- Классификация по числу и составу реагирующих веществ и продуктов
- Классификация по тепловому эффекту и по изменению степеней окисления
- Классификация по обратимости, наличию катализатора и однородности
- знать классификацию химических реакций по различным признакам
- уметь характеризовать тип реакции и самостоятельно определять критерии классификации
Вокруг нас и в нас самих протекает множество самых различных химических реакций. При этом протекают они за счёт различных химических свойств соединений. Где-то проявляются окислительно-восстановительные свойства, где-то — кислотно-основные, где-то происходит ионный обмен. Химические процессы могут быть масштабны и разрушительны, а могут протекать без заметных нам признаков. Более того, одни и те же вещества при разных условиях могут образовать разные продукты.
Вот почему, кроме знания химических свойств веществ, для понимания химических процессов необходимо научиться определять, что за реакция протекает и чего от неё следует ждать.
Классификация по числу и составу реагирующих веществ и продуктов
Данный вид классификации реакций наиболее важен. Это связано с тем, что благодаря ему можно предсказывать число и состав продуктов, зная число и состав реагирующих веществ.
К сожалению, не каждую реакцию можно классифицировать по этому признаку. В некоторых сложных реакциях перечисленные ниже типы реакций могут комбинироваться.
По числу и составу реагирующих веществ выделяют реакции соединения, разложения, замещения и обмена.
Рис. 1. Классификация реакций по числу и составу исходных веществ и продуктов реакции
В реакциях соединения из нескольких веществ образуется одно.
Реакции соединения не всегда бывают очевидными, однако, если в реакцию вступают только простые вещества, это однозначно будет соединение. Что не менее важно, поскольку реакции соединения, как правило, приводят к образованию новых химических связей, они сопровождаются выделением тепла.
В реакциях разложения из одного вещества образуется несколько.
Реакции разложения сложно с чем-то спутать, поскольку в них принимает участие только одно исходное вещество. При этом при разложении вещества происходит разрушение химических связей, вот почему при протекании многих реакций разложения требуется нагревание.
В реакциях замещения простое вещество взаимодействует со сложным, при этом образуются новое простое вещество и новое сложное.
Реакции замещения протекают только в том случае, если вступающее в реакцию простое вещество химически активнее простого вещества, образующегося в этой реакции. Как правило, оценить возможность протекания этих реакций с участием металлов помогает ряд активности металлов.
В реакцию обмена вступают сложные вещества, обмениваясь составными частями. При этом образуются несколько новых сложных веществ.
Реакции обмена в большинстве случаев протекают в растворах и только при соблюдении двух условий:
1. Реагирующие вещества должны быть растворимы, за исключением случаев, когда в реакции принимают участие сильные кислоты.
2. В результате реакции должны образоваться осадок, газ или слабый электролит (например, вода).
При записи реакции обмена в ионном виде важно помнить, что слабые электролиты не расписываются на ионы, а оставляют в молекулярном виде (H2S, HNO2, H2SiO3).
Пример 1
Определить, к какому типу относится взаимодействие между соляной кислотой и цинком.
Решение
1. В начале запишем уравнение этой реакции:
$Zn + 2 HCl = ZnCl_{2} + H_{2}$.
2. Цинк и водород — простые вещества, соляная кислота и хлорид цинка — сложные. Следовательно, в данной реакции взаимодействует простое вещество со сложным, в результате чего образуются новое простое и новое сложное вещества. Это соответствует реакции замещения.
Ответ: это реакция замещения.
Выделяют также реакции аллотропного превращения, в которых вещества меняют свой количественный состав или структуру. Например, получение алмаза из графита или получение озона из кислорода:
$$3 O_{2} = 2 O_{3}$$
Стоит отметить, что классификация химических реакций в органической химии несколько отличается от химии неорганической. Поскольку в реакциях с органическими веществами, как правило, интерес представляют только органические продукты, выделяют иные типы реакций: замещение, присоединение, элиминирование (отщепление) и перегруппировку.
В реакциях замещения в органическом соединении атомы или группы атомов замещаются на другие (получение спиртов из галогеналканов), в реакциях присоединения добавляются атомы или группы атомов (галогенирование алкенов), в реакциях элиминирования отщепляются атомы или группы атомов без их замещения (получение алкенов из галогеналканов), а в реакциях изомеризации меняется структура органического вещества.
Упражнение 1
1. Приведите пример для каждого из четырёх типов реакций.
2. К какому типу может относиться реакция, в которой простое вещество взаимодействует со сложным?
3. К какому типу может относиться реакция, в которой образуются два сложных вещества?
Классификация по тепловому эффекту и по изменению степеней окисления
В ходе химических реакций разрушаются старые химические связи и образуются новые. При этом энергия, затрачиваемая на разрушение старых связей, как правило, имеет другое значение, чем энергия, которая выделяется при образовании новых. Сама же выделяющаяся или поглощаемая в ходе реакции энергия называется тепловым эффектом. Тепловой эффект обозначают буквой Q.
Рис. 2. Классификация реакций по тепловому эффекту
Экзотермическими называют реакции, протекающие с выделением теплоты.
Эндотермическими называют реакции, протекающие с поглощением теплоты.
Практически все реакции горения являются экзотермическими, а реакции, протекание которых требует нагревания, — эндотермическими.
В сущности, тепловой эффект является важным признаком протекания реакции и может быть указан в уравнении:
$$2 Ca + O_{2} = 2 CaO + Q$$
К экзотермическим реакциям относится большинство реакций соединения и замещения, реакции нейтрализации, к эндотермическим — почти все реакции разложения:
$$C+O_2=CO_2+Q$$
$CaCO_3=CaO+CO_{2\,}–\,Q$
Исключения представлены в табл. 1.
Таблица 1. Классификация некоторых реакций по тепловому эффекту
|
Экзотермические реакции
|
Эндотермические реакции
|
|
$\left( NH_{4} \right)_{2} Cr_{2} O_{7} = N_{2}$ $+ \ Cr_{2} O_{3} + 4 H_{2} O + Q$ $2 NO = N_{2} + O_{2} + Q$ $2 Hl = H_{2} + I_{2} + Q$
|
$C + CO_{2} = 2 CO - Q$ $N_{2} + O_{2} = 2 NO - Q$ $H_{2} + I_{2} = 2 Hl - Q$
|
Важно понимать, происходит ли в ходе протекания реакции изменение степеней окисления. В зависимости от этого реакцию отнесут либо к окислительно-восстановительным реакциям, либо к протекающим без изменения степеней окисления. Разница между ними может быть как небольшой, так и достаточно существенной, поскольку некоторые окислительно-восстановительные реакции являются довольно сложными и не подлежат классификации по числу и составу реагирующих веществ.
Окислительно-восстановительными называют реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов элементов.
Если в реакции присутствуют простые вещества, можно быть уверенным, что она окислительно-восстановительная. Большинство же реакций обмена, напротив, протекают без изменения степеней окисления.
Пример 2
Определите, к какому типу по тепловому эффекту и по изменению степеней окисления относится взаимодействие между кислородом и оксидом серы (IV).
Решение
1. Запишем уравнение этой реакции:
$2 SO_{2} + O_{2} = 2 SO_{3}$.
2. Поскольку в этой реакции участвует кислород, реакция не относится к исключениям, она является реакцией горения, а следовательно, она экзотермическая.
3. В данной реакции принимает участие простое вещество, которое в любом случае изменяет степень окисления. Значит, эта реакция окислительно-восстановительная.
Ответ: экзотермическая, окислительно-восстановительная.
Упражнение 2
1. Что называют тепловым эффектом химической реакции?
2. Приведите по примеру экзо- и эндотермической реакции.
3. Приведите по примеру окислительно-восстановительной реакции и реакции, протекающей без изменения степеней окисления.
Классификация по обратимости, наличию катализатора и однородности
Ещё одно важное различие химических реакций заключается в том, что некоторые из них могут протекать только в одном направлении, другие же могут идти как в прямом направлении, так и в обратном. Иными словами, в некоторых случаях продукты реакций могут взаимодействовать между собой, образуя исходные вещества, в некоторых же продукты между собой не реагируют. Признак, лежащий в основе этого деления, называется обратимость.
В записи обратимых реакций используют стрелку ↔, обозначающую, что возможно протекание в обоих направлениях, а в записи необратимых — стрелку →, показывающую, что реакция идёт только в сторону продуктов.
Определить обратимость реакции по исходным веществам достаточно сложно. Как обратимыми, так и необратимыми бывают реакции различных типов. Однако большинство реакций в неорганической химии необратимые (вследствие образования газообразных продуктов, осадков или воды), так что обратимые реакции можно просто запомнить при знакомстве с ними. В органической же химии часто встречаются обратимые реакции, например гидрирование алкенов или взаимодействие спиртов с галогеноводородами.
Таблица 2. Классификация некоторых реакций по обратимости
|
Необратимые реакции
|
Обратимые реакции
|
|
$NaOH + HCl \rightarrow NaCl$ $+ H_{2} O$ $2 Na + 2 H_{2} O \rightarrow$ $2 NaOH + H_{2}$ $3 NaOH + FeCl_{3}$ $\rightarrow Fe \left( OH \right)_{3} + 3 NaCl$
|
$N_{2} + 3 H_{2} \leftrightarrow 2 NH_{3}$ $2 SO_{2} + O_{2} \leftrightarrow 2 SO_{3}$ $CO + 2 H_{2} \leftrightarrow CH_{3} OH$
|
Кроме того, отличать реакции друг от друга может и наличие катализатора.
Катализатор — вещество, принимающее участие в химической реакции и увеличивающее её скорость, но при этом не расходующееся в процессе.
Некоторые реакции без участия катализаторов протекали бы бесконечно долго, поэтому наличие катализатора в некоторых случаях является обязательным условием.
Если катализатор используется, его химическую формулу или просто запись «кат.» записывают над стрелкой в уравнении химической реакции. Такие реакции называют каталитическими. В качестве катализатора могут выступать самые разнообразные вещества.
Последний рассматриваемый нами признак классификации — однородность реакции.
Если взаимодействующие вещества находятся в одном агрегатном состоянии и между ними нет границы раздела фаз, такая реакция будет гомогенной. Гомогенными являются, например, реакции между веществами в растворах и между газами.
Если же вещества находятся в разных агрегатных состояниях или между ними есть граница раздела фаз — реакция будет гетерогенной.
Пример 3
Определите тип химической реакции по всем известным вам признакам:
$N_{2 (г)} + 3 H_{2 (г)} \overset{Fe}{\leftrightarrow} 2 NH_{3 (г)} + Q$.
Решение
1. По числу и составу реагирующих веществ и продуктов — реакция соединения, так как из нескольких веществ образуется одно.
2. По тепловому эффекту — экзотермическая, так как это реакция соединения, кроме того, указано, что тепловой эффект +Q.
3. По изменению степеней окисления — окислительно-восстановительная: участвуют два простых вещества, которые изменяют степени окисления в ходе реакции.
4. По обратимости — обратимая, на это указывает стрелка ↔ в уравнении.
5. По наличию катализатора — каталитическая, так как над стрелкой указан катализатор.
6. По однородности — однородная, так как все компоненты находятся в газовой фазе.
Ответ: реакция соединения, экзотермическая, окислительно-восстановительная, обратимая, каталитическая, однородная.
Упражнение 3
1. Можно ли считать реакцию каталитической, если над стрелкой указана температура, давление или электрический ток?
2. Если прямая реакция протекает с выделением тепла, какой будет тепловой эффект у обратной ей реакции?
3. Как при записи химического уравнения показать, что реакция необратимая?
Контрольные вопросы
1. Перечислите все известные типы реакций.
2. В каком случае невозможно определить тип реакции по числу и составу реагирующих веществ?
3. Классифицируйте по известным вам признакам реакцию взаимодействия между цинком и раствором хлорида меди (II).
Упражнение 1
2. Соединение и замещение
3. Разложение и обмен
Упражнение 3
1. Нет
2. –Q
3. →
