irreversibili includono le seguenti reazioni:

2КlО 3 → 2Кl + ЗО 2

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

La prova dell'irreversibilità di una reazione può essere il rilascio di una sostanza gassosa, un precipitato o un composto scarsamente dissociante, molto spesso acqua, come prodotti di reazione.

Classificazione delle reazioni chimiche in base alla presenza di un catalizzatore

Da questo punto di vista si distinguono reazioni catalitiche e non catalitiche.

Un catalizzatore è una sostanza che accelera il progresso di una reazione chimica. Le reazioni che avvengono con la partecipazione di catalizzatori sono chiamate catalitiche. Alcune reazioni sono completamente impossibili senza la presenza di un catalizzatore:

2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (catalizzatore MnO 2)

Spesso uno dei prodotti della reazione funge da catalizzatore che accelera questa reazione (reazioni autocatalitiche):

MeO+ 2HF = MeF 2 + H 2 O, dove Me è un metallo.

Esempi di risoluzione dei problemi

ESEMPIO 1

Durante le reazioni chimiche, una sostanza ne produce un'altra (da non confondere con le reazioni nucleari, in cui una elemento chimico si trasforma in un altro).

Qualsiasi reazione chimica è descritta da un'equazione chimica:

Reagenti → Prodotti di reazione

La freccia indica la direzione della reazione.

Per esempio:

In questa reazione, il metano (CH 4) reagisce con l'ossigeno (O 2), dando luogo alla formazione di anidride carbonica (CO 2) e acqua (H 2 O), o più precisamente vapore acqueo. Questa è esattamente la reazione che avviene nella tua cucina quando accendi un fornello a gas. L'equazione dovrebbe essere letta così: Una molecola di gas metano reagisce con due molecole di ossigeno per produrre una molecola di anidride carbonica e due molecole di acqua (vapore acqueo).

Vengono chiamati i numeri posti prima dei componenti di una reazione chimica coefficienti di reazione.

Le reazioni chimiche avvengono Endotermico(con assorbimento di energia) e esotermico(con rilascio di energia). La combustione del metano è un tipico esempio di reazione esotermica.

Esistono diversi tipi di reazioni chimiche. Il più comune:

• reazioni di connessione;
• reazioni di decomposizione;
• reazioni di sostituzione singola;
• reazioni di doppio spostamento;
• reazioni di ossidazione;
• reazioni redox.

Reazioni composte

Nelle reazioni composte, almeno due elementi formano un prodotto:

2Na(t) + Cl2(g) → 2NaCl (t)- formazione di sale da cucina.

Si dovrebbe prestare attenzione a una sfumatura essenziale delle reazioni composte: a seconda delle condizioni della reazione o delle proporzioni dei reagenti che entrano nella reazione, il suo risultato può essere prodotti diversi. Ad esempio, in condizioni normali di combustione del carbone risulta diossido di carbonio:
C (t) + O 2 (g) → CO 2 (g)

Se la quantità di ossigeno è insufficiente, si forma il mortale monossido di carbonio:
2C (t) + O 2 (g) → 2CO (g)

Reazioni di decomposizione

Queste reazioni sono, per così dire, essenzialmente opposte alle reazioni del composto. Come risultato della reazione di decomposizione, la sostanza si scompone in due (3, 4...) elementi più semplici (composti):

• 2H 2 O (l) → 2H 2 (g) + O 2 (g)- decomposizione dell'acqua
• 2H 2 O 2 (l) → 2H 2 (g) O + O 2 (g)- decomposizione del perossido di idrogeno

Reazioni di spostamento singolo

Come risultato di reazioni di sostituzione singola, un elemento più attivo sostituisce uno meno attivo in un composto:

Zn (s) + CuSO 4 (soluzione) → ZnSO 4 (soluzione) + Cu (s)

Lo zinco in una soluzione di solfato di rame sposta il rame meno attivo, determinando la formazione di una soluzione di solfato di zinco.

Il grado di attività dei metalli in ordine crescente di attività:

• I più attivi sono i metalli alcalini e alcalino terrosi

L'equazione ionica per la reazione di cui sopra sarà:

Zn (t) + Cu 2+ + SO 4 2- → Zn 2+ + SO 4 2- + Cu (t)

Il legame ionico CuSO 4, quando disciolto in acqua, si scompone in un catione rame (carica 2+) e un anione solfato (carica 2-). Come risultato della reazione di sostituzione si forma un catione di zinco (che ha la stessa carica del catione di rame: 2-). Si noti che l'anione solfato è presente su entrambi i lati dell'equazione, ovvero secondo tutte le regole della matematica può essere ridotto. Il risultato è un'equazione ione-molecolare:

Zn (t) + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu (t)

Reazioni di doppio spostamento

Nelle reazioni di doppia sostituzione due elettroni sono già stati sostituiti. Tali reazioni sono anche chiamate reazioni di scambio. Tali reazioni avvengono in soluzione con la formazione di:

• insolubile solido(reazioni di precipitazione);
• acqua (reazione di neutralizzazione).

Reazioni di precipitazione

Quando una soluzione di nitrato d'argento (sale) viene mescolata con una soluzione di cloruro di sodio, si forma cloruro d'argento:

Equazione molecolare: KCl (soluzione) + AgNO 3 (p-p) → AgCl (s) + KNO 3 (p-p)

Equazione ionica: K + + Cl - + Ag + + NO 3 - → AgCl (t) + K + + NO 3 -

Equazione ionica molecolare: Cl - + Ag + → AgCl (s)

Se un composto è solubile, sarà presente in soluzione in forma ionica. Se il composto è insolubile, precipiterà formando un solido.

Reazioni di neutralizzazione

Sono reazioni tra acidi e basi che portano alla formazione di molecole d'acqua.

Ad esempio, la reazione di miscelazione di una soluzione di acido solforico e una soluzione di idrossido di sodio (lisciva):

Equazione molecolare: H 2 SO 4 (p-p) + 2NaOH (p-p) → Na 2 SO 4 (p-p) + 2H 2 O (l)

Equazione ionica: 2H + + SO 4 2- + 2Na + + 2OH - → 2Na + + SO 4 2- + 2H 2 O (l)

Equazione ionica molecolare: 2H + + 2OH - → 2H 2 O (l) oppure H + + OH - → H 2 O (l)

Reazioni di ossidazione

Queste sono reazioni di interazione di sostanze con l'ossigeno gassoso nell'aria, in cui, di regola, un gran numero di energia sotto forma di calore e luce. Una tipica reazione di ossidazione è la combustione. All'inizio di questa pagina c'è la reazione tra metano e ossigeno:

CH4 (g) + 2O2 (g) → CO2 (g) + 2H2O (g)

Il metano appartiene agli idrocarburi (composti di carbonio e idrogeno). Quando un idrocarburo reagisce con l'ossigeno, viene rilasciata molta energia termica.

Reazioni redox

Queste sono reazioni in cui gli elettroni vengono scambiati tra gli atomi dei reagenti. Anche le reazioni discusse sopra sono reazioni redox:

• 2Na + Cl 2 → 2NaCl - reazione composta
• CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O - reazione di ossidazione
• Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu - reazione di sostituzione singola

Le reazioni redox con un gran numero di esempi di risoluzione di equazioni utilizzando il metodo del bilancio elettronico e il metodo della semireazione sono descritte nel modo più dettagliato possibile nella sezione

Il rilascio del suono nelle reazioni chimiche si osserva più spesso durante le esplosioni, quando un forte aumento della temperatura e della pressione provoca vibrazioni nell'aria. Ma puoi fare a meno delle esplosioni. Se versi un po' di aceto sul bicarbonato di sodio, si sente un sibilo e viene rilasciata anidride carbonica: NaHCO3 + CH3COOH = CH3COONa + H2O + CO2. È chiaro che nello spazio senz'aria non si sentirà né questa reazione né l'esplosione.

Un altro esempio: se versi un po' di acido solforico concentrato pesante sul fondo di un cilindro di vetro, poi versi sopra uno strato di alcol leggero e poi metti cristalli di permanganato di potassio (permanganato di potassio) sul confine tra i due liquidi, tu si sentirà un crepitio piuttosto forte e nell'oscurità saranno visibili scintille luminose. Ecco un esempio molto interessante di “chimica del suono”.

Tutti sentivano la fiamma ruggire nella stufa.

Si sente un ronzio anche se si accende l'idrogeno che esce dal tubo e si abbassa l'estremità del tubo in un recipiente conico o sferico. Questo fenomeno è stato chiamato la fiamma che canta.

È noto anche il fenomeno esattamente opposto: l'effetto del suono di un fischio su una fiamma. La fiamma può, per così dire, “sentire” il suono, monitorare i cambiamenti nella sua intensità e creare una sorta di “copia luminosa” delle vibrazioni sonore.

Quindi tutto nel mondo è interconnesso, comprese anche scienze apparentemente distanti come la chimica e l'acustica.

Consideriamo l'ultimo dei suddetti segni di reazioni chimiche: la precipitazione di un precipitato da una soluzione.

IN Vita di ogni giorno Tali reazioni sono rare. Alcuni giardinieri sanno che se, per combattere i parassiti, si prepara il cosiddetto liquido bordolese (dal nome della città francese di Bordeaux, dove veniva spruzzato sui vigneti) e per farlo si mescola una soluzione di solfato di rame con latte di calce , si formerà un precipitato.

Al giorno d'oggi, poche persone preparano il liquido bordolese, ma tutti hanno visto il calcare all'interno del bollitore. Si scopre che anche questo è un precipitato formato durante una reazione chimica!

Questa è la reazione. Nell’acqua è presente del bicarbonato di calcio solubile Ca(HCO3)2. Questa sostanza si forma quando l'acqua sotterranea, in cui è disciolta l'anidride carbonica, filtra attraverso le rocce calcaree.

In questo caso avviene la reazione di dissoluzione del carbonato di calcio (cioè da esso sono costituiti calcare, gesso e marmo): CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2. Se ora l'acqua evapora dalla soluzione, la reazione inizia ad andare nella direzione opposta.

L'acqua può evaporare quando una soluzione di bicarbonato di calcio raccoglie gocce sul soffitto di una grotta sotterranea e queste gocce occasionalmente cadono.

Ecco come nascono stalattiti e stalagmiti. Contraccolpo si verifica quando la soluzione viene riscaldata.

Ecco come si formano le incrostazioni in un bollitore.

E più bicarbonato c'era nell'acqua (allora l'acqua si chiama dura), più si formano incrostazioni. E le impurità di ferro e manganese rendono la scaglia non bianca, ma gialla o addirittura marrone.

È facile verificare che la scaglia sia effettivamente carbonatica. Per fare questo, trattalo con aceto, una soluzione di acido acetico.

Come risultato della reazione CaCO3 + 2CH3COOH = (CH3COO)2Ca + + H2O + CO2, verranno rilasciate bolle di anidride carbonica e le incrostazioni inizieranno a dissolversi.

I segni elencati (ripetiamoli ancora: rilascio di luce, calore, gas, sedimento) non sempre ci permettono di dire che la reazione è realmente in atto.

Ad esempio, con molto alta temperatura il carbonato di calcio CaCO3 (gesso, calcare, marmo) si disintegra e si formano ossido di calcio e anidride carbonica: CaCO3 = CaO + CO2, e durante questa reazione l'energia termica non viene rilasciata, ma viene assorbita e aspetto la sostanza cambia poco.

Un altro esempio. Se si mescolano soluzioni diluite di acido cloridrico e idrossido di sodio, non si osservano cambiamenti visibili, sebbene si verifichi la reazione HC1 + NaOH = NaCl + H2O. In questa reazione, le sostanze caustiche - acido e alcali "si estinguono" a vicenda e il risultato sono l'innocuo cloruro di sodio (sale da cucina) e acqua.

Ma se mescoli soluzioni di acido cloridrico e nitrato di potassio (nitrato di potassio), non si verificherà alcuna reazione chimica.

Quindi, solo da segni esterni Non è sempre possibile dire se si è verificata una reazione.

Consideriamo le reazioni più comuni usando l'esempio di acidi, basi, ossidi e sali, le principali classi di composti inorganici.