Как определить, реагируют ли вещества друг с другом?

Чтобы определить, реагируют ли вещества друг с другом, недостаточно просто посмотреть на их формулы. Нужно выяснить, возможно ли образование более устойчивых продуктов и есть ли условия, при которых реакция пойдёт с заметной скоростью.

1. Сначала определяют предполагаемый тип реакции

Обычно рассматривают несколько вариантов:

• соединение: из нескольких веществ образуется одно;

• разложение: одно вещество распадается на несколько;

• замещение: простое вещество вытесняет элемент из сложного;

• обмен: два сложных вещества обмениваются составными частями;

• кислотно-основная реакция;

• окислительно-восстановительная реакция.

После этого записывают предполагаемые продукты и проверяют, могут ли они существовать.

2. Реакции обмена в растворах идут, если продукт удаляется из раствора

Для двух растворимых электролитов реакция обычно происходит, когда образуется хотя бы одно из следующих веществ:

Осадок. Его определяют по таблице растворимости:

Хлорид серебра нерастворим, поэтому выпадает в осадок.

Газ:

Угольная кислота неустойчива и разлагается с выделением углекислого газа.

Слабый электролит, чаще всего вода:

В ионном виде смысл реакции выглядит так:

Если все вещества остаются в растворе в виде тех же ионов, химическая реакция фактически не происходит. Например:

Все возможные продукты растворимы, поэтому в растворе остаётся смесь ионов $Na^+$, $Cl^-$, $K^+$ и $NO_3^-$.

3. Для реакций замещения используют ряд активности металлов

Более активный металл способен вытеснять менее активный металл из раствора его соли:

Цинк в ряду активности расположен выше меди, поэтому реакция идёт.

Обратная реакция обычно не происходит:

Медь менее активна, чем цинк.

Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, обычно вытесняют водород из разбавленных неокисляющих кислот:

Металлы после водорода, например медь и серебро, с разбавленной соляной кислотой обычно не реагируют.

Однако у этого правила есть исключения. Азотная и концентрированная серная кислоты обладают окислительными свойствами, поэтому могут реагировать и с некоторыми металлами, стоящими после водорода. В таких реакциях водород обычно не выделяется.

4. Нужно учитывать окислительно-восстановительные свойства

Если в реакции изменяются степени окисления элементов, проверяют, есть ли подходящие окислитель и восстановитель.

Например:

Железо меняет степень окисления с $+2$ до $+3$, а хлор — с $0$ до $-1$. Хлор выступает окислителем, а ионы железа $Fe^{2+}$ — восстановителем.

Для более точной оценки используют стандартные электродные потенциалы. Реакция в стандартных условиях термодинамически возможна, если электродвижущая сила составленного гальванического элемента положительна:

Чем больше положительное значение, тем сильнее термодинамическая склонность реакции к протеканию. Но это ещё не гарантирует высокую скорость.

5. Для кислотно-основных реакций сравнивают силу кислот и оснований

Такие реакции обычно направлены в сторону образования более слабой кислоты и более слабого основания.

Например, сильная кислота вытесняет более слабую кислоту из её соли:

Угольная кислота слабая и неустойчивая:

Но слабая кислота обычно не вытесняет более сильную из её соли. Например, уксусная кислота не вытесняет соляную кислоту из хлорида натрия.

6. Учитывают агрегатное состояние и условия

Вещества могут быть способны реагировать, но при обычных условиях реакция будет незаметна. На возможность и скорость влияют:

• температура;

• давление;

• концентрация;

• растворитель;

• освещение;

• наличие катализатора;

• площадь поверхности твёрдого вещества;

• защитная плёнка на поверхности;

• удаление продуктов реакции.

Например, водород и кислород способны образовывать воду:

Но при комнатной температуре смесь может долго сохраняться без заметной реакции. Для начала процесса требуется искра или нагревание.

Железо термодинамически способно окисляться кислородом, но сухой кислород при комнатной температуре действует медленно. В присутствии воды коррозия заметно ускоряется.

Алюминий активен, однако часто кажется малоактивным из-за плотной оксидной плёнки на поверхности.

7. Различают термодинамическую возможность и скорость реакции

Это принципиально важно.

Термодинамика показывает, выгодно ли превращение исходных веществ в продукты. Для этого используют изменение энергии Гиббса:

Если при заданных условиях $\Delta G<0$, реакция термодинамически возможна в прямом направлении. Если $\Delta G>0$, более выгодно обратное направление. При $\Delta G=0$ система находится в равновесии.

Но даже при отрицательном $\Delta G$ реакция может идти чрезвычайно медленно из-за высокой энергии активации. Например, алмаз термодинамически менее устойчив, че