§ 13. Понятие о химической реакции. Реакции, идущие без изменения состава веществ

Определения и обозначения

Химическая реакция — превращение одних веществ в другие, при котором изменяются их состав и/или строение. В отличие от физического явления, реакция приводит к появлению веществ с новым набором свойств; при физическом изменении само вещество сохраняется. Это различие помогает определить, произошло ли образование нового вещества.

Изомеризация — превращение вещества в его изомер: молекулярная формула остаётся прежней, а порядок соединения или расположение атомов меняется. Так можно различать вещества, в которых одинаковое число атомов связано по-разному. Термин нужен, чтобы описывать превращения между такими формами.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, углерод образует алмаз и графит. Понятие показывает, что один элемент может образовывать разные вещества.

Полиморфизм — существование одного и того же твёрдого вещества в нескольких кристаллических формах. В каждой форме частицы вещества организованы в кристалле по-своему, хотя состав сохраняется. Это понятие используют, чтобы описывать различия между такими формами.

Как это устроено

При химической реакции атомы не исчезают и не возникают из ничего: преобразуется способ их соединения и расположения. Старые связи между атомами могут разрываться, а новые — образовываться, поэтому возникают частицы другого состава или строения. Свойства вещества зависят от его частиц и связей между ними, поэтому продукты реакции могут отличаться от исходных веществ. Сохранение атомов объясняет, почему уравнения реакций нужно уравнивать.

При изомеризации состав молекулы остаётся тем же, но её строение меняется. Например, н-бутан CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ превращается в изобутан (CH₃)₃CH: в первом молекуле углеродные атомы образуют цепь, а во втором — разветвлённый скелет. В обоих случаях формула C₄H₁₀, потому что число атомов каждого элемента одинаково. Различная структура влияет на свойства, поэтому одинаковая формула не всегда означает одно и то же вещество.

При полиморфном превращении частицы твёрдого вещества сохраняют химический состав, но перестраиваются в кристаллическую решётку другого типа. Причина перехода — изменение условий, например температуры или давления: при них одна структура может стать устойчивее другой. Так, при нагревании ромбическая сера переходит в моноклинную, а при охлаждении возможен обратный переход. Это не превращение серы в новый элемент, а изменение кристаллической формы того же вещества.

Алмаз и графит — аллотропные формы углерода, потому что оба состоят только из атомов одного элемента, но атомы организованы по-разному. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя соседними, образуя прочную пространственную структуру; графит состоит из слоёв, в которых атомы связаны иначе. Поэтому алмаз твёрдый, а графит мягкий и оставляет след на бумаге. У некоторых элементов аллотропные формы могут различаться также числом атомов в молекуле, как O₂ и O₃.

В изомеризации и полиморфном переходе сохраняется состав рассматриваемого вещества: меняется соответственно строение молекулы или кристалла. Аллотропия описывает не переход между формами одной молекулярной формулы, а существование разных простых веществ одного элемента. Во всех трёх случаях свойства связаны со строением: иная организация атомов может изменить твёрдость, плотность или другие характеристики. Поэтому при сравнении превращений нужно отдельно проверять состав и строение.

Превращения, связанные с изменением строения веществ

Сравнивайте явления по двум вопросам: что именно изменилось и что осталось прежним. Если состав сохранён, это ещё не означает, что строение и свойства одинаковы. Таблица помогает не путать изменения в молекуле, кристалле и простом веществе элемента.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, является ли превращение жидкой воды в лёд химической реакцией, и обоснуйте ответ.

1. Определяем, какие частицы образуют воду: это молекулы H₂O.
2. При замерзании молекулы не превращаются в частицы другого состава, а меняется их упорядоченное расположение и состояние вещества.
3. Проверяем критерий реакции: новое вещество не образовалось, значит, это физическое явление.

Ответ: превращение воды в лёд не является химической реакцией, поскольку состав молекул H₂O сохраняется.

Задача 2. Запишите формулы н-бутана и изобутана и определите, что меняется при их взаимном превращении.

1. Записываем строение н-бутана: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃; его молекулярная формула — C₄H₁₀.
2. У изобутана углеродный скелет разветвлён: (CH₃)₃CH. Считаем атомы: в молекуле также четыре атома углерода и десять атомов водорода.
3. Сравниваем: формула одинакова, но порядок соединения атомов различается, следовательно, вещества являются изомерами.

Ответ: н-бутан CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ и изобутан (CH₃)₃CH имеют формулу C₄H₁₀; при взаимном превращении меняется строение молекулы. Это изомеризация.

Задача 3. Сравните алмаз и графит: объясните, почему их относят к аллотропным формам углерода, и укажите, чем обусловлены различия их свойств.

1. Проверяем состав: алмаз и графит состоят из атомов углерода, то есть являются простыми веществами одного элемента.
2. Сравниваем строение: в алмазе атомы образуют пространственную сеть, в графите — слоистую структуру.
3. Связываем строение со свойствами: прочность связей и организация атомов в структурах различаются, поэтому различаются и свойства веществ.

Ответ: алмаз и графит — аллотропные формы углерода. Их свойства различаются из-за неодинакового строения.

Типичные ошибки

Ошибка — считать химической реакцией любое изменение внешнего вида вещества. Так происходит потому, что заметные изменения легко принять за образование нового вещества, хотя при плавлении или дроблении состав не меняется. Проверьте, появились ли частицы другого состава или строения. Если изменилось только состояние или размер, это физическое явление.

Ошибка — утверждать, что при изомеризации меняется молекулярная формула. Путаница возникает из-за того, что изомеры могут иметь разные свойства, и это ошибочно связывают с разным составом. Сосчитайте атомы каждого элемента в обеих молекулах: для н-бутана и изобутана получится C₄H₁₀. Меняется строение, а не формула.

Ошибка — называть алмаз и графит изомерами. Термин «изомеры» относится к веществам с одинаковой молекулярной формулой, а алмаз и графит — простые вещества, образованные атомами углерода. Чтобы проверить себя, выясните, сравниваются ли молекулы разных веществ или формы существования одного элемента. Для пары алмаз—графит верно второе: это аллотропные формы.

Ошибка — смешивать аллотропию и полиморфизм. Оба понятия связаны с различиями строения, поэтому их легко спутать, но объекты сравнения у них разные. Аллотропия относится к простым веществам одного элемента, а полиморфизм — к кристаллическим формам одного вещества. Спросите себя, рассматриваются ли формы элемента или формы вещества данного состава.

Связь с другими темами

Для понимания превращений нужны знания о составе и строении атома, химических формулах и типах химических связей. Они помогают представить, какие частицы входят в вещество и как атомы могут соединяться. Также важно различать физические и химические явления, чтобы не принимать изменение агрегатного состояния за реакцию. Эти понятия пригодятся при изучении органических изомеров, строения твёрдых веществ и связи строения вещества с его свойствами.

Что запомнить

• Химическая реакция приводит к образованию новых веществ.
• При реакции атомы сохраняются, но могут по-новому соединяться и располагаться.
• При изомеризации молекулярная формула не меняется, меняется строение молекулы.
• Аллотропные формы состоят из атомов одного химического элемента.
• Полиморфные формы отличаются кристаллическим строением.
• Различия строения могут приводить к различиям свойств.