Изменения, происходящие с веществами

Химические реакции

В отличие от физических явлений при химических явлениях, или химических реакциях, как вы знаете, происходит превращение одних веществ в другие. Эти превращения сопровождаются внешними признаками: образованием осадка или газа, изменением цвета, выделением или поглощением теплоты, появлением запаха и др.

Понаблюдаем за протеканием некоторых химических реакций и установим признаки, которые подтверждают образование новых веществ и появление у них новых свойств — нерастворимости или малой растворимости в воде, запаха, цвета и др.

В пробирку нальём 2 мл раствора хлорида железа (III) FeCl₃, а затем добавим несколько капель раствора роданида калия KSCN. Мы увидим появление кроваво-красного раствора нового вещества — роданида железа (III) Fe(SCN)₃.

Смешаем порошки железа и серы, новые вещества при этом не появились. Железо из этой смеси будет притягиваться магнитом, а при опускании смеси в воду сера всплывает на поверхность, т. е. смесь можно очень просто разделить. Однако если эту смесь порошков железа и серы нагреть, то начнётся химическая реакция, которая будет продолжаться далее без нагревания с выделением теплоты — мы увидим, как смесь раскалится. После окончания реакции получится новое вещество — сульфид железа (II) FeS. Оно серого цвета, тонет в воде и не притягивается магнитом.

Подожжём в железной ложечке немного серы — она загорится синеватым пламенем и даст обильный едкий дым сернистого газа — оксида серы (IV) SO₂. О протекании реакции можно судить по изменению цвета, появлению газа с резким запахом, выделению теплоты и света.

Реакции, протекающие с выделением теплоты и света, называют реакциями горения.

Реакции горения — это частный случай большой группы химических реакций, протекающих с выделением теплоты

Реакции, протекающие с выделением теплоты, называют экзотермическими (экзо — наружу), а протекающие с поглощением теплоты — эндотермическими (эндо — внутрь).

В заключение рассмотрим, какие условия должны выполняться, чтобы произошла химическая реакция.

1. Необходимо, чтобы реагирующие вещества соприкоснулись, и чем больше площадь их соприкосновения, тем быстрее идёт химическая реакция. Поэтому твёрдые вещества измельчают и перемешивают, а хорошо растворимые вещества растворяют и растворы сливают.
2. Второе важное условие — нагревание. Некоторые реакции (как правило, экзотермические) идут без нагревания, и только для некоторых экзотермических реакций оно необходимо лишь для того, чтобы реакция началась, а вот для эндотермических реакций необходимо нагревание на протяжении всей реакции.
3. Некоторые реакции протекают под действием электрического тока,света и т. д.

Химические уравнения

Закон сохранения массы веществ, открытый М. В. Ломоносовым в 1748 г., гласит:

масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, получившихся в результате её.

Материальными носителями массы веществ являются атомы химических элементов, из которых состоят как вступившие в реакцию вещества (реагенты), так и образовавшиеся в результате её новые вещества (продукты реакции). Поскольку при химических реакциях атомы не образуются и не разрушаются, а происходит лишь их перегруппировка, то становится очевидным справедливость открытого М. В. Ломоносовым и подтверждённого позднее А. Лавуазье закона.

В справедливости закона сохранения массы веществ можно легко убедиться на простом опыте. Поместим в колбу немного красного фосфора, закроем её пробкой и взвесим на весах. Затем колбу осторожно нагреем. О том, что произошла химическая реакция, можно определить по появлению в колбе густого белого дыма, состоящего из оксида фосфора (V), который образовался при взаимодействии фосфора с кислородом. При повторном взвешивании колбы с продуктами этой реакции мы убедимся, что масса веществ в колбе не изменилась, хотя и произошло превращение фосфора в его оксид.

На основании этого закона пишут химические предложения, т. е. составляют уравнения химических реакций с помощью химических слов — формул.

Химическое уравнение — условная запись химической реакции с помощью химических формул и математических знаков.

В левой части уравнения записывают формулы (формулу) веществ, вступивших в реакцию, соединяя их знаком «плюс». В правой части уравнения записывают формулы (формулу) образующихся веществ, также соединённых знаком «плюс». Между частями уравнения ставят стрелку. Затем находят коэффициенты — числа, стоящие перед формулами веществ, чтобы число атомов одинаковых элементов в левой и правой частях уравнения было равным.

Запишем, например, уравнение реакции водорода с кислородом. Сначала составим схему реакции — укажем формулы веществ, вступающих в реакцию (водород Н₂ и кислород O₂) и образующихся в результате её (вода Н₂O), и соединим их стрелкой: Н₂ + O₂ → Н₂O

Так как число атомов кислорода в левой части вдвое больше, чем в правой, запишем перед формулой воды коэффициент 2: Н₂ + O₂ → 2Н₂O

Но теперь в правой части уравнения стало четыре атома водорода, а в левой их осталось два. Чтобы уравнять число атомов водорода, запишем перед его формулой в левой части коэффициент 2. Так как мы уравняли число атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения, заменим стрелку на знак равенства: 2Н₂ + O₂ = 2Н₂O

Для составления уравнений химических реакций, кроме знания формул реагентов и продуктов реакции, необходимо верно подобрать коэффициенты.

Это можно сделать, используя несложные правила:

1. Перед формулой простого вещества можно записывать дробный коэффициент, который показывает количество вещества реагирующих и образующихся веществ.
   
   Так, для рассмотренного выше примера: Н₂ + O₂ → Н₂O
   
   число атомов кислорода в правой и левой частях уравнения можно сделать равными с помощью коэффициента 1/2, поставив его перед формулой кислорода: Н₂ + 1/2O₂ = Н₂O
   
   Но так как коэффициент показывает не только количество вещества, но и число молекул (атомов), а половину молекулы взять невозможно, лучше переписать приведённое уравнение, удвоив все коэффициенты в нём: 2Н₂ + O₂ = 2Н₂O
2. Если в схеме реакции есть формула соли, то вначале уравнивают число ионов, образующих соль.
   
   Например, взаимодействие серной кислоты и гидроксида алюминия описывают схемой: H₂SO₄ + Аl(OН)₃ → Al₂(4SO)₃ + Н₂O.
   
   Образующаяся в результате реакции соль — сульфат алюминия Al₂(4SO)₃ — состоит из ионов алюминия Аl(3+) и сульфат-ионов PO₄(3-). Уравняем их число, записав перед формулами H₂SO₄ и Аl(OН)₃ соответственно коэффициенты 3 и 2: 3H₂SO₄ + 2Аl(OН)₃ → Al₂(4SO)₃ + Н₂O.
   
   Чтобы уравнять число атомов водорода и кислорода, воспользуемся третьим правилом.
3. Если участвующие в реакции вещества содержат водород и кислород, то атомы водорода уравнивают в предпоследнюю очередь, а атомы кислорода — в последнюю.
   
   Следовательно, уравняем число атомов водорода. В левой части схемы реакции 12 атомов водорода, а в правой — только 2, поэтому перед формулой воды запишем коэффициент 6: 3H₂SO₄ + 2Аl(OН)₃ → Al₂(4SO)₃ + 6Н₂O
   
   Индикатором верности расстановки коэффициентов является равенство числа атомов кислорода в левой и правой частях уравнения реакции — по 24 атома кислорода. Поэтому заменим стрелку на знак равенства: 3H₂SO₄ + 2Аl(OН)₃ = Al₂(4SO)₃ + 6Н₂O
4. Если в схеме реакции имеется несколько формул солей, то необходимо начинать уравнивание с ионов, входящих в состав соли, содержащей большее их число.
   
   Например, взаимодействие растворов фосфата натрия и нитрата кальция описывают схемой: Na₃PO₄ + Ca(NO₃)₂ → Ca₃(PO₄)₂ + NaNO₃.
   
   Наибольшее число ионов содержит один из продуктов реакции — фосфат кальция Ca₃(PO₄)₂, поэтому уравнивают ионы, которыми образована эта соль, — Са(2+) и PO₄(3-): 2Na₃PO₄ + 3Ca(NO₃)₂ → Ca₃(PO₄)₂ + NaNO₃.
   
   и, наконец, ионы Na(+) и N0₃(-): 2Na₃PO₄ + 3Ca(NO₃)₂ = Ca₃(PO₄)₂ + 6NaNO₃

Расчёты по химическим уравнениям

По химическим уравнениям можно рассчитать массу, объём и количество реагирующих и образующихся веществ.

Для расчётов очень важно выбрать соответствующие друг другу единицы измерения массы, объёма и количества веществ. С этой целью можно воспользоваться данной таблицей.

Для того чтобы решить расчётную задачу по химии, можно воспользоваться следующим алгоритмом:

1. Составить уравнение химической реакции.
2. Перевести данные задачи (массу или объём) в количество вещества (моль, кмоль, ммоль).
   
   Если по условию задачи в реакцию вступают вещества, содержащие примеси, то сначала надо определить массу чистого вещества, а затем рассчитать его количество; если в задаче речь идёт о растворе, то сначала надо вычислить массу растворённого вещества, которое затем перевести в количество вещества.
3. Над соответствующей формулой в уравнении записать найденное количество вещества, а количества над формулами искомых веществ обозначить через х и у.
4. Найти количества искомых веществ, зная, что количественные отношения между веществами соответствуют коэффициентам перед их формулами в уравнении реакции.
5. Перевести найденные количества веществ в массу или объём.
6. Оформить ответ.

Реакции разложения

Познакомимся с реакциями разложения. Обратимся к истории химии. В 1774 г. английский химик Дж. Пристли, используя стеклянную двояковыпуклую линзу (большое увеличительное стекло), направил сконцентрированный ею пучок солнечных лучей на оксид ртути (II) и получил кислород. Чтобы подчеркнуть, что кислород — это газ, в уравнении реакции рядом с его формулой записывают стрелку, направленную вверх:

2H₂O = 2Hg + O₂🠕

Обратите внимание на следующий признак этой реакции разложения — в неё вступает одно сложное вещество, а образуются два новых простых вещества.

В лабораторной практике кислород часто получают разложением другого вещества — пероксида водорода Н2O2 (в обиходе его часто называют перекисью водорода):

2H₂O₂= 2H₂O + O₂🠕

Скорость химической реакции — это быстрота её протекания, т. е. быстрота превращения одних веществ в другие.

Катализаторы — это вещества, изменяющие скорость химических реакций, но по окончании их остающиеся качественно и количественно неизменёнными.

Биологические катализаторы белковой природы называют ферментами.

Большинство химических процессов в живых организмах протекают с участием ферментов.

Ферменты входят в состав многих стиральных порошков и помогают отстирывать пятна крови, белков, чая и других загрязнителей. С помощью ферментов варят пиво, изготавливают сыры и лекарственные средства.

А может в результате реакции разложения получиться не два, а более двух веществ?

Опять обратимся к эксперименту: получим кислород ещё одним способом — разложением перманганата калия КМnO₄, в быту называемого марганцовкой:

2КМnO₄ = К₂МnO₄ + MnO₂ + O₂

В данном случае в реакцию вступило одно сложное вещество, а образовалось три новых вещества — два слож- ных и одно простое.

Подведём итоги — сформулируем определение понятия «реакция разложения».

Реакции разложения — это такие реакции, в результате которых из одного сложного вещества образуются два и более новых вещества.

Реакции соединения

Реакции соединения — это такие реакции, в результате которых из одного или нескольких исходных веществ образуется одно сложное вещество.

Рассмотрим этот тип реакций с помощью ещё одной, новой для вас формы записи химических процессов — так называемых цепочек переходов, или превращений.

Например, схема:

P⟶P₂O₅⟶H₃PO₄

показывает превращение фосфора в оксид фосфора (V) P₂O₅, который, в свою очередь, затем превращается в фосфорную кислоту H₃PO₄

4P + 5O₂ = 2P₂O₅

Число стрелок в схеме превращения веществ соответствует минимальному числу химических превращений — химических реакций. В рассматриваемом примере это два химических процесса.

1-й процесс. Получение оксида фосфора (V) P₂O₅ из фосфора. Очевидно, что это реакция соединения фосфора с кислородом.

Поместим немного красного фосфора в ложечку для сжигания веществ и подожжём его. Фосфор горит ярким пламенем с образованием белого дыма, состоящего из маленьких частичек оксида фосфора (V):

P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄

2-й процесс. Внесём ложечку с горящим фосфором в колбу. Она заполняется густым дымом из оксида фосфора (V). Вынем ложечку из колбы, прильём в колбу воду и взболтаем содержимое, предварительно закрыв горлышко колбы пробкой. Дым постепенно редеет, растворяется в воде и, наконец, исчезает совсем. Если к полученному в колбе раствору добавить немного лакмуса, он окрасится в красный цвет, что является доказательством образования фосфорной кислоты:

2SO₂ + O₂ ⮂ 2SO₃

Реакции, которые проводят для осуществления рассматриваемых переходов, протекают без участия катализатора, поэтому их называют некаталитическими. Рассмотренные выше реакции протекают только в одном направлении, т. е. являются необратимыми.

Проанализируем, сколько и каких веществ вступало в рассмотренные выше реакции и сколько и каких веществ в них образовалось. В первой реакции из двух простых веществ образовалось одно сложное, а во второй — из двух сложных веществ, каждое из которых состоит из двух элементов, образовалось одно сложное вещество, состоящее уже из трёх элементов.

Одно сложное вещество может также образоваться и в результате реакции соединения сложного и простого веществ. Например, при производстве серной кислоты из оксида серы (IV) получают оксид серы (VI):

Химические реакции, которые протекают одновременно в двух противоположных направлениях — прямом и обратном, называют обратимыми.

Эта реакция протекает как в прямом направлении, т. е. с образованием продукта реакции, так и в обратном, т. е. происходит разложение продукта реакции на исходные вещества, поэтому в них вместо знака равенства ставят знак обратимости ⮂

Сложное вещество также может быть получено и в реакции соединения трёх веществ. Например, азотную кислоту получают по реакции, схема которой:

NO₂ + H₂O + O₂ ⟶ 2HNO₃

Реакции замещения

Составим уравнение реакции цинка с соляной кислотой:

Zn + 2HCL = ZnCl₂ + H₂

Аналогичную реакцию можно провести и с другим металлом — алюминием:

2Al + 6HCL = 2AlCl₃ + 3H₂

С раствором серной кислоты цинк и алюминий образуют уже другие соли — сульфаты, например:

2Al + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂

Все ли металлы взаимодействуют с кислотами с образованием соли и водорода?

Обратимся к эксперименту. Нальём в четыре одинаковые пробирки равные объёмы соляной кислоты и поместим в них разные металлы: в 1-ю — кусочек кальция, во 2-ю — магния, в 3-ю — цинка, а в 4-ю — меди. Нетрудно заметить, что интенсивность выделения водорода будет уменьшаться от кальция к цинку, а в пробирке с медью газ вообще не выделяется — там не происходит реакция.

Для прогнозирования возможности протекания реакций между металлами и кислотами обратимся к так называемому ряду активности (напряжений) металлов

Почему же в ряд металлов попал неметалл — водород? Оказывается, каждый из металлов, расположенных в ряду активности металлов до водорода, способен вытеснять его из растворов кислот. А вот медь с соляной кислотой не взаимодействует и поэтому находится в ряду активности металлов после водорода. В пробирке с этим металлом и соляной кислотой реакции не наблюдалось. Aналогично не будут вытеснять водород из растворов кислот ртуть, серебро и золото.

Ряд активности металлов можно также использовать для прогнозирования возможности протекания реакций вытеснения одних металлов из растворов их солей другими.

Для того чтобы реакция между металлом и раствором соли была практически осуществима, необходимо выполнение следующего условия: металл должен располагаться в ряду активности металлов левее металла, входящего в соль, т. е. быть активнее металла соли.

Cu + 2AgNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2Ag

Все рассмотренные выше реакции относят к реакциям замещения. Нетрудно заметить, что эти реакции протекают между двумя исходными веществами, одно из которых простое, а другое — сложное, а в результате получаются два новых вещества — новое простое и новое сложное.

Реакции замещения — это такие реакции, в результате которых атомы простого вещества замещают атомы одного из химических элементов в сложном веществе.

Реакции обмена

Познакомимся с последним типом реакций по признаку «число и состав исходных веществ и продуктов реакции».

В демонстрационную пробирку нальём раствор щёлочи — гидроксида натрия, а затем добавим к нему раствор соли — сульфата меди (II). Выпадет густой синий осадок нерастворимого в воде гидроксида меди (II). Если небольшую часть содержимого из пробирки, в которой образовался осадок, профильтровать и выпарить несколько капель полученного раствора на часовом стекле, то нетрудно будет заметить появление белых кристалликов соли, образовавшейся в ходе реакции:

NaOH + CuSO₄ ⟶ Cu(OH)₂🡓 + соль

Чтобы подчеркнуть, что в результате реакции образуется осадок нерастворимого в воде гидроксида меди (II), рядом с его формулой в уравнении реакции записывают стрелку, направленную вниз.

Бесспорно, полученная соль может быть только сульфатом натрия Na2SO4:

NaOH + CuSO₄ ⟶ Cu(OH)₂🡓 + Na₂SO₄

В результате проведённой реакции два сложных вещества ионного строения — гидроксид натрия и сульфат меди (II) — обменялись своими ионами, т. е. произошла реакция обмена, уравнение которой:

2NaOH + CuSO₄ ⟶ Cu(OH)₂🡓 + Na₂SO₄

Реакции обмена — это реакции, в результате которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями.

В демонстрационную пробирку нальём раствор щёлочи и добавим к нему несколько капель фенолфталеина. Содержимое пробирки окрасится в малиновый цвет, что свидетельствует о щелочной среде раствора. Если же теперь к содержимому пробирки прилить немного раствора кислоты, окраска исчезнет, раствор обесцветится, что является признаком химической реакции (рис. 110). Если несколько капель жидкости, полученной в результате реакции, выпарить на часовом стекле, то на нём образуются кристаллики соли. Ещё одним продуктом проведённой реакции является вода:

щёлочь + кислота ⟶ соль + вода

В каждом из двух взаимодействующих растворов была своя среда, соответственно щелочная и кислотная. В результате реакции среда стала нейтральной. Поэтому реакцию обмена между кислотами и щелочами называют реакцией нейтрализации.

В демонстрационную пробирку нальём прозрачный бесцветный раствор карбоната натрия и добавим к нему немного раствора азотной кислоты. Признаком химической реакции послужит «вскипание» раствора из-за выделившегося в результате её углекислого газа

соль + кислота ⟶ новая соль + новая кислота

Na₂CO₃ + 2HNO₃ = 2NaNO₃ + H₂CO₃

А откуда взялся углекислый газ? Вероятно, вы вспомните, что угольная кислота — непрочное соединение, которое распадается на углекислый газ и воду:

H₂CO₃ = H₂O + CO₂🡑

Сформулируем правило, согласно которому протекают реакции обмена между растворами веществ.

Реакции обмена, протекающие в растворах, идут до конца только в том случае, если в результате их образуется осадок, газ или вода.

Если к раствору хлорида натрия прилить раствор гидроксида калия, то никаких признаков реакции нельзя будет заметить — реакция не идёт, так как в результате её не образуется ни осадка, ни газа, ни воды:

NaCl + KOH ≠ NaOH + KCL

Учебник для 8 класса |Габриелян|