Классификация химических реакций
Наиболее часто под химическими реакциями понимают процесс превращения исходных веществ (реагентов) в конечные вещества (продукты).
Химические реакции записываются с помощью химических уравнений, содержащих формулы исходных веществ и продуктов реакции. Согласно закону сохранения массы, число атомов каждого элемента в левой и правой частях химического уравнения одинаково. Обычно формулы исходных веществ записывают в левой части уравнения, а формулы продуктов – в правой. Равенство числа атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения достигается расстановкой перед формулами веществ целочисленных стехиометрических коэффициентов.
Химические уравнения могут содержать дополнительные сведения об особенностях протекания реакции: температура, давление, излучение и т.д., что указывается соответствующим символом над (или «под») знаком равенства.
Все химические реакции могут быть сгруппированы в несколько классов, которым присущи определенные признаки.
Классификация химических реакций по числу и составу исходных и образующихся веществ
Согласно этой классификации, химические реакции подразделяются на реакции соединения, разложения, замещения, обмена.
В результате реакций соединения из двух или более (сложных или простых) веществ образуется одно новое вещество. В общем виде уравнение такой химической реакции будет выглядеть следующим образом:
A + B (+D) = C
Например:
СаСО3 + СО2 + Н2О = Са(НСО3)2
SO3 + H2O = H2SO4
2Mg + O2 = 2MgO.
2FеСl2 + Сl2 = 2FеСl3
Реакции соединения в большинстве случаев экзотермические, т.е. протекают с выделением тепла. Если в реакции участвуют простые вещества, то такие реакции чаще всего являются окислительно-восстановительными (ОВР), т.е. протекают с изменением степеней окисления элементов. Однозначно сказать будет ли реакция соединения между сложными веществами относиться к ОВР нельзя.
Реакции, в результате которых из одного сложного вещества образуется несколько других новых веществ (сложных или простых) относят к реакциям разложения. В общем виде уравнение химической реакции разложения будет выглядеть следующим образом:
A= B+ C + D
Например:
CaCO3CaO + CO2 ↑ (1)
2H2O =2H2 ↑+ O2↑ (2)
CuSO4 × 5H2O = CuSO4 + 5H2O (3)
Cu(OH)2 = CuO + H2O (4)
H2SiO3 = SiO2 + H2O (5)
2SO3 =2SO2 + O2 ↑ (6)
(NH4)2Cr2O7 = Cr2O3 + N2↑ +4H2O (7)
Большинство реакций разложения протекает при нагревании (1,4,5). Возможно разложение под действием электрического тока (2). Разложение кристаллогидратов, кислот, оснований и солей кислородсодержащих кислот (1, 3, 4, 5, 7) протекает без изменения степеней окисления элементов, т.е. эти реакции не относятся к ОВР. К ОВР реакциям разложения относится разложение оксидов, кислот и солей, образованных элементами в высших степенях окисления (6).
Реакции разложения встречаются и в органической химии, но под другими названиями — крекинг (8), дегидрирование (9):
С18H38 = С9H18 + С9H20 (8)
C4H10 = C4H6 + 2H2 ↑ (9)
При реакциях замещения простое вещество взаимодействует со сложным, образуя новое простое и новое сложное вещество. В общем виде уравнение химической реакции замещения будет выглядеть следующим образом:
A + BC = AB + C
Например:
2Аl + Fe2O3 = 2Fе + Аl2О3 (1)
Zn + 2НСl = ZnСl2 + Н2 (2)
2КВr + Сl2 = 2КСl + Вr2 (3)
2КСlO3 + l2 = 2KlO3 + Сl2 (4)
СаСО3+ SiO2 = СаSiO3 + СО2 (5)
Са3(РО4)2 + ЗSiO2 = ЗСаSiO3 + Р2О5 (6)
СН4 + Сl2 = СН3Сl + НСl (7)
Реакции замещения в своем большинстве являются окислительно-восстановительными (1 – 4, 7). Примеры реакций разложения, в которых не происходит изменения степеней окисления немногочисленны (5, 6).
Реакциями обмена называют реакции, протекающие между сложными веществами, при которых они обмениваются своими составными частями. Обычно этот термин применяют для реакций с участием ионов, находящихся в водном растворе. В общем виде уравнение химической реакции обмена будет выглядеть следующим образом:
АВ + СD = АD + СВ
Например:
CuO + 2HCl = CuCl2 + H2O (1)
NaOH + HCl = NaCl + H2O (2)
NаНСО3 + НСl = NаСl + Н2О + СО2↑ (3)
AgNО3 + КВr = АgВr ↓ + КNО3 (4)
СrСl3 + ЗNаОН = Сr(ОН)3 ↓+ ЗNаСl (5)
Реакции обмена не являются окислительно-восстановительными. Частный случай этих реакций обмена -реакции нейтрализации (реакции взаимодействия кислот со щелочами) (2). Реакции обмена протекают в том направлении, где хотя бы одно из веществ удаляется из сферы реакции в виде газообразного вещества (3), осадка (4, 5) или малодиссоциирующего соединения, чаще всего воды (1, 2).
Классификация химических реакций по изменениям степеней окисления
В зависимости от изменения степеней окисления элементов, входящих в состав реагентов и продуктов реакции все химические реакции подразделяются на окислительно-восстановительные (1, 2) и, протекающие без изменения степени окисления (3, 4).
2Mg + CO2 = 2MgO + C (1)
Mg0 – 2e = Mg2+ (восстановитель)
С4+ + 4e = C0 (окислитель)
FeS2 + 8HNO3(конц) = Fe(NO3)3 + 5NO↑ + 2H2SO4 + 2H2O (2)
Fe2+ -e = Fe3+ (восстановитель)
N5+ +3e = N2+ (окислитель)
AgNO3 +HCl = AgCl ↓ + HNO3 (3)
Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4 ↓ + H2O (4)
Классификация химических реакций по тепловому эффекту
В зависимости от того, выделяется ли или поглощается тепло (энергия) в ходе реакции, все химические реакции условно разделяют на экзо – (1, 2) и эндотермические (3), соответственно. Количество тепла (энергии), выделившееся или поглотившееся в ходе реакции называют тепловым эффектом реакции. Если в уравнении указано количество выделившейся или поглощенной теплоты, то такие уравнения называются термохимическими.
N2 + 3H2 = 2NH3 +46,2 кДж (1)
2Mg + O2 = 2MgO + 602, 5 кДж (2)
N2 + O2 = 2NO – 90,4 кДж (3)
Классификация химических реакций по направлению протекания реакции
По направлению протекания реакции различают обратимые (химические процессы, продукты которых способны реагировать друг с другом в тех же условиях, в которых они получены, с образованием исходных веществ) и необратимые (химические процессы, продукты которых не способны реагировать друг с другом с образованием исходных веществ).
Для обратимых реакций уравнение в общем виде принято записывать следующим образом:
А + В ↔ АВ
Например:
СН3СООН + С2Н5ОН↔ Н3СООС2Н5+ Н2О
Примерами необратимых реакций может служить следующие реакции:
2КСlО3 → 2КСl + ЗО2↑
С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2↑+ 6Н2О
Свидетельством необратимости реакции может служить выделение в качестве продуктов реакции газообразного вещества, осадка или малодиссоциирующего соединения, чаще всего воды.
Классификация химических реакций по наличию катализатора
С этой точи зрения выделяют каталитические и некаталитические реакции.
Катализатором называют вещество, ускоряющее ход химической реакции. Реакции, протекающие с участием катализаторов, называются каталитическими. Протекание некоторых реакций вообще невозможно без присутствия катализатора:
2H2O2 = 2H2O + O2 ↑ (катализатор MnO2)
Нередко один из продуктов реакции служит катализатором, ускоряющим эту реакцию (автокаталитические реакции):
MeO+ 2HF = MeF2 + H2O, где Ме – металл.
Примеры решения задач
| Задание | Установите, какие из приведенных ниже реакций относятся к окислительно-восстановительным, и укажите окислитель и восстановитель:
а) FeO + H2SO4 = FeSO4 + H2O б) Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2 в) 4 Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4 Fe(OH)3 г) 2 Fe(OH)3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 6 H2O |
| Решение | а) не является ОВР;
б) не является ОВР; в) является ОВР Fe2+ — e → Fe3+ (восстановитель) 2O0 + 2e → O2- (окислитель) г) не является ОВР. |
| Задание | Допишите уравнения реакций. Какие из них обратимые, а какие нет? В случае необратимой реакции поясните ответ.
а) AgNO3 + BaCl2 = б) Al2(SO4)3 + Ba(NO3)2 = в) Na+ Cl2 = г) ZnS + O2 = |
| Решение | а) 2AgNO3 + BaCl2 → 2AgCl ↓ + Ba(NO3)2
Необратимая реакция, т.к. образуется осадок – хлорид серебра б) Al2(SO4)3 + 3Ba(NO3)2 =3 BaSO4 ↓+ 2Al(NO3)3 Необратимая реакция, т.к. образуется осадок – сульфат бария в) Na+ Cl2 = 2NaCl г) 2 ZnS + O2 → 2ZnO + 2SO2 ↑ Необратимая реакция, т.к. выделяется газ – оксид серы (VI) |
