Химическая реакция — это преобразование, происходящее, когда несколько химических веществ вступают в контакт, или когда один химический вид получает внешний источник энергии, что приводит к появлению новых химических видов или элементов.
Химия
Фундаментальная операция, посредством которой создаются новые вещества, химическая реакция состоит в трансформации материи. При этом атомы молекул реагентов разделяются, а затем перестраиваются, чтобы создать новые молекулы, которые составляют продукты реакции. Перед началом реакции необходимо задуматься, будут ли вещества, вступающие в контакт, реагировать с образованием ожидаемых продуктов. Большинство химических реакций протекают в благоприятном направлении. В некоторых случаях происходит противоположное желаемой реакции! Решение этой проблемы требует использования знаний по химической термодинамики.
Когда реакция «возможна» — тогда она имеет тенденцию происходить спонтанно в заданном направлении — важно знать ее скорость. Это обуславливает переход из лаборатории в промышленное производство, которое должно функционировать бесперебойно и без преждевременных реакций.
Механизмы реакции
Химическая реакция сопровождается перестройками в положении атомов, а также изменениями в межатомных связях. То, как эти изменения происходят во времени, является механизмом реакции.
Очень часто химическая реакция может быть разбита на более простые реакции, называемые элементарными реакциями. Например, окисление HI (йодистого водорода) H2O2 (перекисью водорода) происходит в две стадии:
- HI + H2O2 → HOI + H2O
- HOI + HI → I2 + Н2О,
что в общем можно записать так: 2HI + H2O2 → I2 + 2H2O .
В этой схеме частицы HOI, которые создаются в реакции (1), но потребляются в реакции (2), являются промежуточным продуктом реакции. Срок его службы может быть очень коротким, но в принципе он измерим. Этот промежуточный продукт можно наблюдать с помощью спектроскопических методов.
Если мы теперь рассмотрим элементарную реакцию (реакция, происходящая за один шаг), мы можем указать синхронизацию между движениями разных атомов. Простейшим примером является реакция замещения, во время которой происходит согласованное движение атомов. Они проходят через нестабильную геометрическую конфигурацию, называемую активированным комплексом, которая реализуется только в течение времени порядка периода молекулярной вибрации (10-13 с).
Написание химических реакций
Количественные реакции
Со времени введения в 1815 году бароном Йенсом Якобом Берцелиусом представления химических элементов символами, с которыми связаны атомные массы, химические реакции описывались химическими уравнениями, в которых появляются формулы исходных химических частиц и окончательный результат реакции.
Эти уравнения, однако, предоставляют гораздо больше информации, чем простое качественное указание элементов, которые вступают в реакцию, и тех элементов, которые образуются в конце реакции: знание атомных масс (которые были установлены с большой точностью при исключении радиоактивных элементов) позволяет количественно определить массы реагентов, которые должны быть приведены в контакт для получения продуктов реакции без остатка в виде осадка или не вступивших во взаимодействия элементов.
Таким образом, путем взаимодействия алюминия (Al) и серы (S), сульфид алюминия (Al2S3) получается в соответствии с реакцией: 2Al + 3S → Al2S3. Коэффициенты, помещенные перед химическими символами (называемые стехиометрическими коэффициентами), представляют собой число молей каждого реагента, которые должны присутствовать для завершения реакции. Два моля алюминия (с молярной массой М = 27 г), то есть 54 г, смешанных с тремя молями серы (М = 32 г), то есть 96 г, дают, таким образом, один моль Al2S3.(М=2 × 27 + 3 × 32 = 150 г). Реакция завершается до тех пор, пока соблюдается соотношение 54/96. Выразим, в этом примере, закон сохранения массы Лавуазье, согласно которому масса вещества, образующегося в результате химической реакции равна массе исходных веществ.
Это означает, в частности, что химическое уравнение должно всегда показывать символ элемента в правой части химического уравнения столько раз, сколько в его левой части (исходные реагенты).
В случае, когда в реакции участвует газ, как в реакции полного окисления железа диоксидом: 3Fe + 2O2 → Fe3O4, более полезно использовать молярный объем (одинаковый для всех газов), который составляет 22,4 л при 0°С. Таким образом, 3 моля железа (М = 56 г) или 168 г реагируют с 2 молями кислорода, т.е. 44,8 л, с получением одного моля оксида железа (М = 3 × 56 + 4 × 16), то есть 232 г Fe3O4.
Полная или ограниченная реакция
Химические уравнения также используются, чтобы указать, являются ли реакции, которые они представляют, полными или ограниченными. Когда реакция завершена, она выражается в уравнении стрелкой, направленной слева направо (→), расположенной между формулами исходных реагентов и формул образовавшихся веществ.
Когда реакция ограничена, она приводит к химическому равновесию, это выражается двумя стрелками противоположных направлений (⇄) при написании уравнения: таким образом, указывается, что в условиях эксперимента (давление, температура), в котором происходит реакция, химические частицы, упомянутые слева, частично реагируют друг с другом с образованием веществ, упомянутых справа, но что при тех же условиях химические частицы справа могут частично реагировать друг с другом, образуя элементы слева,
Так обстоит дело с уксусной кислотой и этанолом, которые при объединении в эквимолярной пропорции, при комнатной температуре, лишь частично реагируют, образуя этилацетат и воду:
СН3СООН + СН3-СН2-ОН ⇄ СН3СОО-СН2-СН3+Н2О.
При тех же условиях, если мы помещаем этилацетат и воду в эквимолярной пропорции, они частично превращаются в уксусную кислоту и этанол, и полученное состояние равновесия идентично в оба направления.
Катализ и скорость реакции
Некоторые химические реакции имеют место только в присутствии очень специфических веществ, называемых катализаторами, которые помогают продуктам образовываться, но не входят в состав продуктов в реакции. Например, внутри клетки биохимические реакции обычно катализируются специфическими белками, называемыми ферментами, и ферментов почти столько же, сколько и химических реакций.
Выделив в 1833 году амилазу, фермент, способный расщеплять крахмал, Ансельме Пайен и Жан-Франсуа Персоз продемонстрировали важность этих катализаторов (которые они называли в то время диастазами). Эти ферменты позволяют извлекать энергию, содержащуюся в длинных углеродных цепях, например, в пище человека. Таким образом, липаза помогает переваривать жиры, расщепляя их на более простые элементы, называемые жирными кислотами, лактаза расщепляет лактозу или молочный сахар на усваиваемые сахара (глюкозу и галактозу).
Скорость химической реакции является определяющим фактором: она зависит, в частности, от температуры и концентрации присутствующих реагентов. Одна реакция может произойти мгновенно, в то время как другая займет очень много времени. Например, окисление железа на открытом воздухе, ржавчина, может длиться дни или даже годы, если воздух сухой. С другой стороны, взрыв нитроглицерина является проявлением чрезвычайно быстрой химической реакции, которая высвобождает большое количество газа за очень короткое время: отсюда и разрушения, вызванное ударной волной взрыва.
Химическая реакция и умение ее правильно записывать является необходимым условием проверки на знание химии, поэтому задания на составление химической реакции, а также проверки правильности ее написания есть в ЕГЭ по химии.
