Конспект урока: Классификация химических реакций

Множество веществ порождает и множество химических реакций между ними. Химические явления подразумевают образование новых веществ и могут сопровождаться следующими признаками: выпадением или растворением осадка, выделением или поглощением газа, изменением цвета, выделением запаха, тепла и света.

Критериев классификации химических реакций очень много. Мы рассмотрим некоторые из них. И начнём с классификации химических реакций по числу и составу реагентов и образующихся веществ.

Классификация химических реакций по числу и составу реагентов и продуктов

Чтобы определить тип реакции по данному критерию, нужно обратиться к уравнению реакции.

       1. Реакции соединения

Например, реакция образования газа аммиака — реакция соединения:

$N_{2} + 3 H_{2} = 2 NH_{3}$.

В реакцию соединения могут вступать сложное вещество и простое:

$2 NO + O_{2} = 2 NO_{2}$.

Или сложные вещества:
 

$Na_{2} CO_{3} + H_{2} O + CO_{2} = 2 NaHCO_{3}$.

Самый главный критерий реакций соединения — образование одного продукта в ходе реакции.

       2. Реакции разложения

Реакции разложения противоположны реакциям соединения.

Например, разложение гидрокарбоната натрия при нагревании:

$2 NaHCO_{3} = Na_{2} CO_{3} + H_{2} O + CO_{2}$.

Нерастворимые гидроксиды можно разложить на оксид и воду при нагревании:

$2 Fe \left( OH \right)_{3} = Fe_{2} O_{3} + 3 H_{2} O$.

       3. Реакции замещения

К реакциям замещения относятся реакции взаимодействия кислот и металлов, например:

$Ca + H_{2} SO_{4} = CaSO_{4} + H_{2}$.

Кальций — простое вещество, серная кислота — сложное. В ходе реакции кальций вытесняет водород из серной кислоты и образуется новое простое вещество — водород и новое сложное вещество — сульфат кальция.

Также более активные металлы могут вытеснять менее активные из состава их солей:

$2Al+3CuSO_4=3Cu+Al_2\left(SO_4\right)_3$.

Реакции замещения характерны не только для металлов, но и для галогенов: более активные вытесняют менее активные. Так хлор может вытеснять из солей бром или йод, а бром может вытеснить только йод из его солей:

$2AlBr_3+3Cl_2=2AlCl_3+3Br_2$.

       4. Реакции обмена

В таких реакция исходные вещества обмениваются своими составными частями.

Среди реакций обмена очень много качественных реакций.

Качественная реакция — реакция, с помощью которой определяют наличие того или иного вещества или иона.

Например, реакция взаимодействия нитрата серебра (I) и хлорида натрия:

$AgNO_3+NaCl=AgCl+NaNO_3$.

В ходе реакции обмена наблюдается выпадение белого осадка — хлорида серебра (I).

Рис. 1. Осадок гидроксида меди (II)

Известной и яркой реакцией является реакция взаимодействия сульфата меди (II) и гидроксида натрия:

$CuSO_{4} + 2 NaOH = Cu \left( OH \right)_{2} + Na_{2} SO_{4}$.

В ходе реакции выпадает осадок голубого цвета — гидроксид меди (II). 

К особому типу реакций обмена относят реакции нейтрализации — реакции между кислотами и щелочами с образованием соли и воды.

Например, при взаимодействии соляной кислоты и гидроксида бария образуется соль — хлорид бария и вода:

$2HCl+Ba\left(OH\right)_2=BaCl_2+2H_2O$.

Решение

1. Вначале запишем уравнение этой реакции.

$Ba + 2 HCl = BaCl_{2} + H_{2 }$

2. Барий и водород — простые вещества, соляная кислота и хлорид бария — сложные. Следовательно, в данной реакции взаимодействуют простое вещество со сложным и образуются новое простое и новое сложное вещество, что соответствует реакции замещения.

Ответ: это реакция замещения.

Классификация химических реакций по тепловому эффекту

В ходе химических реакций происходит поглощение или выделение теплоты. По данному критерию химические реакции делят на два типа:

• эндотермические реакции — реакции, протекающие с поглощением теплоты;
• экзотермические реакции — реакции, протекающие с выделением теплоты.

Тепловой эффект реакции обозначают буквой Q. Чаще всего его измеряют в килоджоулях (кДж), если рассматривают реакцию в целом, или в кДж/моль, если речь идёт о тепловом эффекте, приходящемся на 1 моль конкретного вещества.

Для эндотермических реакций тепловой эффект будет принимать отрицательное значение, а для экзотермических — положительное. 

Экзотермические — реакции горения и большинство реакций соединения, а эндотермические — реакции разложения.

В уравнениях реакций можно указывать тепловой эффект, тогда такое уравнение называется термохимическим. Например:

$2SO_2+O_2=2SO_3+97\text{  кДж}$.

По термохимическому уравнению можно рассчитать, какое количество теплоты выделится или поглотится в ходе химической реакции.

Классификация химических реакций по агрегатному состоянию реагирующих веществ

Здесь нам нужно познакомиться с понятием «фаза».

Фаза может быть газообразной, жидкой или твёрдой.

В зависимости от агрегатного состояния реагентов и наличия границы между фазами химические реакции делятся на:

• гомогенные реакции — реагенты находятся в одной фазе (жидкой или газообразной) и между ними нет поверхности раздела (например: взаимодействие газообразных водорода и азота с образованием нового газа — аммиака);
• гетерогенные реакции — реакции, протекающие между веществами, на границе раздела фаз (например: растворение твёрдых гранул цинка в растворе соляной кислоты).

Классификация химических реакций по обратимости

По данному критерию химические реакции делятся на необратимые и обратимые.

Например, при взаимодействии железа и серы происходит образование сульфида железа (II):

$Fe + S \rightarrow FeS$.

Повернуть данную реакции вспять не получится, она необратима.

Например, при взаимодействии азота и водорода образуется аммиак:

$N_{2} + 3 H_{2} = 2 NH_{3}$.

Такая реакция может протекать и в обратном направлении, то есть аммиак будет разлагаться на азот и водород:

$2 NH_{3} = N_{2} + 3 H_{2}$.

Чтобы показать обратимость, используют специальный знак — две противоположно направленные стрелки: 

$N_{2} + 3 H_{2} \rightleftarrows 2 NH_{3}$.

Классификация химических реакций по использованию катализатора

По этому критерию химические реакции также подразделяются на две группы: каталитические и некаталитические.

Например, чтобы заставить натрий реагировать с водой, не требуется много усилий. Реакция протекает легко и очень быстро:
 

$2 Na + 2 H_{2} O = 2 NaOH + H_{2}$.

А вот чтобы, например, разложить пероксид водорода, потребуется катализатор MnO₂:  
   

        $2 H_{2} O_{2} \overset{MnO_{2}}{\rightleftarrows} 2 H_{2} O + O_{2}$.

Катализаторы изменяют скорость химических реакций, но по их окончании остаются качественно и количественно неизменёнными.

В нашем организме также протекает множество каталитических реакций с участием биологических катализаторов — ферментов.

Классификация химических реакций по изменению степеней окисления элементов

Процессы в ОВР происходят за счёт передачи электронов. Вещество, отдающее электроны, называется восстановителем (процесс окисления). Вещество, принимающее электроны, называется окислителем (процесс восстановления).

Ниже показана схема протекания окислительно-восстановительной реакции при взаимодействии хлорида меди (II) и алюминия:

Рис. 2. Схема принятия и отдачи электронов в ОВР