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学习小专题 |
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按有效碰撞和活化能理论,快速化学反应应该有两大特征,一是微粒间充分接触,二是反应过程的能垒不高或被有效攻略。
通常条件下,快速反应的一个重要前提是热力学允许反应自发进行。
一.溶液中的离子反应
溶液中的离子本来就是充分分散的,除水合外,离子没有其他化学键的牵绊或其他阻隔,很多反应一触即发。
1.复分解反应(包括中和、水解等)
H++OH-→H2O
CH3COOH+OH-→CH3COO-+H2O
Al(OH)3+3H+→Al3++3H2O
HCl+NH3→NH4Cl(该反应亦能在气相中迅速完成)
H2SO4+NaCl→NaHSO4+HCl↑
Ba2++SO42-→BaSO4↓
Cu2++2OH-→Cu(OH)2↓
CO32-+2H+→H2O+CO2↑
CO32-+CO2+H2O→2HCO3-
NaCl+NH3+CO2+H2O→NaHCO3↓+NH4Cl(索尔维制碱法核心反应)
CaO+2NH4Cl→2NH3↑+CaCl2+H2O
2CO2+2H2O+Ca(ClO)2→Ca(HCO3)2+2HClO
3HNO3+Na3PO4→H3PO4+3NaNO3
CO2+H2O+Na2SiO3→H2SiO3↓+Na2CO3
H2SO4+FeS→FeSO4+H2S↑
H2S+CuSO4→CuS↓+H2SO4
CH3COO-+ H2O≒CH3COOH + OH-
NH4++H2O≒NH3·H2O+H+
Fe3++3H2O≒Fe(OH)3+3H+
Al3++ 3HCO3-→Al(OH)3↓+ 3CO2↑
Mg3N2+6H2O→3Mg(OH)2+2NH3↑
CaC2(电石)+2H2O→Ca(OH)2+C2H2↑
2.水合与络合反应
SO3+H2O→H2SO4
CaO+H2O→Ca(OH)2
Al(OH)3+OH-→[Al(OH)4]-
FeCl3+3KSCN→Fe(SCN)3+3KCl
AgOH +2NH3·H2O→Ag(NH3)2OH +2H2O
[Co(H2O)6]2+(红色)+4Cl-
[CoCl4]2-(蓝色)+6H2O
Fe3++6C6H5OH→[Fe(C6H5O)6]3-(紫色)+6H+
3.置换反应
Zn + Cu2+→Cu+Zn2+
2Na + 2H2O→H2↑+2NaOH
Cl2+2KI→I2+2KCl
2Al+6H+→2Al3++3H2↑
2Al+2OH-+6H2O→2[Al(OH)4]-+3H2↑
4.各种离子型氧化还原反应
2NO2+2NaOH→NaNO3+NaNO2+H2O
2Na2O2+2H2O→4NaOH+O2↑
2Na2O2+2CO2→2Na2CO3+O2↑
3Cu+8HNO3→3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
2Cl2+2Ca(OH)2→Ca(ClO)2+CaCl2+2H2O
2Na2S+Na2SO3+3H2SO4→3S↓+3Na2SO4+3H2O
S2O32-+2H+→SO2+S↓+H2O
2FeCl2+Cl2→2FeCl3
4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3
2FeCl3+Fe→3FeCl2
2FeCl3+Cu→2FeCl2+CuCl2
Au+4H++NO3-+4Cl-→NO+[AuCl4]-+2H2O
5.一些离子型的有机化学反应
C6H5OH+3Br2→三溴苯酚+3HBr(Br+亲电取代,本反应可用于检测溶液中的苯酚)
CH3CH==CH2+Cl2→CH3CHClCH2Cl(Cl+亲电加成)
CH3CHO+2Ag(NH3)2OH→ CH3COONH4+2Ag↓+3NH3(银镜反应)
CH2OH(COOH)4CHO+2Cu(OH)2→ CH2OH(COOH)4COOH+Cu2O↓(红色)+2H2O(加热,葡萄糖检测)
二.一些不稳定化合物的特殊反应
诸如NO、NO2是电子数为奇数的奇分子,H2S有强还原性,H2O2高能量等,都不稳定,它们的相关反应很快速。如:
2NO+O2→2NO2
3NO2+H2O→2HNO3+NO
2NO2
N2O4
2H2S+SO2→3S↓+H2O
Br2+SO2+H2O→2HBr+H2SO4
H2O2+SO2→H2SO4
三.燃烧及各种剧烈氧化反应
CO+O2→2CO2
C8H16+12O2→8CO2+8H2O
C2H5OH+3O2→2CO2+3H2O
H2+Cl2→2HCl(氢气在氯气中燃烧)
3Cl2+2Fe→2FeCl3(铁丝在氯气中燃烧)
3Br2+2Fe→2FeBr3
2O2+3Fe→Fe3O4(铁丝在氧气中燃烧)
O2+2Mg→2MgO(镁条燃烧)
N2+3Mg→Mg3N2
2Na+O2→Na2O2(钠燃烧)
2Mg+CO2→C+2MgO(镁燃烧)
2Al+Fe2O3→2Fe+Al2O3(铝热反应)
3C+S+2KNO3→K2S+3CO2↑+N2↑(黑火药爆炸)
2F2+2H2O→O2+4HF
FeS2+O2→Fe2O3+SO2↑(煅烧)
C6H5-C2H5→C6H5-COOH(被强氧化剂如KMnO4/H+氧化)
四.高温和催化剂条件
高温有利于微粒热运动,提升活化分子的比例(上述燃烧也是高温),催化剂有利于降低反应能垒(降低过渡态的能量),都是加速反应的有效措施。
CO+CuO→Cu+CO2(高温还原金属)
H2+CuO→Cu+H2O
4HNO3→4NO2↑+O2↑+2H2O(受热分解)
2Cu(NO3)2→2CuO+4NO2↑+O2↑
2AgNO3→2Ag+2NO2↑+O2↑
NH4HCO3→NH3↑+CO2↑+H2O↑
2NaHCO3→Na2CO3+CO2↑+H2O↑
3Fe+4H2O(高温水蒸气)→Fe3O4+4H2↑
C+H2O→CO+H2(高温水煤气)
MnO2+4HCl(浓)→MnCl2+Cl2↑+2H2O(实验室高温制Cl2)
Cu+2H2SO4(浓)→CuSO4+SO2↑+2H2O(实验室高温制SO2)
CH3COONa+NaOH→CH4↑+Na2CO3(实验室高温制CH4)
2HCOONa+H2SO4→Na2SO4+2CO↑+2H2O(实验室高温制CO)
2KClO3→2KCl+3O2↑(MnO2催化剂,实验室高温制O2)
2H2O2→2H2O+O2↑(MnO2作催化剂加速分解)
五.通电 放电 光照
很多反应不能自发进行,比如CuCl2和H2O不能自发分解,但可以通电强迫其在溶液中快速电解。
CuCl2(通电)→Cu+Cl2↑
2NaCl+2H2O(通电)→Cl2↑+H2↑+2NaOH
一些反应则可以通过放电令其快速发生。
3O2(放电)→2O3
N2+O2(放电)→2NO
还有些反应可通过光照引发,如以下的自由基取代反应。
CH4+Cl2(光照)→CH3Cl+HCl
C6H5CH2CH3+Br2(光照)→C6H5CHBrCH3+HBr
H2+Cl2(光照)→2HCl
速度较慢的反应往往是能垒(活化能)较高的反应。比如汽车尾气处理的催化氧化反应,CO+NO2→CO2+N2。反应的过渡态(可表示为O—N…O…C…O,旧共价键似断非断,新共价键似建非建)能量很高,很难跨越。
印象中大部分有机化学反应比无机化学反应慢,就是因为有机反应较多涉及共价键的重建,无法绕开旧共价键断裂这道坎,包括C-C、C-O、C-N、C-H、C-Br和各种重键。它们没有(或严重缺乏)离子化倾向(H2O是最弱的电解质,O-H键尚能部分电离),比如酯、酰胺和多糖的水解就很难像无机反应或离子反应那样快速进行。当然,合适的催化剂(比如酶蛋白等)还是有办法在一定范围内加速的。
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