Химическая «кухня»
Химическая «кухня»
В этой главе…
Xимики заняты множеством дел: проводят измерения, чтобы изучить физические свойства веществ, анализируют смеси, чтобы выяснить их состав, создают новые вещества. Процесс создания химических соединений называется синтезом. Синтез, в свою очередь, зависит от химических реакций. Все-таки как замечательно быть химиком-специалистом по органическому синтезу и работать над созданием новых и важных соединений! Только представьте себе кропотливую работу в течение нескольких месяцев или даже лет, наконец-то увенчавшуюся крошечной щепоткой вещества, которое никто на свете еще никогда не видел…
В этой главе речь идет о химических реакциях — об их классификации, о реагентах и продуктах, а также о том, как написать для реакции сбалансированное химическое уравнение. Кроме того, вы узнаете, что такое химическое равновесие и почему в результате реакции полученное количество продукта всегда меньше расчетного значения. В конце главы рассматриваются факторы, влияющие на скорость реакции, в частности вы узнаете, почему, закончив праздновать День благодарения, не следует оставлять на столе традиционную индейку.
Чтo вы имеете и чтo получете: реагенты и продукты реакции
В результате химических реакций из одних веществ (элементов и/или соединений) получаются другие (соединения и/или элементы). Путем химической реакции нельзя превратить один элемент в другой; это возможно лишь при ядерной реакции (см. главу 5, «Ядерная химия, которая поразит ваше воображение»). Однако благодаря химическим реакциям можно получить новое вещество.
На то, что происходит химическая реакция, может указывать целый ряд признаков. Например, можно наглядно увидеть, что образуется газ, выделяется или поглощается тепло, наблюдается изменение цвета и т. д. Химические вещества, вступающие в реакцию, называются реагентами, а вещества, полученные в результате, — продуктами реакции. В химических уравнениях, как правило, указываются реагенты и продукты реакции, а также другие факто-
ры, например изменение энергии, наличие катализаторов и пр. В этих уравнениях на направление протекания реакции указывает стрелка. Общий вид химической реакции можно записать следующим образом:
реагенты — продукты реакции.
В качестве примера рассмотрим реакцию, которая происходит, когда вы подносите горящую спичку к газовой конфорке, чтобы приготовить себе на завтрак яичницу. Метан (природный газ) реагирует с кислородом воздуха, в результате чего образуется диоксид углерода и водяной пар. (Если конфорка на плите плохо отрегулирована, то наряду с диоксидом углерода образуется некоторое количество оксида углерода.) Химическое уравнение этой реакции приведено ниже.
СН4(г) + 202(г) — CO2(f) + 2Н20(г)
Прочитать это уравнение можно следующим образом: одна молекула газообразного метана, СН4(г), вступает в реакцию с двумя молекулами газообразного кислорода, 02(г), в результате чего образуется одна молекула газа диоксида углерода, С02(г), а также две молекулы водяного пара, Н20(г). Числа, расположенные перед компонентами химической реакции (в нашем случае это 2 перед кислородом и водяным паром), называются коэффициентами реакции. Они указывают количество каждого химического компонента, который является реагентом или продуктом реакции. О том, как вычислять значения коэффициентов, речь идет далее в главе, в разделе «Баланс химических реакций».
Метан и кислород являются реагентами (кислород — это диатомный, или двухатомный, элемент), а диоксид углерода и вода — продуктами реакции. Все названные реагенты и продукты реакции — это газы (на что в скобках указывает буква «г»).
Все реагенты и продукты этой реакции невидимы человеческому глазу. Признаком ее протекания является выделение тепла. Кстати, это хороший пример экзотермической реакции, т. е. реакции, в ходе которой выделяется энергия. Существует много экзотермических реакций. Впрочем, в ходе некоторых реакций, которые называются эндотермическими, энергия не освобождается, а наоборот поглощается. Приготовление пищи включает в себя много эндотермических реакций, например приготовление яичницы. Нельзя, не нагрев сковороды, вылить на нее яйца и ждать, что произойдут мириады химических реакций (если вы только не находитесь в августе в Техасе; вот тогда сковорода будет достаточно хорошо нагрета солнцем).
Мысли о приготовлении яичницы заставляют обдумать еще одну тему, связанную с экзотермическими реакциями. Метан, который появляется при включении конфорки, нужно зажечь с помощью спички, зажигалки, постоянно включенной миниатюрной газовой горелки или электрического воспламенителя. Другими словами, чтобы началась реакция, требуется израсходовать немного энергии. Энергия, необходимая для того, чтобы началась реакция, называется энергией активации реакции. (В следующем разделе вы узнаете, что также имеется энергия активации, связанная с эндотермическими реакциями, но это уже не столь очевидно.)
Однако что же происходит на молекулярном уровне, когда метан вступает в реакцию с кислородом? Ответ на этот вопрос вы найдете в следующем разделе.