Классификация химических реакций контрольная работа: Контрольная работа №1 по теме Классификация химических реакций» и «Электролитическая диссоциация»(9 класс)

Хотя химические реакции происходят на Земле с незапамятных времен, только 18 век, когда первые химики начали понимать их. Такие процессы, как ферментация, при которой сахар химически превращается в спирт, были известны на протяжении веков; однако химическая основа реакции не была понята.Что это были за трансформации и как ими управляли? На эти вопросы можно было ответить только тогда, когда произошел переход от алхимии к химии как количественной и экспериментальной науке.

Исторический контекст

Начиная с раннего средневековья европейские и персидские философы были очарованы тем, как одни субстанции, казалось, «трансмутировались» (или трансформировались) в другие.Простые камни, например, содержащие серу, казалось, волшебным образом горят; и иначе не впечатляющие минералы были преобразованы, как руда киновари, превращающаяся при нагревании в очаровательную серебристую жидкую металлическую ртуть. Алхимики основывали свой подход на идеях Аристотеля о том, что все в мире состоит из четырех основных веществ — воздуха, земли, огня и воды (рис. 2).

Таким образом, они предложили и потратили поколения на то, чтобы доказать, что менее дорогие металлы, такие как медь и ртуть, можно превратить в золото. Несмотря на свой ошибочный подход, многие ранние алхимики проводили фундаментальные химические эксперименты, превращая одно вещество в другое, поэтому трудно указать на конкретную дату или событие как на рождение идеи упорядоченной, поддающейся количественной оценке химической реакции. Однако в истории есть несколько важных моментов, которые помогли разобраться в этом.

Лавуазье: Закон сохранения массы

Антуан Лавуазье был французским дворянином в 1700-х годах, который начал экспериментировать с различными химическими реакциями. В то время химию еще нельзя было назвать настоящей количественной наукой. Большинство теорий, которые существовали для объяснения того, как изменяются вещества, основывались на греческой философии, и было очень мало экспериментальных деталей, связанных с работой алхимика.

Однако во второй половине 18-го века Лавуазье провел множество количественных экспериментов и заметил, что, хотя вещества меняют форму во время химической реакции, масса системы — или мера общего количества присутствующего «вещества» — остается неизменной. не изменить. При этом Лавуазье отстаивал идею сохранения массы во время преобразований (рис. 3). Другими словами, в отличие от алхимиков до него, которые думали, что они создают материю из ничего, Лавуазье предположил, что вещества не создаются и не разрушаются, а скорее меняют форму в ходе реакций.Идеи Лавуазье были опубликованы в основополагающей работе Traité élémentaire de Chimie в 1789 году (Lavoisier, 1789), которая широко провозглашается рождением современной химии как количественной науки.

Пруст: Закон постоянной композиции

Жозеф Пруст был французским актером, который пошел по стопам Лавуазье. Пруст провел десятки химических реакций, начиная с разного количества различных материалов. Со временем он заметил, что независимо от того, как он запускал определенную химическую реакцию, соотношение, в котором расходуются реагенты, всегда было постоянным. Например, он много работал с карбонатом меди, и независимо от того, как он менял соотношение исходных реагентов, медь, углерод и кислород все вместе реагировали в постоянном соотношении (Proust, 1804).В результате в последние несколько лет 18 века Пруст сформулировал закон постоянного состава (также называемый законом определенных пропорций, рис. 4).

Он понял, что любое данное химическое вещество (которое мы теперь определяем как соединение) всегда состояло из одного и того же массового отношения его элементарных частей, независимо от метода приготовления. Это был огромный шаг вперед в современной химии, поскольку ранее считалось, что вещества, образующиеся в ходе химических реакций, были случайными и неупорядоченными.

Дальтон: Закон множественных пропорций

Английский химик Джон Дальтон помог разобраться в законах сохранения массы и определенных пропорций в 1803 году, предположив, что материя состоит из атомов уникальных веществ, которые не могут быть созданы или разрушены (см. модуль «Ранние идеи о материи» для получения дополнительной информации).

Дальтон расширил идеи Пруста, признав, что два элемента могут образовывать более одного соединения, но каким бы ни было соединение, оно всегда будет содержать элементы, объединенные в целочисленных отношениях (Dalton, 1808). Это наблюдение известно как закон множественных пропорций (рис. 5), и его атомная теория помогла закрепить наблюдения Лавуазье.

Эти достижения, взятые вместе, заложили основу для наше современное понимание химических реакций, химических уравнений и химической стехиометрии, или процесса выражения относительных количеств реагентов и продуктов в химической реакции.

Контрольная точка понимания

____ впервые предположил, что, хотя вещества меняют форму во время химической реакции, масса системы не меняется.

Типы химических реакций

Существует огромное количество химических реакций. Химические реакции постоянно происходят в наших телах, внутри растений и животных, в воздухе, который циркулирует вокруг нас, в озерах и океанах, в которых мы плаваем, и даже в почве, где мы выращиваем урожай и строим дома.На самом деле, происходит так много химических реакций, что было бы трудно, а то и невозможно понять их все. Однако один метод, который помогает нам понять их, — это разделить химические реакции на несколько общих типов. Хотя это и не идеальная система, объединение реакций в соответствии с их сходством помогает нам идентифицировать закономерности, что, в свою очередь, позволяет делать прогнозы относительно еще не изученных реакций. В этом модуле мы рассмотрим и предоставим некоторый контекст для нескольких категорий реакций, а именно: синтеза, разложения, одиночного замещения, двойного замещения, РЕДОКС (включая горение) и кислотно-основных реакций.

Независимо от типа реакции, одна универсальная истина применима ко всем химическим реакциям. Чтобы процесс был классифицирован как химическая реакция, то есть процесс, в котором происходит химическое изменение, должно быть произведено новое вещество. Образование нового вещества почти всегда сопровождается изменением энергии, а часто и каким-либо физическим или наблюдаемым изменением. Физические изменения могут быть разных типов, например образование пузырьков газа, твердого осадка или изменение цвета.Эти изменения являются ключом к разгадке химической реакции и являются важными триггерами для дальнейших исследований химиков.

Реакции синтеза

До работы Лавуазье было плохо известно, что существуют разные газы, состоящие из разных элементов. Вместо этого различные газы обычно неверно характеризовали как типы «воздуха» или отсутствующих частей воздуха — например, обычно использовались термины «легковоспламеняющийся воздух» или «дефлогистированный воздух».«Лавуазье думал иначе и был убежден, что это разные вещества. Он провел эксперименты, в которых он смешал горючий воздух с дефлогистированным воздухом и искрой, и обнаружил, что эти вещества образуют воду. В ответ он переименовал горючий воздух в« водород »из греческое hydro означает «вода» и гены — «создатель». При этом Лавуазье определил реакцию синтеза. В общем, реакция синтеза — это реакция, в которой более простые вещества объединяются, чтобы образовать другое, более сложное.Водород и кислород (который Лавуазье также переименовал в дефлогистированный воздух) объединяются в присутствии искры, чтобы образовать воду, что резюмируется химическим уравнением, показанным ниже (для получения дополнительной информации о химических уравнениях см. Раздел под названием Анатомия химического уравнения ), он представляет собой простая реакция синтеза.

Уравнение 1

2H _{2 (g)} + O _{2 (g)} → 2H ₂ O _(l)

Реакции разложения

В 1774 году ученый Джозеф Пристли обратил свое любопытство в минерал под названием киноварь — минерал кирпично-красного цвета.Когда он поместил минерал под солнечный свет, усиленный мощным увеличительным стеклом, он обнаружил, что образовался газ, который он описал как имеющий «возвышенную природу», потому что свеча ярко горела в газе (Priestley, 1775). Не осознавая этого, Пристли открыл кислород в результате реакции разложения. Реакции разложения часто считаются противоположностью реакций синтеза, поскольку они включают разложение соединения на более простые соединения или даже элементы. В случае с кислородом Пристли он разложил оксид ртути (II) (киноварь) с помощью тепла на отдельные элементы.Реакцию можно описать следующим уравнением.

Уравнение 2 2HgO _(s) → 2Hg _(l) + O _{2 (g)}

Реакции однократного замещения

Британский химик и метеоролог Джон Даниэлл изобрел одну из самых первых практичных батарей в 1836 году (Рисунок 6) .В своей камере Даниэлл использовал очень обычную реакцию одиночного замещения. Его ранние камеры были сложными, с неуклюжими деталями и сложными конструкциями, но, напротив, химия, лежащая в основе них, была действительно довольно простой.

В некоторых химических реакциях один компонент может заменять другой, уже включенный в химическое соединение. Ячейка Даниэля работает, потому что цинк может заменять медь в растворе сульфата меди и, таким образом, обменивать электроны, которые используются в элементе батареи.Реакцию можно резюмировать следующим образом:

Уравнение 3 Zn _(s) + CuSO _{4 (водн.)} → ZnSO _{4 (вод. многие типы батарей основаны на реакциях замещения металлов. Однако существует несколько других типов реакций одиночного замещения, например, когда металл может заменять водород из кислоты или воды, или галоген может заменять другой галоген в некоторых солевых соединениях.}

Реакции возгорания

Контролируемое использование огня было решающим событием для ранней цивилизации. Хотя трудно определить точное время, когда люди впервые приручили реакции горения, приводящие к возникновению огня, недавние исследования показывают, что это могло произойти, по крайней мере, миллион лет назад в пещере в Южной Африке (Berna et al. 2012).

С химической точки зрения горение — это не что иное, как реакция топлива (древесины, масла, бензина и т. Д.).) с кислородом. Для того, чтобы произошло горение, должно быть топливо и газообразный кислород. Однако для этих реакций часто требуется энергия активации (более подробно описанная в модуле «Химическая связь: природа химической связи»), которая может быть получена с помощью «искры» или источника энергии для воспламенения. Топливо, кислород и энергия — это три составляющих так называемого огненного треугольника (рис. 7), и отсутствие любого из них означает, что горение не произойдет.

В современном мире многие виды топлива, которые обычно сжигаются для получения энергии, представляют собой углеводороды — вещества, содержащие как водород, так и углерод (как более подробно обсуждается в нашем модуле химии углерода). Растения производят углеводороды во время роста и, таким образом, являются отличным источником топлива, а другие углеводороды производятся, когда растения или животные со временем разлагаются (например, природный газ, нефть и другие вещества). Когда это топливо сгорает, водород и углерод в нем соединяются с кислородом, образуя два очень знакомых соединения: воду и углекислый газ.Один простой пример — сжигание природного газа или метана, CH ₄ :

Уравнение 4 CH _{4 (г)} + 2O _{2 (г)} → CO _{2 (г)} + 2H ₂ O _(л)

Как и при сгорании всех видов топлива, тепло и свет являются продуктами, тоже, и именно эти продукты используются для приготовления пищи или обогрева наших домов.

Реакции восстановления-окисления

Каждый из четырех вышеуказанных типов реакций является подкатегорией одного типа химической реакции, известной как окислительно-восстановительные реакции. Окислительно-восстановительная реакция — это реакция, при которой восстановление и окисление протекают вместе, отсюда и название. Отдельные процессы окисления и восстановления могут быть определены более чем одним способом, но независимо от определения, эти два процесса являются симбиотическими, т.е.е., они должны проходить вместе.

В одном из определений окисление описывается как процесс, в котором какое-либо вещество теряет электроны, а восстановление — это процесс, при котором вид приобретает электроны. Таким образом, мы можем увидеть, как пара должна иметь место вместе. Если химическое вещество должно терять электроны (и, следовательно, окисляться), тогда у него должно быть другое взаимозависимое химическое вещество, которому оно может отдать эти электроны. Говорят, что при этом второе вещество (то, которое получает электроны) восстанавливается.Без такого акцептора электронов исходные частицы никогда не могут потерять электроны, и не может произойти окисление. Когда присутствует акцептор электронов, он восстанавливается, и процесс окислительно-восстановительной комбинации завершается. Окислительно-восстановительные реакции этого типа можно резюмировать с помощью пары уравнений: одно показывает потерю электронов (окисление), а другое — прирост электронов (восстановление). Используя приведенный выше пример ячейки Даниэля,

Уравнение 5 Окисление: Zn → Zn ²⁺ + 2e ^— Восстановление: Cu ²⁺ + 2e ^— → Cu

Электроны, потерянные цинком в первой реакции, являются теми же электронами, которые принимаются ионами меди во второй.Вместе реакции могут быть объединены для нейтрализации электронов по обе стороны от реакции в общую окислительно-восстановительную реакцию:

Уравнение 6 Zn + Cu ²⁺ → Zn ²⁺ + Cu

Существуют и другие определения окисления и восстановления, но в каждом случае две половины окислительно-восстановительной реакции остаются симбиотическими — одна проигрывает, а другая выигрывает.Убыток от одного вида не может произойти без прироста другого вида.

Реакции двойного вытеснения

Когда мыло не образует пену в воде, вода считается «жесткой». Жесткая вода вызывает множество проблем, которые выходят за рамки простого образования пены. Накопление соединений в водопроводных трубах (известное как «накипь») может блокировать поток воды и вызывать проблемы в промышленных процессах.Текстильная промышленность и производство напитков в значительной степени зависят от воды. В таких ситуациях качество воды может иметь значение для конечного продукта, поэтому контроль состава воды имеет решающее значение.

Жесткая вода содержит ионы магния или кальция в виде растворенных солей, таких как хлорид магния или хлорид кальция. Когда мыло (стеарат натрия) вступает в контакт с любой из этих солей, оно вступает в реакцию двойного замещения, в результате которой образуется нерастворимый осадок, известный как «мыльная пена».

Реакция двойного замещения (также известная как реакция двойного замещения) происходит, когда два ионных вещества объединяются и оба вещества обмениваются партнерами. Общий:

Уравнение 7 AB + CD → AD + CB

Где A и C — катионы (положительно заряженные ионы), а B и D — анионы (отрицательно заряженные).

В случае реакции мыла с хлоридом кальция реакция:

Уравнение 8 CaCl _{2 (водн.)} + 2NA (C ₁₇ H ₃₅ COO) _(водн.) → 2NaCl _(водн.) + Ca (C ₁₇ H ₃₅ COO) _{2 (с)}

Твердый стеарат кальция — это то, что мы называем мыльной пеной, которая образуется в результате реакции растворимой соли стеарата натрия (мыла) в реакции двойного замещения с хлоридом кальция.

Кислотно-основные реакции

Кислотно-основные реакции происходят постоянно вокруг и даже внутри нас. От классического вулкана пищевой соды в начальной школе до процесса пищеварения мы ежедневно сталкиваемся с кислотами и основаниями.

Когда атом водорода теряет свой единственный электрон, он образует положительный ион H ⁺ .Этот ион водорода является важным компонентом всех кислот, и действительно, одно определение кислоты — это донор иона водорода. Такие соединения, как лимонная кислота в лимонном соке, этановая кислота в уксусе или типичная лабораторная кислота, такая как соляная кислота, все отдают свои ионы водорода в химических реакциях, известных как кислотно-основные реакции. Химические противоположности кислот известны как основания, а основания можно определить как акцепторы ионов водорода. Когда кислота отдает ион водорода основанию, происходит кислотно-основная реакция, например, когда соляная кислота отдает ион водорода основанию, такому как гидроксид натрия:

Уравнение 9a HCl _(водн.) + NaOH _(водн.) → H ₂ O _(l) + NaCl _(водн.)

Более пристальный взгляд на эту реакцию показывает, что в воде HCl выделяет H ⁺ , как показано ниже:

Уравнение 9b HCl _(водн.) + H ₂ O _(л) → H ₃ O ⁺ _(водн.) + Cl ^— _(водн.)

Полученные частицы, H ₃ O ⁺ (ион гидроксония), может, в свою очередь, действовать как кислота, когда вступает в контакт с любыми веществами, которые могут принимать ион водорода, такими как ионы гидроксида из гидроксида натрия:

Уравнение 9c H ₃ O ⁺ _(водн.) + NaOH _(водн.) → 2H ₂ O _(l) + Na ⁺ _(водн.)

Объединение уравнений # 9a и # 9b дает нам уравнение № 9c.

Уравнение № 9c можно переписать, чтобы показать отдельные ионы, находящиеся в растворе, таким образом:

Уравнение 9d H ⁺ _(водн.) + Cl ^— _(водн.) + Na ⁺ _(водн.) + OH ^— _(водн.) → H ₂ O _(л) + Na ⁺ _(водн.) + Cl ^— _(водн.)

Удалив ионы-наблюдатели из приведенного выше уравнения, мы получим чистое ионное уравнение:

Уравнение 9e H ⁺ _(водн.) + OH ^— _(водн.) → H ₂ O _(l)

Любая химическая реакция, в результате которой образуется вода в результате реакции между кислотой и основанием, как в уравнении # 9e известна как реакция нейтрализации.

Контрольная точка понимания

Тип химической реакции, при которой один компонент может заменять другой, уже связанный в химическое соединение:

Анатомия химического уравнения

Химические уравнения всегда связаны с химическими реакциями, поскольку они являются сокращением, с помощью которого описываются химические реакции.Один этот факт делает уравнения невероятно важными, но уравнения также играют решающую роль в описании количественного аспекта химии, то, что мы формально называем стехиометрией.

Все химические реакции протекают в одном и том же основном формате. Исходные вещества или реагенты перечислены с использованием их химической формулы в левой части стрелки, причем несколько реагентов разделены знаком плюс. В случае реакции углерода с кислородом:

Уравнение 10a C + O ₂ →

Справа от стрелки находятся химические формулы нового вещества или веществ (известных как продукты), которые образуются в результате химической реакции.В этом случае, поскольку углекислый газ является результатом сжигания углерода в присутствии кислорода:

Уравнение 10b [Реагенты] C + O ₂ → CO ₂ [Продукты]

Поскольку реакции могут приводить как к физическим, так и к химическим изменениям, каждому веществу дается символ состояния, записанный в виде нижнего индекса справа от формулы, это описывает физическую форму реагентов и продуктов.Общепринятые аббревиатуры состояний: (s) для твердых веществ, (l) для жидкостей, (g) для газов и (aq) для любых водных веществ, то есть растворенных в воде.

Уравнение 10c C _(s) + O _{2 (g)} → CO _{2 (g)}

Наконец, чтобы гарантировать, что это представление подчиняется закону сохранения массы, уравнение может потребоваться уравновесить сложение чисел перед каждым видом, что создает равное количество атомов каждого элемента с каждой стороны уравнения.В случае образования диоксида углерода из углерода и кислорода нет необходимости добавлять такие числа (называемые стехиометрическими коэффициентами), поскольку 1 атом углерода и 2 атома кислорода появляются на каждой стороне уравнения.

Изменения энергии

В природе химические реакции часто происходят за счет обмена энергией. В этом отношении реакции обычно делятся на две категории — те, которые высвобождают энергию, и те, которые поглощают энергию.

Экзотермические реакции — это реакции, которые выделяют энергию в окружающую среду (рис. 8, справа). Реакции горения являются очевидным примером, потому что энергия, выделяемая в результате реакции, преобразуется в свет и тепло, видимые в непосредственной близости.

Напротив, эндотермические реакции — это те, которые поглощают энергию из окружающей среды (рис. 8, слева).В этой ситуации, возможно, придется нагреть реакцию или добавить в систему какую-либо другую форму энергии, прежде чем реакция протекает.

В обоих случаях важно отметить, что энергия не создается и не разрушается, а передается от одного типа энергии к другому, например, от химической энергии к теплу или свету.Энергия, которая идет на образование химических связей, обменивается на другие виды энергии с окружающей средой вокруг этой реакции. Классическим примером является реакция фотосинтеза, при которой растения поглощают световую энергию солнца, чтобы создать связи между атомами, составляющими сахара, которые сохраняются в виде химической энергии для дальнейшего использования растениями. Процесс дыхания по сути противоположен фотосинтезу, когда связи в молекулах сахара разрываются, и высвобождаемая энергия затем используется растением.

Контрольная точка понимания

_____ реакции — это реакции, которые поглощают энергию из окружающей среды.

Контекст химических реакций

Химические реакции происходят вокруг нас каждый день. Будь то однократная реакция замены в батарее нашего фонарика, реакция синтеза, которая происходит, когда железо ржавеет в присутствии воды и кислорода, или кислотно-щелочная реакция, которая происходит, когда мы едим — мы испытываем химические реакции практически во всем, что мы делать.Понимание этих реакций не является абстрактным понятием для химика, работающего в далекой лаборатории, скорее, оно имеет решающее значение для понимания жизни и окружающего нас мира. Чтобы по-настоящему справиться с химическими реакциями, нам необходимо понимать количественный аспект этих реакций, называемый стехиометрией, и концепцию, которую мы обсудим в другом модуле.

Сводка

В этом модуле исследуется множество химических реакций, сгруппированных по общим типам.Мы рассмотрим синтез, разложение, однократное замещение, двойное замещение, РЕДОКС (включая горение) и кислотно-основные реакции с примерами каждого из них.

Ключевые понятия

• Шаги от качественной науки к количественной имели решающее значение для более полного понимания химии и химических реакций.
• Когда вещество или вещества (реагенты) претерпевают изменение, которое приводит к образованию нового вещества или веществ (продуктов), считается, что произошла химическая реакция.
• В химических реакциях сохраняются масса и энергия. Материя не создается и не разрушается, она скорее сохраняется, а перестраивается для создания новых веществ. Энергия не создается и не разрушается, она сохраняется, но часто преобразуется в другую форму.
• Химические реакции можно разделить на разные типы в зависимости от их природы. Каждый тип имеет свои собственные определяющие характеристики с точки зрения реагентов и продуктов.
• Химические реакции часто сопровождаются наблюдаемыми изменениями, такими как изменение энергии, изменение цвета, выделение газа или образование твердого вещества.
• Энергия играет решающую роль в химических реакциях. Когда энергия выделяется в окружающую среду, реакция называется экзотермической; когда энергия поглощается из окружающей среды, реакция считается эндотермической

• NGSS

• HS-C5.4, HS-PS1.A2, HS-PS1.A3, HS-PS1.B3

• Ссылки

• Берна, Ф., Голдберг, П., Хорвиц, Л. К., Бринк, Дж., Холт, С., Бэмфорд, М., и Чазан, М. (2012). Микростратиграфическое свидетельство возгорания на месте в ашельских пластах пещеры Вандерверк, провинция Северный Кейп, Южная Африка. Proceedings of the National Academy of Sciences, 109 (20), E1215-E1220.

• Далтон, Джон (1808). Новая система химической философии .
• Лавуазье, Антуан (1789). Traité Élémentaire de Chimie, présenté dans un ordre nouveau, et d’après des découvertes modernes .
• Пристли, Джозеф (1775). «Отчет о дальнейших открытиях в воздухе». Философские труды. 65 : 384–94.
• Пруст Жозеф Луи (1804). «Sur les Oxydations Métalliques». J. Phys. 59 : 321-343.

Энтони Карпи, доктор философии, Адриан Дингл, бакалавр наук «Химические реакции» Visionlearning Vol. ЧЭ-1 (6), 2003.

Химические реакции — анатомия и физиология

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Различать кинетическую и потенциальную энергию, а также экзергонические и эндергонические химические реакции
• Определите четыре формы энергии, важные для функционирования человека
• Опишите три основных типа химических реакций
• Определите несколько факторов, влияющих на скорость химических реакций

Одной из характеристик живого организма является метаболизм, который представляет собой совокупность всех химических реакций, протекающих для поддержания здоровья и жизни этого организма.Процессы связывания, которые вы изучили до сих пор, представляют собой анаболические химические реакции; то есть они образуют более крупные молекулы из более мелких молекул или атомов. Но помните, что метаболизм может протекать и в другом направлении: в катаболических химических реакциях связи между компонентами более крупных молекул разрываются, высвобождая более мелкие молекулы или атомы. Оба типа реакции включают обмен не только веществом, но и энергией.

Роль энергии в химических реакциях

Химические реакции требуют достаточного количества энергии, чтобы заставить вещество столкнуться с такой силой и точностью, что старые химические связи могут быть разорваны и образованы новые.В общем, кинетическая энергия — это форма энергии, приводящая в движение любой тип материи. Представьте, что вы строите кирпичную стену. Энергия, необходимая для поднятия и установки одного кирпича на другой, называется кинетической энергией — энергией, которой обладает материя из-за своего движения. Как только стена установлена, она накапливает потенциальную энергию. Потенциальная энергия — это энергия положения или энергии, которой обладает материя из-за расположения или структуры ее компонентов. Если кирпичная стена рушится, сохраненная потенциальная энергия высвобождается в виде кинетической энергии при падении кирпичей.

В человеческом теле потенциальная энергия хранится в связях между атомами и молекулами. Химическая энергия — это форма потенциальной энергии, в которой энергия хранится в химических связях. Когда эти связи образуются, вкладывается химическая энергия, а когда они разрываются, выделяется химическая энергия. Обратите внимание, что химическая энергия, как и вся энергия, не создается и не разрушается; скорее, он преобразуется из одной формы в другую. Когда вы съедаете энергетический батончик перед тем, как отправиться в поход, мед, орехи и другие продукты, содержащиеся в батончике, расщепляются и превращаются вашим телом в молекулы, которые ваши мышечные клетки преобразуют в кинетическую энергию.

Химические реакции, при которых выделяется больше энергии, чем поглощается, называются экзергоническими. Катаболизм продуктов в вашем энергетическом батончике является примером. Часть химической энергии, хранящейся в стержне, поглощается молекулами, которые ваше тело использует в качестве топлива, но часть ее выделяется, например, в виде тепла. Напротив, химические реакции, которые поглощают больше энергии, чем выделяют, носят эндергонический характер. Эти реакции требуют ввода энергии, и получающаяся в результате молекула хранит не только химическую энергию в исходных компонентах, но и энергию, которая питала реакцию.Поскольку энергия не создается и не разрушается, откуда берется энергия, необходимая для эндергонических реакций? Во многих случаях это происходит из-за экзергонических реакций.

Формы энергии, важные для функционирования человека

Вы уже узнали, что химическая энергия поглощается, накапливается и высвобождается химическими связями. Помимо химической энергии, в жизнедеятельности человека важны механическая, лучистая и электрическая энергия.

• Механическая энергия, которая хранится в физических системах, таких как машины, двигатели или человеческое тело, напрямую приводит в движение материю.Когда вы поднимаете кирпич на стену, ваши мышцы обеспечивают механическую энергию, которая перемещает кирпич.
• Лучистая энергия — это энергия, излучаемая и передаваемая в виде волн, а не материи. Эти волны различаются по длине от длинных радиоволн и микроволн до коротких гамма-волн, излучаемых распадающимися атомными ядрами. Полный спектр лучистой энергии называется электромагнитным спектром. Организм использует ультрафиолетовую энергию солнечного света для преобразования соединения в клетках кожи в витамин D, который необходим для функционирования человека.Человеческий глаз эволюционировал, чтобы видеть длины волн, составляющие цвета радуги, от красного до фиолетового, поэтому этот диапазон в спектре называется «видимым светом».
• Электрическая энергия, поставляемая электролитами в клетках и жидкостях организма, способствует изменениям напряжения, которые помогают передавать импульсы в нервных и мышечных клетках.

Характеристики химических реакций

Все химические реакции начинаются с реагента — общего термина для одного или нескольких веществ, вступающих в реакцию.Например, ионы натрия и хлора являются реагентами при производстве поваренной соли. Одно или несколько веществ, образующихся в результате химической реакции, называются продуктом.

В химических реакциях компоненты реагентов — участвующие элементы и количество атомов каждого — все присутствуют в продукте (ах). Точно так же в продуктах нет ничего, что не присутствует в реагентах. Это потому, что химические реакции регулируются законом сохранения массы, который гласит, что материя не может быть создана или разрушена в химической реакции.

Так же, как вы можете выразить математические вычисления в уравнениях типа 2 + 7 = 9, вы можете использовать химические уравнения, чтобы показать, как реагенты превращаются в продукты. Как и в математике, химические уравнения действуют слева направо, но вместо знака равенства в них используется стрелка или стрелки, указывающие направление, в котором протекает химическая реакция. Например, химическая реакция, в которой один атом азота и три атома водорода производят аммиак, будет записана как [латекс] \ text {N + 3H} \ to {\ text {NH}} _ {\ text {3}} [/латекс].Соответственно, разделение аммиака на его компоненты будет записано как [латекс] {\ text {NH}} _ {\ text {3}} \ to \ text {N + 3H.} [/ Latex]

Обратите внимание, что в первом примере атом азота (N) и три атома водорода (H) связаны с образованием соединения. Эта анаболическая реакция требует энергии, которая затем накапливается в связях соединения. Такие реакции называются реакциями синтеза. Реакция синтеза — это химическая реакция, которая приводит к синтезу (соединению) компонентов, которые ранее были разделены ((Рисунок) a ).Опять же, азот и водород являются реагентами в реакции синтеза, которая дает аммиак в качестве продукта. Общее уравнение реакции синтеза: [латекс] \ text {A + B} \ to \ text {AB.} [/ Latex]

Три фундаментальных химических реакции

Атомы и молекулы, участвующие в трех фундаментальных химических реакциях, можно представить в виде слов.

Во втором примере аммиак катаболизируется на более мелкие компоненты, и потенциальная энергия, которая была сохранена в его связях, высвобождается.Такие реакции называются реакциями разложения. Реакция разложения — это химическая реакция, которая разрушает или «разлагает» что-то более крупное на составные части (см. (Рисунок) b ). Общее уравнение реакции разложения: [латекс] \ text {AB} \ to \ text {A} + \ text {B} [/ latex].

Обменная реакция — это химическая реакция, в которой происходят как синтез, так и разложение, химические связи образуются и разрываются, а химическая энергия поглощается, накапливается и высвобождается (см. (Рисунок) c ).Простейшей формой реакции обмена может быть: [latex] \ text {A} + \ text {BC} \ to \ text {AB} + \ text {C} [/ latex]. Обратите внимание, что для получения этих продуктов B и C должны были распасться в реакции разложения, тогда как A и B должны были соединиться в реакции синтеза. Более сложная реакция обмена может быть такой: [latex] \ text {AB} + \ text {CD} \ to \ text {AC} + \ text {BD} [/ latex]. Другой пример: [латекс] \ text {AB} + \ text {CD} \ to \ text {AD} + \ text {BC} [/ latex].

Теоретически любая химическая реакция может протекать в любом направлении при определенных условиях.Реагенты могут синтезироваться в продукт, который позже разлагается. Обратимость — это тоже качество обменных реакций. Например, [латекс] \ text {A} + \ text {BC} \ to \ text {AB} + \ text {C} [/ latex] может затем преобразоваться в [латекс] \ text {AB} + \ text { C} \ to \ text {A} + \ text {BC} [/ latex]. Эта обратимость химической реакции обозначена двойной стрелкой: [латекс] \ text {A} + \ text {BC} ⇄ \ text {AB} + \ text {C} [/ latex]. Тем не менее, в человеческом теле многие химические реакции действительно протекают в предсказуемом направлении, так или иначе.Вы можете думать об этом более предсказуемом пути как о пути наименьшего сопротивления, потому что обычно альтернативное направление требует больше энергии.

Факторы, влияющие на скорость химических реакций

Если вы добавите уксус в пищевую соду, реакция будет мгновенной; смесь будет пузыриться и шипеть. Но многие химические реакции требуют времени. На скорость химических реакций влияет множество факторов. В этом разделе, однако, будут рассмотрены только самые важные аспекты функционирования человека.

Свойства реагентов

Если химические реакции должны протекать быстро, атомы в реагентах должны иметь легкий доступ друг к другу. Таким образом, чем больше площадь поверхности реагентов, тем легче они будут взаимодействовать. Когда вы кладете в рот кубик сыра, вы его пережевываете, прежде чем проглотить. Помимо прочего, жевание увеличивает площадь поверхности пищи, так что пищеварительные химические вещества могут легче проникать в нее. Как правило, газы реагируют быстрее, чем жидкости или твердые тела, опять же потому, что для разделения частиц вещества требуется энергия, а газы по определению уже имеют пространство между своими частицами.Точно так же, чем больше молекула, тем больше общее количество связей, поэтому можно ожидать, что реакции с участием более мелких молекул с меньшим количеством общих связей будут протекать быстрее.

Кроме того, помните, что некоторые элементы более реактивны, чем другие. Реакции, в которых участвуют высокореактивные элементы, такие как водород, протекают быстрее, чем реакции, в которых участвуют менее реактивные элементы. Реакции с участием стабильных элементов, таких как гелий, вряд ли вообще произойдут.

Температура

Почти все химические реакции протекают быстрее при более высоких температурах.Напомним, что кинетическая энергия — это энергия движущегося вещества. Кинетическая энергия субатомных частиц увеличивается в ответ на увеличение тепловой энергии. Чем выше температура, тем быстрее движутся частицы и тем выше вероятность их соприкосновения и реакции.

Концентрация и давление

Если в клубе танцуют всего несколько человек, они вряд ли наступят друг другу на пятки. Но по мере того, как все больше и больше людей встают танцевать — особенно если музыка быстрая, — вероятны столкновения.То же самое и с химическими реакциями: чем больше частиц присутствует в данном пространстве, тем больше вероятность столкновения этих частиц друг с другом. Это означает, что химики могут ускорить химические реакции не только за счет увеличения концентрации частиц — количества частиц в пространстве — но также за счет уменьшения объема пространства, что, соответственно, приведет к увеличению давления. Если бы в клубе было 100 танцоров, и менеджер внезапно переместил группу в комнату вдвое меньшего размера, концентрация танцоров в новом пространстве увеличилась бы вдвое, и соответственно увеличилась бы вероятность столкновений.

Ферменты и другие катализаторы

Чтобы два химических вещества в природе вступили в реакцию друг с другом, они сначала должны вступить в контакт, и это происходит в результате случайных столкновений. Поскольку тепло помогает увеличить кинетическую энергию атомов, ионов и молекул, оно способствует их столкновению. Но очень высокая температура тела — например, очень высокая температура — может повредить клетки тела и быть опасной для жизни. С другой стороны, нормальная температура тела недостаточно высока для протекания химических реакций, поддерживающих жизнь.Вот тут-то и пригодятся катализаторы.

В химии катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции без каких-либо изменений. Вы можете думать о катализаторе как о химическом изменении. Они помогают увеличить скорость и силу столкновения атомов, ионов и молекул, тем самым увеличивая вероятность взаимодействия электронов их валентных оболочек.

Важнейшими катализаторами в организме человека являются ферменты. Фермент — это катализатор, состоящий из белка или рибонуклеиновой кислоты (РНК), оба из которых будут рассмотрены позже в этой главе.Как и все катализаторы, ферменты работают за счет снижения уровня энергии, которую необходимо вложить в химическую реакцию. Энергия активации химической реакции — это «пороговый» уровень энергии, необходимый для разрыва связей в реагентах. Как только эти связи будут разорваны, могут сформироваться новые договоренности. Без фермента, действующего в качестве катализатора, требуется гораздо больше энергии, чтобы зажечь химическую реакцию ((Рисунок)).

Ферменты

Ферменты уменьшают энергию активации, необходимую для протекания данной химической реакции.(а) Без фермента потребляемая энергия для начала реакции высока. (б) С помощью фермента требуется меньше энергии для начала реакции.

Ферменты имеют решающее значение для здорового функционирования организма. Они помогают, например, расщеплять пищу и превращать ее в энергию. Фактически, большинство химических реакций в организме осуществляется ферментами.

Обзор главы

Химические реакции, в которых разрываются и образуются химические связи, требуют первоначальных затрат энергии.Кинетическая энергия, энергия движущегося вещества, подпитывает столкновения атомов, ионов и молекул, которые необходимы для разрыва их старых связей и образования новых. Все молекулы хранят потенциальную энергию, которая высвобождается при разрыве их связей.

Четыре формы энергии, необходимые для функционирования человека: химическая энергия, которая накапливается и высвобождается при образовании и разрыве химических связей; механическая энергия, которая напрямую поддерживает физическую активность; лучистая энергия, излучаемая волнами, например, в солнечном свете; и электрическая энергия, сила движущихся электронов.

Химические реакции начинаются с реагентов и заканчиваются продуктами. Реакции синтеза связывают реагенты вместе, процесс, который требует энергии, тогда как реакции разложения разрывают связи внутри реагента и, таким образом, высвобождают энергию. В обменных реакциях связи как разрываются, так и образуются, и происходит обмен энергией.

Скорость, с которой происходят химические реакции, зависит от нескольких свойств реагентов: температуры, концентрации и давления, а также от наличия или отсутствия катализатора.Фермент — это каталитический белок, который ускоряет химические реакции в организме человека.

Обзорные вопросы

Энергия, запасенная в футе снега на крутой крыше, составляет ________.

1. потенциальная энергия
2. кинетическая энергия
3. лучистая энергия
4. энергия активации

Соединение кальция, фосфора и других элементов дает минеральные кристаллы, которые находятся в кости. Это пример реакции (n) ________.

1. катаболический
2. синтез
3. разложение
4. обмен

[латекс] \ text {AB} \ to \ text {A} + \ text {B} [/ latex] — общее обозначение для (n) ________ реакции.

1. анаболический
2. эндергоник
3. разложение
4. обмен

________ реакций выделяют энергию.

1. Катаболический
2. Экзергонический
3. Разложение
4. Катаболические, экзергонические и декомпозиционные

Какая из следующих комбинаций атомов , , с наибольшей вероятностью вызовет химическую реакцию?

1. водород и водород
2. водород и гелий
3. гелий и гелий
4. неон и гелий

Пережевывание хлеба приводит к смешиванию его со слюной и способствует ее химическому расщеплению.Это , скорее всего, из-за того, что ________.

1. внутренняя часть рта поддерживает очень высокую температуру
2. при жевании накапливает потенциальную энергию
3. жевание способствует реакциям синтеза
4. слюна содержит ферменты

Вопросы критического мышления

[латекс] \ text {AB} + \ text {CD} \ to \ text {AD} + \ text {BE} [/ latex] Это законный пример реакции обмена? Почему или почему нет?

Это не так.Реакция обмена может быть такой: [латекс] \ text {AB} + \ text {CD} \ to \ text {AC} + \ text {BD} [/ latex] или [latex] \ text {AB} + \ text {CD } \ to \ text {AD} + \ text {BC} [/ latex]. Во всех химических реакциях, включая реакции обмена, компоненты реагентов идентичны компонентам продуктов. Компонент, присутствующий в реагентах, не может исчезнуть, а компонент, отсутствующий в реагентах, не может внезапно появиться в продуктах.

Когда вы загружаете белье, почему вы просто не бросаете кусок мыла в стиральную машину? Другими словами, почему стиральный порошок продается в жидком или порошковом виде?

Напомним, что чем больше площадь поверхности реагентов, тем быстрее и легче они будут взаимодействовать.Для разделения частиц вещества требуется энергия. Порошковые и жидкие моющие средства для стирки с относительно большей площадью поверхности на единицу, могут быстро растворяться в своих реактивных компонентах при добавлении в воду.

Глоссарий

энергия активации

количество энергии, превышающее количество энергии, содержащейся в реагентах, которое необходимо преодолеть, чтобы реакция продолжилась

катализатор

Вещество, которое увеличивает скорость химической реакции без изменения самого себя в процессе

химическая энергия

форма энергии, которая поглощается в виде химических связей, сохраняется при их поддержании и высвобождается при их разрыве

концентрация

количество частиц в заданном пространстве

реакция разложения

тип катаболической реакции, при которой одна или несколько связей внутри более крупной молекулы разрываются, что приводит к высвобождению более мелких молекул или атомов

фермент

белок или РНК, катализирующая химические реакции

обменная реакция

тип химической реакции, в которой как образуются, так и разрываются связи, в результате чего происходит перенос компонентов

кинетическая энергия

энергия, которой обладает материя благодаря своему движению

потенциальная энергия

запасенная энергия, которой обладает материя из-за расположения или структуры ее компонентов

товар

Одно или несколько веществ, образующихся в результате химической реакции

реагент

одно или несколько веществ, вступающих в реакцию

реакция синтеза

тип анаболической реакции, в которой два или более атома или молекулы связываются, что приводит к образованию более крупной молекулы

2.3 Химические реакции — Анатомия и физиология

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Различать кинетическую и потенциальную энергию, а также экзергонические и эндергонические химические реакции
• Определите четыре формы энергии, важные для функционирования человека
• Опишите три основных типа химических реакций
• Определите несколько факторов, влияющих на скорость химических реакций

Одной из характеристик живого организма является метаболизм, который представляет собой совокупность всех химических реакций, протекающих для поддержания здоровья и жизни этого организма.Процессы связывания, которые вы изучили до сих пор, представляют собой анаболические химические реакции; то есть они образуют более крупные молекулы из более мелких молекул или атомов. Но помните, что метаболизм может протекать и в другом направлении: в катаболических химических реакциях связи между компонентами более крупных молекул разрываются, высвобождая более мелкие молекулы или атомы. Оба типа реакции включают обмен не только веществом, но и энергией.

Роль энергии в химических реакциях

Химические реакции требуют достаточного количества энергии, чтобы заставить вещество столкнуться с такой силой и точностью, что старые химические связи могут быть разорваны и образованы новые.В общем, кинетическая энергия — это форма энергии, приводящая в движение любой тип материи. Представьте, что вы строите кирпичную стену. Энергия, необходимая для поднятия и установки одного кирпича на другой, называется кинетической энергией — энергией, которой обладает материя из-за своего движения. Как только стена установлена, она накапливает потенциальную энергию. Потенциальная энергия — это энергия положения или энергии, которой обладает материя из-за расположения или структуры ее компонентов. Если кирпичная стена рушится, сохраненная потенциальная энергия высвобождается в виде кинетической энергии при падении кирпичей.

В человеческом теле потенциальная энергия хранится в связях между атомами и молекулами. Химическая энергия — это форма потенциальной энергии, в которой энергия хранится в химических связях. Когда эти связи образуются, вкладывается химическая энергия, а когда они разрываются, выделяется химическая энергия. Обратите внимание, что химическая энергия, как и вся энергия, не создается и не разрушается; скорее, он преобразуется из одной формы в другую. Когда вы съедаете энергетический батончик перед тем, как отправиться в поход, мед, орехи и другие продукты, содержащиеся в батончике, расщепляются и превращаются вашим телом в молекулы, которые ваши мышечные клетки преобразуют в кинетическую энергию.

Химические реакции, при которых выделяется больше энергии, чем поглощается, называются экзергоническими. Катаболизм продуктов в вашем энергетическом батончике является примером. Часть химической энергии, хранящейся в стержне, поглощается молекулами, которые ваше тело использует в качестве топлива, но часть ее выделяется, например, в виде тепла. Напротив, химические реакции, которые поглощают больше энергии, чем выделяют, носят эндергонический характер. Эти реакции требуют ввода энергии, и получающаяся в результате молекула хранит не только химическую энергию в исходных компонентах, но и энергию, которая питала реакцию.Поскольку энергия не создается и не разрушается, откуда берется энергия, необходимая для эндергонических реакций? Во многих случаях это происходит из-за экзергонических реакций.

Формы энергии, важные для функционирования человека

Вы уже узнали, что химическая энергия поглощается, накапливается и высвобождается химическими связями. Помимо химической энергии, в жизнедеятельности человека важны механическая, лучистая и электрическая энергия.

• Механическая энергия, которая хранится в физических системах, таких как машины, двигатели или человеческое тело, напрямую приводит в движение материю.Когда вы поднимаете кирпич на стену, ваши мышцы обеспечивают механическую энергию, которая перемещает кирпич.
• Лучистая энергия — это энергия, излучаемая и передаваемая в виде волн, а не материи. Эти волны различаются по длине от длинных радиоволн и микроволн до коротких гамма-волн, излучаемых распадающимися атомными ядрами. Полный спектр лучистой энергии называется электромагнитным спектром. Организм использует ультрафиолетовую энергию солнечного света для преобразования соединения в клетках кожи в витамин D, который необходим для функционирования человека.Человеческий глаз эволюционировал, чтобы видеть длины волн, составляющие цвета радуги, от красного до фиолетового, поэтому этот диапазон в спектре называется «видимым светом».
• Электрическая энергия, поставляемая электролитами в клетках и жидкостях организма, способствует изменениям напряжения, которые помогают передавать импульсы в нервных и мышечных клетках.

Характеристики химических реакций

Все химические реакции начинаются с реагента — общего термина для одного или нескольких веществ, вступающих в реакцию.Например, ионы натрия и хлора являются реагентами при производстве поваренной соли. Одно или несколько веществ, образующихся в результате химической реакции, называются продуктом.

В химических реакциях компоненты реагентов — участвующие элементы и количество атомов каждого — все присутствуют в продукте (ах). Точно так же в продуктах нет ничего, что не присутствует в реагентах. Это потому, что химические реакции регулируются законом сохранения массы, который гласит, что материя не может быть создана или разрушена в химической реакции.

Так же, как вы можете выразить математические вычисления в уравнениях типа 2 + 7 = 9, вы можете использовать химические уравнения, чтобы показать, как реагенты превращаются в продукты. Как и в математике, химические уравнения действуют слева направо, но вместо знака равенства в них используется стрелка или стрелки, указывающие направление, в котором протекает химическая реакция. Так, например, химическая реакция, в которой один атом азота и три атома водород производит аммиак бы быть записан в виде N + 3H → Nh4N + 3H → Nh4MathType @ СПР @ 5 @ 5 + = feaagyart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq = Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0 = yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr = XFR = xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaaeOtaiaabccacaqGRaGaaeiiaiaabodacaqGibGaeyOKh5QaaeOtaiaabIeadaWgaaWcbaGaae4maaqabaaaaa @ 3EA4 @.Соответственно, распад аммиака на составляющие записывается как Nh4 → N + 3H.Nh4 → N + 3H.

Обратите внимание, что в первом примере атом азота (N) и три атома водорода (H) связаны с образованием соединения. Эта анаболическая реакция требует энергии, которая затем накапливается в связях соединения. Такие реакции называются реакциями синтеза. Реакция синтеза — это химическая реакция, которая приводит к синтезу (соединению) компонентов, которые ранее были разделены (Рисунок 2.12 а ). Опять же, азот и водород являются реагентами в реакции синтеза, которая дает аммиак в качестве продукта. Общее уравнение для реакции синтеза А + В → AB.A + B → AB.MathType @ СПР @ 5 @ 5 + = feaagyart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq = Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0 = yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr = XFR = xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaqcaauaaiaabgeacaqGGaGaae4kaiaabccacaqGcbGaeyOKh5Qaaeyqaiaabkeaaaa @ 3D25 @

Рисунок 2.12 Три основных химических реакции Атомы и молекулы, участвующие в трех основных химических реакциях, можно представить в виде слов.

Во втором примере аммиак катаболизируется на более мелкие компоненты, и потенциальная энергия, которая была сохранена в его связях, высвобождается. Такие реакции называются реакциями разложения. Реакция разложения — это химическая реакция, которая разрушает или «разлагает» что-то более крупное на составные части (см. Рисунок 2.12 б ). Общее уравнение для реакции разложения составляет: АВ → А + ВАВ → А + BMathType @ СПР @ 5 @ 5 + = feaagyart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq = Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0 = yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr = XFR = xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaqcaauaaiaabgeacaqGcbGaeyOKh5QaaeyqaiabgUcaRiaabkeaaaa @ 3C13 @.

Обменная реакция — это химическая реакция, в которой происходят как синтез, так и разложение, химические связи образуются и разрываются, а химическая энергия поглощается, накапливается и высвобождается (см. Рисунок 2.12 c ). Простая форма реакции обмена может быть: А + ВС → АВ + СА + ВС → АВ + CMathType @ СПР @ 5 @ 5 + = feaagyart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq = Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0 = yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr = XFR = xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaqcaauaaiaabgeacqGHRaWkcaqGcbGaae4qaiabgkziUkaabgeacaqGcbGaey4kaSIaae4qaaaa @ 3E81 @. Обратите внимание, что для получения этих продуктов B и C должны были распасться в реакции разложения, тогда как A и B должны были соединиться в реакции синтеза.Более сложная реакция обмена может быть: AB + CD → AC + BDAB + CD → AC + BDMathType @ СПР @ 5 @ 5 @ + = feaagyart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq = Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0 = yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr = XFR = xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaqcaauaaiaabgeacaqGcbGaey4kaSIaae4qaiaabseacqGHsgIRcaqGbbGaae4qaiabgUcaRiaabkeacaqGebaaaa @ 400F @. Другим примером может быть: AB + CD → AD + BCAB + CD → AD + BCMathType @ СПР @ 5 @ 5 @ + = feaagyart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq = Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0 = yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr = XFR = xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaqcaauaaiaabgeacaqGcbGaey4kaSIaae4qaiaabseacqGHsgIRcaqGbbGaaeiraiabgUcaRiaabkeacaqGdbaaaa @ 400F @.

Теоретически любая химическая реакция может протекать в любом направлении при определенных условиях. Реагенты могут синтезироваться в продукт, который позже разлагается. Обратимость — это тоже качество обменных реакций. Так, например, А + ВС → АВ + СА + ВС → АВ + CMathType @ СПР @ 5 @ 5 + = feaagyart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq = Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0 = yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr = XFR = xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaqcaauaaiaabgeacqGHRaWkcaqGcbGaae4qaiabgkziUkaabgeacaqGcbGaey4kaSIaae4qaaaa @ 3E81 @ может затем обратный к АВ + С → А + BCAB + C, → А + BCMathType @ СПР @ 5 @ 5 + = feaagyart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq = Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0 = yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr = XFR = xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaqcaauaaiaabgeacaqGcbGaey4kaSIaae4qaiabgkziUkaabgeacqGHRaWkcaqGcbGaae4qaaaa @ 3E81 @.Эта обратимость химической реакции обозначено двойной стрелкой: А + BC⇄AB + СА + BC⇄AB + CMathType @ СПР @ 5 @ 5 + = feaagyart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq = Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0 = yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr = XFR = xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaqcaauaaiaabgeacqGHRaWkcaqGcbGaae4qaiablsCiakaabgeacaqGcbGaey4kaSIaae4qaaaa @ 3E8A @. Тем не менее, в человеческом теле многие химические реакции действительно протекают в предсказуемом направлении, так или иначе.Вы можете думать об этом более предсказуемом пути как о пути наименьшего сопротивления, потому что обычно альтернативное направление требует больше энергии.

Факторы, влияющие на скорость химических реакций

Если вы добавите уксус в пищевую соду, реакция будет мгновенной; смесь будет пузыриться и шипеть. Но многие химические реакции требуют времени. На скорость химических реакций влияет множество факторов. В этом разделе, однако, будут рассмотрены только самые важные аспекты функционирования человека.

Свойства реагентов

Если химические реакции должны протекать быстро, атомы в реагентах должны иметь легкий доступ друг к другу. Таким образом, чем больше площадь поверхности реагентов, тем легче они будут взаимодействовать. Когда вы кладете в рот кубик сыра, вы его пережевываете, прежде чем проглотить. Помимо прочего, жевание увеличивает площадь поверхности пищи, так что пищеварительные химические вещества могут легче проникать в нее. Как правило, газы реагируют быстрее, чем жидкости или твердые тела, опять же потому, что для разделения частиц вещества требуется энергия, а газы по определению уже имеют пространство между своими частицами.Точно так же, чем больше молекула, тем больше общее количество связей, поэтому можно ожидать, что реакции с участием более мелких молекул с меньшим количеством общих связей будут протекать быстрее.

Кроме того, помните, что некоторые элементы более реактивны, чем другие. Реакции, в которых участвуют высокореактивные элементы, такие как водород, протекают быстрее, чем реакции, в которых участвуют менее реактивные элементы. Реакции с участием стабильных элементов, таких как гелий, вряд ли вообще произойдут.

Температура

Почти все химические реакции протекают быстрее при более высоких температурах.Напомним, что кинетическая энергия — это энергия движущегося вещества. Кинетическая энергия субатомных частиц увеличивается в ответ на увеличение тепловой энергии. Чем выше температура, тем быстрее движутся частицы и тем выше вероятность их соприкосновения и реакции.

Концентрация и давление

Если в клубе танцуют всего несколько человек, они вряд ли наступят друг другу на пятки. Но по мере того, как все больше и больше людей встают танцевать — особенно если музыка быстрая, — вероятны столкновения.То же самое и с химическими реакциями: чем больше частиц присутствует в данном пространстве, тем больше вероятность столкновения этих частиц друг с другом. Это означает, что химики могут ускорить химические реакции не только за счет увеличения концентрации частиц — количества частиц в пространстве — но также за счет уменьшения объема пространства, что, соответственно, приведет к увеличению давления. Если бы в клубе было 100 танцоров, и менеджер внезапно переместил группу в комнату вдвое меньшего размера, концентрация танцоров в новом пространстве увеличилась бы вдвое, и соответственно увеличилась бы вероятность столкновений.

Ферменты и другие катализаторы

Чтобы два химических вещества в природе вступили в реакцию друг с другом, они сначала должны вступить в контакт, и это происходит в результате случайных столкновений. Поскольку тепло помогает увеличить кинетическую энергию атомов, ионов и молекул, оно способствует их столкновению. Но очень высокая температура тела — например, очень высокая температура — может повредить клетки тела и быть опасной для жизни. С другой стороны, нормальная температура тела недостаточно высока для протекания химических реакций, поддерживающих жизнь.Вот тут-то и пригодятся катализаторы.

В химии катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции без каких-либо изменений. Вы можете думать о катализаторе как о химическом изменении. Они помогают увеличить скорость и силу столкновения атомов, ионов и молекул, тем самым увеличивая вероятность взаимодействия электронов их валентных оболочек.

Важнейшими катализаторами в организме человека являются ферменты. Фермент — это катализатор, состоящий из белка или рибонуклеиновой кислоты (РНК), оба из которых будут рассмотрены позже в этой главе.Как и все катализаторы, ферменты работают за счет снижения уровня энергии, которую необходимо вложить в химическую реакцию. Энергия активации химической реакции — это «пороговый» уровень энергии, необходимый для разрыва связей в реагентах. Как только эти связи будут разорваны, могут сформироваться новые договоренности. Без фермента, действующего в качестве катализатора, требуется гораздо больше энергии, чтобы зажечь химическую реакцию (рис. 2.13).

Рис. 2.13 Ферменты Ферменты уменьшают энергию активации, необходимую для протекания данной химической реакции.(а) Без фермента потребляемая энергия для начала реакции высока. (б) С помощью фермента требуется меньше энергии для начала реакции.

Ферменты имеют решающее значение для здорового функционирования организма. Они помогают, например, расщеплять пищу и превращать ее в энергию. Фактически, большинство химических реакций в организме осуществляется ферментами.

Химические реакции

Основные идеи толкания и тяги исследуются в