化学反应

化学反应是我们日常生活的一部分。它们每天都在我们周围发生，例如火、烹饪以及身体内的呼吸和消化都涉及化学反应。例如，我们摄入的食物通过化学反应分解成能量。同样，在呼吸过程中，我们吸入的氧气与体内的葡萄糖发生反应，产生二氧化碳、水和能量，如下面的反应所示；

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 能量

汽车发动机燃烧燃料以提供动力驱动汽车前进，这本身也是一个化学燃烧反应。

什么是化学反应？

简单来说，我们可以说化学反应是一个过程，它涉及到一组物质或化学物质转化为另一组物质或化学物质。我们可以说它将一种或多种物质转化为具有新性质的新物质。例如，铁与氧气反应生成氧化铁，如下所示；

Fe + O₂ → FeO₂

在这种情况下，氧化铁是该反应生成的新物质。它既不表现铁的性质，也不表现氧的性质。它具有自己独特的性质，与氧和铁都不同。

化学反应的特征或基本概念

• 在化学反应中，分子或离子重新排列以形成新的物质或结构。因此，起始和结束物质相同的变化不能被认为是化学反应，例如冰的融化涉及从固态到液态的物理变化，而不是化学变化或反应，因为它仍然是相同的物质（H₂O）。所以，在物理变化中，外观发生改变，但分子结构保持不变。
• 在化学反应中，原子核及其组成保持不变或不受影响。只有原子核周围的电子才参与化学反应。它们可能会从一个原子转移到另一个原子，也可能在两个原子之间共享以形成化学键。在核反应中，原子核的组成会发生改变。
• 在化学变化（反应）和物理变化之前和之后，每种元素的原子数量都保持不变。在化学反应中，原子重新排列以形成新的产物（分子或化合物）。而在物理变化中，原子的排列不会改变。
• 在化学反应中相互反应的物质（元素或分子）称为反应物。而在化学反应中生成的新物质（分子）称为产物。例如，
  CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
在上述反应中，甲烷和氧气是反应物，而二氧化碳和水是产物。
• 化学反应的反应物和产物由化学方程式表示。反应物放在化学方程式的左侧，产物放在右侧，并用箭头分隔，箭头表示反应进行的方向，如下所示；
  C + O₂ → CO₂
  在上述反应中，碳和氧是反应物，二氧化碳是产物。
• 化学反应的速率受到各种因素的影响，例如温度、压力、反应物浓度等。

化学反应的迹象 I 化学反应的识别

我们无法直接看到化学反应在分子层面上发生的变化。然而，有一些迹象表明发生了化学反应，例如温度或颜色的变化、气泡的产生、沉淀物的形成等等。这些变化描述如下；

i) 气体放出：许多化学反应都会放出气体。例如；

a) 当碳酸钠与盐酸反应时，放出二氧化碳，如下所示；

Na₂CO₃ + 2HCl (稀) → 2 NaCl (aq) + H₂O (l) + CO₂ (g)

b) 当锌与稀硫酸反应时，产生氢气，请看下面的反应；

Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂

ii) 沉淀生成：大多数化学反应也会生成沉淀物。例如；

a) 当硝酸银与氯化钠反应时，生成白色的氯化银沉淀，如下面的反应所示；

AgNO₃ + NaCl → NaNO₃ + AgCl

b) 当碘化钾与硝酸铅发生反应时，会生成黄色的碘化铅沉淀。

2KI + PbNO₃ (aq) + → PbI₂ (s) + 2KNO₃

c) 当硫酸与氯化钡反应时，会生成白色的硫酸钡沉淀。

H₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄ + 2 HCl

iii) 颜色变化：滴定在化学中很常用。在滴定中，酸与碱反应，其结果通过颜色变化来指示。除了滴定，还有许多反应的特征是颜色发生变化。例如，

a) 高锰酸钾的紫色在与柠檬酸反应时消失，如下所示；

C₆H₈O₇ + 3KM_nO₄ → 3HMnO₄ + C₆H₅K₃O₇

b) 当二氧化硫（气体）、重铬酸钾和硫酸发生反应时，生成硫酸钾、硫酸铬和水，橙色变为黄色。

SO₂ + K₂ Cr₂ O₇ + 3H₂ SO₄ → K₂ SO₄ + Cr₂ (SO₄)3 + 3H₂ O

iv) 温度变化：一些反应涉及温度变化。如果放出热量，则称为放热反应；如果吸收热量，则称为吸热反应。例如，

a) 当生石灰与水反应生成熟石灰时，放出热量，如下所示；

CaO + H₂O → Ca (OH)₂

b) 当锌颗粒与硫酸反应时，也会放出热量，如下所示；

Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂

c) 当氢氧化钡与氯化铵反应生成氯化钡、氨和水时，吸收热量。

Ba (OH)₂ + NHCI → BaCI₂ + NH₃ + H₂O

v) 状态变化：在某些化学反应中，会发生物理状态的变化。例如，当氨气与氯化氢气反应时，会生成氯化铵晶体，这表明从气态到固态的变化。反应如下所示；

NH₃ (气) + HCl (气) → NH₄Cl (s)

反应速率

它被定义为反应物转化为产物的速度。并非所有化学反应都以相同的速率发生。有些反应发生得很快，例如爆炸；有些则需要更长的时间，例如铁的生锈。有些甚至需要数百年甚至数千年，例如植物和鱼类变成化石。

有各种影响反应速率的因素，这意味着它们可能会增加或降低反应速度。其中一些如下所述；

i) 反应物浓度：当一种或多种反应物的浓度增加时，化学反应的速率往往会增加。这是因为一种或多种反应物的高浓度导致每单位时间反应物之间的碰撞次数增加。因此，反应速率通常在开始时最高，因为反应物浓度最高，随着反应物量的减少，它会随着时间而减慢。

例如，木材在含有20%氧气的空气中燃烧缓慢，但在纯氧（100%氧气）中燃烧更快。氧气浓度的增加提高了木材燃烧的速度。

ii) 温度：它也会增加反应速度。它增加了反应物的动能，导致每单位时间碰撞次数增加。一般来说，大多数反应（并非全部）的速率每升高10摄氏度就会增加一倍。

iii) 压力：它主要影响气态反应物的反应速率。当压力增加时，分子移动的空间变小，单位面积上的碰撞次数增加，从而反应速度增加。固体和液体的反应速率几乎不受压力增加的影响，因为它们几乎不可压缩。

iv) 辐射暴露：某些辐射可以提高反应速度。辐射的光子会断开反应物中的键，从而提高反应速率。

例如；在没有光的情况下，氢气和氯气的反应非常缓慢，但在光照下则变得迅速。

v) 反应物和产物的性质：物质的性质也会影响反应速率。在化学反应中，旧的化学键被断开，新的化学键被形成。键容易断裂的物质反应速度更快。因此，气态反应速率大于液态，液态大于固态。固体中的键不容易断裂，因此反应速率较低。

例如；一氧化氮氧化为二氧化氮的反应比一氧化碳氧化为二氧化碳的反应更快。

2NO2 + O2 → 2NO2 (快速反应)

2CO + O₂ → 2CO2 (缓慢反应)

vi) 催化剂的存在：催化剂是一种参与化学反应并影响其速率或速度而不发生任何化学变化的物质。催化剂提供了一条具有较低活化能的替代途径，从而有助于加速反应。活化能是活化反应物所需的最小能量。许多反应需要催化剂才能发生。

例如，H₂在室温下不与O₂反应。但是，当加入细粉状的铂（作为催化剂）到混合物中时，反应会变得剧烈。

vii) 表面积：反应速率随着表面积的增加而增加。例如，如果通过将固体分成小块来增加固体反应物的表面积，它会反应得更快。我们可以说，细粉状的固体反应物比大块的物质反应得更快。

例如，一根木头燃烧缓慢，但当它被切成小块时，它燃烧得很快。这是因为小块木头的表面积大于原木的表面积。