Как звуковые волны влияют на химическую реакцию. Классификация химических реакций. Использование ультразвука в интенсификации химических процессов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Химическими реакция называют превращения веществ, в которых происходит изменение их состава и (или) строения.

Наиболее часто под химическими реакциями понимают процесс превращения исходных веществ (реагентов) в конечные вещества (продукты).

Химические реакции записываются с помощью химических уравнений, содержащих формулы исходных веществ и продуктов реакции. Согласно закону сохранения массы, число атомов каждого элемента в левой и правой частях химического уравнения одинаково. Обычно формулы исходных веществ записывают в левой части уравнения, а формулы продуктов – в правой. Равенство числа атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения достигается расстановкой перед формулами веществ целочисленных стехиометрических коэффициентов.

Химические уравнения могут содержать дополнительные сведения об особенностях протекания реакции: температура, давление, излучение и т.д., что указывается соответствующим символом над (или «под») знаком равенства.

Все химические реакции могут быть сгруппированы в несколько классов, которым присущи определенные признаки.

Классификация химических реакций по числу и составу исходных и образующихся веществ

Согласно этой классификации, химические реакции подразделяются на реакции соединения, разложения, замещения, обмена.

В результате реакций соединения из двух или более (сложных или простых) веществ образуется одно новое вещество. В общем виде уравнение такой химической реакции будет выглядеть следующим образом:

Например:

СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Са(НСО 3) 2

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4

2Mg + O 2 = 2MgO.

2FеСl 2 + Сl 2 = 2FеСl 3

Реакции соединения в большинстве случаев экзотермические, т.е. протекают с выделением тепла. Если в реакции участвуют простые вещества, то такие реакции чаще всего являются окислительно-восстановительными (ОВР), т.е. протекают с изменением степеней окисления элементов. Однозначно сказать будет ли реакция соединения между сложными веществами относиться к ОВР нельзя.

Реакции, в результате которых из одного сложного вещества образуется несколько других новых веществ (сложных или простых) относят к реакциям разложения . В общем виде уравнение химической реакции разложения будет выглядеть следующим образом:

Например:

CaCO 3 CaO + CO 2 (1)

2H 2 O =2H 2 + O 2 (2)

CuSO 4 × 5H 2 O = CuSO 4 + 5H 2 O (3)

Cu(OH) 2 = CuO + H 2 O (4)

H 2 SiO 3 = SiO 2 + H 2 O (5)

2SO 3 =2SO 2 + O 2 (6)

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

Большинство реакций разложения протекает при нагревании (1,4,5). Возможно разложение под действием электрического тока (2). Разложение кристаллогидратов, кислот, оснований и солей кислородсодержащих кислот (1, 3, 4, 5, 7) протекает без изменения степеней окисления элементов, т.е. эти реакции не относятся к ОВР. К ОВР реакциям разложения относится разложение оксидов, кислот и солей, образованных элементами в высших степенях окисления (6).

Реакции разложения встречаются и в органической химии, но под другими названиями — крекинг (8), дегидрирование (9):

С 18 H 38 = С 9 H 18 + С 9 H 20 (8)

C 4 H 10 = C 4 H 6 + 2H 2 (9)

При реакциях замещения простое вещество взаимодействует со сложным, образуя новое простое и новое сложное вещество. В общем виде уравнение химической реакции замещения будет выглядеть следующим образом:

Например:

2Аl + Fe 2 O 3 = 2Fе + Аl 2 О 3 (1)

Zn + 2НСl = ZnСl 2 + Н 2 (2)

2КВr + Сl 2 = 2КСl + Вr 2 (3)

2КСlO 3 + l 2 = 2KlO 3 + Сl 2 (4)

СаСО 3 + SiO 2 = СаSiO 3 + СО 2 (5)

Са 3 (РО 4) 2 + ЗSiO 2 = ЗСаSiO 3 + Р 2 О 5 (6)

СН 4 + Сl 2 = СН 3 Сl + НСl (7)

Реакции замещения в своем большинстве являются окислительно-восстановительными (1 – 4, 7). Примеры реакций разложения, в которых не происходит изменения степеней окисления немногочисленны (5, 6).

Реакциями обмена называют реакции, протекающие между сложными веществами, при которых они обмениваются своими составными частями. Обычно этот термин применяют для реакций с участием ионов, находящихся в водном растворе. В общем виде уравнение химической реакции обмена будет выглядеть следующим образом:

АВ + СD = АD + СВ

Например:

CuO + 2HCl = CuCl 2 + H 2 O (1)

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

NаНСО 3 + НСl = NаСl + Н 2 О + СО 2 (3)

AgNО 3 + КВr = АgВr ↓ + КNО 3 (4)

СrСl 3 + ЗNаОН = Сr(ОН) 3 ↓+ ЗNаСl (5)

Реакции обмена не являются окислительно-восстановительными. Частный случай этих реакций обмена -реакции нейтрализации (реакции взаимодействия кислот со щелочами) (2). Реакции обмена протекают в том направлении, где хотя бы одно из веществ удаляется из сферы реакции в виде газообразного вещества (3), осадка (4, 5) или малодиссоциирующего соединения, чаще всего воды (1, 2).

Классификация химических реакций по изменениям степеней окисления

В зависимости от изменения степеней окисления элементов, входящих в состав реагентов и продуктов реакции все химические реакции подразделяются на окислительно-восстановительные (1, 2) и, протекающие без изменения степени окисления (3, 4).

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

Mg 0 – 2e = Mg 2+ (восстановитель)

С 4+ + 4e = C 0 (окислитель)

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

Fe 2+ -e = Fe 3+ (восстановитель)

N 5+ +3e = N 2+ (окислитель)

AgNO 3 +HCl = AgCl ↓ + HNO 3 (3)

Ca(OH) 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 ↓ + H 2 O (4)

Классификация химических реакций по тепловому эффекту

В зависимости от того, выделяется ли или поглощается тепло (энергия) в ходе реакции, все химические реакции условно разделяют на экзо – (1, 2) и эндотермические (3), соответственно. Количество тепла (энергии), выделившееся или поглотившееся в ходе реакции называют тепловым эффектом реакции. Если в уравнении указано количество выделившейся или поглощенной теплоты, то такие уравнения называются термохимическими.

N 2 + 3H 2 = 2NH 3 +46,2 кДж (1)

2Mg + O 2 = 2MgO + 602, 5 кДж (2)

N 2 + O 2 = 2NO – 90,4 кДж (3)

Классификация химических реакций по направлению протекания реакции

По направлению протекания реакции различают обратимые (химические процессы, продукты которых способны реагировать друг с другом в тех же условиях, в которых они получены, с образованием исходных веществ) и необратимые (химические процессы, продукты которых не способны реагировать друг с другом с образованием исходных веществ).

Для обратимых реакций уравнение в общем виде принято записывать следующим образом:

А + В ↔ АВ

Например:

СН 3 СООН + С 2 Н 5 ОН↔ Н 3 СООС 2 Н 5 + Н 2 О

Примерами необратимых реакций может служить следующие реакции:

2КСlО 3 → 2КСl + ЗО 2

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6Н 2 О

Свидетельством необратимости реакции может служить выделение в качестве продуктов реакции газообразного вещества, осадка или малодиссоциирующего соединения, чаще всего воды.

Классификация химических реакций по наличию катализатора

С этой точи зрения выделяют каталитические и некаталитические реакции.

Катализатором называют вещество, ускоряющее ход химической реакции. Реакции, протекающие с участием катализаторов, называются каталитическими. Протекание некоторых реакций вообще невозможно без присутствия катализатора:

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

Нередко один из продуктов реакции служит катализатором, ускоряющим эту реакцию (автокаталитические реакции):

MeO+ 2HF = MeF 2 + H 2 O, где Ме – металл.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Предисловие
Введение
§ 1. Предмет звукохимии
§ 2. Очерк о развитии звукохимии
§ 3. Экспериментальные методы звукохимии
Глава 1. Звуковое поле и ультразвуковая кавитация
§ 4. Акустическое поле и величины, характеризующие его (основные понятия)
§ 5. Акустическая кавитация в жидкостях
§ 6. Зародыши кавитации в жидкостях
§ 7. Пульсация и схлопываиие кавитациоиных пузырьков
§ 8. Динамика развития кавитациониой области
Глава 2. Экспериментальные и теоретические исследования звукохимических реакций и соиолюминесценции
§ 9. Влияние различных факторов иа протекание звукохимических реакций и соиолюминесценции
§ 10. Соиолюмниесценция в различных жидкостях
§ 11. Физические процессы, приводящие к возникновению звукохимических реакций и соиолюминесценции
§ 12. Спектральные исследования соиолюминесценции
§ 13. Первичные и вторичные элементарные процессы в кавитационном пузырьке
§ 14. Классификация ультразвуковых химических реакций
§ 15. О механизме влияния газов иа протекание звукохимических реакций
§ 16. Акустические поля при низких интенсивностях
§ 17. Низкочастотные акустические поля
Глава 3. Энергетика звукохимических реакций и физико-химических процессов, вызываемых кавитацией
§ 18. Основные пути преобразования энергии акустических колебаний
§ 19. Химико-акустический выход продуктов реакции (энергетический выход)
§ 20. Начальные химико-акустические выходы продуктов ультразвукового расщепления воды
§ 21. Энергетический выход соиолюминесценции
§ 22. Зависимость скорости звукохимических реакций от интенсивности ультразвуковых волн
§ 23. Зависимость скорости физико-химических процессов, вызываемых кавитацией, от иитеисивности ультразвуковых волн
§ 24. Общие количественные закономерности
§ 25. О соотношении между энергетическими выходами звукохимических реакций и сонолюминесценции
Глава 4. Кинетика ультразвуковых химических реакций
§ 26. Стационарное состояние для концентрации радикалов, усредненной по периоду колебаний и объему (первое приближение)
§ 27. Изменение концентрации радикалов, усредненной по объему (второе приближение)
§ 28. Кавитационно-диффузионная модель пространственно-временного распределения радикалов (третье приближение)
§ 29. Место энергии ультразвуковых волн среди других физических методов воздействия на вещество
§ 30. Особенности распространения теплоты от кавитационного пузырька
Глава 5. Звукохимия воды и водных растворов
§ 31. Основные особенности полученных экспериментальных, результатов
§ 32. Сонолиз растворов хлоруксусной кислоты. О возникновении гидратированных электронов в поле ультразвуковых волн
§ 33. Окисление сульфата железа (II) в поле ультразвуковых волн
§ 34. Восстановление сульфата церия (IV) в поле ультразвуковых волн
§ 35. Синтез пероксида водорода при сонолизе воды и водных растворов формиатов
§ 36. Расчет величин начальных химико-акустических выходов
§ 37. Звукохимические реакции в воде и водных растворах в атмосфере азота
§ 38. Инициирование ультразвуковыми волнами цепной реакции стереоизомеризации этилен-1,2-дикарбоновой кислоты и ее эфиров
Заключение. Перспективы применения ультразвуковых волн в науке, технике и медицине
Литература
Предметный указатель

Выделение звука в химических реакциях чаще всего наблюдается при взрывах, когда резкое повышение температуры и давления вызывает колебания в воздухе. Но можно обойтись и без взрывов. Если на питьевую соду налить немного уксуса, слышится шипение и выделяется углекислый газ: NaHCО3 + СН3СООН = CH3COONa + Н2О + СО2. Понятно, что в безвоздушном пространстве ни эта реакция, ни взрыв не будут слышны.

Другой пример: если на дно стеклянного цилиндра налить немного тяжёлой концентрированной серной кислоты, затем сверху налить слой лёгкого спирта, после чего поместить на границу между двумя жидкостями кристаллики перманганата калия (марганцовки), то будет слышно довольно громкое потрескивание, а в темноте видны яркие искры. А вот очень интересный пример «звукохимии».

Все слышали, как гудит пламя в печке.

Гудение раздаётся и в том случае, если поджечь водород, выходящий из трубки, и опустить конец трубки в сосуд конической или шарообразной формы. Это явление назвали поющим пламенем.

Известно и прямо противоположное явление — действие звука свистка на пламя. Пламя может как бы «чувствовать» звук, следить за изменениями его интенсивности, создавать своеобразную «световую копию» звуковых колебаний.

Так что всё в мире взаимосвязано, в том числе даже такие, казалось бы, далёкие друг от друга науки, как химия и акустика.

Рассмотрим последний из перечисленных выше признаков химических реакций — выпадение из раствора осадка.

В повседневной жизни такие реакции встречаются нечасто. Некоторые садоводы знают, что если для борьбы с вредителями приготовить так называемую бордоскую жидкость (названа так по городу во Франции Бордо, где ею опрыскивали виноградники) и для этого смешать раствор медного купороса с известковым молоком, то выпадет осадок.

Сейчас редко кто готовит бордоскую жидкость, а вот накипь внутри чайника видели все. Оказывается, это тоже осадок, выпадающий в ходе химической реакции!

Реакция эта такая. В воде есть немного растворимого гидрокарбоната кальция Са(НСО3)2. Это вещество образуется, когда подземные воды, в которых растворён углекислый газ, просачиваются через известковые горные породы.

При этом идёт реакция растворения карбоната кальция (а именно из него состоят известняк, мел, мрамор): СаСО3 + СО2 + Н2О = Са(НСО3)2. Если теперь из раствора испаряется вода, то реакция начинает идти в обратном направлении.

Вода может испаряться, когда раствор гидрокарбоната кальция по каплям собирается на потолке подземной пещеры и эти капли изредка падают вниз.

Так рождаются сталактиты и сталагмиты. Обратная реакция происходит и при нагревании раствора.

Именно так и образуется накипь в чайнике.

И чем больше гидрокарбоната было в воде (тогда воду называют жёсткой), тем больше образуется накипи. А примеси железа и марганца делают накипь не белой, а жёлтой или даже коричневой.

Легко убедиться, что накипь — действительно карбонат. Для этого нужно подействовать на неё уксусом — раствором уксусной кислоты.

В результате реакции СаСО3 + 2СН3СООН = (СН3СОО)2Са + + Н2О + СО2 будут выделяться пузырьки углекислого газа, а накипь начнёт растворяться.

Перечисленные признаки (повторим их ещё раз: выделение света, теплоты, газа, осадка) не всегда позволяют сказать, что реакция действительно идёт.

Например, при очень высокой температуре карбонат кальция СаСО3 (мел, известняк, мрамор) распадается и образуются оксид кальция и углекислый газ: СаСО3 = СаО + СО2, причём в ходе этой реакции тепловая энергия не выделяется, а поглощается и внешний вид вещества мало изменяется.

Другой пример. Если смешать разбавленные растворы соляной кислоты и гидроксида натрия, то никаких видимых изменений не наблюдается, хотя идёт реакция НС1 + NaOH = NaCl + Н2О. В этой реакции едкие вещества — кислота и щёлочь «погасили» друг друга, и в результате получились безобидный хлорид натрия (поваренная соль) и вода.

А вот если смешать растворы соляной кислоты и нитрата калия (калийная селитра), то никакой химической реакции не произойдёт.

Значит, только по внешним признакам не всегда можно сказать, пошла ли реакция.

Рассмотрим наиболее распространённые реакции на примере кислот, оснований, оксидов и солей — основных классов неорганических соединений.

Химические реакции являются частью нашей повседневной жизни. Приготовление пищи на кухне, вождение автомобиля, эти реакции являются обычным явлением. В этом списке представлены самые удивительные и необычные реакции, которые большинство из нас никогда не видели.

10. Натрий и вода в газообразном хлоре

Натрий - очень горючий элемент. В этом видео мы видим, как к натрию в колбе с газообразным хлором добавляется капля воды. Желтый цвет - работа натрия. Если же объединить натрий и хлор, то получаем хлорид натрия, то есть обычную поваренную соль.

9. Реакция магния и сухого льда

Магний легко воспламеняется и горит очень ярко. В этом эксперименте вы видите, как магний воспламеняется в оболочке из сухого льда - замороженного углекислого газа. Магний может гореть в углекислом газе и азоте. Из-за яркого света в начале создания фотографии он использовался в качестве вспышки, сегодня он до сих пор используется в морских ракетах и фейерверках.

8. Реакция бертолетовой соли и сладости

Хлорат калия - это соединение калия, хлора и кислорода. Когда хлорат калия нагревают до температуры плавления, любой предмет, который вступит с ним в контакт в этот момент, будет способствовать распаду хлората, что проявится в виде взрыва. Газ, выступающий после распада, - это кислород. Из-за этого он часто используется в самолетах, на космических станциях и на подводных лодках в качестве источника кислорода. Пожар на станции Мир также был связан с этим веществом.

7. Эффект Мейснера

Когда сверхпроводник охлаждается до температуры ниже переходной, он становится диамагнитным: то есть предмет отталкивается от магнитного поля, а не притягивается к нему.

6. Перенасыщение ацетатом натрия

Да да, это легендарный ацетат натрия. Думаю, все уже не раз слышали о "жидком льде". Ну а больше добавить нечего)

5. Суперабсорбирующие полимеры

Также известные как гидрогель, они способны поглощать очень большое количество жидкости по отношению к своей собственной массе. По этой причине они используются в промышленном производстве подгузников, а также в других областях, где требуется защита от воды и других жидкостей, таких как сооружение подземных кабелей.

4. Плавающий гексафторид серы

Гексафторид серы - это бесцветный, нетоксичный и негорючий газ, у которого нет запаха. Так как он в 5 раз плотнее воздуха, его можно залить в контейнеры, а легкие предметы, погруженные в него, будут плавать, будто в воде. Еще одна забавная абсолютно безвредная особенность использования этого газа: он резко понижает голос, то есть получается эффект, с точностью до наоборот по сравнению с эффектом воздействия гелия. Эффект можно наблюдать здесь:

3. Сверхтекучий гелий

Когда гелий охлаждается до температуры -271 градус по Цельсию, он достигает точки лямбды. На этом этапе (в жидком виде) он известен как гелий II, при этом является сверхтекучим. Когда он проходит через самые тончайшие капилляры, невозможно измерить его вязкость. Кроме того, он будет "ползти" вверх в поисках теплой области, казалось бы, от воздействия гравитации. Невероятно!

2. Термит и жидкий азот

Нет, в этом видео не будут поливать термитов жидким азотом.

Термит - это алюминиевый порошок и оксид металла, которые производят алюминотермическую реакцию, известную как термитная реакция. Она не взрывоопасна, но в результате могут создаваться вспышки очень высокой температуры. С термитной реакции "начинаются" некоторые типы детонаторов, а горение происходит при температуре в несколько тысяч градусов. В представленном клипе мы видим попытки "охладить" термитную реакцию при помощи жидкого азота.

1. Реакция Бриггса - Раушера

Данная реакция известна как осциллирующая химическая реакция. По информации из Википедии: "свежеприготовленный бесцветный раствор медленно приобретает янтарный цвет, затем резко становится темно-синим, потом медленно вновь приобретает бесцветную окраску; процесс повторяется по кругу несколько раз, в итоге останавливается на темно-синем цвете, а сама жидкость сильно пахнет йодом". Причиной является то, что во время первой реакции вырабатываются определенные вещества, которые, в свою очередь, провоцируют вторую реакцию, и процесс повторяется до изнеможения.

Еще интересное:

Сонохимия – это применение ультразвука в химических реакциях и процессах. Механизмом, вызывающим звукохимические эффекты в жидкостях, служит явление акустической кавитации.

Ультразвуковая лаборатория и промышленные устройства компании Hielscher используются в широком диапазоне звукохимических процессов.

Звукохимические реакции

Следующие звукохимические эффекты можно наблюдать в химических реакциях и процессах:

• Увеличение скорости реакции
• Увеличение выхода реакции
• Более эффективное использование энергии
• Звукохимические методы для перехода от одной реакции к другой
• Улучшение катализатора межфазного переноса
• Исключение катализатора межфазного переноса
• Использование неочищенных или технических реагентов
• Активация металлов и твёрдых веществ
• Увеличение реакционной способности реагентов или катализаторов ()
• Улучшение синтеза частиц
• Покрытие наночастиц

Ультразвуковая кавитация в жидкостях

Кавитация означает «образование, рост и взрывное разрушение пузырьков в жидкости. Кавитационный взрыв производит интенсивный местный нагрев (~5000 K), высокое давление (~1000 атм.), и огромные скорости нагрева/охлаждения (>109 K/сек.) и потоков жидких струй (~400 км/час)»

Кавитационные пузырьки – это пузырьки вакуума. Вакуум создаётся быстро движущейся поверхностью на одной стороне и инертной жидкостью на другой. Получающийся перепад давления служит для преодоления сил сцепления и в жидкости. Кавитация может быть получена различными путями, например, соплами Вентури, соплами высокого давления, высокоскоростным вращением или ультразвуковыми датчиками. Во всех этих системах поступающая энергия преобразуется в трение, турбулентности, волны и кавитацию. Часть поступающей энергии, которая трансформируется в кавитацию, зависит от нескольких факторов, характеризующих движение оборудования, генерирующего кавитацию в жидкости.

Интенсивность ускорения является одним из наиболее важных факторов, влияющих на эффективность трансформации энергии в кавитацию. Более высокое ускорение создаёт больший перепад давления, что, в свою очередь, увеличивает вероятность создания пузырьков вакуума вместо образования волн, распространяющихся через жидкость. Таким образом, чем больше ускорение, тем больше доля энергии, которая преобразуется в кавитацию. В случае с ультразвуковыми датчиками интенсивность ускорения характеризуется амплитудой колебаний. Более высокие амплитуды приводят к более эффективному созданию кавитации. Промышленные устройства компании Hielscher Ultrasonics могут создавать амплитуды до 115 мкм. Эти высокие амплитуды учитывают высокое передаточное отношение мощности, что, в свою очередь, позволяет создавать высокие энергетические плотности до 100 Вт/см³.

В дополнение к интенсивности жидкость должна ускоряться так, чтобы создавать минимальные потери в пересчёте на турбулентность, трение и образование волн. Для этого оптимальным путём будет одностороннее направление движения. Ультразвук используется, благодаря его следующим действиям:

• подготовка активированных металлов путём восстановления солей металлов
• генерирование активированных металлов обработкой ультразвуком
• звукохимический синтез частиц осаждением окисей металлов (Fe, Cr, Mn, Co) например, для применения в качестве катализаторов
• пропитка металлов или галогенидов металлов на подложках
• приготовление растворов активированных металлов
• реакции, задействующие металлы через местное образование органических веществ
• реакции, задействующие неметаллические твёрдые вещества
• кристаллизация и осаждение металлов, сплавов, цеолитов и прочих твёрдых веществ
• изменение поверхностной морфологии и размера частиц в результате высокоскоростных столкновений частиц между собой
  • образование аморфных наноструктурных материалов, включая переходные металлы с высокой площадью поверхности, сплавы, карбиды, оксиды и коллоиды
  • укрупнение кристаллов
  • выравнивание и удаление покрытий из пассивирующих оксидов
  • микроманипулирование (разделение на фракции) мелких частиц
• приготовление коллоидов (Ag, Au, Q-размерных CdS)
• включение гостевых молекул в твёрдые вещества с неорганической прослойкой
• сонохимия полимеров
  • деградация и модифицирование полимеров
  • синтез полимеров
• сонолизис органических загрязняющих веществ в воде

Звукохимическое оборудование

Большинство упомянутых звукохимических процессов может быть подогнано под прямоточную работу. Мы будем рады помочь вам в выборе звукохимического оборудования для ваших нужд. Для исследований и проведения испытаний процессов мы рекомендуем применять наши лабораторные приборы или устройство