Химические реакции
Часто мы даже не подозреваем, что на наших глазах идет химическая реакция, а нередко и сами являемся ее участниками. Разбираемся, что же такое химические реакции, каковы их типы, классификация, скорость и признаки
Без химических реакций была бы невозможна эволюция в природе. В открытом космосе встречаются в основном только атомы водорода (H) и гелия (He). Это объясняется отсутствием необходимых условий для прохождения химических реакций.
А вот на Земле ситуация в корне иная. Здесь химические элементы поражают своим разнообразием и могут вступать в различные взаимодействия. Богатство природного мира напрямую зависит от количества и качества химических реакций. Переход от неорганического вещества к живому стал возможен только благодаря химическим процессам. Да и сам человек представляет собой мини-фабрику, где идут не только простые, но и сложнейшие химические реакции по синтезу и расщеплению веществ. Эффективность этой живой «фабрики» поражает воображение.
Что такое химическая реакция
Химическая реакция – это процесс превращения одного или нескольких веществ в другие вещества, в результате чего происходит перераспределение электронов и ядер. Сами ядра атомов при этом не меняются:
H₂ + Cl₂ = 2HCl
Химические реакции нельзя путать с физическими процессами. В физических процессах вещества сохраняют свой состав, хотя могут образовывать смеси, изменять внешнюю форму либо агрегатное состояние. Так, превращение воды в пар или лед является физическим процессом, а не химической реакцией. Химическое взаимодействие, в результате которого образуется вода, описывается формулой:
2H₂ + O₂ = 2H₂O
Отличаются химические реакции и от ядерных реакций, в которых происходят изменения в ядрах атомов и образуются атомы новых элементов. В ходе химических процессов новые вещества получаются в результате изменений, происходящих в электронной оболочке атомов.
Типы химических реакций
Выделяют следующие типы химических реакций: реакции соединения, разложения, замещения и обмена.
Реакция соединения представляет собой образование одного сложного вещества в результате соединения двух или более веществ. Например:
Fe + S = FeS
В результате реакции разложения происходит распад одного сложного вещества на несколько простых.
CaCO3 = CaO + CO₂
Реакция замещения протекает между простыми и сложными веществами, при этом атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе.
Zn + 2HCL = ZnCl₂ + H₂
Реакция обмена возможна между двумя сложными веществами, в результате чего они обмениваются своими составными частями и образуются два новых сложных вещества.
MgO + H2SO₄ = MgSO₄ + H₂O
Классификация химических реакций
Существует целый ряд признаков, по которым можно классифицировать химические реакции: по агрегатному состоянию, по изменению степеней окисления реагентов, по тепловому эффекту реакции, по направлению протекания, по наличию катализаторов.
По агрегатному состоянию (газообразному, жидкому, твердому) реагирующих веществ химические реакции подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Гомогенные реакции протекают в одной фазе, например, в виде раствора:
HCl + NaOH = NaCl + H₂O
Гетерогенные реакции осуществляются на границе раздела двух фаз. Например, твердое вещество и газ:
C + O₂ = CO₂
По изменению степеней окисления реагентов выделяют окислительно- восстановительные реакции. Окисление – это процесс отдачи электронов, что приводит к увеличению степени окисления. Восстановление – это присоединение электронов и уменьшение степени окисления. Элемент, отдающий электроны, называется восстановителем, а элемент, принимающий электроны, – окислителем. Например, в реакции Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu железо отдает два электрона и является восстановителем, а медь принимает два электрона и выступает в качестве окислителя.
По тепловому эффекту химические реакции делятся на экзотермические (сопровождающиеся выделением тепла +Q) и эндотермические (идущие с поглощением тепла -Q).
Яркий пример экзотермических реакций – процесс горения:
CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O +Q
К эндотермическим реакциям относятся реакции разложения:
CaCO₃ = CaO + CO₂ –Q
По направлению протекания химические реакции бывают обратимыми и необратимыми. Обратимые реакции одновременно протекают в двух противоположных направлениях: H₂ + I₂ = 2HI
Необратимые реакции идут только в одном направлении: 2Mg + O₂ = 2MgO
По наличию катализаторов (веществ, участвующих в реакции, изменяющих ее скорость, но остающихся неизменными после завершения реакции) химические реакции подразделяются на каталитические (протекающие в присутствии катализаторов) и некаталитические (идущие без катализаторов). В уравнениях каталитических реакций химическая формула катализатора записывается над знаком равенства или обратимости.
Скорость химических реакций
Скорость химической реакции показывает, как изменяется концентрация реагирующих веществ в единицу времени. Скорость реакции тем выше, чем больше количество реагирующих веществ и чем меньше время самой реакции. Данные процессы изучаются специальным разделом химии – химической кинетикой.
Скорость химических реакций зависит от следующих условий: наличие катализатора, степень измельченности реагирующих веществ, давление и температура, природа веществ, вступающих в реакцию, концентрация реагентов.
В соответствие с правилом Вант-Гофа в случае возрастания температуры на каждые 10 градусов по Цельсию скорость химической реакции увеличивается в 2-4 раза.
Признаки химических реакций
В результате химических реакций происходит превращение одних веществ в другие. При этом изменяются не только сами вещества, но и их свойства. Такие изменения и являются признаками химических реакций. К ним относятся:
- Яркое свечение и выделение или поглощение тепла
При горении магния выделяется много теплоты и излучается яркий свет.
- Выделение газа
При нагревании порошка малахита в пробирке образуется углекислый газ, вода и оксид меди CuO.
- Образование или растворение осадка
При сливании известковой воды и раствора соды образуется белый осадок, который может легко раствориться в уксусе.
- Изменение цвета и запаха
В процессе горения спички образуется специфический запах, кроме того, изменяется цвет пламени и выделяется тепло.
3 темы, которые знает любой старшеклассник
Спорим, хотя бы одна из них вам неизвестна? Давайте проверим.
- Строение и свойства кристаллических решеток
- Что такое валентность
- Как пользоваться таблицей Менделеева
Популярные вопросы и ответы
Отвечает Анастасия Чистякова, старший методист по естественно-научному направлению Домашней школы «ИнтернетУрок».
Какие факторы влияют на скорость химической реакции?
Скорость химической реакции зависит от целого ряда факторов.
1. Природа веществ, вступающих в химическую реакцию. Так, чем активнее металл, тем он быстрее окисляется и более бурно взаимодействует с водой. Знание природы реагирующих веществ позволяет предсказать скорость протекания химической реакции.
2. Концентрация реагентов. Чем выше их концентрация, тем больше скорость реакции, поскольку с увеличением концентрации возрастает количество столкновений молекул реагирующих веществ. Например, горение в чистом кислороде идет гораздо активнее, чем на воздухе, так как концентрация кислорода в воздушной среде в пять раз ниже.
3. Площадь поверхности реагирующих веществ. Чем эта площадь больше, тем выше скорость реакции. Твердые вещества поэтому измельчают, а жидкости – распыляют. К примеру, если кусок мрамора превратить в порошок, то его реакция с соляной кислотой намного ускорится.
4. Температура. Повышение температуры на каждый градус ведет к возрастанию скорости реакции. Это связано с увеличение числа активных молекул, имеющих повышенную энергию, способствующую вступлению веществ в химическую реакцию.
5. Давление. Оно оказывает существенное воздействие на скорость реакции в газообразном состоянии. При увеличении давления скорость реакции возрастает, что объясняется повышением концентрации молекул реагирующих веществ.
6. Катализатор. Скорость реакции увеличивается в присутствии специальных веществ – катализаторов. Они образуют промежуточные вещества, которые более активно реагируют между собой. При этом сам катализатор в процессе реакции не расходуется. Существуют также вещества, замедляющие процесс реакции (ингибиторы).
1. Природа веществ, вступающих в химическую реакцию. Так, чем активнее металл, тем он быстрее окисляется и более бурно взаимодействует с водой. Знание природы реагирующих веществ позволяет предсказать скорость протекания химической реакции.
2. Концентрация реагентов. Чем выше их концентрация, тем больше скорость реакции, поскольку с увеличением концентрации возрастает количество столкновений молекул реагирующих веществ. Например, горение в чистом кислороде идет гораздо активнее, чем на воздухе, так как концентрация кислорода в воздушной среде в пять раз ниже.
3. Площадь поверхности реагирующих веществ. Чем эта площадь больше, тем выше скорость реакции. Твердые вещества поэтому измельчают, а жидкости – распыляют. К примеру, если кусок мрамора превратить в порошок, то его реакция с соляной кислотой намного ускорится.
4. Температура. Повышение температуры на каждый градус ведет к возрастанию скорости реакции. Это связано с увеличение числа активных молекул, имеющих повышенную энергию, способствующую вступлению веществ в химическую реакцию.
5. Давление. Оно оказывает существенное воздействие на скорость реакции в газообразном состоянии. При увеличении давления скорость реакции возрастает, что объясняется повышением концентрации молекул реагирующих веществ.
6. Катализатор. Скорость реакции увеличивается в присутствии специальных веществ – катализаторов. Они образуют промежуточные вещества, которые более активно реагируют между собой. При этом сам катализатор в процессе реакции не расходуется. Существуют также вещества, замедляющие процесс реакции (ингибиторы).
Какие химические реакции протекают в организме человека?
В организме человека постоянно идут различные химические реакции, которые по своей эффективности намного превосходят аналогичные процессы в лабораторных условиях. Этому способствуют особые вещества – ферменты, являющиеся биологическими катализаторами. В настоящее время известно несколько тысяч белков-ферментов, каждый из которых участвует в строго определенной химической реакции.
В организме человека происходит расщепление пищи, когда жиры и сахара превращаются в воду и углекислый газ. При этом высвобождается энергия, идущая на жизнеобеспечение организма. В процессе дыхания кислород превращается в углекислый газ. В ходе деления ДНК из одной молекулы образуются две.
Человеческий организм нуждается в минеральных веществах и витаминах, которые он не может получить непосредственно из пищи. В данном случае также необходимы химические реакции, которые способствуют образованию и усвоению этих веществ.
В организме человека происходит расщепление пищи, когда жиры и сахара превращаются в воду и углекислый газ. При этом высвобождается энергия, идущая на жизнеобеспечение организма. В процессе дыхания кислород превращается в углекислый газ. В ходе деления ДНК из одной молекулы образуются две.
Человеческий организм нуждается в минеральных веществах и витаминах, которые он не может получить непосредственно из пищи. В данном случае также необходимы химические реакции, которые способствуют образованию и усвоению этих веществ.
Какие химические реакции встречаются в природе?
В природе химические реакции происходят постоянно, однако их нельзя путать с физическими процессами. Если вода испаряется, она просто меняет свое агрегатное состояние, а молекулы воды остаются без изменения. А вот в процессе фотосинтеза в зеленом растении на свету осуществляется взаимодействие молекул воды с углекислым газом, в результате чего образуется глюкоза и выделяется кислород. Во время грозы идет химическая реакция образования озона из кислорода. Химические процессы связаны также с гниением органических веществ, прокисанием молока, брожением сахара. Появление ржавчины на металле – это еще одна химическая реакция. Когда в чайнике оседает накипь, мы и не подозреваем, что это то же самое химическое взаимодействие, которое приводит к возникновению сталактитов в пещере. И в том, и в другом случае образуется карбонат кальция.
