Глава вторая. Химические реакции

Определения и обозначения

Химическая реакция — превращение одних веществ в другие. От физических изменений она отличается появлением веществ с новым составом и свойствами, а в уравнении записывается формулами реагентов и продуктов. Это понятие нужно, чтобы отличать химический процесс от плавления, испарения или измельчения.

Скорость химической реакции — изменение концентрации реагента или продукта за единицу времени. Для реагента концентрация обычно уменьшается, а для продукта увеличивается, поэтому знак и вид выражения выбирают с учётом наблюдаемого вещества. Понятие скорости позволяет сравнивать быстрые и медленные процессы и оценивать влияние условий.

Обратимая реакция — реакция, которая при одних и тех же условиях может идти в прямом и обратном направлениях. Продукты прямого процесса способны снова превращаться в исходные вещества. Это определение необходимо для понимания равновесия и управления выходом нужного продукта.

Химическое равновесие — состояние обратимой реакции, при котором скорости прямой и обратной реакций равны, а концентрации веществ остаются постоянными. Постоянство концентраций не означает остановку превращений. Понятие помогает объяснить, почему изменение условий меняет состав равновесной смеси.

Как это устроено

Уравнение реакции показывает, какие вещества превращаются и какие образуются, а коэффициенты перед формулами отражают количественное соотношение частиц. Закон сохранения атомов требует, чтобы до и после реакции число атомов каждого элемента было одинаковым. Поэтому индексы внутри формул не меняют: подбор индекса изменил бы само вещество, а коэффициент изменяет только число его частиц.

Реакции классифицируют по составу и числу реагентов и продуктов: соединение даёт из нескольких веществ одно, разложение — из одного несколько, замещение и обмен сопровождаются заменой частей веществ. По тепловому эффекту выделяют экзотермические и эндотермические процессы. Также учитывают обратимость, фазы реагентов и участие катализатора, потому что эти признаки описывают разные стороны реакции.

Скорость зависит от природы веществ: частицы одних веществ легче вступают во взаимодействие, чем частицы других. При увеличении концентрации возрастает число столкновений, а нагревание повышает энергию частиц и долю эффективных столкновений. У твёрдых веществ важна площадь поверхности, а катализатор создаёт более лёгкий путь реакции и ускоряет её.

В обратимой реакции прямая и обратная реакции начинаются не обязательно одновременно, но со временем обе идут. По мере расходования реагентов прямая реакция замедляется, а по мере накопления продуктов обратная ускоряется. Динамическое равновесие устанавливается тогда, когда эти скорости становятся одинаковыми, хотя превращения продолжаются.

Изменение концентрации, давления или температуры нарушает равновесие, и система смещается в сторону, ослабляющую воздействие, согласно принципу Ле Шателье. Повышение давления выгодно направлению, где меньше молекул газа, а нагревание — эндотермическому направлению. Катализатор ускоряет оба направления примерно одинаково, поэтому лишь сокращает время установления равновесия, но не меняет его положение.

Основные характеристики и разновидности химических реакций

Таблица помогает быстро определить, по какому основанию описывают реакцию и какой вывод можно сделать. Для анализа сначала найдите реагенты и продукты, затем проверьте условия протекания и изменения равновесия. Один и тот же процесс может одновременно иметь несколько характеристик.

Разбор задач

Уравнивание и классификация реакции

Условие: уравнять реакцию образования воды из водорода и кислорода и определить её тип по составу исходных веществ и продуктов. Запишем схему: H₂ + O₂ → H₂O. Нужно сохранить число атомов каждого элемента.

1. Сначала уравниваем кислород: ставим коэффициент 2 перед H₂O.
2. Теперь справа четыре атома водорода, поэтому ставим коэффициент 2 перед H₂.
3. Проверяем: слева 4 атома H и 2 атома O, справа столько же.

Ответ: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Это реакция соединения, потому что из двух исходных веществ образуется одно сложное вещество.

Расчёт средней скорости

Условие: концентрация реагента уменьшилась с 0,80 до 0,50 моль/л за 10 с. Найти среднюю скорость реакции по этому реагенту. Поскольку реагент расходуется, берём положительную величину его убыли.

1. Находим изменение концентрации: 0,80 − 0,50 = 0,30 моль/л.
2. Делим изменение на время: v = 0,30/10 = 0,03 моль/(л·с).
3. Проверяем единицы: концентрация разделена на время, значит результат выражен в моль/(л·с).

Ответ: средняя скорость равна 0,03 моль/(л·с). Если бы вычисляли скорость по продукту, использовали бы увеличение его концентрации за тот же промежуток времени.

Смещение равновесия

Условие: определить направление смещения равновесия N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ при повышении давления и температуры, если прямая реакция экзотермическая. Рассуждаем отдельно для каждого воздействия.

1. Слева четыре молекулы газа, справа две, поэтому повышение давления смещает равновесие вправо, к аммиаку.
2. Теплота для прямой реакции — условно продукт, поэтому нагревание смещает равновесие в обратную, эндотермическую сторону.
3. Не смешиваем эффекты: давление и температура действуют по разным причинам.

Ответ: при повышении давления равновесие смещается вправо, а при повышении температуры — влево.

Типичные ошибки

При уравнивании меняют индексы в формулах, потому что пытаются быстро сделать числа атомов одинаковыми. Так получают другие вещества, а не то же уравнение. Проверьте себя: формулы должны сохраниться, а изменяться могут только коэффициенты перед ними.

Некоторые считают, что при равновесии реакции прекращаются, поскольку концентрации больше не меняются. На самом деле прямая и обратная реакции продолжаются с равными скоростями. Проверка проста: спросите себя, есть ли в системе одновременно реагенты и продукты.

Катализатор иногда считают средством смещения равновесия, потому что после его добавления реакция идёт быстрее. Он ускоряет оба направления, поэтому новое равновесное соотношение не возникает. Следовательно, катализатор меняет время установления, но не положение равновесия.

Повышение температуры ошибочно считают универсальным способом ускорить процесс и сместить равновесие в одну заранее известную сторону. Скорость обычно возрастает, но направление смещения определяется тепловым эффектом реакции. Уточните, является ли прямой процесс экзотермическим или эндотермическим.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о составе и формулах веществ, валентности и степенях окисления. Также необходимо уметь составлять и уравнивать химические уравнения, иначе невозможно правильно описать превращение.

Скорость реакции связывает качественное объяснение процесса с расчётами по концентрации и времени. Эти навыки помогают выбирать условия проведения реакции и сравнивать эффективность разных способов её ускорения.

Равновесие и его смещение особенно важны для промышленной химии. Они позволяют подобрать давление, температуру и состав смеси так, чтобы увеличить выход нужного продукта.

Что запомнить

• В уравнении реакции сохраняется число атомов каждого элемента.
• При уравнивании изменяют коэффициенты, а не индексы формул.
• Скорость реакции зависит от условий и природы реагирующих веществ.
• Катализатор изменяет скорость реакции, но не расходуется в суммарном уравнении.
• При химическом равновесии скорости прямой и обратной реакций равны.
• Изменение условий может сместить равновесие; катализатор лишь ускоряет его установление.