Химические реакции

Основные понятия и закон сохранения массы

Запись химического превращения включает исходные вещества (реагенты), расположенные слева от стрелки, и продукты, находящиеся справа. Общий термин, объединяющий всех участников процесса, — реактанты.

Физический смысл любого уравнения заключается в том, что под каждой химической формулой скрывается одинаковое число $N$ структурных единиц. Во время реакции атомы не исчезают и не появляются из ниоткуда, происходит лишь их перегруппировка. Эта аксиома опирается на закон сохранения массы.

Исторически этот закон доказал М.В. Ломоносов в 1756 году. В то время было известно, что при прокаливании металлов на открытом воздухе их вес парадоксальным образом увеличивается. Ломоносов провел эксперимент, прокаливая металлы в запаянной стеклянной реторте. Взвешивание показало, что масса реторты с содержимым осталась абсолютно неизменной. Увеличение веса самого металла происходило исключительно за счет поглощения части воздуха внутри закрытого сосуда.

Признаки химических превращений

Химические процессы всегда сопровождаются изменениями, которые можно зафиксировать визуально или органолептически (с помощью органов чувств).

1. Энергетические эффекты. Процессы могут протекать с выделением огромного количества энергии. Это проявляется разогревом смеси, вспышками света или взрывами. Яркий пример — экзотермическое взаимодействие алюминиевой стружки с тяжелой красно-бурой жидкостью брома ($Br_2$), которое завершается интенсивной вспышкой.
2. Изменение окраски. Новые вещества обладают иными оптическими свойствами. Так, при добавлении бесцветного раствора аммиака к сульфату меди образуется комплексное соединение, дающее интенсивный фиолетовый цвет.
3. Выделение газа. Газы могут покидать растворы, расплавы и даже твердые смеси. Это выглядит как образование пены или подъем множества пузырьков. Важнейшим признаком также является запах (например, удушливый запах сернистого газа или резкий запах аммиака).
4. Образование осадков. При взаимодействии некоторых растворимых солей формируются нерастворимые соединения. Смешивание нитрата свинца и хромата калия дает ярко-желтый осадок хромата свинца.

При работе с реактивами необходимо строго соблюдать технику безопасности: защищать глаза, держать пробирки на расстоянии от лица, а опыты с ядовитыми и летучими соединениями проводить исключительно в вытяжном шкафу («тяге»).

Алгоритм расстановки коэффициентов

Стехиометрические коэффициенты ($ u$) необходимы для уравнивания числа атомов каждого элемента до и после превращения. Коэффициент, равный единице, никогда не пишется.

Базовый алгоритм балансировки:

• Начинать подсчет следует с тех элементов, число атомов которых отлично от единицы.
• Для уравнивания используется математическое наименьшее общее кратное (НОК).
• Элементы, входящие в состав большинства веществ в схеме (чаще всего это кислород), уравниваются в самую последнюю очередь.
• Коэффициенты не могут быть дробными. Если при подсчете требуется использовать дробь (например, 3,5 или 5,5 перед молекулой двухатомного газа), необходимо просто удвоить все найденные коэффициенты в уравнении.

После того как достигнут полный баланс атомов слева и справа, знак превращения в схеме (стрелка) заменяется на знак равенства.

Особенности многостадийных процессов и смесей

Многие химические реакции протекают ступенчато. Главный принцип последовательных реакций: продукт предыдущего этапа становится реагентом для следующего. Для таких процессов применимы законы алгебры — уравнения отдельных стадий можно складывать и вычитать, чтобы вывести итоговое суммарное уравнение.

Однако это правило категорически запрещено применять к смесям веществ, которые реагируют независимо друг от друга. Если, например, смесь опилок магния и алюминия одновременно сгорает в кислороде, идут две параллельные независимые реакции. Попытка сложить их уравнения математически приведет к ложным результатам, лишенным всякого химического смысла.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Метод подбора при уравнивании сложных реакций (окислительный обжиг хромита)
• Ступенчатое взаимодействие щелочей с кислотными оксидами на примере углекислого газа
• Методы лабораторного сбора и идентификации выделяющихся газов
• Термическое разложение сложных кислородсодержащих солей
• Историческое значение экспериментов А. Лавуазье и М.В. Ломоносова

Другие темы раздела «Глава 2. Химические реакции»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.