§ 27. Химические реакции

Определения и обозначения

Химическая реакция — превращение одних веществ в другие. Она отличается от изменения формы или агрегатного состояния тем, что при ней появляются вещества с новым составом и свойствами. Если лёд растаял, вода осталась водой, поэтому это физическое изменение, а не химическая реакция. Это различие помогает понять, произошло ли именно превращение вещества.

Исходные вещества, или реагенты, — вещества, которые вступают в реакцию. В словесной записи их называют перед словами, обозначающими получившиеся вещества, а в химическом уравнении располагают слева от стрелки. Например, в записи H₂ + O₂ → H₂O водород и кислород — реагенты. Это обозначение позволяет определить, какие вещества участвуют в превращении.

Продукты реакции — вещества, образующиеся в результате превращения реагентов. В уравнении их записывают справа от стрелки, отделяя от исходных веществ направлением стрелки. В примере H₂ + O₂ → H₂O продуктом является вода. Сопоставляя реагенты и продукты, можно увидеть, какие вещества исчезли как исходные и какие новые вещества образовались.

Химическое уравнение — условная запись реакции с помощью химических формул и коэффициентов. Формулы передают состав веществ, а коэффициенты показывают их соотношение в реакции. Например, запись 2H₂ + O₂ → 2H₂O сообщает, что водород и кислород взаимодействуют с образованием воды. Уравнение нужно, чтобы кратко и точно представить состав участников и ход превращения.

Как это устроено

При реакции атомы не исчезают и не появляются заново: меняется то, как они соединены друг с другом. Поэтому исходные вещества могут превратиться в вещества с другими формулами и свойствами, хотя набор атомов сохраняется. Например, при образовании воды атомы водорода и кислорода соединяются иначе, чем в исходных газах. Перегруппировка атомов объясняет, почему продукты отличаются от реагентов, а число атомов каждого элемента должно сохраняться.

О начале превращения часто судят по наблюдаемым явлениям: выделился газ, появилась муть или изменился цвет. Иногда реакция сопровождается выделением тепла или света, а иногда тепло поглощается. Эти явления служат подсказками, потому что возникновение новых веществ может сопровождаться заметными изменениями. Однако, например, температура может меняться и по другим причинам, поэтому один признак сам по себе не всегда доказывает, что произошла реакция.

Для реакции нередко нужны определённые условия: вещества нагревают, освещают или приводят в соприкосновение. Это связано с тем, что частицам нужно начать взаимодействовать; нагревание или свет могут помочь запустить либо ускорить превращение. Если подходящих условий нет, реакция может идти очень медленно или не начинаться. Условия описывают, при каких обстоятельствах проходит процесс, но не записывают как продукты реакции.

Реакцию сначала можно описать словами: указать реагенты, затем продукты. В химическом уравнении вместо их названий используют формулы, которые передают состав каждого вещества; коэффициенты перед формулами показывают соотношение участников. Так, из словесного описания «водород и кислород образуют воду» получается схема H₂ + O₂ → H₂O. Но схема ещё не уравнена: в ней нужно проверить число атомов с обеих сторон стрелки.

Уравнение должно соответствовать закону сохранения массы: атомы каждого элемента сохраняются, поэтому их число слева и справа должно быть одинаковым. Для этого подбирают коэффициенты перед формулами, не меняя состав веществ. В записи 2H₂ + O₂ → 2H₂O слева и справа по четыре атома водорода и по два атома кислорода. Индексы в формулах менять нельзя: это изменило бы сами вещества, а не соотношение, в котором они участвуют.

Признаки химической реакции и наблюдаемые явления

Таблица связывает признак с тем, что можно увидеть, и примером превращения. Сравнивайте наблюдение с признаками, но не делайте вывод только по одному из них: проверьте, могли ли образоваться новые вещества. Стрелка вверх обозначает выделяющийся газ, а стрелка вниз — осадок.

Разбор задач

Задача 1. При нагревании кусочек льда превратился в воду. Определите, произошла ли химическая реакция. Чтобы ответить, сравним не только вид вещества, но и его состав до и после изменения. При таянии меняется агрегатное состояние, а не состав воды.

1. Запишем, что было в начале: лёд состоит из вещества H₂O.
2. После нагревания получилась жидкая вода, которая также имеет состав H₂O.
3. Новых веществ не появилось, изменилось только состояние вещества.

Ответ: химическая реакция не произошла; таяние льда — физическое явление. Такой способ рассуждения помогает не путать превращение вещества с изменением его состояния.

Задача 2. При смешивании растворов двух веществ появилась муть. Укажите признак реакции и объясните, что произошло. Муть может возникнуть, когда в смеси появляется твёрдое вещество, которое не растворяется в жидкости. Такое твёрдое вещество называют осадком.

1. Отмечаем наблюдение: после смешивания растворы перестали быть прозрачными.
2. Связываем муть с образованием частиц твёрдого вещества, не растворяющегося в растворе.
3. Если это вещество образовалось из реагентов, значит, возник новый продукт и произошло химическое превращение.

Ответ: наблюдаемый признак — образование осадка. Чтобы уверенно установить, что произошла реакция, нужно учитывать, что муть связана с образованием нового вещества, а не, например, с взвешенными частицами, случайно попавшими в раствор.

Задача 3. Составьте и уравняйте схему реакции образования воды из водорода и кислорода: H₂ + O₂ → H₂O. Формулы веществ менять нельзя, поэтому ищем коэффициенты, которые сделают одинаковым число атомов каждого элемента слева и справа. Проверку проводим отдельно для водорода и кислорода.

1. Слева в O₂ два атома кислорода, а справа в H₂O — один. Ставим перед водой коэффициент 2: H₂ + O₂ → 2H₂O.
2. Теперь справа четыре атома водорода, поэтому ставим перед H₂ коэффициент 2: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
3. Считаем атомы ещё раз: слева четыре атома водорода и два кислорода; справа — столько же.

Ответ: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Коэффициент относится ко всей формуле: 2H₂O означает две частицы воды, а не изменение индекса в формуле. Поэтому число атомов водорода в правой части равно четырём.

Типичные ошибки

Считать любое изменение химической реакцией — ошибка: плавление льда или растворение вещества не обязательно создают новые вещества. Так думают, потому что заметное изменение легко принять за превращение. Проверьте состав до и после: если вещество осталось тем же, как вода при таянии, это физическое явление.

Изменение температуры или цвета само по себе не всегда доказывает реакцию. Такой вывод делают потому, что эти явления часто сопровождают химические превращения. Спросите себя, есть ли основания считать, что образовалось новое вещество; сопоставьте несколько наблюдений, а не опирайтесь только на один признак.

При уравнивании нельзя менять индексы в формулах: H₂O и H₂O₂ — разные вещества. Изменение индекса кажется удобным способом сделать число атомов одинаковым, но тогда изменяется сам состав реагента или продукта. Для проверки посмотрите, сохранились ли исходные формулы; подбирайте коэффициенты только перед ними.

Коэффициент относится ко всей формуле, а не только к первому элементу. Например, 2H₂O означает две частицы воды, то есть четыре атома водорода и два атома кислорода. Ошибку допускают, если умножают на коэффициент лишь один индекс. Пересчитайте отдельно атомы каждого элемента, учитывая коэффициент перед формулой и индексы внутри неё.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в реакциях, нужно уметь отличать физические явления от химических, знать, из каких элементов состоит вещество, и читать химические формулы. Эти знания помогают определить, появились ли новые вещества, и правильно посчитать атомы в записи. Если формула пока непонятна, сначала разберите её индексы и символы элементов.

Понимание реакций понадобится при изучении их типов и закона сохранения массы веществ. Уравнения также используют для расчётов: коэффициенты показывают соотношение веществ, участвующих в превращении. Поэтому умение составлять и уравнивать записи станет основой для следующих тем химии.

Что запомнить

• Химическая реакция — превращение исходных веществ в новые вещества.
• В реакции атомы перегруппировываются, но не исчезают и не возникают заново.
• Признаками реакции могут быть газ, осадок, изменение цвета, выделение тепла или света.
• Для реакции могут требоваться специальные условия.
• В химическом уравнении слева записывают исходные вещества, справа — продукты.
• Уравнивая реакцию, изменяют коэффициенты, а не индексы.
• Число атомов каждого элемента в уравнении должно совпадать слева и справа.