На основе классификации химических реакций охарактеризуйте реакции. Классификация химических реакций в неорганической и органической химии
Химическая реакция, или химическое превращение, это процесс, во время которого из одних веществ образуются другие вещества, отличающиеся по химическому составу и строению.
Химические реакции классифицируются по следующим признакам:
Изменение или отсутствие изменения количества реагентов и продуктов реакции. По этому признаку реакции подразделяются на реакции соединения, разложения, замещения, обмена.
Реакция соединения — это реакция, в ходе которой из двух или нескольких веществ образуется одно новое вещество. Например, Fe + S → FeS.
Реакция разложения — это реакция, при которой из одного вещества образуется два или несколько новых веществ. Например, CaCO3 → CaO + CO2.
Реакция замещения — это реакция между простой и сложной веществами, в процессе которой атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложной веществе, в результате чего образуются новая простая и новая сложная вещества. Например, Fe + CuCl2 → Cu + FeCl2.
Реакция обмена — это реакция, в процессе которой две сложные вещества обмениваются своими составными частями. Например, NaOH + HCl → NaCl + H2O.
Вторым признаком классификации химических реакций изменение или отсутствие изменения степеней окисления элементов, входящих в состав веществ, которые реагируют. По этому признаку реакции подразделяются на окислительно-восстановительные и такие, которые происходят без изменения степеней окисления элементов.
Например, Zn + S → ZnS (цинк плюс эс образуется цинк-эс). Это окислительно-восстановительная реакция, во время которой Цинк отдает два электрона и приобретает степень окисления +2: Zn0 — 2 → Zn +2, а Сера принимает 2 электрона и приобретает степень окисления -2: S0 + 2 → S-2.
Процесс отдачи электронов веществами называется окислением, а процесс приема электронов — восстановлением.
Третьим признаком классификации химических реакций выделения или поглощения энергии в процессе реакции. По этому признаку реакции подразделяются на экзотермические (что сопровождается выделением теплоты) и эндотермические (сопровождающиеся поглощением тепла).
Четвертым признаком классификации химических реакций тип одного из реагентов. По этому признаку реакции подразделяются на реакции галогенов (взаимодействие с хлором, бромом), гидрирования (присоединение молекул водорода), гидратации (присоединения молекул воды), гидролиза, нитрования.
Пятым признаком классификации химических реакций является наличие катализатора. По этому признаку реакции подразделяются на каталитические (которые происходят только при наличии катализатора) и некаталитического (происходящих без катализатора).
Еще одним признаком классификации химических реакций протекание реакции до конца. По этому признаку реакции подразделяются на обратимые и необратимые.
Существуют и другие классификации химических реакций. Все зависит от того, какой критерий положен в их основу.
Химические реакции (химические явления) – это процессы, в результате которых из одних веществ образуются другие, отличающиеся от исходных по составу или строению. При протекании химических реакций не происходит изменения числа атомов того или иного элемента, взаимопревращения изотопов.
Классификация химических реакций многопланова, в ее основу могут быть положены различные признаки: число и состав реагентов и продуктов реакции, тепловой эффект, обратимость и др.
I. Классификация реакций по числу и составу реагирующих веществ
А. Реакций, протекающие без изменения качественного состава вещества . Это многочисленные аллотропные превращения простых веществ (например, кислород ↔ озон (3О 2 ↔2О 3), белое олово ↔ серое олово); переход при изменении температуры некоторых твердых веществ из одного кристаллического состояния в другое –полиморфные превращения (например, красные кристаллы иодида ртути (II) при нагревании превращаются в вещество желтого цвета того же состава, при охлаждении протекает обратный процесс); реакции изомеризации (например,NH 4 OCN↔ (NH 2) 2 CO) и др.
Б. Реакции, протекающие с изменением состава реагирующих веществ.
Реакции соединения – это реакции, при которых из двух или более исходных веществ образуется одно новое сложное вещество. Исходные вещества могут быть как простыми, так и сложными, например:
4Р + 5О 2 = 2Р 2 О 5 ; 4NO 2 + О 2 + 2Н 2 О = 4HNO 3 ; СаО+ Н 2 О =Са(ОН) 2 .
Реакции разложения – это реакции, при которых из одного исходного сложного вещества образуется два или более новых вещества. Вещества, образующиеся в реакциях такого типа могут быть как простыми, так и сложными, например:
2HI = Н 2 + I 2 ; СаCO 3 =СаО+ CO 2 ; (CuOH) 2 CO 3 = CuO + H 2 O + CO 2 .
Реакции замещения – это процессы, в которых атомы простого вещества замещают атомы какого-нибудь элемента в сложном веществе. Поскольку в реакциях замещения в качестве одного из реагентов обязательно участвует простое вещество, практически все превращения такого типа являются окислительно-восстановительными, например:
Zn + H 2 SO 4 = H 2 + ZnSO 4 ; 2Al + Fe 2 O 3 = 2Fe + Al 2 O 3 ; H 2 S + Br 2 = 2HBr + S.
Реакции обмена – это реакции, при которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями. Реакции обмена могут протекать непосредственно между двумя реагентами без участия растворителя, например:H 2 SO 4 + 2КОН =K 2 SO 4 + 2Н 2 О;SiО 2 (тв) + 4HF(г)=SiF 4 + 2Н 2 О.
Реакции обмена, протекающие в растворах электролитов, называют реакциями ионного обмена. Такие реакции возможны лишь в том случае, если одно из образующихся веществ является слабым электролитом, выделяется из сферы реакции в виде газа или труднорастворимого вещества (правило Бертолле):
AgNO 3 +HCl=AgCl↓ +HNO 3 , илиAg + +Cl - =AgCl↓;
NH 4 Cl+ КОН =KCl+NH 3 +H 2 O, илиNH 4 + +OH - =H 2 O+NH 3 ;
NaOH+HCl=NaCl+H 2 O, или Н + +OH - =H 2 O.
II. Классификация реакций по тепловому эффекту
А. Реакции, протекающие с выделением тепловой энергии –экзотермические реакции (+ Q).
Б. Реакции, протекающие с поглощением теплоты –эндотермические реакции (– Q).
Тепловым эффектом реакции называют количество теплоты, которое выделяется или поглощается в результате химической реакции. Уравнение реакции, в котором указан ее тепловой эффект, называюттермохимическим. Значение теплового эффекта реакции удобно приводить в расчете на 1 моль одного из участников реакции, поэтому в термохимических уравнениях часто можно встретить дробные коэффициенты:
1/2N 2 (г) + 3/2Н 2 (г) =NH 3 (г) + 46,2 кДж /моль.
Экзотермическими являются все реакции горения, подавляющее большинство реакций окисления и соединения. Реакции разложения, как правило, требуют затрат энергии.
Химические свойства веществ выявляются в разнообразных химических реакциях.
Превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и (или) строения, называются химическими реакциями . Часто встречается и такое определение: химической реакцией называется процесс превращения исходных веществ (реагентов) в конечные вещества (продукты).
Химические реакции записываются посредством химических уравнений и схем, содержащих формулы исходных веществ и продуктов реакции. В химических уравнениях, в отличие от схем, число атомов каждого элемента одинаково в левой и правой частях, что отражает закон сохранения массы.
В левой части уравнения пишутся формулы исходных веществ (реагентов), в правой части — веществ, получаемых в результате протекания химической реакции (продуктов реакции, конечных веществ). Знак равенства, связывающий левую и правую часть, указывает, что общее количество атомов веществ, участвующих в реакции, остается постоянным. Это достигается расстановкой перед формулами целочисленных стехиометрических коэффициентов, показывающих количественные соотношения между реагентами и продуктами реакции.
Химические уравнения могут содержать дополнительные сведения об особенностях протекания реакции. Если химическая реакция протекает под влиянием внешних воздействий (температура, давление, излучение и т.д.), это указывается соответствующим символом, как правило, над (или «под») знаком равенства.
Огромное число химических реакций может быть сгруппировано в несколько типов реакций, которым присущи вполне определенные признаки.
В качестве классификационных признаков могут быть выбраны следующие:
1. Число и состав исходных веществ и продуктов реакции.
2. Агрегатное состояние реагентов и продуктов реакции.
3. Число фаз, в которых находятся участники реакции.
4. Природа переносимых частиц.
5. Возможность протекания реакции в прямом и обратном направлении.
6. Знак теплового эффекта разделяет все реакции на: экзотермические реакции, протекающие с экзо -эффектом — выделение энергии в форме теплоты (Q>0, ∆H <0):
С +О 2 = СО 2 + Q
и эндотермические реакции, протекающие с эндо -эффектом — поглощением энергии в форме теплоты (Q<0, ∆H >0):
N 2 +О 2 = 2NО — Q.
Такие реакции относят к термохимическим .
Рассмотрим более подробно каждый из типов реакций.
Классификация по числу и составу реагентов и конечных веществ
1. Реакции соединения
При реакциях соединения из нескольких реагирующих веществ относительно простого состава получается одно вещество более сложного состава:
Как правило, эти реакции сопровождаются выделением тепла, т.е. приводят к образованию более устойчивых и менее богатых энергией соединений.
Реакции соединения простых веществ всегда носят окислительно-восстановительный характер. Реакции соединения, протекающие между сложными веществами, могут происходить как без изменения валентности:
СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Са(НСО 3) 2 ,
так и относиться к числу окислительно-восстановительных:
2FеСl 2 + Сl 2 = 2FеСl 3 .
2. Реакции разложения
Реакции разложения приводят к образованию нескольких соединений из одного сложного вещества:
А = В + С + D.
Продуктами разложения сложного вещества могут быть как простые, так и сложные вещества.
Из реакций разложения, протекающих без изменения валентных состояний, следует отметить разложение кристаллогидратов, оснований, кислот и солей кислородсодержащих кислот:
| t o | ||
| 4HNO 3 | = | 2H 2 O + 4NO 2 O + O 2 O. |
2AgNO 3 = 2Ag + 2NO 2 + O 2 ,
(NH 4)2Cr 2 O 7 = Cr 2 O 3 + N 2 + 4H 2 O.
Особенно характерны окислительно-восстановительные реакции разложения для солей азотной кислоты.
Реакции разложения в органической химии носят название крекинга :
С 18 H 38 = С 9 H 18 + С 9 H 20 ,
или дегидрирования
C 4 H 10 = C 4 H 6 + 2H 2 .
3. Реакции замещения
При реакциях замещения обычно простое вещество взаимодействует со сложным, образуя другое простое вещество и другое сложное:
А + ВС = АВ + С.
Эти реакции в подавляющем большинстве принадлежат к окислительно-восстановительным:
2Аl + Fe 2 O 3 = 2Fе + Аl 2 О 3 ,
Zn + 2НСl = ZnСl 2 + Н 2 ,
2КВr + Сl 2 = 2КСl + Вr 2 ,
2КСlO 3 + l 2 = 2KlO 3 + Сl 2 .
Примеры реакций замещения, не сопровождающихся изменением валентных состояний атомов, крайне немногочисленны. Следует отметить реакцию двуокиси кремния с солями кислородсодержащих кислот, которым отвечают газообразные или летучие ангидриды:
СаСО 3 + SiO 2 = СаSiO 3 + СО 2 ,
Са 3 (РО 4) 2 + ЗSiO 2 = ЗСаSiO 3 + Р 2 О 5 ,
Иногда эти реакции рассматривают как реакции обмена :
СН 4 + Сl 2 = СН 3 Сl + НСl.
4. Реакции обмена
Реакциями обмена называют реакции между двумя соединениями, которые обмениваются между собой своими составными частями:
АВ + СD = АD + СВ.
Если при реакциях замещения протекают окислительно-восстановительные процессы, то реакции обмена всегда происходят без изменения валентного состояния атомов. Это наиболее распространенная группа реакций между сложными веществами — оксидами, основаниями, кислотами и солями:
ZnO + Н 2 SО 4 = ZnSО 4 + Н 2 О,
AgNО 3 + КВr = АgВr + КNО 3 ,
СrСl 3 + ЗNаОН = Сr(ОН) 3 + ЗNаСl.
Частный случай этих реакций обмена — реакции нейтрализации :
НСl + КОН = КСl + Н 2 О.
Обычно эти реакции подчиняются законам химического равновесия и протекают в том направлении, где хотя бы одно из веществ удаляется из сферы реакции в виде газообразного, летучего вещества, осадка или малодиссоциирующего (для растворов) соединения:
NаНСО 3 + НСl = NаСl + Н 2 О + СО 2 ,
Са(НСО 3) 2 + Са(ОН) 2 = 2СаСО 3 ↓ + 2Н 2 О,
СН 3 СООNа + Н 3 РО 4 = СН 3 СООН + NаН 2 РО 4 .
5. Реакции переноса.
При реакциях переноса атом или группа атомов переходит от одной структурной единицы к другой:
АВ + ВС = А + В 2 С,
А 2 В + 2СВ 2 = АСВ 2 +АСВ 3 .
Например:
2AgCl + SnCl 2 = 2Ag + SnCl 4 ,
H 2 O + 2NO 2 = HNO 2 + HNO 3 .
Классификация реакций по фазовым признакам
В зависимости от агрегатного состояния реагирующих веществ различают следующие реакции:
1. Газовые реакции
| H 2 + Cl 2 | 2HCl. |
2. Реакции в растворах
NaОН(р-р) + НСl(p-p) = NaСl(p-p) + Н 2 О(ж)
3. Реакции между твердыми веществами
| t o | ||
| СаО(тв) +SiO 2 (тв) | = | СаSiO 3 (тв) |
Классификация реакций по числу фаз.
Под фазой понимают совокупность однородных частей системы с одинаковыми физическими и химическими свойствами и отделенных друг от друга поверхностью раздела.
Все многообразие реакций с этой точки зрения можно разделить на два класса:
1.Гомогенные (однофазные) реакции. К ним относят реакции, протекающие в газовой фазе, и целый ряд реакций, протекающих в растворах.
2.Гетерогенные (многофазные) реакции. К ним относят реакции, в которых реагенты и продукты реакции находятся в разных фазах. Например:
газожидкофазные реакции
CO 2 (г) + NaOH(p-p) = NaHCO 3 (p-p).
газотвердофазные реакции
СO 2 (г) + СаО(тв) = СаСO 3 (тв).
жидкотвердофазные реакции
Na 2 SO 4 (р-р) + ВаСl 3 (р-р) = ВаSО 4 (тв)↓ + 2NaСl(p-p).
жидкогазотвердофазные реакции
Са(НСО 3) 2 (р-р) + Н 2 SО 4 (р-р) = СО 2 (r) +Н 2 О(ж) + СаSО 4 (тв)↓.
Классификация реакций по типу переносимых частиц
1. Протолитические реакции.
К протолитическим реакциям относят химические процессы, суть которых заключается в переносе протона от одних реагирующих веществ к другим.
В основе этой классификации лежит протолитическая теория кислот и оснований, в соответствии с которой кислотой считают любое вещество, отдающее протон, а основанием — вещество, способное присоединять протон, например:
К протолитическим реакциям относят реакции нейтрализации и гидролиза.
2. Окислительно-восстановительные реакции.
К таковым относят реакции, в которых реагирующие вещества обмениваются электронами, изменяя при этом степени окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ. Например:
Zn + 2H + → Zn 2 + + H 2 ,
FeS 2 + 8HNO 3 (конц) = Fe(NO 3) 3 + 5NO + 2H 2 SO 4 + 2H 2 O,
Подавляющее большинство химических реакций относятся к окислительно-восстановительным, они играют исключительно важную роль.
3. Лиганднообменные реакции.
К таковым относят реакции, в ходе которых происходит перенос электронной пары с образованием ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму. Например:
Cu(NO 3) 2 + 4NH 3 = (NO 3) 2 ,
Fe + 5CO = ,
Al(OH) 3 + NaOH = .
Характерной особенностью лиганднообменных реакций является то, что образование новых соединений, называемых комплексными, происходит без изменения степени окисления.
4. Реакции атомно-молекулярного обмена.
К данному типу реакций относятся многие из изучаемых в органической химии реакций замещения, протекающие по радикальному, электрофильному или нуклеофильному механизму.
Обратимые и необратимые химические реакции
Обратимыми называют такие химические процессы, продукты которых способны реагировать друг с другом в тех же условиях, в которых они получены, с образованием исходных веществ.
Для обратимых реакций уравнение принято записывать следующим образом:
Две противоположно направленные стрелки указывают на то, что при одних и тех же условиях одновременно протекает как прямая, так и обратная реакция, например:
СН 3 СООН + С 2 Н 5 ОН СН 3 СООС 2 Н 5 + Н 2 О.
Необратимыми называют такие химические процессы, продукты которых не способны реагировать друг с другом с образованием исходных веществ. Примерами необратимых реакций может служить разложение бертолетовой соли при нагревании:
2КСlО 3 → 2КСl + ЗО 2 ,
или окисление глюкозы кислородом воздуха:
С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6Н 2 О.
Департамент образования Ивановской области
Областное государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение
Южский технологический колледж
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА
ОТКРЫТОГО УРОКА ПО ХИМИИ
На тему:
«Классификация химических реакций »
Преподаватель: Вдовин Ю.А.
Курс: I
Группа: 39-40
Южа - 2017 г.
| Тема урока: | Классификация химических реакций |
| Цели урока: | Расширить и углубить знания о химических реакциях, сравнить их с другими видами явлений. Научиться выделять существенные признаки, которые могут быть положены в основу классификации химических реакций. Рассмотреть классификацию химических реакций по различным признакам. |
| Задачи урока: | 1. Образовательная - систематизировать, обобщить и углубить знания обучающихся о химических реакциях и их классификации, развить навыки самостоятельной работы, умения записывать уравнения реакций и расставлять коэффициенты, указывать типы реакций, делать выводы и обобщения. 2. Развивающая - развить культуру речи с применением химических терминов и формул, развитие познавательных способностей, мышления, внимания. 3. Воспитательная - воспитание самостоятельности, усидчивости, внимательности, толерантности. |
| Тип урока: | Комбинированный |
| Оборудование и реактивы: | Реактивы: Нитрат аммония, гидроксид натрия, гидроксид аммония, сульфат меди (II), карбонат натрия, соляная кислота, гексацианоферрат (III) калия, хлорид железа (III), перманганат калия, серная кислота, этанол. Оборудование: Пробирки, склянки с растворами, пипетки, штативы, чашка Петри, фарфоровая чашка для выпаривания, стеклянная палочка, вата, металлический противень. |
| Методы обучения | Словесные (беседа, объяснение) Методы проблемного обучения, лабораторный опыт. |
| Формы работы: | индивидуальная, фронтальная. |
План урока:
Ход урока:
1. Организационный момент (1 мин)
А) Приветствие;
Б) Техника безопасности;
2. Мотивация (2 мин)
Вступительное слово:
В окружающем нас мире протекает огромное число реакций. Вот мы просто сидим, стоим, идем куда-либо, а в каждой клеточке нашего тела каждую секунду происходят десятки и сотни тысяч превращений одних веществ в другие.
Почти не уступает живому организму и неодушевленная материя. Где то сейчас, именно в данный момент, происходит химический круговорот: одни молекулы исчезают, другие возникают, и эти процессы никогда не останавливаются.
Если бы в одночасье все они прекратились, то мир стал бы безмолвным. Как же удержать в памяти многообразие химических процессов, как практически ориентироваться в них? Как биологам удается ориентироваться в многообразии живых организмов? (создание проблемной ситуации).
Предполагаемый ответ: В любой науке применяется прием классификации, позволяющий по общим признакам разделить все множество объектов на группы.
Сформулируем тему занятия: Классификация химических реакций.
Любой урок должен преследовать цели.
Давайте сформулируем цели сегодняшнего урока?
Что мы должны рассмотреть?
Чему стоит научиться?
Рассмотреть возможные классификации химических реакций.
Научиться выделять признаки, по которым производится классификация реакций.
А в чем польза классификации химических реакций?
Предполагаемый ответ: Она помогает обобщить, структурировать знания о химических процессах, выделить что-либо общее и предсказать на основе имеющихся знаний что-либо еще неведомое, но схожее с известным.
А где знание классификации химических реакций может быть применено в вашей практике?
Предполагаемый ответ: некоторые классы химических реакций могут быть полезны нам в практической деятельности. Например, на окислительно-восстановительных процессах основано такое важное для вас явление, как гальванотехника. Думаю, понятие «Гальванические элементы» вам до боли знакомы!
Кроме того, знание класса химической реакции того или иного процесса может помочь в управлении этим процессом.
3. Актуализация знаний (6 мин)
А) Задание с карточками на отличие физических процессов от химических реакций (2 мин).
Задание выполняется студентом на магнитной доске и параллельно группой с презентацией.
Вглядитесь в эти известные всем Вам явления. Разделите их на группы. Укажите название группам и дайте определение каждой группе.
Б) Повтор техники безопасности
Проведение лабораторных опытов (3 мин)
А как можно узнать, что у нас идет химическая реакция?
Предполагаемый ответ №1: по критериям.
Предполагаемый ответ №2: По выпадению осадка, выделению газа и т.д.
А теперь я предлагаю Вам погрузиться в атмосферу эмпиризма и побыть экспериментаторами. Перед Вами стоят пробирки и склянки с реактивами. В рабочем поле, в задании №2 указаны методики опыта. Проделайте эти опыты. Результаты ваших экспериментов занесите в таблицу «Признаки протекания химических реакций».
| Признак протекания | Схема реакции |
|
| Появление запаха | ||
| Выпадение осадка | ||
| Растворение осадка | ||
| Выделение газа | ||
| Изменение цвета | ||
| Излучение света | ||
| Выделение или поглощение тепла |
4 . Изучение нового материала (15 мин)
Мы увидели, что химические реакции зачастую сопровождаются эффектами. Некоторые подобные эффекты берутся за основу различным типам классификации…
Да, химические реакции классифицируются по разным типам, поэтому одну и ту же химическую реакцию можно рассматривать и классифицировать по разному.
А) Классификация по числу и составу реагентов и их продуктов:
Соединения
Разложния
Замещения
На одном слайде представлены примеры химических реакций.
Ребята сравнивают уравнения реакций и формулируют определения классов на основе данного сравнительного анализа. Аналогично происходит и с другими типами.
Б) По тепловому эффекту
Экзотермические
Эндотермические
В) По изменению степени окисления
Окислительно-восстановительные
Без изменения степени окисления
Г) По фазовому составу
Гомогенные
Гетерогенные
Д) По использованию катализатора
Каталитические
Некаталитические
Е) По направлению:
Обратимые
Не обратимые
5. Применение и закрепление знаний (15 мин)
А теперь пришло время применить наши знания.
Ребята выполняют задания 3-5 рабочего поля.
3. Напротив каждого термина, относящегося к классу химических реакций, вклейте нужное определение.
| Реакции соединения | Реакции, в результате которых из двух и более веществ образуется одно сложное вещество |
| Реакции разложения | Реакции, в результате которых из сложного вещества образуется несколько новых веществ. |
| Реакции замещения | Реакции, в результате которых атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. |
| Реакции обмена | Реакции, в которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями. |
| Экзотермические реакции | Реакции, протекающие с выделением теплоты. |
| Эндотермические реакции | Реакции, протекающие с поглощением теплоты. |
| Каталитические реакции | Реакции, идущие с участием катализатора. |
| Некаталитические реакции | Реакции, идущие без катализатора. |
| Окислительно-восстановительные | Реакции, протекающие с изменением степеней окисления элементов, образующих вещества, участвующие в реакции. |
| Обратимые реакции | Химические реакции, которые протекают одновременно в двух противоположных направлениях-прямом и обратном. |
| Необратимые реакции | Химические реакции, в результате которых исходные вещества практически полностью превращаются в конечные продукты. |
| Гомогенные реакции | Реакции, которые протекают в однородной среде, например в смеси газов или в растворах. |
| Гетерогенные реакции | Реакции, которые протекают между веществами в неоднородной среде. |
Проверка работы происходит по слайду презентации.
4. Соотнесите химические реакции с их классом:
| Реакции соединения | ||
| Реакции разложения | ||
| Реакции замещения | ||
| Реакции обмена | ||
| Экзотермические реакции |
Химические реакции следует отличать от ядерных реакций. В результате химических реакций общее число атомов каждого химического элемента и его изотопный состав не меняются. Иное дело ядерные реакции - процессы превращения атомных ядер в результате их взаимодействия с другими ядрами или элементарными частицами, например превращение алюминия в магний:
27 13 Аl + 1 1 Н = 24 12 Мg + 4 2 Не
Классификация химических реакций многопланова, то есть в ее основу могут быть положены различные признаки. Но под любой из таких признаков могут быть отнесены реакции как между неорганическими, так и между органическими веществами.
Рассмотрим классификацию химических реакций по различным признакам.
I. По числу и составу реагирующих веществ
Реакции, идущие без изменения состава веществ.
В неорганической химии к таким реакциям можно отнести процессы получения аллотропных модификаций одного химического элемента, например:
С (графит) ↔ С (алмаз)
S (ромбическая) ↔ S (моноклинная)
Р (белый) ↔ Р (красный)
Sn (белое олово) ↔ Sn (серое олово)
3O 2 (кислород) ↔ 2O 3 (озон)
В органической химии к этому типу реакций могут быть отнесены реакции изомеризации, которые идут без изменения не только качественного, но и количественного состава молекул веществ, например:
1. Изомеризация алканов.
Реакция изомеризации алканов имеет большое практическое значение, так как углеводороды изостроения обладают меньшей способностью к детонации.
2. Изомеризация алкенов.
3. Изомеризация алкинов (реакция А. Е. Фаворского).
CH 3 - CH 2 - С= - СН ↔ СН 3 - С= - С- СН 3
этилацетилен диметнлацетилен
4. Изомеризация галогеналканов (А. Е. Фаворский, 1907 г.).
5. Изомеризация цианита аммония при нагревании.
Впервые мочевина была синтезирована Ф. Велером в 1828 г. изомеризацией цианата аммония при нагревании.
Реакции, идущие с изменением состава вещества
Можно выделить четыре типа таких реакций: соединения, разложения, замещения и обмена.
1. Реакции соединения - это такие реакции, при которых из двух и более веществ образуется одно сложное вещество
В неорганической химии все многообразие реакций соединения можно рассмотреть, например, на примере реакций получения серной кислоты из серы:
1. Получение оксида серы (IV):
S + O 2 = SO - из двух простых веществ образуется одно сложное.
2. Получение оксида серы (VI):
SO 2 + 0 2 → 2SO 3 - из простого и сложного веществ образуется одно сложное.
3. Получение серной кислоты:
SO 3 + Н 2 O = Н 2 SO 4 - из двух сложных веществ образуется одно сложное.
Примером реакции соединения, при которой одно сложное вещество образуется из более чем двух исходных, может служить заключительная стадия получения азотной кислоты:
4NО 2 + O 2 + 2Н 2 O = 4НNO 3
В органической химии реакции соединения принято называть «реакциями присоединения». Все многообразие таких реакций можно рассмотреть на примере блока реакций, характеризующих свойства непредельных веществ, например этилена:
1. Реакция гидрирования - присоединения водорода:
CH 2 =CH 2 + Н 2 → Н 3 -СН 3
этен → этан
2. Реакция гидратации - присоединения воды.
3. Реакция полимеризации.
2. Реакции разложения - это такие реакции, при которых из одного сложного вещества образуется несколько новых веществ.
В неорганической химии все многообразие таких реакций можно рассмотреть на блоке реакций получения кислорода лабораторными способами:
1. Разложение оксида ртути(II) - из одного сложного вещества образуются два простых.
2. Разложение нитрата калия - из одного сложного вещества образуются одно простое и одно сложное.
3. Разложение перманганата калия - из одного сложного вещества образуются два сложных и одно простое, то есть три новых вещества.
В органической химии реакции разложения можно рассмотреть на блоке реакций получения этилена в лаборатории и в промышленности:
1. Реакция дегидратации (отщепления воды) этанола:
С 2 H 5 OH → CH 2 =CH 2 + H 2 O
2. Реакция дегидрирования (отщепление водорода) этана:
CH 3 -CH 3 → CH 2 =CH 2 + H 2
или СН 3 -СН 3 → 2С + ЗН 2
3. Реакция крекинга (расщепления) пропана:
CH 3 -СН 2 -СН 3 → СН 2 =СН 2 + СН 4
3. Реакции замещения - это такие реакции, в результате которых атомы простого вещества замещают атомы какого-нибудь элемента в сложном веществе.
В неорганической химии примером таких процессов может служить блок реакций, характеризующих свойства, например, металлов:
1. Взаимодействие щелочных или щелочноземельных металлов с водой:
2Na + 2Н 2 O = 2NаОН + Н 2
2. Взаимодействие металлов с кислотами в растворе:
Zn + 2НСl = ZnСl 2 + Н 2
3. Взаимодействие металлов с солями в растворе:
Fе + СuSO 4 = FеSO 4 + Сu
4. Металлотермия:
2Аl + Сr 2 O 3 → Аl 2 O 3 + 2Сr
Предметом изучения органической химии являются не простые вещества, а только соединения. Поэтому как пример реакции замещения приведем наиболее характерное свойство предельных соединений, в частности метана, - способность его атомов водорода замещаться на атомы галогена. Другой пример - бромирование ароматического соединения (бензола, толуола, анилина).
С 6 Н 6 + Вr 2 → С 6 Н 5 Вr + НВr
бензол → бромбензол
Обратим внимание на особенность реакции замещения у органических веществ: в результате таких реакций образуются не простое и сложное вещество, как в неорганической химии, а два сложных вещества.
В органической химии к реакциям замещения относят и некоторые реакции между двумя сложными веществами, например нитрование бензола. Она формально является реакцией обмена. То, что это реакция замещения, становится понятным только при рассмотрении ее механизма.
4. Реакции обмена - это такие реакции, при которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями
Эти реакции характеризуют свойства электролитов и в растворах протекают по правилу Бертолле, то есть только в том случае, если в результате образуется осадок, газ или малодиссоциирующее вещество (например, Н 2 O).
В неорганической химии это может быть блок реакций, характеризующих, например, свойства щелочей:
1. Реакция нейтрализации, идущая с образованием соли и воды.
2. Реакция между щелочью и солью, идущая с образованием газа.
3. Реакция между щелочью и солью, идущая с образованием осадка:
СuSO 4 + 2КОН = Сu(ОН) 2 + К 2 SO 4
или в ионном виде:
Сu 2+ + 2OН - = Сu(ОН) 2
В органической химии можно рассмотреть блок реакций, характеризующих, например, свойства уксусной кислоты:
1. Реакция, идущая с образованием слабого электролита - Н 2 O:
СН 3 СООН + NаОН → Nа(СН3СОО) + Н 2 O
2. Реакция, идущая с образованием газа:
2СН 3 СООН + СаСO 3 → 2СН 3 СОО + Са 2+ + СO 2 + Н 2 O
3. Реакция, идущая с образованием осадка:
2СН 3 СООН + К 2 SO 3 → 2К(СН 3 СОО) + Н 2 SO 3
2СН 3 СООН +SiO → 2СН 3 СОО + Н 2 SiO 3
II. По изменению степеней окисления химических элементов, образующих вещества
По этому признаку различают следующие реакции:
1. Реакции, идущие с изменением степеней окисления элементов, или окислительно-восстановительные реакции.
К ним относится множество реакций, в том числе все реакции замещения, а также те реакции соединения и разложения, в которых участвует хотя бы одно простое 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
Сложные окислительно-восстановительные реакции составляются с помощью метода электронного баланса.
2KMn +7 O 4 + 16HCl - = 2KCl - + 2Mn +2 Cl - 2 + 5Cl 0 2 + 8H 2 O
В органической химии ярким примером окислительно-восстановительных реакций могут служить свойства альдегидов.
1. Они восстанавливаются в соответствующие спирты:
Альдекиды окисляются в соответствующие кислоты:
2. Реакции, идущие без изменения степеней окисления химических элементов.
К ним, например, относятся все реакции ионного обмена, а также многие реакции соединения, многие реакции разложения, реакции этерификации:
НСООН + CHgOH = НСООСН 3 + H 2 O
III. По тепловому эффекту
По тепловому эффекту реакции делят на экзотермические и эндотермические.
1. Экзотермические реакции протекают с выделением энергии.
К ним относятся почти все реакции соединения. Редкое исключение составляют эндотермические реакции синтеза оксида азота(II) из азота и кислорода и реакция газообразного водорода с твердым иодом.
Экзотермические реакции, которые протекают с выделением света, относят к реакциям горения. Гидрирование этилена - пример экзотермической реакции. Она идет при комнатной температуре.
2. Эндотермические реакции протекают с поглощением энергии.
Очевидно, что к ним будут относиться почти все реакции разложения, например:
1. Обжиг известняка
2. Крекинг бутана
Количество выделенной или поглощенной в результате реакции энергии называют тепловым эффектом реакции, а уравнение химической реакции с указанием этого эффекта называют термохимическим уравнением:
Н 2(г) + С 12(г) = 2НС 1(г) + 92,3 кДж
N 2(г) + O 2(г) = 2NO(г) - 90,4 кДж
IV. По агрегатному состоянию реагирующих веществ (фазовому составу)
По агрегатному состоянию реагирующих веществ различают:
1. Гетерогенные реакции - реакции, в которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в разных агрегатных состояниях (в разных фазах).
2. Гомогенные реакции - реакции, в которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в одном агрегатном состоянии (в одной фазе).
V. По участию катализатора
По участию катализатора различают:
1. Некаталитические реакции, идущие без участия катализатора.
2. Каталитические реакции, идущие с участием катализатора. Так как все биохимические реакции, протекающие в клетках живых организмов, идут с участием особых биологических катализаторов белковой природы - ферментов, все они относятся к каталитическим или, точнее, ферментативным. Следует отметить, что более 70% химических производств используют катализаторы.
VI. По направлению
По направлению различают:
1. Необратимые реакции протекают в данных условиях только в одном направлении. К ним можно отнести все реакции обмена, сопровождающиеся образованием осадка, газа или малодиссоциирующего вещества (воды) и все реакции горения.
2. Обратимые реакции в данных условиях протекают одновременно в двух противоположных направлениях. Таких реакций подавляющее большинство.
В органической химии признак обратимости отражают названия - антонимы процессов:
Гидрирование - дегидрирование,
Гидратация - дегидратация,
Полимеризация - деполимеризация.
Обратимы все реакции этерификации (противоположный процесс, как вы знаете, носит название гидролиза) и гидролиза белков, сложных эфиров, углеводов, полинуклеотидов. Обратимость этих процессов лежит в основе важнейшего свойства живого организма - обмена веществ.
VII. По механизму протекания различают:
1. Радикальные реакции идут между образующимися в ходе реакции радикалами и молекулами.
Как вы уже знаете, при всех реакциях происходит разрыв старых и образование новых химических связей. Способ разрыва связи в молекулах исходного вещества определяет механизм (путь) реакции. Если вещество образовано за счет ковалентной связи, то могут быть два способа разрыва этой связи: гемолитический и гетеролитический. Например, для молекул Сl 2 , СН 4 и т. д. реализуется гемолитический разрыв связей, он приведет к образованию частиц с неспаренными электронами, то есть свободных радикалов.
Радикалы чаще всего образуются, когда разрываются связи, при которых общие электронные пары распределены между атомами примерно одинаково (неполярная ковалентная связь), однако многие полярные связи также могут разрываться подобным же образом, в частности тогда, когда реакция проходит в газовой фазе и под действием света, как, например, в случае рассмотренных выше процессов - взаимодействия С 12 и СН 4 - . Радикалы очень реакционноспособны, так как стремятся завершить свой электронный слой, забрав электрон у другого атома или молекулы. Например, когда радикал хлора сталкивается с молекулой водорода, то он вызывает разрыв общей электронной пары, связывающей атомы водорода, и образует ковалентную связь с одним из атомов водорода. Второй атом водорода, став радикалом, образует общую электронную пару с неспаренным электроном атома хлора из разрушающейся молекулы Сl 2 , в результате чего возникает радикал хлора, который атакует новую молекулу водорода и т. д
Реакции, представляющие собой цепь последовательных превращений, называют цепными реакциями.
За разработку теории цепных реакций два выдающихся химика - наш соотечественник Н. Н. Семенов и англичанин С. А. Хиншелвуд были удостоены Нобелевской премии.
Аналогично протекает и реакция замещения между хлором и метаном:
По радикальному механизму протекают большинство реакций горения органических и неорганических веществ, синтез воды, аммиака, полимеризация этилена, винилхлорида и др.
2. Ионные реакции идут между уже имеющимися или образующимися в ходе реакции ионами.
Типичные ионные реакции - это взаимодействие между электролитами в растворе. Ионы образуются не только при диссоциации электролитов в растворах, но и под действием электрических разрядов, нагревания или излучений. γ-Лучи, например, превращают молекулы воды и метана в молекулярные ионы.
По другому ионному механизму происходят реакции присоединения к алкенам галогеноводородов, водорода, галогенов, окисление и дегидратация спиртов, замещение спиртового гидроксила на галоген; реакции, характеризующие свойства альдегидов и кислот. Ионы в этом случае образуются при гетеролитическом разрыве ковалентных полярных связей.
VIII. По виду энергии,
инициирующей реакцию, различают:
1. Фотохимические реакции. Их инициирует световая энергия. Кроме рассмотренных выше фотохимических процессов синтеза НСl или реакции метана с хлором, к ним можно отнести получение озона в тропосфере как вторичного загрязнителя атмосферы. В роли первичного в этом случае выступает оксид азота(IV), который под действием света образует радикалы кислорода. Эти радикалы взаимодействуют с молекулами кислорода, в результате чего получается озон.
Образование озона идет все время, пока достаточно света, так как NO может взаимодействовать с молекулами кислорода с образованием того же NO 2 . Накопление озона и других вторичных загрязнителей атмосферы может привести к появлению фотохимического смога.
К этому виду реакций принадлежит и важнейший процесс, протекающий в растительных клетках, - фотосинтез, название которого говорит само за себя.
2. Радиационные реакции. Они инициируются излучениями большой энергии - рентгеновскими лучами, ядерными излучениями (γ-лучами, а-частицами - Не 2+ и др.). С помощью радиационных реакций проводят очень быструю радиополимеризацию, радиолиз (радиационное разложение) и т. д.
Например, вместо двухстадийного получения фенола из бензола его можно получать взаимодействием бензола с водой под действием радиационных излучений. При этом из молекул воды образуются радикалы [ OН] и [ H ], с которыми и реагирует бензол с образованием фенола:
С 6 Н 6 + 2[ОН] → С 6 Н 5 ОН + Н 2 O
Вулканизация каучука может быть проведена без серы с использованием радиовулканизации, и полученная резина будет ничуть не хуже традиционной.
3. Электрохимические реакции. Их инициирует электрический ток. Помимо хорошо известных вам реакций электролиза укажем также реакции электросинтеза, например, реакции промышленного получения неорганических окислителей
4. Термохимические реакции. Их инициирует тепловая энергия. К ним относятся все эндотермические реакции и множество экзотермических реакций, для начала которых необходима первоначальная подача теплоты, то есть инициирование процесса.
Рассмотренная выше классификация химических реакций отражена на схеме.
Классификация химических реакций, как и все другие классификации, условна. Ученые договорились разделить реакции на определенные типы по выделенным ими признакам. Но большинство химических превращений можно отнести к разным типам. Например, составим характеристику процесса синтеза аммиака.
Это реакция соединения, окислительно-восстановительная, экзотермическая, обратимая, каталитическая, гетерогенная (точнее, гетерогенно-каталитическая), протекающая с уменьшением давления в системе. Для успешного управления процессом необходимо учитывать все приведенные сведения. Конкретная химическая реакция всегда многокачественна, ее характеризуют разные признаки.
