§ 18. Химические реакции. Условия протекания и прекращения химических реакций

Определения и обозначения

Химическая реакция — превращение одних веществ в другие. При ней появляются вещества с новыми свойствами, а не просто меняется внешний вид прежнего вещества. Это понятие помогает отличить химическое превращение от физического явления, например плавления или изменения формы.

Исходные вещества — вещества, вступающие в химическую реакцию. Во время превращения их частицы взаимодействуют, и исходные вещества расходуются. Например, если железо реагирует с серой, железо и сера являются исходными веществами.

Продукты реакции — вещества, которые образуются в результате химической реакции. Они отличаются от исходных веществ составом или свойствами, поэтому их нельзя считать просто смесью прежних веществ. В примере с железом и серой продукт реакции — новое вещество, образовавшееся после их взаимодействия.

Условия протекания реакции — обстоятельства, необходимые для начала или продолжения превращения веществ. К ним могут относиться соприкосновение реагентов, нагревание, освещение, доступ воздуха или действие электрического тока. Знание условий помогает понять, почему реакция начинается не всегда сразу и что может её остановить.

Как это устроено

Чтобы отличить химическое превращение от физического, нужно выяснить, появились ли новые вещества. При реакции исходные вещества превращаются в продукты с другими свойствами. При физическом изменении вещество остаётся тем же, хотя может поменять форму или состояние: например, вода превращается в лёд, но не становится новым веществом. Поэтому одного изменения внешнего вида недостаточно, чтобы сделать вывод о реакции.

Простое смешивание веществ не всегда вызывает немедленное превращение. Частицы реагентов должны взаимодействовать, а некоторым веществам для этого нужно получить дополнительную энергию. Например, смесь железа и серы можно приготовить без того, чтобы реакция сразу прошла во всей смеси; нагревание помогает ей начаться. Другим реакциям достаточно контакта, а третьи могут требовать освещения или электрического тока.

Контакт важен потому, что взаимодействовать могут только частицы, которые оказываются рядом. Если реагенты соприкасаются на большей площади, больше их частиц получает возможность встретиться и вступить во взаимодействие. Поэтому измельчённое вещество часто реагирует активнее, чем такой же материал в виде крупного куска. Этим объясняется, почему железная вата может гореть ярче массивного железного предмета той же массы.

Нагревание, освещение и электрический ток способны запустить реакции, потому что передают веществам энергию. Частицам иногда нужно преодолеть препятствие, прежде чем они смогут перестроиться и образовать продукты реакции. Нагревание помогает частицам двигаться активнее, а свет или ток тоже могут обеспечить нужное воздействие. Какое именно условие необходимо, зависит от веществ и характера превращения.

Реакция останавливается, если убрать условие, без которого она не может продолжаться, или если израсходовать один из реагентов. При горении можно перекрыть доступ кислорода: без него пламя гаснет. Свеча под банкой тоже перестаёт гореть, когда ограниченный запас кислорода становится недостаточным. Горение может прекратиться и тогда, когда заканчивается горючее вещество, например воск свечи.

Условия протекания химических реакций

Таблица помогает сопоставить условие реакции с его ролью и возможной причиной остановки. Сначала определите, что необходимо именно для рассматриваемых веществ, а затем выясните, что произойдёт при устранении этого условия. Не следует считать, что все реакции требуют нагревания или кислорода.

Разбор задач

Железная вата горит ярче, чем железный предмет той же массы. Объясните, почему.

1. Вспомним, что для горения железа нужен кислород из воздуха. Значит, скорость взаимодействия зависит от того, насколько хорошо железо соприкасается с кислородом.
2. Железная вата состоит из тонких волокон. Их суммарная поверхность больше, чем поверхность цельного предмета той же массы.
3. На большей поверхности с кислородом одновременно взаимодействует больше частиц железа. Поэтому реакция протекает активнее и выделяется больше тепла за короткое время.

Ответ: железная вата горит ярче, потому что её большая поверхность лучше соприкасается с кислородом воздуха, и реакция идёт активнее.

Свечу накрыли стеклянной банкой, и через некоторое время пламя погасло. Объясните, почему реакция горения прекратилась.

1. Определим необходимое условие: горение свечи требует кислорода, который поступает из окружающего воздуха.
2. Банка ограничивает поступление нового воздуха. Внутри остаётся только конечный запас кислорода, который постепенно расходуется при горении.
3. Когда кислорода становится недостаточно для поддержания горения, реакция прекращается и пламя гаснет. Банка не производит кислород, а лишь ограничивает его поступление.

Ответ: свеча гаснет, потому что под банкой запас кислорода ограничен и постепенно расходуется при горении.

Предложите безопасный план опыта, который покажет, что смесь железных опилок и серы после нагревания отличается от исходной смеси. Укажите, зачем нужно нагревание и как сравнить вещества до и после опыта.

1. Сначала под руководством учителя рассмотрим небольшие количества железных опилок и серы, не нагревая их. Зафиксируем наблюдаемые свойства и осторожно сравним, как частицы смеси ведут себя при поднесении магнита.
2. Затем учитель нагреет небольшое количество смеси в предназначенной для опыта посуде, соблюдая правила безопасности. Нагревание нужно, чтобы передать энергию и запустить реакцию между железом и серой.
3. После полного остывания сравним полученный продукт с исходной смесью, не пробуя вещества на вкус и не вдыхая их. Проверим, сохраняется ли прежнее поведение смеси при поднесении магнита, и обсудим, достаточно ли наблюдений для вывода.

Ответ: нагревание служит условием начала реакции, а сравнение свойств смеси до опыта и продукта после остывания помогает установить, что образовалось новое вещество. Работать с нагреванием должен учитель; самостоятельно проводить опыт без надзора нельзя.

Типичные ошибки

Не всякое изменение внешнего вида означает химическую реакцию. Такую ошибку допускают, когда судят только по форме или состоянию вещества: лёд, например, может растаять, не превращаясь в новое вещество. Проверьте себя: появились ли вещества с новыми свойствами или изменилось только физическое состояние прежнего вещества?

Смешивание веществ не всегда сразу вызывает реакцию. Можно ошибочно решить, что любое соединение реагентов должно немедленно привести к превращению, но им может требоваться нагревание, освещение или другое условие. Спросите себя, какие условия нужны именно этим веществам и есть ли признаки появления продукта реакции.

Нагревание не является обязательным условием любой реакции. Такая мысль возникает потому, что нагрев часто используют для запуска опытов, но некоторые реакции идут без него: например, горение начинается после поджигания. Проверяйте, что именно запускает конкретную реакцию, и не переносите условие одного опыта на все остальные.

Охлаждение — не единственная причина прекращения реакции. Горение может остановиться из-за недостатка кислорода, а любая реакция — если один из реагентов израсходован. Чтобы проверить объяснение, найдите необходимое условие или вещество и выясните, не исчезло ли оно.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, чем вещество отличается от физического тела, и уметь распознавать физические явления. Также пригодятся знания о свойствах веществ и умение внимательно наблюдать, как они меняются при взаимодействии. По наблюдениям можно сравнить исходные вещества с продуктами и обосновать, произошло ли превращение. Позже понимание реакций поможет изучать химические уравнения и способы управления реакциями.

Что запомнить

• При химической реакции из исходных веществ образуются новые вещества.
• Смешивание веществ не всегда приводит к немедленной реакции.
• Для начала реакции могут понадобиться контакт реагентов, нагревание, освещение или электрический ток.
• Условия, необходимые для разных реакций, могут различаться.
• Реакция прекращается, если исчезает необходимое условие или расходуется один из реагентов.
• Для горения необходим кислород.