Химические процессы

Процессы превращения одних веществ в другие, отличающиеся по химическому составу или строению,называют химическими реакциями. В этих процессах из более простых веществ образуются более сложные по составу (реакции соединения), одни сложные вещества переходят в другие (реакции замещения и обмена) или сложные вещества разлагаются на более простые (реакции разложения). Химические реакции могут протекать как внутри одного вещества, так и в смесях различных веществ. При анализе они изображаются в виде уравнения реакции превращения реагентов (исходных веществ, взятых для проведения реакции) в продукты (новые вещества, образовавшиеся в результате протекания реакции). Например:

CuO + 2HCl ® CuCl₂ + H₂O.

Химические реакции всегда сопровождаются физическими эффектами – поглощением или выделением теплоты, изменениями агрегатного состояния и окраски веществ; по наличию этих эффектов часто судят о протекании реакций. Химические реакции следует отличать от физических процессов, изменяющих только внешнюю форму или агрегатное состояние вещества (но не его элементный состав). В отличие от ядерных реакций, при химических реакциях ядра атомов не изменяются (не меняется их общее число и изотопный состав), при этом происходит лишь перераспределение электронов и относительное расположение ядер, и образуются новые химические вещества.

С точки зрения физики химические реакции происходят при возникновении или разрушении химических связей между атомами взаимодействующих веществ. Выделяют водородную, металлическую, ковалентную (неполярную и полярную), ионную типы химических связей (рис. 3.5), которые отличаются энергией и природой взаимодействия. Химические связи возникают и поддерживаются за счет взаимодействия (обмена) электронами атомов химических веществ, образующих молекулы. Ионные химические связи возникают в между противоположно заряженными ионами результате переноса внешних электронов с одного атома на другой; образовавшиеся ионы удерживаются силами электростатического притяжения, поэтому эти связи являются самыми сильными (как в случае ионов натрия и хлора в молекулах поваренной соли). Ковалентные связи образуются в молекулах между разными (полярная связь) и одинаковыми (неполярная связь) атомами, часть электронов которых становятся общими, как, например, в молекуле воды. Металлические связи характерны для металлов, сплавов и веществ с металлическими свойствами, в кристаллах металлов много свободных электронов, общих для всех атомов данного вещества, между которыми образуются эти связи. Наконец, самыми слабыми (т. е. легко разрывающимися) химическими связями являются водородные, возникающие обычно между молекулами вещества и в которых участвуют атомы водорода.

Рис. 3.5. Схематичные изображения основных типов химических связей

Условия среды на Земле таковы, что молекулы непрерывно разрушаются и снова образуются. Если бы температура Земли была значительно выше, например, как температура поверхности Солнца, то многие молекулы не могли бы образоваться из-за слишком сильного теплового возбуждения (атомы не могли бы оставаться друг возле друга), а если бы температура Земли была гораздо ниже, молекулы, соединяясь, образовали бы твердые тела (кристаллы) и не изменялись. Образование и разрушение молекул приводят к постоянным изменениям в окружающей среде и создают возможность появления и существования жизни.

Все химические процессы происходят с поглощением и выделением энергии. Эти процессы можно наглядно продемонстрировать на примере сжигания угля и метана. Горение любого типа связано с образованием новых молекул и, следовательно, с выделением тепловой энергии. Для разрыва химической связи требуется некоторое количество энергии и такое же ее количество появляется при образовании связи. Таким образом, нужно затратить энергию, чтобы разделить молекулу на атомы, и энергия выделяется, когда атомы образуют молекулу.

В процессе горения кристаллического угля атомы углерода C и кислород воздуха O₂ образуют углекислый газ CO₂. Эта реакция происходит в два этапа: сначала разрывается связь в молекуле O₂, и два атома кислорода присоединяются к углероду. Первый этап требует затрат энергии, так как при обычных температурах тепловой энергии недостаточно для расщепления молекулы кислорода на два атома. Но если подвести теплоту от горящей спички, то реакция начнется. На втором ее этапе при образовании CO₂ выделяется больше энергии, чем нужно для расщепления молекулы кислорода. В результате энергия, необходимая для дальнейшего разделения молекул O₂, поставляется самим процессом горения. Таким образом, при горении угля большая часть энергии выделяется в виде теплоты, но часть энергии, идет на поддержание горения. Поэтому, начавшись, образование углекислого газа продолжается до тех пор, пока не израсходуется весь углерод.

При горении метана CH₄ и других углеводородов также требуется начальная теплота, чтобы расщепить и молекулы кислорода, и молекулы углеводорода. После этого углерод соединяется с кислородом, образуя углекислый газ, а водород соединяется с кислородом, образуя воду.

Так как в молекулах СН₄ и С химические связи существенно слабее, чем в молекулах СO₂ и Н₂O, то в данной реакции выделяется гораздо больше энергии, чем при горении угля и, поэтому, метан и другие углеводороды (например, бензин) дают сильное пламя и много теплоты и в настоящее время используются человеком более широко.

Химические реакции происходят при смешении или физическом контакте реагентов самопроизвольно, при нагревании, участии катализаторов, действии света, электрического тока, ионизирующих излучений и т. п. Катализатор – вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции. Количество катализатора, в отличие от других реагентов, после реакции не изменяется. Катализаторами многих реакций являются кислоты, основания, металлы и их оксиды. В биологических процессах роль катализаторов играют ферменты, которые представляют собой молекулы белков или РНК (например, протеаза участвует в пищеварении).

С помощью химических реакций получают практически важные вещества, которые в природе находятся в ограниченных количествах (например, азотные удобрения), либо вообще не встречаются в естественной среде (сульфаниламиды и другие синтетические лекарственные препараты, полиэтилен и другие пластмассы), которые синтезируются искусственным путем. Однако неумелое и безответственное химическое воздействие на окружающую среду и на протекающие природные процессы может привести к нарушению установившихся естественных химических циклов, что делает актуальной экологическую проблему и усложняет задачу рационального использования природных ресурсов и сохранения естественной среды обитания на нашей планете.

Словарь терминов

Атом– наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Изотопы– разновидности атомов одного химического элемента, содержащих разное количество нейтронов в ядре.

Возбуждение атома– переход атома в более высокое неустойчивое состояние за счет поглощения энергии.

Ионизация атома – процесс образования иона из нейтрального атома в результате отрыва электрона от атома за счет внешней энергии.

Химический элемент– это совокупность атомов, имеющих одинаковый заряд ядра.

Молекула – наименьшая частица химического вещества, обладающая всеми его химическими свойствами, состоящая из двух или более атомов, которые образуют определенную структуру.

Простые вещества – это вещества, состоящие исключительно из атомов одного химического элемента и химически не связанные с другими элементами.

Сложные вещества – это химические вещества, которые состоят из атомов разного вида, т. е. их молекулы содержат атомы двух или более химических элементов.

Неорганические соединения – простые и сложные вещества, которые не содержат углерода (кроме нескольких исключений).

Органические вещества – класс соединений, в состав молекул которых обязательно входит углерод (кроме неорганических соединений углерода).

Катализатор – вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции.

Ферменты (биокатализаторы) – сложные органические вещества или их комплексы, ускоряющие химические реакции в живых системах.

Полимеры– это неорганические и органические вещества, образованные из многократно повторяющихся групп атомов, соединённых химическими связями в длинные макромолекулы.

Мономер – повторяющийся структурный фрагмент полимера, включающий несколько атомов.

Вопросы для контроля к § 3.4.

1. Дайте определение химического элемента. Сколько их известно и почему этих элементов ограниченное количество?

2. Что такое химическое соединение? Как в настоящее время определяют понятие «молекула»?

3. Какие типы химических веществ вы знаете? В чем их различие и какова классификация?

4. Как происходит образование химических структур и что такое химическая связь? Какие химические связи вы знаете?

5. Что такое химический процесс? Почему в процессе химических реакций происходят поглощение и выделение энергии? Приведите примеры.