При физическом изменении новые вещества не образуются. При химической реакции исходные вещества превращаются в продукты с другим составом или строением. Разберём признаки реакций, сохранение атомов и массы и правила расстановки коэффициентов в уравнениях.

1. Что превращается в химической реакции

Железную проволоку можно согнуть или разрезать. Форма и размер изменятся, но вещество останется железом. При ржавлении происходит другое: железо взаимодействует с кислородом в присутствии воды, и образуются вещества с иными свойствами. Ржавчина — не просто «железо другого цвета», а смесь соединений железа; её состав может различаться.

Химическая реакция — превращение одних веществ в другие. Исходные вещества называют реагентами, а образовавшиеся — продуктами реакции. В химической реакции меняются связи и организация частиц, но атомы одного элемента не превращаются в атомы другого элемента. Это отличает химические реакции от ядерных превращений.

При физическом изменении новые вещества не образуются. Примеры — измельчение, деформация, плавление и испарение. Само по себе изменение агрегатного состояния не меняет химическую природу вещества: лёд и водяной пар состоят из H₂O. Нельзя, однако, определять тип изменения только по лёгкости его обращения: разбитое стекло трудно собрать обратно, но это не делает разрушение химической реакцией.

Главный вопрос: «Какие вещества были до процесса и какие стали после?» Изменившийся внешний вид — начало исследования, а не готовый ответ.

2. Один предмет — несколько процессов

В горящей свече одновременно происходят физические и химические изменения. Тепло плавит воск около фитиля. Жидкий воск поднимается по фитилю, нагревается и испаряется. Плавление и испарение сами по себе не создают новых веществ.

Пары воска реагируют с кислородом воздуха. При полном сгорании образуются углекислый газ и вода, выделяются тепло и свет. Если кислорода недостаточно, могут образоваться сажа и другие продукты неполного сгорания. Поэтому фраза «свеча просто плавится» не описывает всё происходящее.

Пример с этанолом

При испарении этанола молекулы C₂H₆O переходят в газообразное состояние и сохраняют состав. При полном сгорании этанол и кислород превращаются в CO₂ и H₂O. Это два разных процесса, хотя в обоих случаях исходная жидкость может исчезать из видимой части сосуда.

При описании сложной ситуации полезно разделить её на процессы: что нагревается, что меняет состояние, что вступает в реакцию и какие продукты получаются.

Четыре превращения знакомых вещей

Срез яблока. Разрезание меняет форму. Потемнение — другой процесс: кислород участвует в реакциях, которые ускоряют ферменты мякоти; образуются окрашенные вещества. В галерее показано потемнение, а не плесень.

Патина на меди. При длительном контакте с воздухом и влагой возникает слой соединений меди. Его состав зависит от окружающей среды. Зелёную патину нельзя описывать как слой чистого оксида меди.

Сгоревшая спичка. Обугленный остаток и зола — только видимая часть результата. Газообразные продукты уже попали в воздух. Для полного учёта вещества нужно включить и эти продукты, и вещества, взятые из окружающей среды.

Выпечка хлеба. Химические реакции создают новые соединения, участвующие в образовании цвета и аромата корочки. Одновременно идут физические процессы, в том числе испарение воды. Выпечка — сочетание процессов, а не одна простая реакция.

Рассмотреть четыре пары «до → после» →

3. Признаки реакции и проверка вывода

Реакции могут сопровождаться изменением цвета, выделением газа, появлением осадка, выделением или поглощением теплоты, свечением. Иногда меняется запах, но неизвестные вещества нельзя определять прямым вдыханием. Для объяснения наблюдения нужно знать условия и состав системы.

Газ. При взаимодействии карбоната кальция с соляной кислотой образуется CO₂. Пузырьки у твёрдого вещества — наблюдаемый признак. Но пузырьки возникают также при кипении воды и выходе ранее растворённого газа. В открытой бутылке газированной воды углекислый газ выходит при снижении давления: один этот эффект не означает получения нового газа.

Осадок. При смешивании растворов хлорида кальция и карбоната натрия образуется плохо растворимый карбонат кальция. Он выделяется в виде белого твёрдого вещества. Это отличается от простого добавления нерастворимого порошка: здесь твёрдый продукт возникает из растворённых реагентов.

CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃ + 2 NaCl

Цвет. Раствор йода даёт с крахмалом сине-чёрную окраску: образуется окрашенный комплекс. Характерная реакция помогает обнаружить крахмал. Но изменение цвета при смешивании красок не доказывает химическую реакцию. Важно не только «стало синим», но и почему это произошло.

Теплота и свет. Горение выделяет энергию. Однако нагревание предмета на солнце или свечение электрической лампы сами по себе не доказывают превращения её материала в новое вещество. Надёжное объяснение связывает наблюдения с образованием конкретных продуктов.

4. Почему реакция начинается

Наличия реагентов не всегда достаточно для заметного превращения. Значение имеют контакт веществ, температура, освещение и другие условия. Некоторым реакциям нужна первоначальная порция энергии. Например, поджигание запускает горение паров этанола; затем выделяющаяся теплота помогает поддерживать процесс, пока хватает топлива и кислорода.

Растворение может обеспечить более тесный контакт частиц реагентов. Свет участвует в фотохимических превращениях. Нагревание часто ускоряет реакции, но нельзя считать, что любое нагревание обязательно создаёт новое вещество: плавление льда остаётся физическим изменением.

Запись уравнения обычно не сообщает скорость реакции, необходимые условия и все промежуточные стадии. Их указывают отдельно. В интерактиве перестройка молекул запускается ползунком для изучения модели; это не утверждение, что реальные водород и кислород безопасно смешивать или что смесь автоматически реагирует сразу.

5. Сохраняются атомы, меняются связи

Рассмотрим образование воды из водорода и кислорода. Молекула H₂ содержит два атома водорода, O₂ — два атома кислорода, H₂O — два атома водорода и один кислорода. Для двух молекул воды нужны четыре атома H и два атома O. Их дают две молекулы H₂ и одна O₂.

2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Слева четыре атома H и два O; справа столько же. Однако число молекул изменилось: три молекулы реагентов превратились в две молекулы продукта. Поэтому сохраняются не обязательно молекулы, а число атомов каждого элемента.

На лендинге показаны шесть таких наборов: 12 H₂ и 6 O₂ превращаются в 12 H₂O. На каждом шаге остаются 24 атома H и 12 атомов O. Отмеченный атом O остаётся тем же атомом, хотя его соседи меняются.

Свободно перемещающиеся шарики посередине модели — приём для отслеживания атомов. Реальная реакция не обязана сначала полностью разделять все молекулы на свободные атомы. Схема не показывает механизм, реальные размеры и скорости.

6. Граница системы и закон сохранения массы

При химической реакции в закрытой системе общая масса сохраняется. Закрытая система не обменивается веществом с окружением; при этом тепло может проходить через её границу. Для правильного сравнения до и после нужно учитывать все реагенты и продукты, включая газы.

Если реакция выделяет газ в открытом сосуде, часть вещества покидает весы. Показание уменьшается, но масса не исчезает: газ оказывается в окружающем воздухе. Возможна и противоположная ситуация. При окислении металла кислород из воздуха присоединяется к образцу, и масса твёрдого продукта может оказаться больше массы исходного металла.

Разобранный пример

В условной модели сосуд вместе с содержимым имеет массу 150,0 г. В реакции образуется 1,5 г газа. Если весь газ остаётся внутри, весы показывают 150,0 г. Если он полностью выходит, на весах остаётся 150,0 − 1,5 = 148,5 г. Сумма 148,5 + 1,5 = 150,0 г подтверждает сохранение массы при учёте всего вещества.

Числа в интерактиве придуманы для расчёта, а не взяты из измерений. Сосуд показан условно и не задаёт способ постановки опыта. Чтобы проверять закон в настоящем исследовании, необходимо заранее определить границу системы и учитывать все пути поступления и выхода вещества.

7. Как читать и составлять уравнение

В химическом уравнении формулы реагентов записывают слева от стрелки, продуктов — справа. Знак «+» разделяет разные вещества. Стрелка показывает направление рассматриваемого превращения.

Индекс — маленькая цифра внутри формулы: в H₂O он показывает два атома H в одной молекуле. Если индекса нет, подразумевается один атом. Коэффициент — число перед всей формулой. Запись 3 H₂O обозначает три молекулы: всего шесть атомов H и три O. Коэффициент умножает каждый индекс в формуле, включая неявные единицы.

Для уравнивания реакции сначала записывают правильные формулы известных реагентов и продуктов. Затем подсчитывают атомы каждого элемента слева и справа и подбирают коэффициенты. В конце проверяют все элементы и, если возможно, сокращают коэффициенты до наименьших целых. Коэффициент 1 обычно не записывают, но в конструкторе он виден для удобства.

Индексы менять нельзя: H₂O₂ — пероксид водорода, а не «двойная вода». Замена H₂O на H₂O₂ меняет вещество и условие задачи. Уравнивание также не позволяет угадать любые продукты: равенство числа атомов необходимо, но ещё не гарантирует возможность реакции.

8. Три примера с проверкой

1. Полное сгорание метана

Начальная схема: CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O. Один атом C даёт один CO₂. Четырём атомам H соответствуют две H₂O. Справа теперь четыре атома O: два в CO₂ и ещё два в воде. Значит, перед O₂ нужен коэффициент 2.

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Проверка: C — 1 и 1; H — 4 и 4; O — 4 и 4.

2. Полное сгорание этанола

В C₂H₆O есть два C, шесть H и один O. Ставим 2 перед CO₂ и 3 перед H₂O. Справа семь атомов O. Один уже входит в этанол, ещё шесть должны прийти из трёх O₂.

C₂H₆O + 3 O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O

Проверка: C — 2 и 2; H — 6 и 6; O — 1 + 6 = 7 и 4 + 3 = 7. Частая ошибка — забыть кислород, уже находящийся в этаноле.

3. Образование оксида алюминия

В O₂ два атома O, в формульной единице Al₂O₃ — три. Общее число 6 удобно получить как 3 × 2 и 2 × 3. Ставим 3 перед O₂ и 2 перед Al₂O₃. Справа четыре Al, значит, слева нужен коэффициент 4.

4 Al + 3 O₂ → 2 Al₂O₃

Проверка: Al — 4 и 4; O — 6 и 6. Al₂O₃ — немолекулярное твёрдое вещество; коэффициенты здесь выражают отношение количества частиц/формульных единиц, а не отдельные молекулы оксида.

9. Ошибки, которые легко заметить

«Любое изменение цвета — реакция».: Нужны сведения об исходных веществах, условиях и продуктах. Цвет — признак для исследования.
«Если число молекул уменьшилось, часть вещества пропала».: Молекулы могут перестраиваться. Проверяют число атомов каждого элемента, а не сумму молекул.
«Коэффициент относится только к ближайшему символу».: Он умножает всю формулу. В 2 CO₂ два атома C и четыре O.
«Для баланса можно дописать маленькую цифру».: Это изменит вещество. Сохраняют формулы и подбирают числа перед ними.
«В открытом сосуде закон сохранения массы не действует».: Действует, но часть вещества могла уйти или прийти. Нужно правильно выбрать границу и учесть обмен с окружением.
«Любое уравнение с одинаковыми атомами описывает реальную реакцию».: Равенство атомов — проверка записи, а не доказательство возможности произвольного превращения.

10. Самопроверка с ответами

Железную ложку согнули, а другую оставили ржаветь. Где появились новые вещества? Объясните различие.
Назовите два физических процесса и одно химическое превращение в горящей свече.
В сосуде появились пузырьки. Назовите две возможные причины без образования нового вещества.
Сколько атомов каждого элемента в 4 H₂O и в 3 CO₂?
Расставьте наименьшие целые коэффициенты: H₂ + O₂ → H₂O; CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O; Al + O₂ → Al₂O₃.
Открытая система весила 82,4 г. После реакции весы показывают 80,9 г. Других потерь не было. Какова масса вышедшего газа?
Можно ли заменить H₂O на H₂O₂ при уравнивании реакции? Почему?
Почему масса металла после окисления может увеличиться?

Показать ответы и объяснения

1. При ржавлении: образуются соединения железа. Изгиб меняет форму. 2. Плавление и испарение — физические; горение паров — химическое. 3. Кипение и выход ранее растворённого газа. 4. В 4 H₂O — 8 H и 4 O; в 3 CO₂ — 3 C и 6 O. 5. Коэффициенты: 2, 1, 2; 1, 2, 1, 2; 4, 3, 2. 6. 82,4 − 80,9 = 1,5 г. 7. Нельзя: пероксид водорода — другое вещество. 8. К металлу присоединяется кислород из воздуха; его массу тоже надо учитывать.

11. Заметки для учителя

Результат: ученик различает наблюдение и объяснение, называет реагенты и продукты, сохраняет атомы при моделировании, уравнивает простые реакции и объясняет показания весов в открытой системе. Предварительно нужны понятия атома, молекулы, элемента, формулы, смеси и агрегатного состояния.

Ход работы: начните с гвоздя и попросите сформулировать критерий химического превращения. Свеча помогает разделить процессы внутри одного явления. Затем сравните признаки реакций с физическими похожими эффектами. Перейдите к атомной модели и границе системы, а уже потом к уравнениям. При необходимости разделите материал на два занятия: наблюдения и сохранение вещества; коэффициенты и самостоятельное решение.

Вопросы для обсуждения: почему труднообратимое изменение не обязательно химическое? Что изменилось в модели, если число атомов сохранилось? Почему закон сохранения массы нельзя проверять по одному кусочку продукта, забывая остальные вещества? Чем подсчёт атомов отличается от установления реального состава продуктов?

Поддержка и усложнение: начните с H₂/O₂/H₂O и предметного пересчёта; затем добавьте метан. Для подготовленных учеников предложите этанол и оксид алюминия. При оценивании просите не только коэффициенты, но и проверку каждого элемента. Признавайте уравненные кратные коэффициенты верными по балансу, затем просите сократить их.

Все задания можно выполнить на экране; самостоятельные опыты с огнём и реагентами не требуются. Английский переключатель сохраняет текущие ответы и параметры в пределах доступного хранилища браузера. На телефоне автоматическое движение отключено, ручные ползунки доступны.

12. Модели, иллюстрации и дополнительные материалы

Все растровые иллюстрации созданы для урока и имеют художественный характер. Сравнение гвоздей — согласованная модель «до → после», а не документальная запись опыта. По рисункам нельзя устанавливать концентрации, время реакции или точный состав образца.

Модель частиц показывает учёт атомов. Модель массы использует условные числовые данные и условные маркеры газа; их число не обозначает реальное число молекул. Конструктор уравнений считает атомы по заданным формулам. Три кнопки 3D и повторная галерея открывают превью будущих сцен: сами объёмные модели ещё не подключены.

Дополнительная сверка понятий: Royal Society of Chemistry — Conservation of mass; Royal Society of Chemistry — Detecting starch in food. Эти внешние материалы требуют интернета; собственный текст урока и все задания доступны локально.

Примеры из галереи: ACS — Apple browning; RSC — Copper patina; ACS — Chemistry of bread flavor.

← К интерактивам

Физические изменения и химические реакции

Интерактивная версия: задания, 3D-сцены, видео