Химическая реакция - это превращение одних веществ в другие. Впрочем, такое определение нуждается в одном существенном дополнении. В ядерном реакторе или в ускорителе тоже одни вещества превращаются в другие, но такие превращения химическими не называют. В чем же здесь дело? В ядерном реакторе происходят ядерные реакции. Они заключаются в том, что ядра элементов при столкновении с частицами высокой энергии (ими могут быть нейтроны, протоны и ядра иных элементов) - разбиваются на осколки, представляющие собой ядра других элементов. Возможно и слияние ядер между собой. Эти новые ядра затем получают электроны из окружающей среды и, таким образом, завершается образование двух или нескольких новых веществ. Все эти вещества являются какими-либо элементами Периодической системы. Примеры ядерных реакций, используемых для открытия новых элементов, приведены в §4.4.

В отличие от ядерных реакций, в химических реакциях не затрагиваются ядра атомов. Все изменения происходят только во внешних электронных оболочках. Разрываются одни химические связи и образуются другие.

Химическими реакциями называются явления, при которых одни вещества, обладающие определенным составом и свойствами, превращаются в другие вещества - с другим составом и другими свойствами. При этом в составе атомных ядер изменений не происходит.

Рассмотрим типичную химическую реакцию: сгорание природного газа (метана) в кислороде воздуха. Те из вас, у кого дома есть газовая плита, могут ежедневно наблюдать эту реакцию у себя на кухне. Запишем реакцию так, как показано на рис. 5-1.

Рис. 5-1. Метан СН₄ и кислород О₂ реагируют между собой с образованием диоксида углерода СО₂ и воды Н₂О. При этом в молекуле метана разрываются связи между С и Н и на их месте возникают связи углерода с кислородом. Атомы водорода, ранее принадлежавшие метану, образуют связи с кислородом. На рисунке хорошо видно, что для успешного осуществления реакции на одну молекулу метана надо взять две молекулы кислорода.

Записывать химическую реакцию с помощью рисунков молекул не слишком удобно. Поэтому для записи химических реакций используют сокращенные формулы веществ - как это показано в нижней части рис. 5-1. Такая запись называется уравнением химической реакции.

Количество атомов разных элементов в левой и правой частях уравнения одинаково. В левой части один атом углерода в составе молекулы метана (СН₄), и в правой - тот же атом углерода мы находим в составе молекулы СО₂. Все четыре водородных атома из левой части уравнения мы обязательно найдем и в правой - в составе молекул воды.

В уравнении химической реакции для выравнивания количества одинаковых атомов в разных частях уравнения используются коэффициенты, которые записываются перед формулами веществ. Коэффициенты не надо путать с индексами в химических формулах.

Рассмотрим другую реакцию - превращение оксида кальция СаО (негашеной извести) в гидроксид кальция Са(ОН)₂ (гашеную известь) под действием воды.

Рис. 5-2. Оксид кальция СаО присоединяет молекулу воды Н₂О с образованием
гидроксида кальция Са(ОН)₂.

В отличие от математических уравнений, в уравнениях химических реакций нельзя переставлять левую и правую части. Вещества в левой части уравнения химической реакции называются реагентами, а в правой - продуктами реакции. Если сделать перестановку левой и правой части в уравнении из рис. 5-2, то мы получим уравнение совсем другой химической реакции:

Обратите внимание: вместо знака равенства в уравнении химической реакции можно использовать стрелку. Стрелка удобна тем, что показывает направление течения реакции.

Добавим также, что реагентами и продуктами могут быть не обязательно молекулы, но и атомы - если в реакции участвует какой-нибудь элемент или элементы в чистом виде. Например:

Существует несколько способов классификации химических реакций, из которых мы рассмотрим два.

По первому из них все химические реакции различают по признаку изменения числа исходных и конечных веществ. Здесь можно найти 4 типа химических реакций:

Приведем конкретные примеры таких реакций. Для этого вернемся к уравнениям получения гашеной извести и уравнению получения негашеной извести:

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂

Са(ОН)₂ = СаО + Н₂О

Эти реакции относятся к разным типам химических реакций. Первая реакция является типичной реакцией соединения, поскольку при ее протекании два вещества СаО и Н₂О соединяются в одно: Са(ОН)₂.

Вторая реакция Са(ОН)₂ = СаО + Н₂О является типичной реакцией разложения: здесь одно вещество Ca(OH)₂ разлагается с образованием двух других.

В реакциях обмена количество реагентов и продуктов обычно одинаково. В таких реакциях исходные вещества обмениваются между собой атомами и даже целыми составными частями своих молекул. Например, при сливании раствора CaBr₂ с раствором HF выпадает осадок. В растворе ионы кальция и водорода обмениваются между собой ионами брома и фтора. Реакция происходит только в одном направлении потому, что ионы кальция и фтора связываются в нерастворимое соединение CaF₂ и после этого "обратный обмен" ионами уже невозможен:

Стрелка рядом с продуктом реакции показывает, что это соединение нерастворимо и выпадает в осадок. Таким образом, стрелку можно использовать и для обозначения удаления какого-нибудь продукта из химической реакции в виде осадка (¯) или газа (↑). Например:

Zn + 2HCl = H₂↑ + ZnCl₂

2NaBr + Cl₂ = 2NaCl + Br₂ - реакция замещения;

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃¯ + 2NaCl - реакция обмена;

Zn⁰ + 2H⁺¹Cl = H₂⁰ + Zn⁺²Cl₂ - реакция замещения и одновременно окислительно-восстановительная реакция.