Природничі науки. 8 клас. Інтегрований курс. Мандренко

Розділ 6. Хімічні реакції

Хімічні реакції супроводжують нас повсюди — від дихання і фотосинтезу до роботи батарей та приготування їжі. Унаслідок хімічних реакцій з'являються нові речовини, виділяється або поглинається енергія, змінюються властивості матеріалів. Наприклад, коли залізо іржавіє, це результат взаємодії металу з киснем і вологою. А коли тісто підіймається під час випікання, це також наслідок хімічних процесів.

У цьому розділі ви дізнаєтеся:

• про залежність між властивостями речовин та їх застосуванням;
• як визначати типи хімічних реакцій за різними ознаками;
• як описувати реакційну здатність металів з киснем, водою та розбавленими кислотами.

У цьому розділі ви навчитеся:

• використовувати схеми та рівняння для опису хімічних реакцій;
• порівнювати теплові ефекти хімічних реакцій;
• досліджувати реакційну здатність різних речовин.

rnk.com.ua/108789

Тема 1. Схеми хімічних перетворень та рівняння реакцій

rnk.com.ua/108790

Будете навчатися:

• описувати хімічні реакції за допомогою схем та хімічних рівнянь;
• розрізняти типи хімічних реакцій;
• називати та класифікувати неорганічні речовини.

Хімічні реакції

У природі постійно відбуваються перетворення одних речовин на інші. Без них неможливий розвиток живих організмів. Науковці в дослідницьких лабораторіях також вивчають хімічні реакції. Ви вже знаєте, що речовини, що вступають у хімічну реакцію, називаються реагентами, а речовини, що утворюються внаслідок реакції, — продуктами. Хімічні реакції можуть супроводжуватися різними фізичними змінами. Наприклад:

• виділення бульбашок свідчить про утворення газу (рис. 6.1);
• зміна кольору під час взаємодії відбувається, якщо реагенти та продукти мають різний колір;
• виділення чи поглинання теплоти під час хімічної реакції (рис. 6.2).

Рис. 6.1. Взаємодія натрій гідрогенкарбонату (харчової соди) з розчином етанової кислоти (оцтом)

Рис. 6.2. Унаслідок хімічної реакції між ферум(ІІІ) оксидом та алюмінієм виділяється багато теплоти

На пам'ятниках Тарасу Шевченку в Чернівцях, Богдану Хмельницькому в Києві (рис. 6.3), виготовлених із бронзи (сплаву міді з оловом), утворюється зелений наліт, який періодично зчищують. Це відбувається тому, що мідь реагує одразу з трьома речовинами: киснем, водою (водяною парою) і вуглекислим газом, що містяться в повітрі.

Рис. 6.3. Темно-коричневий колір пам'ятника Богдану Хмельницькому в Києві змінюється внаслідок взаємодії бронзи з речовинами з повітря

Іншим прикладом хімічної реакції є іржавіння (рис. 6.4). Реагентами є залізо, вода та кисень, продукт — іржа (ферум(ІІІ) гідроксид).

Рис. 6.4. Корпус судна, укритий іржею

Залізо — сріблясто-сірий метал, іржа — коричнева. Зміна кольору свідчить про те, що відбулася хімічна реакція.

Деякі речовини є хімічно неактивними. Наприклад, донедавна вважали, що інертні (благородні) гази взагалі не вступають в реакції з іншими речовинами.

Попрактикуйтеся

1. Як ви вважаєте, чи можна ставити скисати молоко в алюмінієвому посуді?

2. Висловіть припущення, чому іржа з'являється не на всіх металах, а тільки на деяких? Наведіть приклади таких металів.

3. Певний час сірку добували, опускаючи робітників у кратер «сплячих» вулканів, де вони здирали сірку з внутрішніх стінок вулкана. Поясніть, як могла із вулканічних газів утворитися сірка.

Хімічні рівняння

Вам відомо, що для запису хімічних перетворень використовують схеми хімічних реакцій. Наприклад, хімічну реакцію іржавіння (рис. 6.5) можна записати у формі текстової схеми:

Рис. 6.5. Корозія заліза

Назви реагентів записуються ліворуч, а назви продуктів — праворуч. Стрілка спрямована від реагентів до продуктів та означає, що продукти утворюються з реагентів. Основні продукти реакції — це речовини, які утворюються в результаті основного хімічного процесу. Побічні продукти утворюються паралельно з основними через небажані або супутні хімічні реакції. Наприклад, під час горіння метану (СН₄) основними продуктами є вуглекислий газ (СО₂) і вода (Н₂О) (рис. 6.6), а побічними продуктами можуть бути чадний газ (CO) та сажа (С), якщо реакція відбувається у разі нестачі кисню.

Рис. 6.6. Графічна та текстова схеми горіння метану

Графічна схема хімічної реакції — схема хімічної реакції на основі моделей речовин. Якщо замість назв речовин у графічній схемі хімічної реакції записати їхні хімічні формули, то отримаємо формульну схему хімічної реакції (схему хімічної реакції). Умови, за яких відбуваються перетворення, часто зазначають у схемах реакцій над стрілками.

Хімічне рівняння — це запис хімічної реакції за допомогою формул реагентів і продуктів, в обох частинах якої міститься однакова кількість атомів різних хімічних елементів. Перетворимо схему реакції утворення води із водню і кисню (рис. 6.7) на хімічне рівняння: Н₂ + О₂ →^t Н₂О.

Рис. 6.7. Графічна схема реакції утворення води

В обох частинах цієї схеми міститься однакова кількість атомів Гідрогену, але різна кількість атомів Оксигену. Поставимо перед формулою води коефіцієнт 2 для того, щоб у правій частині схеми теж було два атоми Оксигену: Н₂ + О₂ →^t 2Н₂О.

Тепер атомів Гідрогену в правій частині стало чотири. Запишемо перед формулою водню коефіцієнт 2, щоб така сама кількість атомів Гідрогену була і в лівій частині схеми. Отримуємо хімічне рівняння:

2Н₂ + О₂ =^t 2Н₂О.

Таким чином, щоб перетворити схему реакції на хімічне рівняння, потрібно зіставити кількості атомів кожного хімічного елемента у лівій і правій частині схеми, за потреби дібрати коефіцієнти для кожної речовини, записати їх перед хімічними формулами і замінити стрілку на знак рівності.

Попрактикуйтеся

4. Доберіть коефіцієнти відповідно до схеми хімічної реакції та зазначте їх загальну суму: Р + О₂ → Р₂О₅.

5. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, який вигляд мали схеми хімічних реакцій в алхіміків.

Класифікація неорганічних речовин

Рис. 6.8. Класифікація неорганічних речовин за складом

Неорганічні речовини за складом та хімічними властивостями поділяються на прості та складні (рис. 6.8). Користуючись періодичною таблицею хімічних елементів, можна визначити, просту речовину метал чи неметал утворює той чи інший хімічний елемент. Складні неорганічні речовини поділяють на декілька класів, серед яких звернімо увагу на чотири. Оксиди — речовини, що складаються з двох хімічних елементів, одним з яких є Оксиген. Вода (гідроген оксид) Н₂О — найпоширеніша речовина на Землі. SiO₂ (рис. 6.9) є одним з найпоширеніших оксидів у літосфері, який найчастіше в природі зустрічається у вигляді піску.

Рис. 6.9. Силіцій(IV) оксид

Кислоти — складні речовини, що містять атоми Гідрогену, які можуть заміщуватися атомами металічних елементів, та кислотні залишки. Наприклад, сульфатна (H₂SO₄), ортофосфатна (Н₃РО₄) (рис. 6.10) і хлоридна (НСl) кислоти.

Рис. 6.10. Ортофосфатна кислота входить до складу кока-коли

Основами (гідроксидами) називають речовини, що містять атоми металічних хімічних елементів, сполучені з однією або декількома гідроксильними групами (групами атомів —ОН). Наприклад, натрій гідроксид (NaOH) і кальцій гідроксид (Са(ОН)₂). Солі — речовини, що складаються з атомів металічних елементів і кислотних залишків. Прикладами солей є натрій хлорид (NaCl) і кальцій карбонат (СаСО₃).

Існують правила, необхідні, щоб назвати речовину.

• Якщо речовина містить атоми металічного хімічного елемента, то його назва повинна бути на першому місці у назві цієї речовини.

• Коли два хімічні елементи вступають у реакцію, утворюючи речовину, її назва часто закінчується на -ид / -ід. Наприклад, ферум(ІІІ) хлорид, кальцій оксид, натрій сульфід тощо.

• Якщо назва речовини закінчується на -ат, вона містить атоми Оксигену. Наприклад, кальцій сульфат містить атоми Кальцію, Сульфуру та Оксигену, натрій нітрат — атоми Натрію, Нітрогену та Оксигену.

У таблиці 6.1 наведено кілька прикладів формул і назв речовин.

Таблиця 6.1. Назва речовини зазвичай показує, атоми яких хімічних елементів вона містить

Назва речовини	Металічний елемент	Неметалічний елемент	Формула
Натрій хлорид	Натрій	Хлор	NaCl
Магній оксид	Магній	Оксиген	MgO
Калій гідроксид	Калій	Оксиген, Гідроген	KOH
Кальцій карбонат	Кальцій	Карбон, Оксиген	СаСО3
Літій сульфат	Літій	Сульфур, Оксиген	Li2SO4
Аргентум нітрат	Аргентум	Нітроген, Оксиген	AgNO3

Попрактикуйтеся

6. Складіть назву кожної з перерахованих нижче речовин, скориставшись періодичною таблицею хімічних елементів.

• a) LiCl;
• б) СаО;
• в) MgS;
• г) NaNO₃;
• ґ) К₂СО₃.

7. Скориставшись додатковими джерелами інформації, складіть таблицю-класифікацію найважливіших кислот.

Класифікація хімічних реакцій

Всі хімічні реакції можна згрупувати у кілька основних типів за низкою ознак. За основу класифікації хімічних реакцій найчастіше беруть зміни в кількості вихідних речовин та речовин, що утворилися внаслідок реакції.

Реакції розкладу — це реакції, в результаті яких з однієї речовини утворюється кілька нових речовин. Наприклад, розкладання води на водень і кисень під дією електричного струму (рис. 6.11):

2Н₂О → 2Н₂ + О₂.

Реакції сполучення — це реакції, в результаті яких з двох або кількох вихідних речовин утворюється одна нова речовина. Наприклад, сполучення азоту з воднем для утворення аміаку:

N₂ + 3Н₂ → 2NH₃.

Рис. 6.11. Розклад води під дією електричного струму

Реакції заміщення — це реакції між простою і складною речовинами, у процесі яких атоми простої речовини заміщують атоми одного з хімічних елементів складної речовини, утворюючи нову просту і нову складну речовини. Наприклад, взаємодія цинку з хлоридною кислотою з утворенням водню: Zn + 2НСl → ZnCl₂ + Н₂.

Реакції обміну — це реакції, у процесі яких дві складні речовини обмінюються своїми складовими частинами, утворюючи дві нові речовини. Наприклад, на рис. 6.12 зображено хімічну реакцію безбарвного розчину аргентум(І) нітрату з безбарвним розчином натрій хлориду, внаслідок якої утворюється білий аргентум(І) хлорид, який є нерозчинним. Реакцію утворення осаду аргентум(І)хлориду можна представити за допомогою текстової схеми:

аргентум(І) нітрат + натрій хлорид → аргентум(І) хлорид↓ + натрій нітрат

Рис. 6.12. Утворення осаду аргентум хлориду

Графічна схема взаємодії розчину аргентум(І) нітрату з розчином натрій хлориду зображена на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Графічна схема для демонстрації реакції між аргентум(І) нітратом і натрій хлоридом

Хімічні реакції можна також класифікувати за такими ознаками:

• тепловим ефектом (екзотермічні й ендотермічні);
• ознакою оборотності (оборотні й необоротні реакції).
• за ознакою зміни ступеня окиснення реагуючих елементів (за цих умов як окрему групу виділяють окисно-відновні реакції).

Попрактикуйтеся

8. Здійсніть домашній експеримент. Дослідіть взаємодію харчової соди із соком квашеної капусти, кефіром, лимонною кислотою. Дотримуйтеся правил безпечної поведінки з речовинами. Опишіть фізичні зміни, які супроводжують ці хімічні реакції.

Наука в дії. Зменшення відходів у хімічних процесах

Відходи хімічних виробництв можуть бути шкідливими для людей або навколишнього середовища, а їх утилізація вимагає значних фінансових витрат та використання енергії. Саме тому науковці працюють, розробляючи хімічні реакції, що дають змогу отримувати чистіші продукти без побічних відходів.

Це важливий напрям для сучасної науки, що прагне мінімізувати вплив людини на природу. В Україні, як і в інших країнах світу, дедалі більше уваги приділяється розвитку «зеленої хімії». Це галузь, спрямована на зменшення шкідливих відходів хімічних виробництв, зокрема, у фармацевтиці, агрохімії. Вона сприяє екологічній безпеці країни і відповідає світовим трендам у сталому розвитку.

Завдання 6.1. Взаємодія натрію з водою

Ваш учитель / учителька продемонструє вам реакцію натрію з водою. Для цього потрібно наповнити велику скляну посудину водою і додати до неї розчин індикатора фенолфталеїну. Між посудиною та учнями бажано встановити пластикові екрани для захисту.

Учитель / учителька використовує захисні окуляри і гумові рукавички, які запобігають потраплянню бризок, і за допомогою гострого ножа відрізає невеликий шматочок натрію від більшого. Потім потрібно пінцетом обережно помістити цей шматочок у воду. Коли натрій торкається води, починає виділятися газ водень, який штовхає шматочок натрію поверхнею води. Реакція супроводжується виділенням тепла, і суміш у склянці набуває малинового кольору (рис. 6.14).

Рис. 6.14. Взаємодія натрію з водою

1. Об'єднайтеся в пари та складіть текстову схему та рівняння цієї реакції, якщо продуктами реакції є водень і натрій гідроксид.

2. Обговоріть, які є докази того, що саме натрій гідроксид був продуктом реакції, якщо він розчиняється у воді та є лугом.

3. Перелічіть ризики цього експерименту. Поясніть, як їх контролювати.

4. Здійсніть взаємодію кальцію з водою, дотримуючись правил безпечної поведінки з речовинами.

Підсумки

• Під час хімічної реакції реагенти вступають у взаємодію, утворюючи продукти.

• Щоб перетворити схему реакції на хімічне рівняння, потрібно зіставити кількості атомів хімічних елементів у лівій і правій частині схеми, дібрати коефіцієнти для кожної речовини, записати їх перед хімічними формулами і замінити стрілку на знак рівності.

• Хімічні реакції класифікують за різними ознаками.

Ключові поняття

Хімічна реакція, реагенти, продукти реакції, хімічне рівняння, основні та побічні продукти реакції, оксиди, кислоти, основи, солі, реакції сполучення, розкладу, заміщення, обміну.

Оцініть свої досягнення

• Я можу використовувати символи для позначення хімічних формул та рівнянь.

• Я можу класифікувати речовини та хімічні реакції.

• Я можу оцінювати та контролювати ризики експерименту.