Физические и химические явления
Лёд тает, железо ржавеет, вода закипает, листья меняют окраску. Во всех случаях происходят изменения, но химический смысл у них разный. Главный вопрос: сохранились ли исходные вещества или образовались другие? Ответ позволяет отличить физические явления от химических и правильно объяснить наблюдения.
Физические явления
Физическое явление — изменение, при котором вещества не превращаются в другие вещества. Могут меняться форма, размеры, агрегатное состояние и распределение веществ в смеси.
Разрезание бумаги, измельчение куска мела, плавление льда и конденсация водяного пара — примеры физических явлений. После измельчения мел остаётся тем же веществом, а вода после замерзания не превращается в кислород и водород. Если из смеси испарилась вода, состав оставшегося раствора изменился, но само по себе это не означает образования нового вещества.
Агрегатные переходы воды можно обозначить словами:
Лёд → жидкая вода → водяной пар.
Во всех трёх состояниях сохраняются молекулы H2O. При переходах меняются их движение, взаимное расположение и взаимодействия. Цветные шарики в модели — условные обозначения атомов, а не настоящий цвет отдельных молекул.
Растворение сахара в воде в обычных условиях также рассматривают как физический процесс: молекулы сахарозы распределяются в воде, но не исчезают. Однако нельзя распространять это объяснение на любое взаимодействие с водой. Растворение может сопровождаться химическими процессами; вывод зависит от конкретного вещества и условий.
Химические явления
Химическое явление, или химическая реакция, — превращение одних веществ в другие. Исходные вещества называют реагентами, а образовавшиеся — продуктами реакции.
Образование ржавчины, горение топлива и разложение воды электрическим током относятся к химическим явлениям. При обычных химических реакциях ядра атомов сохраняются: химические элементы не превращаются друг в друга. Меняются связи и распределение электронов, частицы соединяются или перестраиваются. Для объяснения реакции не требуется предполагать, что сначала все вещества обязательно распадаются на отдельные свободные атомы.
При электролизе воды в подходящей лабораторной установке с выбранными для этого электродами и электролитом образуются водород и кислород. Электрическая энергия необходима для протекания процесса:
2H2O → 2H2↑ + O2↑ (электролиз).
Слева и справа по четыре атома водорода и по два атома кислорода. Вода при этом не просто меняет состояние: её молекулы превращаются в молекулы других веществ.
Признаки реакции и их ограничения
Образование новых веществ часто сопровождается видимыми или измеримыми изменениями: появляется газ, выпадает осадок, меняется окраска, выделяются или поглощаются теплота и свет. Но некоторые реакции протекают без ярких внешних признаков, а похожие эффекты встречаются и при физических процессах.
| Наблюдение | Почему возможна реакция | Почему одного признака недостаточно |
|---|---|---|
| Пузырьки газа | Газ может быть продуктом реакции | Пузырьки появляются также при кипении или выходе ранее растворённого газа. |
| Изменение цвета | Возможно образование окрашенного продукта | Окраска меняется также при разбавлении, измельчении или изменении освещения. |
| Твёрдые частицы в жидкости | Может образоваться малорастворимый продукт — осадок | Частицы могли быть внесены извне; кристаллы появляются и при охлаждении раствора. |
| Нагревание или охлаждение | Реакция может выделять или поглощать теплоту | Растворение и агрегатные переходы тоже сопровождаются тепловыми эффектами. |
| Свечение | Некоторые реакции сопровождаются излучением | Раскалённый металл может светиться без превращения в другое вещество. |
Внешний признак помогает обнаружить изменение, но вывод о химической реакции требует обоснования: нужно установить образование новых веществ или использовать надёжные сведения о процессе.
Запах самостоятельно не проверяют: неизвестный газ может быть опасен. Для вывода используют безопасные наблюдения, разрешённые методы анализа и данные об условиях процесса. Отсутствие осадка, пузырьков и пламени не доказывает отсутствия реакции.
Условия протекания реакций
Для взаимодействия веществ обычно необходим контакт. Иногда процесс запускают нагреванием, освещением или электрическим током; в других случаях он идёт при комнатной температуре. Измельчение может увеличить площадь соприкосновения твёрдых веществ, а перемешивание — улучшить контакт. Эти действия сами по себе не гарантируют реакции любых веществ.
Условия начала и поддержания процесса различаются. Горючее сначала может требовать нагревания, а затем горение поддерживается выделяющейся теплотой. При разложении воды нужно продолжать подводить электрическую энергию. Поэтому правило «для каждой реакции достаточно один раз нагреть» неверно.
Нагревание, работу с кислотами, горючими веществами и газами в школьной лаборатории проводят по утверждённой учителем методике с необходимой защитой.
Три разобранные ситуации
1. Кипение и разложение воды
При кипении вода переходит в газообразное состояние, при охлаждении её пар конденсируется. При электролизе получают водород и кислород. В обоих описаниях есть газ, но результат различен: в первом сохраняется H2O, во втором образуются другие вещества.
2. Почему пузырьки не всегда означают реакцию?
После открытия бутылки газированной воды часть растворённого углекислого газа выходит из жидкости из-за снижения давления. Само выделение уже присутствовавшего газа — физический процесс. При взаимодействии карбоната кальция с соляной кислотой углекислый газ образуется как продукт реакции:
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O.
Уравнение относится к взаимодействию твёрдого карбоната с водным раствором кислоты. Одинаковое наблюдение «пузырьки» не отменяет различия причин.
3. Что происходит со свечой?
Плавление воска или парафина рядом с пламенем — физический процесс. Горение паров — химический: органические вещества взаимодействуют с кислородом. При полном сгорании образуются углекислый газ и вода; при недостатке кислорода возможны также угарный газ и сажа. Один предмет может одновременно участвовать в физических и химических процессах.
Частые ошибки
- Считать главным признаком обратимость. Разбитый стакан трудно восстановить, но разрушение само по себе физическое; некоторые химические реакции обратимы.
- Принимать исчезновение видимых кристаллов при растворении за исчезновение вещества.
- Объяснять любую реакцию только образованием молекул. В реакциях могут участвовать также ионы и вещества немолекулярного строения.
- Путать нагревание с горением: нагретое вещество не обязательно реагирует с кислородом.
Проверьте себя
- Классифицируйте: измельчение мела, образование ржавчины, таяние снега, горение метана.
- Вода закипела и появились пузырьки. Достаточно ли этого для вывода о разложении воды?
- Почему увеличение концентрации раствора при испарении воды само по себе не является химической реакцией?
- Какие вещества являются реагентами и продуктами при электролизе воды? Сколько молекул водорода соответствует двум молекулам воды по уравнению?
- Металлическая проволока нагрелась и светится. Можно ли только по этому признаку утверждать, что образовалось новое вещество?
Ответы и объяснения
- Измельчение мела и таяние снега — физические явления; ржавление и горение метана — химические, так как образуются новые вещества.
- Нет. При обычном кипении вода превращается в водяной пар, а не в водород и кислород.
- Меняется соотношение компонентов в оставшейся смеси. Если соль не разлагается и не реагирует, новые вещества не образуются.
- Реагент — вода, продукты — водород и кислород. По уравнению из двух молекул воды получаются две молекулы водорода и одна молекула кислорода; число атомов каждого элемента сохраняется.
- Нет. Свечение может быть тепловым излучением нагретого тела. Возможное окисление необходимо устанавливать отдельно.
Связанные темы
Продолжите: свойства веществ, соединения и смеси, закон сохранения массы, атомы, молекулы и ионы.
Источники
Определение реакции: IUPAC Gold Book. Частицы и наблюдаемые изменения: ACS, What is a Chemical Reaction?. Различие свойств и явлений: OpenStax, Physical and Chemical Properties.