Мир глазами химика
Учебное пособие к пропедевтическому курсу химии 7 класса
ГЛАВА 3. ПОЧЕМУ И КАК ПРОТЕКАЮТ ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ?
3.1. Изучаем признаки реакций
Мы с вами в главе 1 говорили о пламени свечи. Вернемся к ней. Ведь горение свечи – это не что иное, как химическая реакция. Когда-то свечи были единственным источником света в темное время суток. Они горели в домах, в храмах и театральных залах. О них писали поэты. Вспомните стихи Б.Пастернака:
Мело, мело по всей земле
Во все пределы.
Свеча горела на столе,
Свеча горела.
Люди, далекие от науки, нередко горение свечи связывают с чем-то мистическим, хотя уже в прошлом веке замечательный английский ученый М.Фарадей (1791–1867) читал лекцию «История свечи», которая была опубликована1.
Итак, почему же свеча горит? Такой же вопрос можно задать и по поводу горения газа в плите, спирта в спиртовке, дров в печке, в камине или в костре.
И всякий раз мы наблюдаем, что при горении выделяются свет и тепло, т. е. тепловая и световая энергия. Откуда же она берется? Почему свеча сама собой не загорается? А если зажечь свечу и сверху накрыть ее стаканом или колпаком, то почему она со временем погаснет? Можете вы на все эти вопросы ответить?
А впрочем... к нам приближаются два химика. Прислушаемся к тому, о чем они спорят. Кажется, они, как и мы, ищут ответа на поставленные вопросы.
1-й химик. Коллега, что может быть проще? Происходит обычная химическая реакция.
Вещество свечи (а это – либо воск, либо парафин, стеарин, или даже сало) относится к органическим веществам. Некоторые из этих веществ образуются в результате жизнедеятельности организмов. Например, вы не хуже меня знаете, что воск вырабатывается пчелами. Мы также знаем, что в земной атмосфере содержится кислород в виде молекул О2. В процессе горения вещество свечи вступает в реакцию с кислородом воздуха, в результате чего образуются углекислый газ и водяной пар.
2-й химик. Но вы не ответили на вопрос, коллега. Во-первых, вы не доказали, что происходит именно химическая реакция. А во-вторых, совсем не объяснили, почему она возникает и почему свечу, чтобы она загорелась, надо обязательно поджечь.
1-й химик. Для ответа на Ваш первый вопрос не мешало бы вспомнить признаки химической реакции, чтобы уловить ее проявления. Химическая реакция сопровождается образованием новых веществ. Они называются продуктами реакции. В нашем случае это углекислый газ и вода. А первоначально вступили между собой в реакцию вещество свечи и кислород воздуха. Они называются исходными веществами. Если мы докажем, что новые вещества образовались, то это означает, что химическая реакция произошла.
С этим утверждением нашего
авторитетного собеседника трудно спорить, а
потому поспешим убедиться в их справедливости.
Иногда образование новых веществ видно простым
глазом (визуально), а иногда продукты реакции
приходится специально исследовать. Мы знаем, что
каждое вещество обладает определенными
свойствами. Значит, нам надо уловить изменение
этих свойств. Это и будет признаком реакции, т. к.
свидетельствует об образовании нового вещества.
Попробуем внести в пламя спиртовки холодное
стекло. Мы обнаружим, что оно «запотело», что
указывает на образование в процессе реакции
воды. Ее в исходных веществах не было,
следовательно, произошла химическая реакция.
Уловить углекислый газ труднее, и мы пока не будем этого делать, а поставим другой опыт – опыт 3.1, позволяющий нам узнать еще один признак реакции.
Нальем в пробирку слабый раствор перманганата калия (он розового цвета) и добавим туда каплю лимонного сока. Заметили ли вы обесцвечивание раствора? Цвет – это свойство вещества. Если он меняется, то меняется и вещество, т. е. идет химическая реакция.
Теперь проделаем еще один опыт – опыт 3.2. Возьмем питьевую соду – известный всем белый порошок, который хозяйки кладут в тесто, и раствор уксусной кислоты в воде или уксус, который используют для приготовления маринадов. Заметим, что раствор бесцветен и прозрачен. Это наши исходные вещества. Поместим в пробирку немного питьевой соды и капнем на нее раствором уксусной кислоты. На поверхности порошка мы увидим пену, образующуюся из-за бурного выделения углекислого газа (рис. 3.1). Но ведь до реакции никакого газа не было. Следовательно, образовалось новое вещество – углекислый газ. Кроме углекислого газа образуется еще соль (ацетат натрия), которую мы не видим, т. к. ее раствор бесцветен.
Углекислый газ и ацетат натрия – это продукты реакции.
Проделаем еще один опыт – опыт 3.3.
В качестве исходных веществ возьмем голубой
прозрачный раствор медного купороса и
бесцветный прозрачный раствор щелочи. Смешаем их
в пробирке (рис. 3.2). Реакция протекает мгновенно.
Какие изменения вы заметили? Обратили ли вы
внимание на то, что полученная смесь растворов
перестала быть прозрачной? Внутри образовалось
студенистое голубое вещество, которое, если
немного подождать, выпадет в осадок. Этот осадок
и есть продукт реакции – новое вещество, в воде
уже нерастворимое. Нам неважно в данном случае,
что вместе с ним образуется еще одно хорошо
растворимое вещество, его мы не замечаем.
Главное, что мы заметили, – образование нового
вещества (осадка). Следовательно, реакция
произошла. Ее признак – образование осадка.
Признаком химической реакции является и изменение запаса энергии, как, например, в случае горения свечи, при котором выделяется тепловая и световая энергия. Ведь изменение запаса энергии говорит о том, что происходит также изменение исходных веществ. Химическая реакция, в процессе которой выделяется тепловая энергия, называется экзотермической (от греческих слов «экзо» – наружу и «термо» – теплота).
Итак, какие признаки химических реакций вам удалось запомнить? Чтобы проверить себя, заполните пропуски в следующей фразе:
«Признаками химической реакции являются выпадение ......................, выделение пузырьков ..............., изменение .................., а также изменение запаса .................. вещества».
А теперь на каждое вставленное в пропуск слово приведите пример.
Можно привести примеры из тех, что содержатся в тексте параграфа 3.1, а можно и поискать их в предыдущих главах книги. Это будет еще интереснее и полезнее.
3.2. Изменение запаса энергии – не только признак, но и одна из причин протекания реакции
Заметим, что каждое вещество характеризуется запасом энергии или теплотой образования, которая измеряется количеством тепла или энергии, затрачиваемой для образования этого вещества из атомов. Энергия в веществе запасается в различных формах, например, это может быть энергия химических связей или кинетическая энергия отдельных атомов. Запасенная в веществе энергия также зависит от его агрегатного состояния, давления, под которым находится вещество, и от ряда других обстоятельств. Оказывается, что в процессе горения запас энергии в образовавшихся веществах значительно меньше, чем в исходных. Полученная в результате горения «лишняя» энергия выделяется в виде тепла и света. Другими словами, процесс горения протекает с выделением тепловой энергии.
Можно представить себе и обратную реакцию, в результате которой будут образовываться вещество свечи и кислород из углекислого газа и водяного пара. Понятно, что этот процесс будет идти с поглощением энергии, причем количество поглощенной энергии будет совпадать с количеством энергии, выделившейся при горении. Такие химические реакции называются эндотермическими («эндо» – по-гречески «внутрь»).
Изменение запаса энергии – это не только признак, но и одна из причин, но не единственная, самопроизвольного2 протекания химической реакции. Мы знаем, что самопроизвольно протекают обычно те процессы, которые выгодны энергетически. А что это значит – выгодны энергетически? Применительно к энергии это значит: чем меньше, тем лучше. Следовательно, процесс должен идти в направлении уменьшения полной энергии вещества. Например, если мы выпустим из руки стеклянный стакан, то он упадет на пол, его энергия уменьшится, а «лишняя» энергия потратится частично на его разрушение, т. к. стакан разобьется.
Казалось бы, что и в случае химических реакций их возможность должна определяться разницей между полными энергиями исходных веществ и продуктов реакции, т. е. если реакция экзотермическая, то она должна происходить, а если эндотермическая, то – нет. Однако это не всегда так.
Например, при комнатной температуре металл ртуть вступает в реакцию с кислородом воздуха и образует новое вещество – оксид ртути. При этом выделяется тепловая энергия. Если мы будем повышать температуру, то при температуре выше 400 °С начинает идти обратная реакция – реакция разложения оксида ртути, сопровождающаяся поглощением тепла. Таким образом, мы видим что возможно протекание как прямых, так и обратных реакций, но преобладание одного процесса над другим в большой степени зависит от условий, в которых находятся вещества (в данном случае – от температуры).
Это можно представить следующим образом в виде таблицы.
Будем условно называть реакцию образования оксида ртути из ртути и кислорода прямой, а образование ртути и кислорода из оксида ртути – обратной.
Проделаем следующий опыт – опыт
3.4. Возьмем зеленоватый порошок малахита. Да,
да, того самого малахита, о котором писал
уральский сказочник П.П.Бажов в своих сказках о
малахитовой шкатулке и Хозяйке медной горы (не
случайно медной, потому что в состав малахита
входит элемент медь).
Малахитом облицованы, например, колонны и стены комнат Зимнего дворца в С.-Петербурге. Из малахита делают также бусы, серьги, браслеты и другие украшения. Заметим, что кроме меди в состав малахита входят элементы – углерод, водород и кислород.
Проведем опыт. Для этого нам потребуется пробирка, Г-образная стеклянная трубка, пропущенная через резиновую пробку, малахит, известковая вода, штатив с лапкой, спиртовка и спички. Соберем прибор, изображенный на рис. 3.3. Собрать его надо правильно.
На рисунке видно, что в пробирку (1) вставлена резиновая пробка (2), через которую пропущена стеклянная трубка (3). (Пробку надо подобрать по размеру так, чтобы она входила в пробирку примерно, на одну треть своей длины и держалась в ней плотно, не позволяя воздуху попадать в пробирку, т. е. собранный прибор должен быть герметичным.)
Пробку вращательным движением нужно вставить в отверстие пробирки (рис. 3.4). При этом пробирку надо держать левой рукой около отверстия, а правой – резиновую пробку с трубкой.
Внимание! Ни в коем случае нельзя вставлять пробку, держа стеклянную трубку в месте изгиба! Это только на первый взгляд кажется удобнее, но это самое хрупкое место, и если вы за него будете держать трубку, то она обязательно сломается и ее осколки поранят вам руки.
Итак, прибор собран, но прежде чем
им пользоваться, надо проверить его
герметичность. Для этого возьмем стакан с
водой (рис. 3.5), опустим свободный конец трубки
в воду, а пробирку согреем рукой. Воздух в
пробирке расширится, и часть его в виде пузырьков
выйдет через трубку в воду (пробулькнет). Если это
произойдет, значит, прибор герметичен.
Теперь вынем пробку и насыплем в пробирку порошок малахита слоем толщиной 1 см, после чего пробку снова вставим в пробирку и укрепим последнюю в лапке штатива (4) как можно ближе к отверстию (см. рис. 3.3). Это позволит равномерно прогреть пробирку перед началом более сильного нагревания. Кроме того, обратите внимание на то, что донышко пробирки слегка приподнято. Зачем это сделано, станет ясно позднее. Пробирка должна быть укреплена достаточно высоко, чтобы под нее можно было подставить горелку или спиртовку (5).
Свободный конец трубки опустим в пробирку с известковой водой (6). Вы уже знаете из курса природоведения, что известковая вода используется для обнаружения углекислого газа, при прохождении которого она мутнеет.
Теперь зажигаем спиртовку
(или горелку) и начинаем нагревать малахит.
Сначала немного прогреем пробирку целиком, чтобы
стекло нагрелось равномерно (иначе она лопнет), а
затем начнем нагревать сам малахит. Через
некоторое время вы увидите, что малахит
почернеет, на стенках пробирки появится вода (7),
которая будет стекать к пробке, где пробирка
остается сравнительно холодной (поэтому мы и
придали прибору первоначально такой наклон: ведь
если бы его не было, вода могла бы попасть на
раскаленную часть пробирки, которая при этом
неминуемо лопнула бы), а через известковую воду
будет пробулькивать газ, от которого она
помутнеет. Следовательно, это углекислый газ.
Черное порошкообразное вещество, образовавшееся
в приборе после нагревания, – это оксид меди, в
состав которого входят медь и кислород, его
формула – CuО.
Позаботимся о безопасном окончании опыта. Нельзя прекращать нагревание, если конец трубки находится в известковой воде! Ведь как только нагревание прекратится, воздух в приборе начнет сжиматься, известковую воду сила атмосферного давления загонит в раскаленную пробирку, и она лопнет. Поэтому сначала надо поднять прибор вместе с лапкой по стержню штатива так высоко, чтобы конец трубки перестал касаться поверхности воды и только после этого прекратить нагрев.
Формула исходного вещества малахита Cu2CН2О5. (Запоминать специально формулы не надо, мы их будем часто употреблять, и они запомнятся сами.) Мы уверены, что вы уже запомнили и формулу воды Н2О, и формулу углекислого газа СО2.
Таким образом, в процессе реакции из одного вещества малахита образовались целых три: оксид меди, вода и углекислый газ. Такая реакция называется реакцией разложения. (Только что мы с вами говорили о еще одной реакции разложения. Какой?)
Оказывается, что получение этих веществ из малахита требует определенного количества теплоты. Вот почему нам пришлось проводить реакцию при нагревании, сообщая веществам дополнительную энергию. Химические реакции разложения обычно протекают с поглощением тепла, т. е. являются эндотермическими в отличие от экзотермических реакций, какими являются, например, реакции горения.
Прочтите эти стихи. Они помогут вам запомнить различие между экзо- и эндотермическими реакциями.
Займемся реакциями химическими,
Экзотермическими и эндотермическими.
Они, как противники энергетические, –
Экзотермические и эндотермические.Эндо – тепло подавай скорей,
Как в дом зимой тепло батарей.
Экзо – тепло само принесло,
Как будто бы лето к тебе пришло.
1Фарадей М. История свечи. М.: Наука, 1980.
2Выражение «реакция протекает самопроизвольно» означает, что она начинается и протекает сама собой.