Глава IV. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ 4.18. Классификация и общие характеристики химических реакций

Химические превращения можно классифицировать по ряду критериев.

1. По числу и составу исходных, а также образующихся веществ различают реакции соединения, разложения, замещения и обмена.

Реакция соединения — это химическое превращение, в результате которого из двух или более веществ образуется одно новое вещество:

В реакциях соединения могут участвовать как простые, так и сложные вещества, но продуктами являются только сложные вещества.

Реакция разложения — это химическое превращение, в результате которого из одного сложного вещества образуется несколько новых — простых или сложных:

Разложению подвергаются только сложные вещества.

Реакция замещения — это химическое превращение, в результате которого атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном:

Реакция обмена — это химическое превращение, в результате которого два сложных вещества обмениваются своими составными частями.

Например:

или в ионной форме, известной вам с 9-го класса:

2. По признаку изменения степеней окисления атомов в химических превращениях выделяют окислительно-восстановительные реакции и реакции без изменения степени окисления атомов.

Реакции обмена, некоторые реакции соединения и разложения протекают без изменения степени окисления атомов:

Реакции замещения, некоторые реакции разложения и соединения сопровождаются изменением степеней окисления атомов:

Отметим, что изменением степеней окисления атомов сопровождаются почти все реакции с участием простых веществ.

Окислительно-восстановительные реакции осуществляются за счет перехода электронов от атомов одних элементов к атомам других, в результате чего и происходит изменение степеней окисления. При этом число электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем. Это равенство называется, как вам известно, электронным балансом и используется для расстановки коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций.

Пример 1. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции промышленного получения оксида азота(II) из аммиака:

Решение

Как видно из схемы, атом азота N повышает степень окисления от –3 до +2, значит, теряет 5 электронов. Каждый из двух атомов кислорода O понижает степень окисления от 0 до –2, следовательно, двухатомная молекула кислорода присоединяет 4 электрона:

Наименьшее общее кратное для чисел 4 и 5 равно 20. Коэффициенты находим делением кратного на число электронов. Они представляют собой множители для достижения электронного баланса 20 электронов:

	5	20	x 4	восстановитель	окисляется
	4		x 5	окислитель	восстанавливается

Расставим коэффициенты:

3. По признаку выделения или поглощения теплоты химические реакции подразделяют на экзотермические и эндотермические.

Экзотермическими называют реакции, сопровождающиеся выделением теплоты во внешнюю среду.

Выделяющуюся теплоту в уравнении реакции обозначают символом Q со знаком плюс, указывая таким образом, что система передает свою энергию окружающей среде. Энергия может передаваться также в виде светового излучения или электрической энергии. Обычно экзотермические реакции используют для получения теплоты. Типичный пример — реакция горения метана:

Эндотермическими называют реакции, сопровождающиеся поглощением теплоты из внешней среды. Убывающую теплоту в уравнении реакции обозначают символом Q со знаком минус:

4. По признаку полноты превращения исходных веществ в конечные химические реакции делят на необратимые и обратимые.

Необратимыми называют химические реакции, протекающие в данных условиях с полным превращением хотя бы одного из исходных веществ в продукты реакции.

Если реагирующие вещества взяты в стехиометрических количествах, то все они прореагируют полностью в случае необратимой химической реакции.

К необратимым относятся реакции с интенсивным выделением теплоты (например, горения: ), а также реакции в растворах с образованием малорастворимых (), газообразных () или малодиссоциирующих (например, воды) веществ:

Обратимыми называют химические реакции, способные протекать в данных условиях одновременно в прямом и обратном направлениях. В ходе обратимой реакции исходные вещества превращаются в продукты не полностью потому, что одновременно из продуктов образуются исходные вещества.

В уравнениях обратимых реакций знак равенства заменяют противоположно направленными стрелками. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Например, обратимы реакции получения оксида серы(VI):

а также взаимодействия азота с кислородом, которое становится ощутимым лишь выше 2000 °С и протекает в атмосфере при разрядах молнии.

5. По условиям проведения реакции делят на каталитические и некаталитические.

Каталитические реакции протекают с участием катализаторов.

Катализаторы — это вещества, которые ускоряют химические реакции, но не входят в состав продуктов превращений.

Катализатор указывают над знаком равенства или обратимости реакции, как правило, с краткими обозначениями условий ее протекания (t, р), на пример:

Многие реакции протекают с достаточной скоростью только в присутствии катализатора. Так, известно, что чистый пероксид водорода устойчив и разлагается при 20 °С со скоростью менее 0,5 % в год. Однако при наличии малого количества примесей, например соединений меди, железа, марганца, серебра, многих органических веществ, пероксид водорода неустойчив даже в разбавленных растворах:

6. По наличию границы раздела фаз выделяют реакции гомогенные и гетерогенные. Химические реакции, протекающие во всем объеме однородной реакционной среды (например, в смеси газов, в растворе двух солей в воде), называют гомогенными. Например:

Реакции, протекающие на поверхности соприкосновения разных веществ в неоднородной среде, являются гетерогенными. Такую поверхность называют границей раздела фаз, понимая под фазой однородную по составу и свойствам часть системы. Например, в реакции меди с концентрированной серной кислотой, уравнение которой:

твердая медь отделена от жидкой серной кислоты видимой границей — поверхностью кусочка меди. С поверхности меди поднимаются пузырьки газа — SO2. Эта реакция является гетерогенной. К гетерогенным относят реакции растворения металлов и их оксидов в кислотах, горение твердых веществ в кислороде, взаимодействие между кислотными и основными оксидами и др.

В качестве примера гетерогенной химической реакции можно привести высокотемпературный процесс получения железа из оксида железа Fe2O3:

Гетерогенные химические реакции протекают на поверхности соприкосновения реагирующих веществ.

Гомогенными называют химические реакции, протекающие в однородной среде в отсутствие поверхности соприкосновения разных веществ.

Классификация реакций в органической химии

При классификации реакций в органической химии различают реакции: замещения атома или групп атомов в молекуле органического соединения; присоединения атомов или групп атомов к молекуле органического соединения; отщепления атомов от молекулы без разрыва связей ; разложения как процесса разрыва связей с образованием более простых веществ; изомеризации как процесса изменения строения молекулы с сохранением ее состава.

Примерами могут служить следующие превращения:

и (замещение);

(присоединение);

(отщепление);

(разложение);

(изомеризация).

По признаку изменения степеней окисления атомов в молекуле органического вещества, как и в случае неорганических веществ, различают реакции окисления (с участием кислорода, перманганата калия КМnO4, хромата и дихромата калия — K2CrO4 и K2Cr2O7 и др.) и реакции восстановления (с участием водорода, LiAlH4 и др.):

(окисление);

(восстановление).

Вопросы, задания, задачи

1. Укажите уравнения реакций соединения, разложения, замещения и обмена:

• а)
• б)
• в)
• г)

2. Какая из двух приведенных реакций обратима?

Дайте объяснение.

3. Укажите, гомогенной или гетерогенной является каждая из реакций, представленная уравнением:

• а)
• б)
• в)
• г)

4. Составьте уравнения реакций:

• а) обмена между MgO и HCl, Са(ОН)2 и Н2SO4;
• б) замещения между Zn и НСl, Zn и Н3РО4.

5. Дополните схемы превращений по образцу:

(окисление).

6. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса:

7. Охарактеризуйте по шести изученным признакам классификации химические реакции, представленные уравнениями:

• а)
• б)
• в)

8. Докажите, что реакция нейтрализации не является окислительно-восстановительной.

9. Дайте полную характеристику реакции между простыми веществами, атомы которых имеют электронную конфигурацию [Ne]3s1 и [He]2s22p5.

10. Рассчитайте количество (моль) вещества и число электронов, которые перейдут от восстановителя к окислителю при полном растворении в серной кислоте алюминия массой 2,7 г.

*Подготовьте сообщение «Окислительно-восстановительные процессы в природе, технике, быту».

*Самоконтроль

1. При протекании химической реакции обязательно происходит:

• а) изменение числа веществ в ходе реакции;
• б) образование границы раздела фаз;
• в) выделение или поглощение теплоты;
• г) изменение степеней окисления атомов.

2. К реакциям замещения относятся:

• а) 2NO + O2 = 2NO2;
• б) NaCl + AgNO3 = NaNO3 + AgCl↓;
• в) Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑;
• г) CuO + H2 = Cu + H2O.

3. К гетерогенным реакциям относятся:

• а) C(тв) + O2(г) = CO2(г);
• б) CO2(г) + KOH(р) = KHCO3(р);
• в) NaOH(р) + HCl(р) = NaCl(р) + H2O(ж);
• г) CH4(г) + Сl2(г) → CH3Cl(г) + HCl(г).

4. К окислительно-восстановительным реакциям относятся:

• а) ;
• б) Cl2 + 2KOH = KClO + KCl + H2O;
• в) 2NaОН + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O;
• г) .

5. Реакция , протекающая в присутствии катализатора V2O5, является:

• а) обратимой;
• б) окислительно-восстановительной;
• в) каталитической;
• г) эндотермической.