Въз основа на класификацията на химичните реакции, характеризирайте реакциите. Класификация на химичните реакции в неорганичната и органичната химия
Химическата реакция или химичната трансформация е процес, при който от едно вещество се образуват други вещества, различаващи се по химичен състави структура.
Химичните реакции се класифицират според следните критерии:
Промяна или липса на промяна в количеството на реагентите и реакционните продукти. Въз основа на този критерий реакциите се разделят на реакции на комбиниране, разлагане, заместване и обмен.
Съставна реакция е реакция, при която две или повече вещества образуват едно ново вещество. Например Fe + S → FeS.
Реакцията на разлагане е реакция, при която две или повече нови вещества се образуват от едно вещество. Например CaCO3 → CaO + CO2.
Реакцията на заместване е реакция между просто и сложно вещество, по време на която атомите на просто вещество заместват атомите на един от елементите в сложно вещество, което води до образуването на ново просто и ново сложно вещество. Например Fe + CuCl2 → Cu + FeCl2.
Реакцията на обмен е реакция, при която две сложни вещества обменят своите компоненти. Например NaOH + HCl → NaCl + H2O.
Вторият знак за класификация химична реакцияпромяна или липса на промяна в степента на окисление на елементите, които изграждат веществата, които реагират. Въз основа на този критерий реакциите се разделят на окислително-възстановителни реакции и такива, които протичат без промяна на степента на окисление на елементите.
Например Zn + S → ZnS (цинк плюс es образува цинк-es). Това е редокс реакция, по време на която цинкът отдава два електрона и придобива степен на окисление +2: Zn0 - 2 → Zn +2, а сярата приема 2 електрона и придобива степен на окисление -2: S0 + 2 → S-2.
Процесът на отдаване на електрони от вещества се нарича окисление, а процесът на получаване на електрони се нарича редукция.
Третият признак на класификацията на химичните реакции е освобождаването или поглъщането на енергия по време на реакционния процес. Въз основа на този критерий реакциите се разделят на екзотермични (придружени от отделяне на топлина) и ендотермични (придружени от абсорбция на топлина).
Четвъртият признак на класификацията на химичните реакции е видът на един от реагентите. Въз основа на този критерий реакциите се разделят на реакции на халогени (взаимодействие с хлор, бром), хидрогениране (присъединяване на водородни молекули), хидратация (присъединяване на водни молекули), хидролиза, нитриране.
Петият признак на класификацията на химичните реакции е наличието на катализатор. На тази основа реакциите се разделят на каталитични (които протичат само в присъствието на катализатор) и некаталитични (които протичат без катализатор).
Друг знак за класификацията на химичните реакции е завършването на реакцията. Въз основа на този критерий реакциите се делят на обратими и необратими.
Има и други класификации на химичните реакции. Всичко зависи от това какъв критерий се използва като основа.
Химични реакции (химични явления)- това са процеси, в резултат на които от едни вещества се образуват други, които се различават от първоначалните по състав или структура. Когато протичат химични реакции, няма промяна в броя на атомите на определен елемент или взаимно преобразуване на изотопи.
Класификацията на химичните реакции е многостранна; различни знаци: брой и състав на реагентите и реакционните продукти, топлинен ефект, обратимост и др.
I. Класификация на реакциите според броя и състава на реагентите
А. Реакции, протичащи без промяна на качествения състав на веществото . Това са многобройни алотропни трансформации на прости вещества (например кислород ↔ озон (3O 2 ↔2O 3), бял калай ↔ сив калай); преход, когато температурата на някои твърди вещества се променя от едно кристално състояние в друго - полиморфни трансформации(например червените кристали на живачен (II) йодид при нагряване се превръщат в жълто вещество със същия състав; при охлаждане протича обратният процес); реакции на изомеризация (например NH 4 OCN ↔ (NH 2) 2 CO) и др.
Б. Реакции, протичащи с промяна в състава на реагиращите вещества.
Реакции на съединения- Това са реакции, при които от две или повече изходни вещества се образува едно ново сложно вещество. Изходните вещества могат да бъдат прости или сложни, например:
4P + 5O 2 = 2P 2 O 5; 4NO 2 + O 2 + 2H 2 O = 4HNO 3; CaO+ H 2 O = Ca(OH) 2.
Реакции на разлагане- Това са реакции, при които от едно първоначално сложно вещество се образуват две или повече нови вещества. Веществата, образувани при реакции от този тип, могат да бъдат прости или сложни, например:
2HI = H2 + I2; CaCO3 =CaO+ CO2; (CuOH) 2 CO 3 = CuO + H 2 O + CO 2.
Реакции на заместване- това са процеси, при които атоми на просто вещество заместват атоми на някакъв елемент в сложно вещество. Тъй като реакциите на заместване задължително включват просто вещество като един от реагентите, почти всички трансформации от този тип са редокс, например:
Zn + H2SO4 = H2 + ZnSO4; 2Al + Fe 2 O 3 = 2Fe + Al 2 O 3; H 2 S + Br 2 = 2HBr + S.
Обменни реакцииса реакции, при които две сложни вещества обменят своите съставни части. Реакциите на обмен могат да възникнат директно между два реагента без участието на разтворител, например: H 2 SO 4 + 2KOH = K 2 SO 4 + 2H 2 O 2 (твърд) + 4HF (g) = SiF 4 + 2H 2 О.
Обменните реакции, протичащи в електролитни разтвори, се наричат йонообменни реакции. Такива реакции са възможни само ако едно от получените вещества е слаб електролит и се освобождава от реакционната сфера под формата на газ или слабо разтворимо вещество (правилото на Бертоле):
AgNO 3 +HCl=AgCl↓ +HNO3, или Ag + +Cl - =AgCl↓;
NH4Cl+ KOH =KCl+NH3 +H2O, или NH4+ +OH-=H2O+NH3;
NaOH+HCl=NaCl+H2O, или H + +OH - =H2O.
II. Класификация на реакциите по топлинен ефект
А. Реакции, протичащи с освобождаване на топлинна енергия –екзотермични реакции (+ Q).
б. Реакции, протичащи с поглъщането на топлина –ендотермични реакции (– Q).
Топлинен ефектреакциите се отнасят до количеството топлина, което се отделя или абсорбира в резултат на химическа реакция. Уравнението на реакцията, което определя нейния топлинен ефект, се нарича термохимичен.Удобно е да се даде стойността на топлинния ефект на реакция на 1 мол от един от участниците в реакцията, следователно в термо химични уравненияЧесто можете да намерите дробни коефициенти:
1/2N2 (g) + 3/2H2 (g) = NH3 (g) + 46,2 kJ / mol.
Всички реакции на горене и по-голямата част от реакциите на окисление и съединения са екзотермични. Реакциите на разлагане обикновено изискват енергия.
Химичните свойства на веществата се разкриват в различни химични реакции.
Наричат се трансформации на вещества, придружени от промени в техния състав и (или) структура химична реакция. Често се среща следното определение: химическа реакцияе процес на превръщане на изходните вещества (реагенти) в крайни вещества (продукти).
Химичните реакции се записват с химични уравнения и диаграми, съдържащи формулите на изходните вещества и реакционните продукти. В химичните уравнения, за разлика от диаграмите, броят на атомите на всеки елемент е еднакъв от лявата и дясната страна, което отразява закона за запазване на масата.
От лявата страна на уравнението са записани формулите на изходните вещества (реагенти), от дясната страна - веществата, получени в резултат на химичната реакция (продукти на реакцията, крайни вещества). Знакът за равенство, свързващ лявата и дясната страна, показва това обща сумана атомите на веществата, участващи в реакцията, остава постоянна. Това се постига чрез поставяне на цели стехиометрични коефициенти пред формулите, показващи количествените връзки между реагентите и реакционните продукти.
Химичните уравнения могат да съдържат допълнителна информация за характеристиките на реакцията. Ако химическа реакция протича под въздействието на външни въздействия (температура, налягане, радиация и т.н.), това се обозначава със съответния символ, обикновено над (или „под“) знака за равенство.
Огромен брой химични реакции могат да бъдат групирани в няколко типа реакции, които имат много специфични характеристики.
Като класификационни характеристикиможе да се избере следното:
1. Броят и съставът на изходните вещества и реакционните продукти.
2. Агрегатно състояниереактиви и реакционни продукти.
3. Броят на фазите, в които се намират участниците в реакцията.
4. Естеството на пренесените частици.
5. Възможност за протичане на реакцията в права и обратна посока.
6. Знакът на топлинния ефект разделя всички реакции на: екзотермиченреакции протичащи с екзоефект - освобождаване на енергия под формата на топлина (Q>0, ∆H<0):
C + O 2 = CO 2 + Q
И ендотермиченреакции, протичащи с ендо ефекта - абсорбцията на енергия под формата на топлина (Q<0, ∆H >0):
N 2 + O 2 = 2NO - Q.
Такива реакции се наричат термохимичен.
Нека разгледаме по-подробно всеки тип реакция.
Класификация според броя и състава на реактивите и крайните вещества
1. Реакции на съединения
Когато едно съединение реагира от няколко реагиращи вещества с относително прост състав, се получава едно вещество с по-сложен състав:
По правило тези реакции са придружени от отделяне на топлина, т.е. водят до образуването на по-стабилни и по-малко богати на енергия съединения.
Реакциите на съединения на прости вещества винаги са окислително-възстановителни по природа. Съставните реакции, протичащи между сложни вещества, могат да възникнат без промяна на валентността:
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3) 2,
и също така да бъдат класифицирани като редокс:
2FeCl 2 + Cl 2 = 2FeCl 3.
2. Реакции на разлагане
Реакциите на разлагане водят до образуването на няколко съединения от едно сложно вещество:
A = B + C + D.
Продуктите на разпадане на сложно вещество могат да бъдат както прости, така и сложни вещества.
От реакциите на разлагане, които протичат без промяна на валентните състояния, заслужава да се отбележи разлагането на кристални хидрати, основи, киселини и соли на кислородсъдържащи киселини:
| да се | ||
| 4HNO3 | = | 2H 2 O + 4NO 2 O + O 2 O. |
2AgNO3 = 2Ag + 2NO2 + O2,
(NH 4) 2 Cr 2 O 7 = Cr 2 O 3 + N 2 + 4H 2 O.
Реакциите на редокс разлагане са особено характерни за солите на азотната киселина.
Реакциите на разлагане в органичната химия се наричат крекинг:
C 18 H 38 = C 9 H 18 + C 9 H 20,
или дехидрогениране
C4H10 = C4H6 + 2H2.
3. Реакции на заместване
При реакциите на заместване обикновено едно просто вещество реагира със сложно, образувайки друго просто вещество и още едно сложно:
A + BC = AB + C.
Тези реакции преобладаващо принадлежат към редокс реакциите:
2Al + Fe 2 O 3 = 2Fe + Al 2 O 3,
Zn + 2HCl = ZnСl 2 + H 2,
2KBr + Cl 2 = 2KCl + Br 2,
2KlO 3 + l 2 = 2KlO 3 + Cl 2.
Примерите за реакции на заместване, които не са придружени от промяна на валентните състояния на атомите, са изключително малко. Трябва да се отбележи реакцията на силициев диоксид със соли на кислородсъдържащи киселини, които съответстват на газообразни или летливи анхидриди:
CaCO 3 + SiO 2 = CaSiO 3 + CO 2,
Ca 3 (PO 4) 2 + 3SiO 2 \u003d 3СаSiO 3 + P 2 O 5,
Понякога тези реакции се считат за реакции на обмен:
CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl.
4. Обменни реакции
Обменни реакцииса реакции между две съединения, които обменят своите съставки помежду си:
AB + CD = AD + CB.
Ако окислително-редукционните процеси протичат по време на реакции на заместване, тогава обменните реакции винаги протичат без промяна на валентното състояние на атомите. Това е най-често срещаната група реакции между сложни вещества - оксиди, основи, киселини и соли:
ZnO + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 O,
AgNO 3 + KBr = AgBr + KNO 3,
CrCl 3 + ZNaON = Cr(OH) 3 + ZNaCl.
Специален случай на тези обменни реакции е реакции на неутрализация:
HCl + KOH = KCl + H2O.
Обикновено тези реакции се подчиняват на законите на химичното равновесие и протичат в посоката, в която поне едно от веществата се отстранява от реакционната сфера под формата на газообразно, летливо вещество, утайка или слабо дисоцииращо (за разтвори) съединение:
NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2,
Ca(HCO 3) 2 + Ca(OH) 2 = 2CaCO 3 ↓ + 2H 2 O,
CH 3 COONa + H 3 PO 4 = CH 3 COOH + NaH 2 PO 4.
5. Трансферни реакции.
При реакциите на прехвърляне атом или група от атоми се премества от една структурна единица в друга:
AB + BC = A + B 2 C,
A 2 B + 2CB 2 = DIA 2 + DIA 3.
Например:
2AgCl + SnCl 2 = 2Ag + SnCl 4,
H 2 O + 2NO 2 = HNO 2 + HNO 3.
Класификация на реакциите по фазови характеристики
В зависимост от агрегатното състояние на реагиращите вещества се разграничават следните реакции:
1. Газови реакции
| Н2+С12 | 2HCl. |
2. Реакции в разтвори
NaOH(разтвор) + HCl(p-p) = NaCl(p-p) + H 2 O(l)
3. Реакции между твърди тела
| да се | ||
| CaO(tv) + SiO 2 (tv) | = | CaSiO 3 (разтвор) |
Класификация на реакциите според броя на фазите.
Фазата се разбира като колекция от хомогенни части на система с еднакви физични и химични свойства и разделени една от друга чрез интерфейс.
Цялото разнообразие от реакции от тази гледна точка може да бъде разделено на два класа:
1. Хомогенни (еднофазни) реакции.Те включват реакции, протичащи в газовата фаза, и редица реакции, протичащи в разтвори.
2. Хетерогенни (многофазни) реакции.Те включват реакции, при които реагентите и реакционните продукти са в различни фази. Например:
реакции газ-течност фаза
CO 2 (g) + NaOH (p-p) = NaHCO 3 (p-p).
реакции газ-твърда фаза
CO 2 (g) + CaO (tv) = CaCO 3 (tv).
реакции течност-твърда фаза
Na 2 SO 4 (разтвор) + BaCl 3 (разтвор) = BaSO 4 (tv) ↓ + 2NaCl (p-p).
реакции течност-газ-твърда фаза
Ca(HCO 3) 2 (разтвор) + H 2 SO 4 (разтвор) = CO 2 (r) + H 2 O (l) + CaSO 4 (разтвор)↓.
Класификация на реакциите според вида на пренесените частици
1. Протолитични реакции.
ДА СЕ протолитични реакциивключват химични процеси, чиято същност е прехвърлянето на протон от едно реагиращо вещество към друго.
Тази класификация се основава на протолитичната теория за киселините и основите, според която киселина е всяко вещество, което отдава протон, а основа е вещество, което може да приеме протон, например:
Протолитичните реакции включват реакции на неутрализация и хидролиза.
2. Редокс реакции.
Те включват реакции, при които реагиращите вещества обменят електрони, като по този начин променят степента на окисление на атомите на елементите, които изграждат реагиращите вещества. Например:
Zn + 2H + → Zn 2 + + H 2,
FeS 2 + 8HNO 3 (конц.) = Fe(NO 3) 3 + 5NO + 2H 2 SO 4 + 2H 2 O,
По-голямата част от химичните реакции са окислително-възстановителни реакции;
3. Лигандобменни реакции.
Те включват реакции, по време на които прехвърлянето на електронна двойка става с образуването на ковалентна връзка чрез донорно-акцепторен механизъм. Например:
Cu(NO 3) 2 + 4NH 3 = (NO 3) 2,
Fe + 5CO =,
Al(OH) 3 + NaOH =.
Характерна особеност на реакциите на обмен на лиганди е, че образуването на нови съединения, наречени комплекси, става без промяна на степента на окисление.
4. Реакции на атомно-молекулен обмен.
Този тип реакция включва много от реакциите на заместване, изучавани в органичната химия, които протичат чрез радикален, електрофилен или нуклеофилен механизъм.
Обратими и необратими химични реакции
Обратимите химични процеси са тези, чиито продукти са способни да реагират един с друг при същите условия, при които са получени, за да образуват изходните вещества.
За обратими реакции уравнението обикновено се записва, както следва:
Две противоположно насочени стрелки показват, че при едни и същи условия както права, така и обратна реакция протичат едновременно, например:
CH 3 COOH + C 2 H 5 OH CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O.
Необратимите химични процеси са тези, чиито продукти не могат да реагират един с друг, за да образуват изходните вещества. Примери за необратими реакции включват разлагането на бертолетовата сол при нагряване:
2КlО 3 → 2Кl + ЗО 2,
или окисление на глюкоза от атмосферен кислород:
C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O.
Министерство на образованието на Ивановска област
Регионална държавна бюджетна професионална образователна институция
Южен колеж по технологии
МЕТОДИЧЕСКА РАЗРАБОТКА
ОТКРИТ УРОК ПО ХИМИЯ
По темата за:
« Класификация на химичните реакции»
Учител: Вдовин Ю.А.
Добре:аз
Група: 39-40
Южа - 2017г
| Тема на урока: | Класификация на химичните реакции |
| Цели на урока: | Разширете и задълбочете знанията за химичните реакции, сравнете ги с други видове явления. Научете се да идентифицирате основни характеристики, които могат да послужат като основа за класификация на химичните реакции. Обмислете класификацията на химичните реакции според различни критерии. |
| Цели на урока: | 1. Образователни - систематизират, обобщават и задълбочават знанията на учениците за химичните реакции и тяхната класификация, развиват умения за самостоятелна работа, способността да пишат уравнения на реакциите и да подреждат коефициенти, да посочват видовете реакции, да правят изводи и обобщения. 2. Развитие - развиват култура на речта, използвайки химически термини и формули, развитие на когнитивните способности, мислене, внимание. 3. Възпитателни - възпитаване на самостоятелност, постоянство, внимателност, толерантност. |
| Тип урок: | Комбиниран |
| Оборудване и реактиви: | Реактиви: Амониев нитрат, натриев хидроксид, амониев хидроксид, меден (II) сулфат, натриев карбонат, солна киселина, калиев хексацианоферат (III), железен (III) хлорид, калиев перманганат, сярна киселина, етанол. Оборудване: Епруветки, бутилки с разтвори, пипети, стойки, петриево блюдо, порцеланово блюдо за изпаряване, стъклена пръчица, памучна вата, метална тава за печене. |
| Методи на обучение | Устно (разговор, обяснение) Методи за проблемно обучение, лабораторен опит. |
| Форми на работа: | индивидуален, челен. |
План на урока:
По време на часовете:
1. Организационен момент (1 мин.)
Поздрав;
Б) Мерки за безопасност;
2. Мотивация (2 мин.)
Въведение:
В света около нас протичат огромен брой реакции. Тук просто седим, стоим, отиваме нанякъде и във всяка клетка на тялото ни всяка секунда се случват десетки и стотици хиляди трансформации на едни вещества в други.
Неживата материя е почти толкова добра, колкото живия организъм. Някъде сега, точно в този момент, се извършва химичен цикъл: едни молекули изчезват, други се появяват и тези процеси никога не спират.
Ако всички спрат за една нощ, светът ще замълчи. Как да запазим разнообразието от химични процеси в паметта, как практически да ги навигираме? Как биолозите успяват да се ориентират в разнообразието от живи организми? (създаване на проблемна ситуация).
Предложен отговор: Във всяка наука се използва класификационна техника, която прави възможно разделянето на целия набор от обекти на групи въз основа на общи характеристики.
Да формулираме темата на урока: Класификация на химичните реакции.
Всеки урок трябва да има цели.
Нека да формулираме целите на днешния урок?
Какво трябва да вземем предвид?
Какво си струва да научите?
Разгледайте възможните класификации на химичните реакции.
Научете се да идентифицирате признаците, по които се класифицират реакциите.
Каква е ползата от класифицирането на химичните реакции?
Предложен отговор:Помага за обобщаване, структуриране на знания за химичните процеси, подчертаване на нещо общо и предсказване, въз основа на съществуващите знания, нещо все още неизвестно, но подобно на известното.
Къде могат да се приложат знанията за класификацията на химичните реакции във вашата практика?
Предложен отговор:някои класове химични реакции могат да ни бъдат полезни в практически дейности. Например, такова важно за вас явление като галванопластиката се основава на редокс процеси. Мисля, че понятието „Галванични клетки” ви е до болка познато!
В допълнение, познаването на класа химична реакция на конкретен процес може да помогне при контролирането на този процес.
3. Актуализиране на знанията (6 мин.)
А) Задача с карти за разликата между физични процеси и химични реакции (2 мин.).
Задачата се изпълнява от ученика на магнитна дъска и паралелно с групата с презентация.
Погледнете по-отблизо тези познати на всички вас явления. Разделете ги на групи. Дайте имена на групите и дефинирайте всяка група.
Б) Повтаряне на мерките за безопасност
Провеждане на лабораторни експерименти (3 минути)
Как можем да разберем, че сме подложени на химическа реакция?
Предложен отговор №1: според критериите.
Предлаган отговор № 2: Чрез утаяване, отделяне на газ и др.
А сега ви каня да се потопите в атмосферата на емпиризма и да бъдете експериментатори. Пред вас има епруветки и бутилки с реактиви. В работното поле в задача № 2 са посочени експерименталните методи. Направете тези експерименти. Въведете резултатите от вашите експерименти в таблицата „Признаци на химични реакции“.
| Знак за изтичане | Реакционна схема |
|
| Появява се миризма | ||
| Валежи | ||
| Разтваряне на утайка | ||
| Изпускане на газ | ||
| Промяна на цвета | ||
| Излъчване на светлина | ||
| Избор или поглъщане на топлина |
4 . Учене на нов материал (15 мин.)
Видяхме, че химичните реакции често са придружени от ефекти. Някои подобни ефекти се вземат като основа за различни видове класификация...
Да, химичните реакции се класифицират в различни типове, така че една и съща химична реакция може да се разглежда и класифицира по различни начини.
А) Класификация според броя и състава на реагентите и техните продукти:
Връзки
Разлагания
Замени
Един слайд показва примери за химични реакции.
Момчетата сравняват уравненията на реакциите и формулират дефиниции на класове въз основа на този сравнителен анализ. Същото се случва и с други видове.
Б) Чрез термичен ефект
Екзотермичен
Ендотермичен
Б) Чрез промяна на степента на окисление
Редокс
Няма промяна в степента на окисление
Г) По фазов състав
Хомогенна
Разнородни
Г) Чрез използване на катализатор
Каталитичен
Некаталитичен
Д) В посока:
Реверсивна
Не е обратимо
5. Прилагане и консолидиране на знанията (15 мин.)
Сега е време да приложим знанията си.
Момчетата изпълняват задачи 3-5 от работното поле.
3. До всеки термин, свързан с класа химични реакции, поставете необходимата дефиниция.
| Реакции на съединения | Реакции, които водят до образуването на едно сложно вещество от две или повече вещества |
| Реакции на разлагане | Реакции, които водят до образуването на няколко нови вещества от сложно вещество. |
| Реакции на заместване | Реакции, при които атоми на просто вещество заместват атоми на един от елементите в сложно вещество. |
| Обменни реакции | Реакции, при които две сложни вещества обменят своите съставки. |
| Екзотермични реакции | Реакции, протичащи с отделянето на топлина. |
| Ендотермични реакции | Реакции, протичащи с поглъщането на топлина. |
| Каталитични реакции | Реакции, протичащи с участието на катализатор. |
| Некаталитични реакции | Реакции протичащи без катализатор. |
| Редокс | Реакции, протичащи с промяна в степента на окисление на елементите, които образуват веществата, участващи в реакцията. |
| Обратими реакции | Химични реакции, протичащи едновременно в две противоположни посоки – права и обратна. |
| Необратими реакции | Химични реакции, в резултат на които изходните вещества почти напълно се превръщат в крайни продукти. |
| Хомогенни реакции | Реакции, протичащи в хомогенна среда, например в смес от газове или в разтвори. |
| Хетерогенни реакции | Реакции, протичащи между вещества в хетерогенна среда. |
Работата се проверява с помощта на слайда на презентацията.
4. Свържете химичните реакции с техния клас:
| Реакции на съединения | ||
| Реакции на разлагане | ||
| Реакции на заместване | ||
| Обменни реакции | ||
| Екзотермични реакции |
Химичните реакции трябва да се разграничават от ядрените. В резултат на химичните реакции общият брой на атомите на всеки химичен елемент и неговият изотопен състав не се променят. Ядрените реакции са различен въпрос - процеси на трансформация на атомни ядра в резултат на тяхното взаимодействие с други ядра или елементарни частици, например превръщането на алуминий в магнезий:
27 13 Al + 1 1 H = 24 12 Mg + 4 2 He
Класификацията на химичните реакции е многостранна, т.е. може да се основава на различни характеристики. Но всяка от тези характеристики може да включва реакции между неорганични и органични вещества.
Нека разгледаме класификацията на химичните реакции според различни критерии.
I. Според броя и състава на реагиращите вещества
Реакции, протичащи без промяна на състава на веществата.
В неорганичната химия такива реакции включват процесите на получаване на алотропни модификации на един химичен елемент, например:
C (графит) ↔ C (диамант)
S (оромбична) ↔ S (моноклинна)
P (бяло) ↔ P (червено)
Sn (бял калай) ↔ Sn (сив калай)
3O 2 (кислород) ↔ 2O 3 (озон)
В органичната химия този тип реакция може да включва реакции на изомеризация, които протичат без промяна не само на качествения, но и на количествения състав на молекулите на веществата, например:
1. Изомеризация на алкани.
Реакцията на изомеризация на алканите е от голямо практическо значение, тъй като въглеводородите с изоструктура имат по-ниска способност за детонация.
2. Изомеризация на алкени.
3. Изомеризация на алкини (реакция на A.E. Favorsky).
CH 3 - CH 2 - C= - CH ↔ CH 3 - C= - C- CH 3
етил ацетилен диметил ацетилен
4. Изомеризация на халоалкани (A. E. Favorsky, 1907).
5. Изомеризация на амониев цианит при нагряване.
Уреята е синтезирана за първи път от F. Wöhler през 1828 г. чрез изомеризиране на амониев цианат при нагряване.
Реакции, които протичат с промяна в състава на веществото
Могат да се разграничат четири вида такива реакции: комбинация, разлагане, заместване и обмен.
1. Съставните реакции са реакции, при които едно сложно вещество се образува от две или повече вещества
В неорганичната химия може да се разгледа цялото разнообразие от реакции на съединенията, например, като се използва примерът за реакции за получаване на сярна киселина от сяра:
1. Получаване на серен оксид (IV):
S + O 2 = SO - от две прости вещества се образува едно сложно вещество.
2. Получаване на серен оксид (VI):
SO 2 + 0 2 → 2SO 3 - едно сложно вещество се образува от прости и сложни вещества.
3. Получаване на сярна киселина:
SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 - едно сложно вещество се образува от две сложни вещества.
Пример за комбинирана реакция, при която едно сложно вещество се образува от повече от две първоначални вещества, е крайният етап на получаване на азотна киселина:
4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3
В органичната химия реакциите на съединенията обикновено се наричат „реакции на добавяне“. Цялото разнообразие от такива реакции може да се разгледа на примера на блок от реакции, характеризиращи свойствата на ненаситени вещества, например етилен:
1. Реакция на хидрогениране - добавяне на водород:
CH 2 =CH 2 + H 2 → H 3 -CH 3
етен → етан
2. Реакция на хидратация - добавяне на вода.
3. Реакция на полимеризация.
2. Реакциите на разлагане са реакции, при които от едно сложно вещество се образуват няколко нови вещества.
В неорганичната химия цялото разнообразие от такива реакции може да се разглежда в блока от реакции за получаване на кислород чрез лабораторни методи:
1. Разлагане на живачен(II) оксид - от едно сложно вещество се образуват два прости.
2. Разлагане на калиев нитрат - от едно сложно вещество се образуват едно просто и едно сложно.
3. Разлагане на калиев перманганат - от едно сложно вещество се образуват две сложни и едно просто вещество, тоест три нови вещества.
В органичната химия реакциите на разлагане могат да се разглеждат в блока от реакции за производството на етилен в лабораторията и в промишлеността:
1. Реакция на дехидратация (елиминиране на водата) на етанол:
C 2 H 5 OH → CH 2 = CH 2 + H 2 O
2. Реакция на дехидрогениране (елиминиране на водород) на етан:
CH3 -CH3 → CH2 =CH2 + H2
или CH 3 -CH 3 → 2C + ZN 2
3. Реакция на крекинг (разцепване) на пропан:
CH3 -CH2 -CH3 → CH2 =CH2 + CH4
3. Реакциите на заместване са реакции, при които атоми на просто вещество заместват атоми на някакъв елемент в сложно вещество.
В неорганичната химия пример за такива процеси е блок от реакции, характеризиращи свойствата, например на металите:
1. Взаимодействие на алкални или алкалоземни метали с вода:
2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2
2. Взаимодействие на метали с киселини в разтвор:
Zn + 2HCl = ZnСl 2 + H 2
3. Взаимодействие на метали със соли в разтвор:
Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu
4. Металотермия:
2Al + Cr 2 O 3 → Al 2 O 3 + 2Сr
Предмет на изучаване на органичната химия не са прости вещества, а само съединения. Ето защо, като пример за реакция на заместване, ние представяме най-характерното свойство на наситените съединения, по-специално на метана, - способността на неговите водородни атоми да бъдат заменени с халогенни атоми. Друг пример е бромирането на ароматно съединение (бензен, толуен, анилин).
C 6 H 6 + Br 2 → C 6 H 5 Br + HBr
бензен → бромобензен
Нека обърнем внимание на особеностите на реакцията на заместване в органичните вещества: в резултат на такива реакции се образуват не просто и сложно вещество, както в неорганичната химия, а две сложни вещества.
В органичната химия реакциите на заместване също включват някои реакции между две сложни вещества, например нитриране на бензен. Формално това е обменна реакция. Фактът, че това е реакция на заместване, става ясен само при разглеждане на нейния механизъм.
4. Обменните реакции са реакции, при които две сложни вещества обменят компонентите си
Тези реакции характеризират свойствата на електролитите и в разтворите протичат съгласно правилото на Berthollet, т.е. само ако резултатът е образуването на утайка, газ или леко дисоцииращо вещество (например H 2 O).
В неорганичната химия това може да бъде блок от реакции, които характеризират например свойствата на основите:
1. Реакция на неутрализация, която протича с образуването на сол и вода.
2. Реакцията между алкали и сол, която протича с образуването на газ.
3. Реакцията между алкали и сол, водеща до образуване на утайка:
CuSO 4 + 2KOH = Cu(OH) 2 + K 2 SO 4
или в йонна форма:
Cu 2+ + 2OH - = Cu(OH) 2
В органичната химия можем да разгледаме блок от реакции, които характеризират например свойствата на оцетната киселина:
1. Реакцията, която протича с образуването на слаб електролит - H 2 O:
CH 3 COOH + NaOH → Na(CH3COO) + H 2 O
2. Реакция, протичаща с образуването на газ:
2CH 3 COOH + CaCO 3 → 2CH 3 COO + Ca 2+ + CO 2 + H 2 O
3. Реакцията, която протича с образуването на утайка:
2CH 3 COOH + K 2 SO 3 → 2K (CH 3 COO) + H 2 SO 3
2CH 3 COOH + SiO → 2CH 3 COO + H 2 SiO 3
II. Чрез промяна на степента на окисление на химичните елементи, образуващи вещества
Въз основа на тази характеристика се разграничават следните реакции:
1. Реакции, които протичат с промяна в степента на окисление на елементите или окислително-редукционни реакции.
Те включват много реакции, включително всички реакции на заместване, както и тези реакции на комбиниране и разлагане, в които участва поне едно просто вещество, например:
1. Mg 0 + H + 2 SO 4 = Mg + 2 SO 4 + H 2
2. 2Mg 0 + O 0 2 = Mg +2 O -2
Сложните окислително-редукционни реакции се съставят с помощта на метода на електронния баланс.
2KMn +7 O 4 + 16HCl - = 2KCl - + 2Mn +2 Cl - 2 + 5Cl 0 2 + 8H 2 O
В органичната химия ярък пример за редокс реакции са свойствата на алдехидите.
1. Те се редуцират до съответните алкохоли:
Алдекидите се окисляват до съответните киселини:
2. Реакции, които протичат без промяна на степента на окисление на химичните елементи.
Те включват, например, всички йонообменни реакции, както и много реакции на съединения, много реакции на разлагане, реакции на естерификация:
HCOOH + CHgOH = HCOOCH 3 + H 2 O
III. Чрез термичен ефект
Въз основа на топлинния ефект реакциите се делят на екзотермични и ендотермични.
1. Протичат екзотермични реакции с освобождаване на енергия.
Те включват почти всички съединения на реакциите. Рядко изключение е ендотермичната реакция на синтеза на азотен оксид (II) от азот и кислород и реакцията на водороден газ с твърд йод.
Екзотермичните реакции, които протичат с отделянето на светлина, се класифицират като реакции на горене. Хидрогенирането на етилен е пример за екзотермична реакция. Работи при стайна температура.
2. Ендотермичните реакции протичат с поглъщането на енергия.
Очевидно те ще включват почти всички реакции на разлагане, например:
1. Изпичане на варовик
2. Крекинг на бутан
Количеството енергия, освободено или погълнато в резултат на реакция, се нарича топлинен ефект на реакцията, а уравнението на химическа реакция, показващо този ефект, се нарича термохимично уравнение:
H 2(g) + C 12(g) = 2HC 1(g) + 92,3 kJ
N 2 (g) + O 2 (g) = 2NO (g) - 90,4 kJ
IV. Според агрегатното състояние на реагиращите вещества (фазов състав)
Според агрегатното състояние на реагиращите вещества се разграничават:
1. Хетерогенни реакции - реакции, при които реагентите и реакционните продукти са в различни агрегатни състояния (в различни фази).
2. Хомогенни реакции – реакции, при които реагентите и реакционните продукти са в еднакво агрегатно състояние (в една и съща фаза).
V. Чрез участие на катализатор
Въз основа на участието на катализатора се разграничават:
1. Некаталитични реакции, протичащи без участието на катализатор.
2. Каталитични реакции, протичащи с участието на катализатор. Тъй като всички биохимични реакции, протичащи в клетките на живите организми, протичат с участието на специални биологични катализатори от протеинова природа - ензими, всички те са каталитични или по-точно ензимни. Трябва да се отбележи, че повече от 70% от химическите индустрии използват катализатори.
VI. Към
Според посоката се разграничават:
1. Необратимите реакции протичат при дадени условия само в една посока. Те включват всички обменни реакции, придружени от образуване на утайка, газ или слабо дисоцииращо вещество (вода) и всички реакции на горене.
2. Обратимите реакции при тези условия протичат едновременно в две противоположни посоки. По-голямата част от тези реакции са.
В органичната химия знакът за обратимост се отразява от имената - антоними на процесите:
Хидрогениране - дехидрогениране,
Хидратация - дехидратация,
Полимеризация - деполимеризация.
Всички реакции на естерификация (обратният процес, както знаете, се нарича хидролиза) и хидролиза на протеини, естери, въглехидрати и полинуклеотиди са обратими. Обратимостта на тези процеси е в основата на най-важното свойство на живия организъм - обмяната на веществата.
VII. Според механизма на протичане се разграничават:
1. Радикални реакции възникват между радикалите и молекулите, образувани по време на реакцията.
Както вече знаете, при всички реакции старите химични връзки се разкъсват и се образуват нови химични връзки. Методът на разкъсване на връзката в молекулите на изходното вещество определя механизма (пътя) на реакцията. Ако веществото е образувано от ковалентна връзка, тогава може да има два начина за прекъсване на тази връзка: хемолитична и хетеролитична. Например, за молекулите Cl 2, CH 4 и т.н. се осъществява хемолитично разцепване на връзките, което ще доведе до образуване на частици с несдвоени електрони, т.е. свободни радикали.
Радикалите най-често се образуват, когато връзките се разкъсат, в които споделените електронни двойки се разпределят приблизително поравно между атомите (неполярна ковалентна връзка), но много полярни връзки също могат да бъдат разкъсани по подобен начин, особено когато реакцията протича в газовата фаза и под въздействието на светлина , както например в случая на процесите, обсъдени по-горе - взаимодействието на C 12 и CH 4 -. Радикалите са много реактивни, защото са склонни да завършат своя електронен слой, като вземат електрон от друг атом или молекула. Например, когато хлорен радикал се сблъска с водородна молекула, той причинява разкъсване на общата електронна двойка, свързваща водородните атоми, и образува ковалентна връзка с един от водородните атоми. Вторият водороден атом, след като се превърна в радикал, образува обща електронна двойка с несдвоения електрон на хлорния атом от колабиращата молекула Cl 2, което води до образуването на хлорен радикал, който атакува нова водородна молекула и т.н.
Реакциите, които представляват верига от последователни трансформации, се наричат верижни реакции. За развитието на теорията на верижните реакции двама изключителни химици - нашият сънародник Н. Н. Семенов и англичанинът С. А. Хиншелуд бяха удостоени с Нобелова награда.
Реакцията на заместване между хлор и метан протича по подобен начин:
Повечето реакции на горене на органични и неорганични вещества, синтез на вода, амоняк, полимеризация на етилен, винилхлорид и др., Протичат по радикалния механизъм.
2. Йонните реакции възникват между йони, които вече присъстват или са се образували по време на реакцията.
Типичните йонни реакции са взаимодействия между електролити в разтвор. Йоните се образуват не само по време на дисоциацията на електролитите в разтвори, но и под действието на електрически разряди, нагряване или радиация. γ-лъчите, например, превръщат молекулите вода и метан в молекулни йони.
Според друг йонен механизъм протичат реакции на присъединяване на халогеноводороди, водород, халогени към алкени, окисление и дехидратация на алкохоли, заместване на алкохолен хидроксил с халоген; реакции, характеризиращи свойствата на алдехиди и киселини. В този случай йоните се образуват чрез хетеролитично разцепване на полярни ковалентни връзки.
VIII. Според вида на енергията
иницииращи реакцията се разграничават:
1. Фотохимични реакции. Те се инициират от светлинна енергия. В допълнение към фотохимичните процеси на синтез на HCl или реакцията на метан с хлор, обсъдени по-горе, те включват производството на озон в тропосферата като вторичен атмосферен замърсител. Основната роля в този случай е азотният оксид (IV), който под въздействието на светлината образува кислородни радикали. Тези радикали взаимодействат с кислородните молекули, което води до озон.
Образуването на озон става, докато има достатъчно светлина, тъй като NO може да взаимодейства с кислородните молекули, за да образува същия NO 2. Натрупването на озон и други вторични замърсители на въздуха може да доведе до фотохимичен смог.
Този тип реакция включва и най-важния процес, протичащ в растителните клетки - фотосинтезата, чието име говори само за себе си.
2. Радиационни реакции. Те се инициират от високоенергийно лъчение – рентгенови лъчи, ядрено лъчение (γ-лъчи, a-частици – He 2+ и др.). С помощта на радиационни реакции се извършва много бърза радиополимеризация, радиолиза (радиационно разлагане) и др.
Например, вместо двуетапно производство на фенол от бензен, той може да се получи чрез взаимодействие на бензен с вода под въздействието на радиация. В този случай радикалите [OH] и [H] се образуват от водни молекули, с които бензенът реагира, за да образува фенол:
C 6 H 6 + 2[OH] → C 6 H 5 OH + H 2 O
Вулканизацията на каучук може да се извърши без сяра, като се използва радиовулканизация, а полученият каучук няма да бъде по-лош от традиционния каучук.
3. Електрохимични реакции. Те се инициират от електрически ток. В допълнение към добре познатите реакции на електролиза, ще посочим и реакции на електросинтеза, например реакции за промишлено производство на неорганични окислители
4. Термохимични реакции. Те се инициират от топлинна енергия. Те включват всички ендотермични реакции и много екзотермични реакции, чието започване изисква първоначално подаване на топлина, т.е. иницииране на процеса.
Обсъдената по-горе класификация на химичните реакции е отразена в диаграмата.
Класификацията на химичните реакции, както всички други класификации, е условна. Учените се съгласиха да разделят реакциите на определени типове според идентифицираните от тях характеристики. Но повечето химични трансформации могат да бъдат класифицирани в различни типове. Например, нека характеризираме процеса на синтез на амоняк.
Това е сложна реакция, редокс, екзотермична, обратима, каталитична, хетерогенна (по-точно хетерогенно-каталитична), протичаща с намаляване на налягането в системата. За успешно управление на процеса е необходимо да се вземе предвид цялата предоставена информация. Конкретна химична реакция винаги е многокачествена и се характеризира с различни характеристики.
