Число известных химических соединений давно перевалило за 25 миллионов, а число различных реакций, в которые они могут вступать, неизмеримо больше. И немало из них имеют много общего.
Например, все реакции нейтрализации, когда кислота и щёлочь «гасят» друг друга, можно свести к взаимодействию в растворе ионов Н+ и ОН-, которые притягиваются друг к другу и образуют воду. Сходны между собой и многие другие реакции.
Химики ещё 200 лет назад пытались навести в своём хозяйстве какой-то порядок.
Они классифицировали и химические элементы, и различные типы химических реакций.
Прежде всего, все реакции подразделяли на неорганические и органические — в соответствии с тем, какого типа вещества в них участвуют.
А какие ещё бывают реакции? Первые попытки классификации касались наиболее изученных к тому времени неорганических веществ.
Реакция металла с кислородом — пример реакции соединения.
В этой реакции из двух простых веществ образуется одно сложное, оксид. Например, 2Zn + О2 = 2ZnO.
Оксид цинка в этой реакции получается в виде рыхлого порошка, который алхимики называли «шерстью философов» — lana philosophica (философами они, конечно, считали себя). Аналогично при длительном прокаливании ртути в закрытом сосуде с воздухом (из открытого сосуда ртуть испарится) получается оксид: 2Hg + О2 = 2HgO; такой опыт проделал Лавуазье, чтобы доказать неизменность массы в ходе химической реакции.
Здесь также два простых вещества, соединяясь, дают сложное вещество. Некоторые оксиды («земли»), которые называли щелочными, в результате реакции с водой давали едкие вещества — щёлочи.
Например, оксид кальция (негашёная известь) можно «погасить» водой; при этом образуется гидроксид кальция (гашёная известь): СаО + Н2О = Са(ОН)2. Это тоже реакция соединения, в которой из двух сложных веществ получается одно новое, тоже сложное.
Многие реакции соединения можно «повернуть вспять», заставить их идти в обратном направлении. Так, если нагреть оксид ртути посильнее, выше 400 °С, пройдёт реакция разложения: 2HgO = 2Hg + О2. В ней из сложного вещества получаются два простых.
При разложении бертолетовой соли (хлората калия) получается одно простое вещество и одно сложное: 2КСlO3 = 2КС1 + 3О2, а при разложении карбоната кальция (мел, известняк) получаются два сложных вещества: СаСО3 = СаО + СО2. Эта реакция идёт при очень высокой температуре; с её помощью в промышленности получают известь. Не все реакции разложения можно заставить идти в обратном направлении.
Например, реакция разложения гидроксида меди: Cu(OH)2 = СиО + Н2О идёт уже при слабом нагреве, а обратная реакция соединения невозможна.
В реакции замещения атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов сложного вещества, например Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu, 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2. Вот ещё одна реакция замещения: металл кальций реагирует с водой, при этом образуется уже знакомый нам гидроксид кальция и выделяется водород: Са + 2Н2O = Са(ОН)2 + Н2. Здесь атом кальция как бы заместил атомы водорода в молекулах воды.
Рассмотренная ранее реакция Са(ОН)2 + 2НС1 = СаС12 + 2Н2O относится к реакции обмена, внимательно посмотрев на её уравнение, легко заметить, что атомы кальция (Са) и группы ОН в гидроксиде кальция, а также атомы водорода и хлора в соляной кислоте (НС1) как бы поменялись местами.
В результате атомы кальция и хлора (вернее, катионы Са2+ и анионы CP) образовали соль — хлорид кальция, а анионы ОН — из гидроксида и катионы Н+ из кислоты образовали воду.
В реакции обмена два сложных вещества обмениваются своими составными частями, например NaOH + HCI = NaCl + Н2O. Вот ещё один пример реакции обмена (он нам уже встречался): CuSO4 + H2S = CuS + H2SO4.
Мы рассмотрели четыре основных типа химических реакций с участием неорганических соединений. А теперь вопрос на засыпку: к какому из перечисленных выше типов относится реакция поглощения углекислого газа раствором щёлочи: 2NaOH + СO2 = Na2CO3 + Н2O? Поразмыслив, приходим к выводу, что ни к какому!
То же, по-видимому, можно сказать и о реакции горения аммиака в кислороде: 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6Н2O, а также о его окислении в присутствии катализатора: 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6Н20. А вот ещё один пример.
Прокаливая «философскую шерсть» с углём, можно снова превратить её в серебристый металл: ZnО + С = Zn + СO2. К какому типу относится эта реакция?
Может быть, к реакции замещения?
В ней атомы простого вещества — угля замещают в сложном веществе — оксиде цинка… Да, не получается: ничего атомы углерода не замещают!
Они на самом деле «отрывают» от оксида принадлежавшие ему атомы кислорода и соединяются с ними. К реакции обмена этот процесс тоже не отнесёшь, так как в нём участвует одно простое вещество.
И последний пример: начинающие изучать химию смело отнесут реакцию осаждения хлорида серебра из раствора его нитрата («ляписа») к реакции обмена: AgNO3 + NaCl = AgClv + NaNO3.
Действительно, два сложных вещества — соли обменялись своими составными частями. Но вот пришло время, и школьники начинают изучать теорию электролитической диссоциации.
Этими мудрёными словами обозначается простое явление: в водном растворе большинство солей, а также кислоты и щёлочи находятся в виде ионов. Учащиеся узнают, что такие реакции, как приведённая выше, в растворе идут с участием ионов, и даже учатся записывать их «краткое ионное уравнение».
Оно выглядит очень просто: Ag+ + CI — = AgClv. То есть катионы серебра и анионы хлора, встречаясь в растворе, образуют нерастворимый хлорид серебра.
А ионы Na+ и Сl — как «плавали» спокойно в растворе, так и продолжают «плавать» и в реакции не участвуют.