§ 9. Химические реакции

Явления, при которых одни вещества (реагенты) превращаются в другие вещества (продукты реакции) с новыми свойствами и сохранением элементного состава ядер.

• В отличие от физических явлений, при химических реакциях разрушаются прежние химические связи и возникают качественно новые соединения
• Сопровождаются перегруппировкой атомов без изменения их общего числа и природы
• Служат фундаментальной основой природных геохимических и биохимических процессов жизнедеятельности организмов

Две ключевые категории веществ, участвующих в процессе химического превращения.

• Реагенты (исходные вещества) — химические вещества, вступающие в химическое взаимодействие между собой
• Продукты реакции — качественно новые простые или сложные вещества, образующиеся в результате протекания взаимодействия
• В химических уравнениях формулы реагентов традиционно записывают в левой части до стрелки или знака равенства, а продукты — в правой части

Наблюдаемые внешние макроскопические изменения, однозначно свидетельствующие о протекании химического процесса.

• 1. Выпадение нерастворимого осадка (например, выпадение белого осадка AgCl или жёлтого осадка AgI при реакции нитрата серебра с галогенидами)
• 2. Растворение осадка при добавлении растворителя или кислоты (например, растворение осадка гидроксида меди(II) в серной кислоте с образованием синего раствора)
• 3. Изменение окраски реакционной смеси или её обесцвечивание
• 4. Выделение газообразного вещества (например, бурное вспенивание с выделением углекислого газа CO₂ при добавлении уксуса к питьевой соде)
• 5. Выделение или поглощение теплоты и появление светового излучения (вспышки, свечения)

Совокупность внешних физических воздействий, необходимых для инициации, поддержания или остановки химического взаимодействия.

• Непосредственный контакт (соприкосновение) частиц реагирующих веществ (для ускорения твёрдые вещества измельчают или переводят в растворы)
• Нагревание до температуры начала реакции (например, кристаллическая сера на воздухе начинает взаимодействовать с кислородом только после поджигания)
• Прекращение реакции достигается устранением контакта реагирующих веществ (охлаждением, перекрытием доступа воздуха, изолированием реагентов)

Быстро протекающие химические реакции окисления, сопровождающиеся интенсивным выделением теплоты и яркого света (пламени).

• Примеры: горение серы, фосфора, метана или угля в атмосфере кислорода
• Выступают важнейшим частным случаем экзотермических процессов
• Для прекращения горения прекращают доступ кислорода к горючему веществу (накрывают плотной тканью, засыпают песком, используют огнетушители)

Количество теплоты, которое выделяется в окружающую среду или поглощается из неё в ходе протекания химической реакции.

• Обозначается символом Q и измеряется в джоулях (Дж) или килоджоулях (кДж)
• Обусловлен энергетической разницей между энергией разрушения химических связей в молекулах исходных веществ и энергией образования связей в продуктах

Классификация химических реакций по направлению и знаку теплового эффекта.

• Экзотермические реакции (от греч. exo — наружу) — реакции, протекающие с выделением теплоты в окружающую среду (+Q): любые реакции горения, нейтрализации кислот щелочами, разложение дихромата аммония
• Эндотермические реакции (от греч. endon — внутри) — реакции, протекающие с поглощением теплоты из окружающей среды (-Q) и требующие непрерывного нагревания: термический обжиг известняка CaCO₃ на оксид кальция CaO и углекислый газ CO₂

Голландский аптекарь, химик и изобретатель, создатель классического универсального лабораторного прибора (аппарата Киппа) для регулируемого получения газов при химических реакциях.

• В середине XIX века сконструировал стеклянный лабораторный аппарат Киппа, позволивший безопасно и непрерывно генерировать газы в лаборатории путём регулируемого контакта твёрдых веществ с растворами кислот.
• В параграфе на примере синтеза водорода из цинка и кислоты разобран принцип действия прибора: при открытии крана кислота вытесняется к гранулам металла, а при закрытии — давление газа возвращает кислоту в воронку, останавливая реакцию.
• Аппарат Киппа стал мировым стандартом химического практикума для безопасного получения водорода, углекислого газа и сероводорода без необходимости непрерывного нагревания реагирующей смеси.

Главное отличие заключается в сохранении или изменении химического состава веществ:

• При физических явлениях состав веществ остаётся неизменным — меняются лишь агрегатное состояние, форма, температура или пространственное положение частиц, но сами молекулы не разрушаются. Примеры: таяние льда и замерзание воды, испарение спирта, конденсация пара, измельчение кристаллов сахара в пудру, изгибание медной проволоки.
• При химических явлениях (химических реакциях) происходит разрушение одних веществ и образование из них качественно новых веществ с иными свойствами за счёт перераспределения связей между атомами. Примеры: ржавление железного гвоздя во влажном воздухе, горение древесины или природного газа, скисание молока, потемнение серебряных изделий.

Классификация явлений с научным обоснованием:

1. Физические явления:

• а) образование сосулек на крышах — процесс кристаллизации (фазовый переход жидкой воды в твёрдое состояние при охлаждении, состав молекул H₂O сохраняется);
• д) испарение уксусной кислоты — переход вещества из жидкого фазового состояния в газообразное (молекулы CH₃COOH не разрушаются);
• е) распространение запаха духов — диффузия молекул ароматических веществ в воздушной среде без протекания химических реакций.

2. Химические явления:

• б) образование чёрного налёта на серебряном изделии — реакция химического взаимодействия серебра с микропримесями сероводорода воздуха с образованием чёрного осадка сульфида серебра:

$$4\text{Ag} + 2\\text{H}_2\text{S} + \text{O}_2 = 2\text{Ag}_2\text{S}\downarrow + 2\\text{H}_2\text{O}$$

• в) брожение виноградного сока или варенья — биохимический процесс расщепления углеводов (глюкозы) под действием ферментов дрожжей с образованием этилового спирта и углекислого газа:

$$\text{C}_6\\text{H}_{12}\text{O}_6 \xrightarrow{\text{ферменты}} 2\text{C}_2\\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2\uparrow$$

• г) гашение соды уксусом — реакция взаимодействия гидрокарбоната натрия с уксусной кислотой с образованием ацетата натрия и разложением нестабильной угольной кислоты на воду и углекислый газ (сопровождается бурным «вскипанием»):

$$\text{NaHCO}_3 + \text{CH}_3\text{COOH} = \text{CH}_3\text{COONa} + \\text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow$$

Принцип действия аппарата Киппа:

Аппарат Киппа представляет собой классический стеклянный прибор для получения газов по реакции твёрдого вещества с жидким раствором кислоты, обеспечивающий автоматическое начало и остановку процесса:

• Прибор состоит из нижнего полусферического резервуара, соединённого со средним шарообразным резервуаром с перетяжкой (где на перфорированной решётке располагаются куски твёрдого реагента), и верхней шарообразной воронки с длинной трубкой, доходящей почти до дна нижнего резервуара.
• При открытии крана газоотводной трубки давление внутри среднего резервуара падает, и раствор кислоты из верхнего резервуара самотёком заполняет нижний и поднимается в средний резервуар. При контакте кислоты с твёрдым веществом начинается бурная химическая реакция, и выделяющийся газ поступает через кран потребителю.
• При закрытии крана образующийся газ не имеет выхода и создаёт в среднем резервуаре растущее избыточное давление. Газ вытесняет кислоту обратно через нижнюю трубку в верхнюю воронку. Контакт реагентов полностью разрывается, и реакция автоматически прекращается.

Реагенты для получения водорода:

• Твёрдый реагент: гранулированный металлический цинк (Zn);
• Жидкий реагент: разбавленная соляная кислота (HCl) или разбавленная серная кислота (H₂SO₄).

Уравнение протекающей реакции:

$$\\text{Zn} + 2\text{HCl} = \text{ZnCl}_2 + \\text{H}_2\uparrow$$

(или $\\text{Zn} + \\text{H}_2\text{SO}_4 = \text{ZnSO}_4 + \\text{H}_2\uparrow$).

Опыт разложения дихромата аммония («вулкан на столе»):

• Необходимые условия: для запуска реакции требуется предварительное нагревание (инициация нагретой докрасна стеклянной палочкой или каплей горящего спирта). После локального достижения температуры разложения реакция протекает бурно и самопроизвольно без дальнейшего притока тепла извне.
• Тип по тепловому эффекту: реакция является резко экзотермической (+Q) — протекает с колоссальным выделением тепловой энергии и раскалённых световых искр.
• Наблюдаемые признаки реакции:
• Интенсивное испускание света и тепла (саморазогрев смеси, сноп искр);
• Кардинальное изменение цвета вещества: оранжевые кристаллы исходного дихромата аммония превращаются в тёмно-зелёный оксид хрома(III);
• Обильное выделение газообразных продуктов (азота N₂ и водяного пара H₂O), которые многократно вспучивают и разбрасывают образующийся порошок зелёного Cr₂O₃, создавая визуальный эффект настоящего извержения вулкана.

Уравнение термохимической реакции:

$$(\text{NH}_4)_2\text{Cr}_2\text{O}_7 \xrightarrow{t^\circ} \text{Cr}_2\text{O}_3 + \text{N}_2\uparrow + 4\\text{H}_2\text{O}\uparrow + Q$$