"Химия (базовый уровень)", Габриелян О.С., Остороумов И.Г., Сладков С.А.
Химическая реакция — это превращение, при котором возникают новые вещества. Обычно меняется состав, но иногда он остаётся прежним, а перестраивается структура: так происходят аллотропные, полиморфные превращения и изомеризация. Поэтому одной формулы бывает недостаточно, чтобы определить, изменилось ли вещество. Различать эти процессы нужно, чтобы понимать причины изменения свойств и правильно отделять химические реакции от физических явлений.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Химическая реакция — превращение одних веществ в другие вследствие изменения их состава или строения. В отличие от физического явления, при котором вещество может изменить состояние или форму, но остаётся тем же, реакция приводит к появлению новых веществ. Это определение помогает не принимать плавление или измельчение за химическое превращение.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, кислород и озон состоят только из атомов кислорода, но являются разными веществами. Термин нужен, чтобы описывать такие формы одного элемента, не смешивая их с разными элементами.
Полиморфизм — способность одного и того же вещества существовать в нескольких кристаллических формах. Химический состав при этом не меняется, но частицы образуют разные структуры в кристалле. Это понятие позволяет объяснить, почему одно вещество может иметь разные твёрдые формы.
Изомеризация — превращение вещества в его изомер без изменения молекулярной формулы. Изомеры содержат одинаковое число атомов каждого элемента, но отличаются строением молекул. Понятие важно, чтобы распознавать химическое превращение даже тогда, когда формула исходного вещества и продукта одинакова.
При химической реакции одни частицы превращаются в другие, поэтому возникают вещества с новым составом или строением. При физическом явлении, например при переходе жидкости в пар, меняется агрегатное состояние, но молекулы вещества остаются прежними. Различить процессы только по внешнему виду бывает сложно: изменение цвета или выделение газа может указывать на реакцию, но решающим вопросом остаётся образование нового вещества. Поэтому нужно выяснить, изменились ли состав или строение частиц.
Состав вещества и его строение — не одно и то же. Состав показывает, какие атомы и в каком количестве входят в частицы, а строение — как эти атомы соединены или расположены. Если состав сохраняется, но строение меняется, свойства тоже могут измениться: свойства зависят не только от набора атомов, но и от их организации. Поэтому превращение без изменения состава не обязательно является физическим явлением.
При аллотропии один элемент образует несколько простых веществ. Кислород O₂ состоит из молекул, в каждой из которых два атома кислорода, а озон O₃ — из молекул с тремя такими атомами. Разный состав частиц и их строение обусловливают различия свойств кислорода и озона. Следовательно, тождество химического элемента ещё не означает тождества образованных им веществ.
При полиморфном превращении состав вещества и формула его частиц сохраняются, но меняется кристаллическое строение — порядок частиц в твёрдом теле. Разные структуры могут по-разному влиять на свойства вещества, хотя его химическая формула остаётся той же. Например, сера может переходить из одной кристаллической формы в другую. Это не аллотропия: в данном случае сравнивают формы одного вещества, а не разные простые вещества элемента.
Изомеризация происходит, когда атомы внутри молекулы перестраиваются: меняется порядок их соединения, но число атомов каждого элемента остаётся прежним. Поэтому молекулярная формула до и после превращения одинакова, а сами вещества различаются. Перестройка связей создаёт другую структуру молекулы и может менять свойства. Изомеризацию относят к химическим реакциям именно потому, что исходное вещество превращается в другое.
Сравнивайте превращения по тому, что сохраняется и что меняется: состав частиц, молекулярное строение или кристаллический порядок. Таблица помогает не путать процессы с одинаковым общим признаком — сохранением состава вещества. В каждой строке обращайте внимание прежде всего на объект превращения.
| Вид превращения | Что сохраняется | Что изменяется | Пример |
|---|---|---|---|
| Аллотропия: переход между простыми веществами одного элемента | Химический элемент | Состав частиц и строение простого вещества | O₂ ⇄ O₃ |
| Полиморфное превращение | Состав и химическая формула вещества | Кристаллическое строение | Переход одной кристаллической формы серы в другую |
| Изомеризация | Молекулярная формула и число атомов каждого элемента | Порядок соединения атомов в молекуле | Превращение вещества в его изомер |
Задача 1. Определите, является ли таяние льда химической реакцией, и обоснуйте ответ.
Уточним, что происходит с веществом: лёд нагревается и переходит из твёрдого состояния в жидкое. Это изменение агрегатного состояния, а не указание на появление нового вещества.
Сравним состав до и после превращения. И лёд, и жидкая вода состоят из молекул H₂O; их химическая формула остаётся прежней.
Применим признак химической реакции: должно образоваться новое вещество. При таянии этого не происходит, меняется только физическое состояние воды.
Ответ: таяние льда — физическое явление, а не химическая реакция.
Задача 2. Сопоставьте превращения O₂ в O₃ и одной кристаллической формы серы в другую: укажите, что в каждом случае сохраняется и что меняется.
В превращении O₂ в O₃ сохраняется химический элемент — кислород. Меняется состав частиц: молекулы из двух атомов превращаются в молекулы из трёх атомов.
При переходе между кристаллическими формами серы состав вещества сохраняется. Меняется порядок расположения частиц в кристалле, а не простое вещество на другое.
Сопоставим названия процессов с объектом изменения. Разные простые вещества кислорода — пример аллотропии, а разные кристаллические формы одной серы — полиморфное превращение.
Ответ: в первом случае сохраняется элемент, меняются состав частиц и свойства простого вещества; во втором сохраняется состав серы, меняется её кристаллическое строение.
Задача 3. При превращении одного органического вещества в его изомер молекулярная формула не меняется. Объясните, почему это химическая реакция, и укажите, что перестраивается.
Проверим, достаточно ли совпадения формул, чтобы считать вещества одинаковыми. Формула указывает число атомов каждого элемента, но не показывает, как именно атомы соединены.
При изомеризации атомы остаются в молекуле, однако меняется порядок их соединения. В результате возникает другая структура, а исходное вещество превращается в изомер.
Свяжем это с признаком реакции: образуется новое вещество, отличающееся строением и способное иметь другие свойства. Значит, неизменность молекулярной формулы не исключает химического превращения.
Ответ: изомеризация является химической реакцией, потому что образуется другое вещество; перестраивается порядок соединения атомов в молекуле.
Считать любое изменение агрегатного состояния реакцией. Так ошибаются, потому что плавление и кипение заметно меняют вид вещества. Проверьте, появилось ли новое вещество: при плавлении льда формула остаётся H₂O, значит, это физическое явление.
Решать, что реакция невозможна при неизменной молекулярной формуле. Формула сообщает состав молекулы, но не всегда показывает её строение. Чтобы проверить вывод, сравните порядок соединения атомов: при изомеризации он меняется и появляется другое вещество.
Путать аллотропию с полиморфизмом. Обе категории связаны с различиями строения, поэтому их легко смешать. Спросите себя, сравниваются ли разные простые вещества одного элемента или кристаллические формы одного вещества: это и определяет термин.
Считать аллотропные формы одинаковыми по свойствам из-за общих атомов. Один и тот же элемент может образовывать частицы разного состава и строения, а значит, и вещества с разными свойствами. Проверьте формулы частиц и их строение: O₂ и O₃ — разные простые вещества кислорода.
Чтобы разбираться в теме, нужно отличать химический элемент от простого вещества и уметь читать химические формулы: атомы одного элемента могут образовывать разные вещества. Понятия о составе и строении связаны с темами химических реакций и строения вещества. Полиморфизм помогает понять роль кристаллических решёток — упорядоченного расположения частиц в кристалле. Изомеризация особенно пригодится при изучении органических веществ, где строение молекул связано с их свойствами.
При химической реакции образуются новые вещества.
Не всякое изменение вещества является химической реакцией.
При аллотропии один элемент образует несколько простых веществ.
При полиморфизме вещество существует в разных кристаллических формах.
При изомеризации молекулярная формула сохраняется, а строение молекулы меняется.
Изменение строения может приводить к изменению свойств.
Как отличить химическую реакцию от физического явления?
При химической реакции образуется новое вещество, а при физическом явлении меняется состояние или форма вещества без изменения его состава и строения молекул. Например, при плавлении льда вода остаётся H₂O. Внешние признаки могут подсказать о реакции, но сами по себе не всегда доказывают её.
Почему аллотропные формы одного элемента обладают разными свойствами?
Атомы элемента в разных аллотропных формах соединены или расположены по-разному. Из-за различия строения меняются свойства простых веществ, хотя все они образованы атомами одного элемента. Например, кислород O₂ и озон O₃ различаются составом частиц и свойствами.
Чем аллотропия отличается от полиморфизма?
Аллотропия — существование одного элемента в виде разных простых веществ, например O₂ и O₃. Полиморфизм — существование одного и того же вещества в нескольких кристаллических формах. В первом случае различаются простые вещества, во втором — кристаллическое строение одного вещества.
Может ли химическая реакция идти без изменения молекулярной формулы?
Да, при изомеризации молекулярная формула сохраняется, но меняется строение молекулы. В результате вместо исходного вещества образуется его изомер — другое вещество с тем же составом атомов.
Почему изомеризацию относят к химическим реакциям?
При изомеризации меняется порядок соединения атомов внутри молекулы, поэтому возникает другое вещество. Сохранение молекулярной формулы не означает, что сохраняются строение и свойства исходного вещества.
§ 13. Понятие о химической реакции. Реакции, идущие без изменения состава веществ
