Что такое химическая реакция?

Одна молекула метана и две молекулы кислорода превращаются в одну молекулу углекислого газа и две молекулы воды. Ни один атом при этом не теряется.

Зажги газовую плиту: появится голубое пламя. Кажется, что поступают только газ и воздух, а выделяется лишь тепло. Но произошла полная перемена. Метан из газа и кислород из воздуха исчезли, а вместо них образовались углекислый газ и водяной пар. Это химическая реакция: вещества превращаются в другие вещества, потому что их атомы разрывают прежние связи и образуют новые.

Химические и физические явления

Растопи кубик льда: это по-прежнему вода. Раствори сахар в чае: молекулы сахара остаются молекулами сахара, только распределяются по жидкости. Это физические явления: вещество выглядит иначе, но его молекулы не меняются. При химическом превращении всегда образуются вещества, отличные от исходных. Ржавчина отличается от железа, кислорода и воды, из которых она возникла. Горение, приготовление, переваривание и гниение пищи относятся к химическим явлениям, поскольку всякий раз образуются новые вещества.

Обычно перегруппировку атомов увидеть нельзя, поэтому химики ищут внешние признаки. Там, где газа не было, он появляется: например, при смешивании соды с уксусом идут пузырьки. Меняется цвет: если оставить медную проволоку в растворе нитрата серебра, жидкость синеет, а на проволоке вырастают серые кристаллы серебра. При смешивании двух прозрачных растворов может образоваться твёрдое вещество: нитрат свинца и иодид калия дают ярко-жёлтый осадок. Тепло или свет выделяются, как в пламени, либо поглощаются. Ни один признак сам по себе не доказывает, что идёт реакция: при кипении воды тоже появляются пузырьки. Но вместе эти признаки помогают разобраться.

Как читать уравнение реакции

Химики записывают реакции уравнениями. Исходные вещества, реагенты, помещают слева. Образовавшиеся вещества, продукты реакции, пишут справа. Стрелка указывает направление превращения, а вещества с каждой стороны разделяют знаками плюса. Для горения метана уравнение имеет вид CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Маленькие цифры внутри формулы называются индексами и определяют состав вещества: в H₂O два атома водорода и один атом кислорода. Большие числа перед формулами называются коэффициентами и показывают, сколько частиц каждого вещества участвует в реакции. Коэффициент 1 не пишут.

Коэффициенты задают соотношение, а не точное число частиц. CH₄ + 2O₂ означает, что на одну молекулу метана приходятся две молекулы кислорода. Поэтому для 3 молекул метана нужны 6 молекул кислорода, а для одного моля метана нужны два моля кислорода. В скобках часто указывают состояние вещества: (s) означает твёрдое, (l) жидкое, (g) газообразное, (aq) растворённое в воде. С этими обозначениями уравнение горения метана записывают как CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l), если воду охладили до жидкого состояния.

Сравни несколько реакций в лаборатории выше. В каждой из них сохраняются все исходные атомы. Железо и кислород образуют оксид железа(III), основной компонент ржавчины. Карбонат кальция, минерал в составе известняка, при сильном нагревании распадается на оксид кальция и углекислый газ. Во всех случаях столбцы числа атомов в реагентах и продуктах совпадают. Об этом правиле пойдёт речь в следующем уроке.