§ 13. Сущность химических реакций. Закон сохранения атомов

Определения и обозначения

Химическая реакция — превращение одних веществ в другие. При реакции меняется состав и строение частиц, поэтому возникают вещества с новыми свойствами; простое изменение формы или агрегатного состояния, например таяние льда, нового вещества не создаёт. Это различие помогает понять, где произошло химическое превращение, а где — только физическое изменение.

Реагенты — вещества, вступающие в химическую реакцию. В записи реакции их формулы стоят слева от стрелки, которая показывает направление превращения. Например, в записи H₂ + O₂ → H₂O реагентами являются водород и кислород.

Продукты реакции — вещества, образующиеся в результате химической реакции. Их формулы записывают справа от стрелки, поскольку именно к ним превращаются реагенты. Сопоставление левой и правой частей показывает, какие исходные вещества участвовали и что получилось.

Закон сохранения атомов утверждает, что при химической реакции общее число атомов каждого химического элемента не изменяется. Поэтому для каждого элемента нужно отдельно сравнивать число атомов до и после превращения. Закон нужен, чтобы проверять и уравнивать записи реакций.

Как это устроено

При реакции атомы реагентов не исчезают и не возникают заново, потому что превращение меняет их соединения, а не сами атомы. Они перераспределяются между частицами и составляют продукты реакции. Поэтому вещества могут стать другими, хотя набор и количество атомов каждого элемента остаются прежними.

Чтобы атомы перегруппировались, одни химические связи между ними должны разрушиться, а другие — образоваться. Связи удерживают атомы в определённом сочетании, поэтому изменение связей приводит к частицам с другим составом или строением. Именно этим объясняется появление новых веществ и их отличающиеся свойства.

Число атомов каждого элемента сохраняется, но число молекул может измениться. Например, несколько частиц реагентов могут превратиться в другое количество частиц продуктов, если в них атомы собраны иначе. Поэтому недостаточно сравнить только количество молекул: нужно посчитать отдельно атомы каждого элемента.

Закон сохранения атомов лежит в основе уравнивания химических уравнений. Формулы веществ сначала записывают правильно, затем перед ними подбирают коэффициенты, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпало. Коэффициент умножает число атомов во всей формуле, а индекс относится только к составу одной частицы.

Сохранение атомов объясняет, почему сохраняется общая масса веществ: атомы не пропадают и не появляются, а переходят из одних веществ в другие. Для сравнения нужно учесть все реагенты и продукты, в том числе газы. Если газ улетучился из открытого сосуда, кажется, что масса уменьшилась, хотя часть продуктов просто не попала на весы.

Что изменяется и что сохраняется при химической реакции

Сначала сравни, что именно рассматривается: формулы и связи меняются, а атомы сохраняются. Затем проверь число атомов каждого элемента отдельно, а не только их общую сумму. Массу сравнивают для закрытой системы, учитывая все вещества, включая газы.

Разбор задач

Карбонат кальция

При нагревании карбоната кальция образуются оксид кальция и углекислый газ. Нужно записать схему реакции и проверить атомы кальция, углерода и кислорода. Начинаем с формул веществ и затем считаем каждый элемент.

1. Записываем формулы: карбонат кальция — CaCO₃, оксид кальция — CaO, углекислый газ — CO₂.
2. Составляем схему: CaCO₃ → CaO + CO₂.
3. Слева: 1 атом Ca, 1 атом C и 3 атома O. Справа: 1 атом Ca в CaO, 1 атом C в CO₂ и всего 3 атома O — один в CaO и два в CO₂.

Ответ: CaCO₃ → CaO + CO₂; количество атомов каждого элемента совпадает. Коэффициенты равны единице, поэтому их обычно не записывают. Проверка показывает, что схема согласуется с законом сохранения атомов.

Водород и кислород

В схеме H₂ + O₂ → H₂O слева два атома водорода и два атома кислорода, а справа — два атома водорода и один атом кислорода. Сначала нужно уравнять кислород, поставив 2 перед H₂O. Тогда справа появятся четыре атома водорода, поэтому водород уравниваем коэффициентом 2 перед H₂.

1. Записываем 2H₂O, чтобы справа стало два атома кислорода.
2. Ставим 2 перед H₂, чтобы число атомов водорода слева тоже стало равным четырём.
3. Проверяем: слева 4 H и 2 O, справа 4 H и 2 O.

Ответ: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Индексы в формулах не менялись, изменились только коэффициенты. Значит, уравнение сохраняет число атомов каждого элемента.

Алюминий и кислород

Алюминий реагирует с кислородом с образованием оксида алюминия. Формулы реагентов — Al и O₂, формула продукта — Al₂O₃. После записи формул подбираем коэффициенты так, чтобы совпали числа Al и O по обе стороны.

1. Записываем схему: Al + O₂ → Al₂O₃.
2. В продукте нечётное число атомов кислорода, поэтому ставим 2 перед Al₂O₃: справа становится 6 O и 4 Al.
3. Ставим 3 перед O₂, чтобы слева было 6 O, и 4 перед Al, чтобы слева стало 4 Al.
4. Проверяем: слева 4 Al и 6 O, справа 4 Al и 6 O.

Ответ: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. Одинаковое число атомов алюминия и кислорода по обе стороны подтверждает закон сохранения атомов. Менять индексы в формулах для этого не потребовалось.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что атомы при реакции исчезают или возникают заново. Так можно подумать, наблюдая, как одни вещества пропадают, а другие появляются, но меняются сочетания атомов и связи. Проверь себя: составь перечень элементов в реагентах и убедись, что они присутствуют в продуктах в том же количестве.

Ошибка — менять индексы в формулах, чтобы уравнять реакцию. Индекс задаёт состав вещества, поэтому, например, изменение H₂O на H₂O₂ означало бы уже другую формулу и другое вещество. Проверяй себя: формулы оставляй неизменными, а нужное число частиц задавай коэффициентами.

Ошибка — сравнивать только общее число атомов. Например, одинаковая сумма атомов ещё не гарантирует, что совпало число атомов каждого элемента. Считай отдельно каждый элемент слева и справа и записывай результаты в виде короткой проверки.

Ошибка — делать вывод о потере массы, если из открытого сосуда выделяется газ. Газ покидает сосуд и не попадает на весы, поэтому сравнение учитывает не все продукты реакции. Чтобы проверить сохранение массы, рассмотри закрытую систему и учти также газообразные вещества.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны понятия химического элемента, атома и молекулы, а также умение читать химическую формулу. Индексы в формуле показывают число атомов элемента в частице вещества, поэтому их важно учитывать при подсчёте. Без этого нельзя надёжно проверить сохранение атомов.

Закон сохранения атомов используют при составлении и уравнивании химических уравнений. Уравненное уравнение показывает соотношение частиц реагентов и продуктов и служит основой для расчётов по реакциям. Поэтому навык подсчёта атомов пригодится и в дальнейших задачах.

С темой связан закон сохранения массы, изучаемый в физике. В закрытой системе масса не меняется, потому что атомы переходят из реагентов в продукты, а не исчезают. Если из системы выходит газ, его нужно включить в учёт, иначе сравнение будет неполным.

Что запомнить

• Химическая реакция превращает одни вещества в другие.
• При реакции атомы перегруппировываются, а химические связи изменяются.
• Число атомов каждого элемента до и после реакции одинаково.
• Коэффициенты в уравнении показывают соотношение частиц реагентов и продуктов.
• Уравнивая реакцию, изменяют коэффициенты, но не индексы в формулах.
• В закрытой системе общая масса реагентов равна общей массе продуктов.