03Основная тема

Химические реакции

Когда атомы перестраиваются и образуют новые вещества — это химическая реакция. От горения топлива до пищеварения — реакции идут повсюду и постоянно.

Что такое химическая реакция?

Химическая реакция — это процесс, в котором вещества (реагенты) превращаются в другие вещества (продукты). Химические связи разрываются и образуются новые: атомы перестраиваются, но никогда не появляются и не исчезают.

Это закон сохранения массы: общая масса реагентов всегда равна общей массе продуктов. Никакие атомы не исчезают — они только меняют партнёров.

Key Fact

Каждую секунду в каждой клетке вашего тела идёт около 10 миллионов химических реакций. Весь метаболизм — это сеть химических реакций.

Признаки прошедшей реакции

Изменение цвета

Железо становится рыже-красным при ржавении

Выделение газа

Пузыри, когда сода встречает уксус

Образование осадка

Мутный осадок в прозрачном растворе

Изменение температуры

Грелки нагреваются (экзотермия)

Излучение света

Фейерверки, биолюминесценция, пламя

Изменение запаха

Гниющие яйца, выпекающийся хлеб

Watch Out

Эти признаки — намёк на реакцию, но не строгое доказательство. Растворение сахара в воде меняет внешний вид, но это физическое, а не химическое изменение.

Химические уравнения

Химическое уравнение — краткая запись реакции. Реагенты — слева, продукты — справа, между ними стрелка (→).

2H₂+O₂→2H₂O

Водород + Кислород → Вода

Часто указываются состояния: (тв) твёрдое, (ж) жидкое, (г) газ, (р-р) в водном растворе.

Уравнивание уравнений

Так как атомы сохраняются, уравнения должны быть сбалансированы — число атомов каждого вида должно быть одинаковым в обеих частях. Балансируем с помощью коэффициентов перед формулами, а не меняя индексы.

Example

Несбалансированное: H₂ + O₂ → H₂O (2 O слева, 1 O справа — не сбалансировано!)
Сбалансированное: 2H₂ + O₂ → 2H₂O (по 4H и 2O с каждой стороны ✓)

Шаги: (1) посчитать атомы; (2) добавлять коэффициенты по одному элементу; (3) начинать с самой сложной молекулы; (4) H и O — в последнюю очередь.

Типы химических реакций

Соединение (синтез)A + B → AB

Из двух и более веществ получается один продукт.

2Na + Cl₂ → 2NaCl (получение соли)

РазложениеAB → A + B

Одно вещество распадается на несколько более простых.

2H₂O → 2H₂ + O₂ (электролиз воды)

ЗамещениеA + BC → AC + B

Один элемент вытесняет другой из соединения.

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ (цинк в кислоте)

ОбменAB + CD → AD + CB

Два соединения обмениваются партнёрами.

NaCl + AgNO₃ → AgCl↓ + NaNO₃

ГорениеТопливо + O₂ → CO₂ + H₂O

Вещество горит в кислороде, выделяя тепло и свет.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (метан)

Нейтрализация (кислота+основание)Кислота + Основание → Соль + Вода

Кислота и основание образуют соль и воду.

HCl + NaOH → NaCl + H₂O

Скорость реакций

Скорость реакции — насколько быстро она идёт. На неё влияют:

Температура

Выше температура → быстрее реакция (больше столкновений и энергии)

Концентрация

Выше концентрация → быстрее (больше частиц)

Площадь поверхности

Больше поверхность → быстрее (больше доступных частиц)

Катализаторы

Ускоряют реакцию, сами не расходуясь

Давление (газы)

Выше давление → быстрее (частицы ближе)

Природа реагентов

Ионные реакции быстрые; разрыв ковалентных связей — медленный

Химическое равновесие

Многие реакции обратимы — идут и вперёд, и назад. Когда скорости прямой и обратной реакций равны, система достигает химического равновесия. Концентрации при этом постоянны (но не обязательно равны).

Принцип Ле Шателье: если систему в равновесии возмутить, она сместится, чтобы компенсировать возмущение.

Example

Процесс Габера получает аммиак: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃. Высокое давление и умеренная температура сдвигают равновесие в сторону аммиака. Эта реакция через удобрения кормит половину человечества.

Энергия в реакциях

Экзотермические реакции

Выделяют тепло. Продукты имеют меньшую энергию, чем реагенты. Примеры: горение, грелки, дыхание.

Эндотермические реакции

Поглощают тепло. Продукты имеют бóльшую энергию, чем реагенты. Примеры: фотосинтез, растворение нитрата аммония, приготовление пищи.

Реакции в повседневной жизни

→Варка яйца: тепло денатурирует белки (необратимая реакция)
→Выпечка хлеба: брожение дрожжей выделяет CO₂ (тесто поднимается)
→Двигатель автомобиля: горение бензина выделяет энергию
→Фотосинтез: растения превращают CO₂ + H₂O + свет → глюкоза + O₂
→Ржавление: железо + кислород + вода → оксид железа (медленное окисление)
→Отбеливание: окислительные реакции разрушают молекулы красителей
→Пищеварение: ферменты катализируют расщепление пищи