§ 9. Химические реакции

СУЩНОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ: РЕАГЕНТЫ И ПРОДУКТЫ

В окружающем мире непрерывно происходят разнообразные изменения. В отличие от физических явлений, при которых состав веществ остаётся неизменным (меняются лишь форма предмета или агрегатное состояние, как при плавлении льда или измельчении сахара), при химических явлениях разрушаются прежние связи и возникают принципиально новые вещества.

Химическая реакция — это явление, при котором одни вещества превращаются в другие вещества с совершенно новым набором физических и химических свойств.

В любой химической реакции строго разграничивают участников процесса:

• Исходные вещества (реагенты) — вещества, вступающие в химическое взаимодействие между собой;
• Продукты реакции — новые вещества, образующиеся в результате этого взаимодействия.

ВНЕШНИЕ ПРИЗНАКИ ПРОТЕКАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Поскольку молекулы и атомы невидимы невооружённым глазом, судить о свершении химического превращения позволяют характерные внешние признаки:

• Выпадение осадка: при сливании прозрачных растворов хлорида натрия NaCl и нитрата серебра AgNO₃ мгновенно выпадает белый творожистый осадок хлорида серебра AgCl; если же взять иодид калия KI, образуется ярко-жёлтый осадок иодида серебра AgI.
• Растворение осадка: если к выпавшему нерастворимому студенистому синему осадку гидроксида меди(II) Cu(OH)₂ прилить серную кислоту, осадок полностью растворяется, переходя в прозрачный голубой раствор медного купороса (сульфата меди(II) CuSO₄).
• Изменение цвета: растворы могут окрашиваться, менять оттенок или полностью обесцвечиваться под действием химических индикаторов и реагентов.
• Выделение газа: при добавлении к питьевой соде раствора уксусной кислоты начинается бурное «вскипание» с выделением пузырьков углекислого газа CO₂; при взаимодействии цинка с соляной или серной кислотой выделяется горючий газ водород H₂.
• Появление запаха: образование газов с резким специфическим ароматом (например, сернистого газа SO₂ или аммиака NH₃).
• Выделение или поглощение теплоты и света: появление яркого пламени или свечения свидетельствует о глубокой перестройке связей в веществе.

УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ, ПРОТЕКАНИЯ И ПРЕКРАЩЕНИЯ РЕАКЦИЙ

Чтобы химическая реакция началась и не прекращалась, необходимо создать определённые физические условия:

1. Тесный контакт (соприкосновение) веществ: Реакция невозможна без столкновения частиц реагирующих веществ. Чем сильнее измельчены твёрдые вещества, тем больше площадь их соприкосновения и тем быстрее идёт реакция (порошок реагирует мгновенно, тогда как крупный кусок — медленно).
   • На принципе контакта основан лабораторный аппарат Киппа (созданный голландским аптекарем Петером Якобом Киппом) для непрерывного получения газов (H₂, CO₂): пока кислота контактирует с гранулами цинка или мрамора, газ выделяется; стоит закрыть кран, давление вытесняет кислоту из резервуара, контакт прерывается — и реакция мгновенно останавливается.
2. Предварительное нагревание: Многим реакциям для запуска требуется начальный толчок энергии (активация). Например, порошок серы на воздухе при комнатной температуре не взаимодействует с кислородом; но если подогреть его на пламени спиртовки, он загорится бледно-голубым пламенем и далее будет гореть самостоятельно. В других случаях нагревание должно поддерживаться непрерывно (разложение дихромата аммония «вулкан» или обжиг известняка).

Знание условий протекания реакций позволяет человеку осознанно управлять ими и при необходимости останавливать горение:

• Для тушения огня прекращают доступ кислорода к очагу возгорания (накрывают пламя плотным асбестовым полотном, засыпают песком, применяют углекислотные или пенные огнетушители);
• Охлаждают зону горения водой ниже температуры воспламенения материала.

ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ: ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИЕ И ЭНДОТЕРМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Каждое вещество обладает запасом внутренней энергии. Разрыв связей в исходных молекулах требует затраты энергии, а образование новых связей в продуктах сопровождается её выделением. Разность этих энергий определяет тепловой эффект химической реакции — количество выделяемой или поглощаемой теплоты.

По знаку теплового эффекта все химические реакции делятся на две фундаментальные группы:

• Экзотермические реакции (от греч. exo — «наружу, за пределы» + therme — «тепло»): химические реакции, протекающие с выделением теплоты в окружающую среду.
  • Реакции, сопровождающиеся выделением не только тепла, но и яркого света, называют реакциями горения (горение угля, метана, древесины, порошка серы, магния). Все реакции горения безоговорочно являются экзотермическими.
• Эндотермические реакции (от греч. endo — «внутрь»): химические реакции, протекающие с поглощением теплоты из окружающей среды.
  • Такие реакции требуют постоянного подвода тепла извне: если прекратить нагревание, реакция немедленно затухает. Классический пример — термический обжиг природного известняка (карбоната кальция): под действием высокой температуры он разлагается на негашёную известь (оксид кальция) и углекислый газ.