Химическая реакция
В переводе с латыни «реакция» означает «противодействие», «отпор», «ответное действие». Следовательно, термин «химическая реакция» можно понимать как ответное действие вещества на воздействие извне других веществ и физических факторов — тепла, давления, излучения... Но под такое определение подпадают и физические процессы: плавление, кипение, замерзание и др. Поэтому следует уточнить, что химическая реакция — это такое изменение вещества, при котором разрываются старые и образуются новые связи между атомами.
Химические реакции непрерывно происходят как вокруг нас в природе, так и в клетках нашего организма. Некоторыми химическими реакциями человек овладел тысячи лет назад, когда научился выплавлять металлы из руд, обжигать глину, дубить кожу. Но разумно объяснить суть происходящих при этом химических превращений древние мастера не могли. Прошли многие века, в результате наблюдений были накоплены тысячи фактов, ученые систематизировали эти факты, сформулировали идеи и теории. Так с развитием познания человечество от эмпирического знания перешло к научному исследованию.
Важное значение для понимания сущности химических превращений имеют атомно-молекулярное учение, идеи о химической связи между атомами, об энергии, которую нужно затратить для разрыва связей или получить при образовании новых связей. В химической науке накоплены знания о тысячах химических реакций. Целая армия исследователей в лабораториях всех стран продолжает их расширять и углублять. В школьном курсе химии рассказывается о некоторых типах химических реакций: о реакциях разложения, соединения, замещения, окисления и др. В каждой области химии существует своя классификация по типам химических реакций.
Сумма накопленных знаний столь велика, что химикам в зависимости от характера реакций, которые они изучают, пришлось разделиться на органиков, неоргаников, аналитиков, специалистов в области химического синтеза, катализа, высокомолекулярных соединений, биохимиков, фармацевтов и т. д.
Что значит изучать химическую реакцию? Это значит искать ответы на вопросы: почему она происходит? Каков ее механизм? От чего и как зависят ее скорость и степень превращения исходных веществ в продукты? Какие катализаторы способны ее ускорить и какие ингибиторы — замедлить?
На вопрос, почему происходит данная химическая реакция, в начале XIX в. ученые отвечали: «Потому что данные вещества имеют химическое сродство друг к другу». Какова природа этого сродства, точно не знали. В 60—70-х гг. было высказано предположение, что движущей силой химической реакции является теплота, выделяемая при ее протекании. По этой гипотезе все химические реакции должны быть экзотермичными (проходящими с. выделением тепла) и чем больше выделяется теплоты, тем быстрее они должны протекать. Но были открыты и эндотермич-ные реакции, которые идут с поглощением теплоты, и от гипотезы пришлось отказаться.
Правильный ответ на поставленный вопрос был получен только после изучения обратимых химических реакций в условиях химического равновесия. Химическое равновесие — это устойчивое состояние исходных реагентов и продуктов, при котором реакция в прямом и обратном направлениях протекает с одинаковой скоростью. Уравнение обратимой реакции можно записать так:
А + В ↔ C + D.
Если увеличить концентрацию веществ, обозначенных в левой части уравнения, то равновесие сместится вправо или в направлении течения прямой реакции. Увеличив концентрацию веществ в правой части уравнения, можно сдвинуть равновесие в обратную сторону, заставив реакцию идти преимущественно в обратном направлении. Сдвиг равновесия вызывает также изменение внешних условий — температуры, давления...
Таким образом, «движущая сила» реакции зависит не только от природы реагентов и образующихся продуктов (их состава, строения), но и от концентраций веществ, температуры и давления.
В конце XIX в. благодаря развитию новой научной дисциплины — химической термодинамики удалось сформулировать количественное представление о движущей силе реакции. Было введено понятие о новой величине — термодинамическом потенциале системы. Эта величина обозначается буквой G и иногда называется свободной энергией системы.
Изменение термодинамического потенциала ΔG (так называемой энергии Гиббса) в ходе химической реакции, протекающей при постоянном давлении и постоянной температуре, определяется уравнением:
ΔG = ΔН — TΔS.
В этом уравнении ΔН — изменение энтальпии (теплосодержания). Если реакция протекает с выделением теплоты, то теплосодержание ее продуктов меньше, чем теплосодержание исходных реагентов, и величина ΔН отрицательна. Для эндотермичных реакций, наоборот, энтальпия возрастает и ΔН положительна. Т — температура в градусах абсолютной шкалы. ΔS — изменение энтропии системы. Значение энтропии — величины, характеризующей тепловое состояние тела,— зависит от степени упорядоченности системы. Например, при полимеризации хаотически движущиеся маленькие молекулы мономеров превращаются в огромные макромолекулы полимеров, в которых движение отдельных мономерных звеньев затруднено и ограничено только вращением и колебанием вокруг главной оси макромолекулы. Энтропия системы при полимеризации, таким образом, уменьшается. Если же при химической реакции из сложных больших молекул будут получаться маленькие, слабо взаимодействующие друг с другом, то энтропия системы в этом случае будет увеличиваться. При температуре, равной абсолютному нулю градусов, энтропия кристаллического вещества равна нулю. Это означает, что никакого молекулярного движения при таких условиях не происходит.
Для того чтобы реакция шла в прямом направлении, необходимо, чтобы термодинамический потенциал системы уменьшался: ΔG<0. Если ΔG>0, то реакция может идти только в обратном направлении. Значение ΔG=0 соответствует условию химического равновесия.
Термодинамика дала в руки химиков мощное оружие для оценки возможных и невозможных направлений химических реакций. Если расчет показывает, что для планируемой реакции AG>0, то химик изменяет ее условия таким образом, чтобы обеспечить уменьшение термодинамического потенциала в ходе реакции. Способы воздействия могут быть самые разные: изменение температуры, давления, концентрации реагирующих веществ. Учитывают также влияние растворителей, соединений, способных образовывать комплексы с реагентами и продуктами.
Термодинамические расчеты помогают установить, вероятна ли данная химическая реакция, но ничего не говорят о ее скорости, выходе продуктов. Реакция водорода с кислородом, например, при комнатной температуре термодинамически возможна, но в замкнутом сосуде в темноте смесь названных газов можно держать годы: выход продукта их реакции — воды — будет ничтожным. Ответы на вопросы о том, какова скорость реакции, от чего она зависит и какова степень превращения реагентов в продукты, химик может получить, только изучив кинетику протекания данной реакции (см. Кинетика химическая).
Для записи химических реакций используют уравнения, молекулы реагирующих веществ и продуктов изображаются с помощью химических формул. Чтобы записать уравнение химической реакции, нужно знать точные химические формулы молекул всех реагирующих веществ и продуктов. Числовые коэффициенты для каждой формулы подбираются так, чтобы число атомов всех элементов в левой части уравнения было равно числу атомов этих же элементов в правой части.
По уравнениям химических реакций можно рассчитать массы реагирующих веществ и продуктов реакции.
