Химическими реакциями называют процессы превращения одних веществ в другие. К химическим реакциям относятся сгорание топлива, коррозия металлов, выплавка металлов из руд, гниение, фотосинтез, промышленный синтез аммиака и пр. Каждой химической реакции соответствует химическое уравнение.
Химическое уравнение — это условная запись химической реакции с помощью химических формул и коэффициентов, например:
2Mg + O2 = 2MgO
FeS2 + 8HNO3(конц) = Fe(NO3)3 + 5NO↑ + 2H2SO4 + 2H2O
Такая запись отражает не только качественную, но и количественную информацию о ходе реакции. Так, из первого уравнения мы видим, что магний взаимодействует с кислородом с образованием оксида магния(II).
Это качественная информация. Мы видим также, что 2 моль атомов магния (48 г) взаимодействуют с 1 моль молекул кислорода (32 г) с образованием 2 моль оксида магния (80 г). Это количественная информация, содержащаяся в уравнении реакции.
Количественная информация основана на законе сохранения массы веществ, участвующих в реакции (М.В. Ломоносов, 1748, А. Лавуазье, 1789): «Масса веществ, участвующих в реакции, равна массе веществ, образующихся в ходе реакции». Объяснение этого закона даётся с позиций атомно-молекулярного учения: поскольку при химических реакциях атомы сохраняются, то масса атомов, вступивших в реакцию, равна массе атомов, содержащихся в продуктах реакции. На основании закона сохранения массы веществ можно проводить химические расчёты по уравнениям химических реакций.
Одни химические реакции могут протекать самопроизвольно, при простом контакте или смешивании веществ, а другие — только при определённых условиях.
Условиями протекания химических реакций могут быть:
— нагревание веществ,
— облучение светом или ультрафиолетом,
— действие катализатора,
— механическое воздействие на систему,
— действие высокого давления,
— воздействие электрического тока,
— использование специфического растворителя и др.
В таких случаях необходимо указать условия проведения реакции над стрелкой (знаком равенства), например:
N2 + 3H2 → 2NH3
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
Особенно важно указывать условия протекания реакций в органической химии, так как одни и те же реагенты образуют различные продукты в разных условиях. Так, при дегидратации этилового спирта могут образоваться и этилен, и диэтиловый эфир:
2С2Н5ОН → С2Н5-О-С2Н5 + Н2О
С2Н5ОН → СН2-СН2 + Н2О
В зависимости от условий, угарный газ СО и водород Н2 могут дать и метиловый спирт, и муравьиный альдегид, и синтетический бензин. Таких примеров можно привести достаточно много.
Если в ходе реакции выделяется (или поглощается) теплота, это отображается в уравнении химической реакции символом +Q (или –Q), например:
2Mg + O2 = 2MgO + Q
2NH3 = N2 + 3H2 – Q
Уравнение химической реакции с указанием теплового эффекта этой реакции называется термохимическим уравнением. Термохимическими уравнениями являются следующие:
H2 + Cl2 = 2HCl + 184 кДж
N2 + O2 = 2NO – 182 кДж
Из термохимического уравнения видно, что образование 2 моль хлороводорода из газообразных водорода и хлора сопровождается выделением 184 кДж теплоты (реакция экзотермическая). Отсюда можно заключить, что тепловой эффект образования HCl из простых веществ равен 92 кДж/моль. Напротив, образование оксида азота из простых веществ требует затрат энергии, этот процесс эндотермический.
О протекании химической реакции можно судить по ряду признаков, среди которых:
— выделение энергии (в виде теплоты или света),
— изменение окраски,
— выделение газа,
— появление запаха,
— образование осадка.
Так, при взаимодействии медного купороса и щёлочи:
CuSO4 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + Na2SO4
выпадает синий осадок гидроксида меди(II), указывая на факт прохождения химической реакции. Образование осадка отмечено в уравнении реакции стрелкой, направленной вниз.
При взаимодействии соды и серной кислоты происходит «вскипание» раствора, вызванное бурным выделением углекислого газа:
2NaHCO3 + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O + 2CO2↑
Выделение газа обозначено в уравнении стрелкой, направленной вверх.
При взаимодействии магния с кислородом
2Mg + O2 = 2MgO + Q
признаками реакции являются: образование белого порошка (MgO) и выделение энергии в виде яркого света.