♦ По числу и составу исходных и полученных веществ химические реакции бывают:
- Соединения
- из двух или нескольких веществ образуется одно сложное вещество:
Fe + S = FeS
(при нагревании порошков железа и серы образуется сульфид железа) - Разложения
- из одного сложного вещества образуется два или несколько веществ:
2H 2 O = 2H 2 + O 2
(вода разлагается на водород и кислород при пропускании электрического тока) - Замещения
- атомы простого вещества замещают один из элементов в сложном веществе:
Fe + CuCl 2 = Cu↓ + FeCl 2
(железо вытесняет медь из раствора хлорида меди (II)) - Обмена
- 2 сложных вещества обмениваются составными частями:
HCl + NaOH = NaCl + H 2 O
(реакция нейтрализации - соляная кислота реагирует с гидроксидом натрия с образованием хлорида натрия и воды)
♦ Реакции, протекающие с выделением энергии (тепла), называются экзотермическими . К ним относятся реакции горения, например серы:
S + O 2 = SO 2 + Q
Образуется оксид серы (IV), выделение энергии обозначают + Q
Реакции, требующие затрат энергии, т. е. протекающие с поглощением энергии, называются эндотермическими . Эндотермической является реакция разложения воды под действием электрического тока:
2H 2 O = 2H 2 + O 2 − Q
♦ Реакции, сопровождающиеся изменением степеней окисления элементов, т. е. переходом электронов, называются окислительно-восстановительными :
Fe 0 + S 0 = Fe +2 S −2
Противоположностью являются электронно-статичные реакции, часто их называют просто реакции, протекающие без изменения степени окисления . К ним относятся все реакции обмена:
H +1 Cl −1 + Na +1 O −2 H +1 = Na +1 Cl −1 + H 2 +1 O −2
(Напомним, что степень окисления в веществах, состоящих из двух элементов, численно равна валентности, знак ставится перед цифрой)
2. Опыт. Проведение реакций, подтверждающих качественный состав предложенной соли, например сульфата меди (II)
Качественный состав соли доказывают с помощью реакций, сопровождающихся выпадением осадка или выделением газа с характерным запахом или цветом. Образование осадка происходит в случае получения нерастворимых веществ (определяем по таблице растворимости). Газы выделяются при образовании слабых кислот (для многих требуется нагревание) или гидроксида аммония.
Наличие иона меди можно доказать добавлением гидроксида натрия, выпадает синий осадок гидроксида меди (II):
CuSO 4 + 2NaOH = Cu(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4
Дополнительно можно провести разложение гидроксида меди (II) при нагревании, образуется черный оксид меди (II):
Cu(OH) 2 = CuO + H 2 O
Наличие сульфат-иона доказывается выпадением белого кристаллического осадка, нерастворимого в концентрированной азотной кислоте, при добавлении растворимой соли бария:
CuSO 4 + BaCl 2 = BaSO 4 ↓ + CuCl 2
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:
1) 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.
2) 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.
3) 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).
4) 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.
5) Пятой 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).
6) 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.
В предыдущих статьях были рассмотрены классификации реакций по следующим признакам:
1.По признаку изменения степеней окисления элементов в молекулах реагирующих веществ все реакции делятся на:
а) окислительно-восстановительные реакции (реакции с переносом электронов);
б) не окислительно-восстановительные реакции (реакции без переноса электронов).
2.По знаку теплового эффекта все реакции делятся на:
а) экзотермические (идущие с выделением теплоты);
б) эндотермические (идущие с поглощением теплоты).
3.По признаку однородности реакционной системы реакции делятся на:
а) гомогенные (протекающие в однородной системе);
б) гетерогенные (протекающие в неоднородной системе).
4.В зависимости от присутствия или отсутствия катализатора реакции делятся на:
а) каталитические (идущие с участием катализатора);
б) некаталитические (идущие без катализатора).
5.По признаку обратимости все химические реакции делятся на:
а) необратимые (протекающие только в одном направлении);
б) обратимые (протекающие одновременно в прямом и в обратном направлениях).
Рассмотрим еще одну часто используемую классификацию.
По числу и составу исходных веществ (реагентов) и продуктов реакции можно выделить следующие важнейшие типы химических реакций:
а) реакции соединения;
б) реакции разложения;
в) реакции замещения;
г) реакции обмена.
Реакции соединения - это реакции, в ходе которых из двух или нескольких веществ образуется одно вещество более сложного состава: А + В +…= D
Существует большое число реакций соединения простых веществ (металлов с неметаллами, неметаллов с неметаллами), например:
H 2 + Cl 2 = 2HCl
Реакции соединения простых веществ всегда являются окислительно-восстановительными реакциями. Как правило, эти реакции экзотермичны.
В реакциях соединения могут участвовать и сложные вещества, например:
СаО + SO 3 = CaSO 4
K 2 O + H 2 O = 2KOH
В приведенных примерах степени окисления элементов при протекании реакций не изменяются.
Существуют также реакции соединения простых и сложных веществ, которые относятся к окислительно-восстановительным реакциям, например:
2FeCl 2 + Cl 2 = 2FeCl 3
2SO 2 + O 2 = 2SO 3
Реакции разложения - это реакции, при протекании которых из одного сложного вещества образуются два или несколько более простых веществ: А = В + С + …
Продуктами разложения исходного вещества могут быть как простые, так и сложные вещества, например:
2Fe(OH) 3 = Fe 2 O 3 + 3H 2 O
ВаСО 3 = ВаО + CO 2
2AgNO 3 = 2Ag + 2NO 2 + O 2
Реакции разложения обычно протекают при нагревании веществ и являются эндотермическими реакциями. Как и реакции соединения, реакции разложения могут протекать с изменением и без изменения степеней окисления элементов.
Реакции замещения - это реакции между простыми и сложными веществами, при протекании которых атомы простого вещества замешают атомы одного из элементов в молекуле сложного вещества. В результате реакции замещения образуются новое простое и новое сложное вещество:
А + ВС = АС + В
Эти реакции почти всегда являются окислительно-восстановительными реакциями. Например:
Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2
Ca + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2
Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu
2Al + Fe 2 O 3 = 2Fe + Al 2 O 3
2KBr + Cl 2 = 2KCl + Br 2
Существует небольшое число реакций замещения, в которых участвуют сложные вещества и которые происходят без изменения степеней окисления элементов, например:
СаСО 3 + SiO 2 = CaSiO 3 + СО 2
Ca 3 (PO 4) 2 + 3SiO 2 = 3CaSiO 3 + P 2 O 5
Реакции обмена - это реакции между двумя сложными веществами, молекулы которых обмениваются своими составными частями:
АВ + С D = А D + СВ
Реакции обмена всегда протекают без переноса электронов, т. е. являются не окислительно-восстановительными реакциями. Например:
HNO 3 + NaOH = NaNO 3 + H2O
BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 + 2HCl
В результате реакций обмена обычно образуются осадок (↓), или газообразное вещество (), или слабый электролит (например, вода).
Разнообразие химических реакций, количество которых не поддается подсчетам, невозможно охватить единой универсальной классификацией, поэтому их разделяют по определенным общим признакам. Под любой из таких признаков могут быть отнесены реакции, как между неорганическими, так и между органическими веществами.
Во-первых, это реакции без изменения состава вещества и реакции с изменением состава.
Реакции, идущие без изменения состава веществ:
AlCl3,t
СН3-СН2-СН2-СН3 > СН3-СН-СН3
Реакции, идущие с изменением состава веществ:
6 СО2 + 6 Н2О = С6Н12О6 + 6 О2
В органической химии к этому типу реакций относятся реакции изомеризации. Так, изомеризацию алканов проводят для получения бензина с большим октановым числом.
Для химических процессов, происходящих между неорганическими реагентами, наиболее часто используются такие классификации:
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
Различные способы классификации часто сочетаются друг с другом (рис.1).
Рисунок 1 - Признак классификации химических реакций
Рассмотрим более подробно каждый из типов химических реакций.
1. Классификация по числу и составу реагентов и конечных веществ (табл.1).
Таблица 1 - Типы химических реакций и их механизмы
1. Реакции соединения. Д.И.Менделеев определял соединение как реакцию, «при которой из двух веществ происходит одно. Итак, при реакциях соединения из нескольких реагирующих веществ относительно простого состава получается одно вещество более сложного состава
К реакциям соединения относят процессы горения простых веществ (серы, фосфора, углерода) на воздухе. Например, углерод горит на воздухе С+О 2 =СО 2 (конечно эта реакция протекает постепенно, сначала образуется угарный газ СО). Как правило, эти реакции сопровождаются выделением тепла, т.е. приводят к образованию более устойчивых и менее богатых энергией соединений - являются экзотермическими.
Реакции соединения простых веществ всегда носят окислительно-восстановительный характер. Реакции соединения, протекающие между сложными веществами, могут происходить как без изменения валентности
СаСО3 + СО2 + Н2О = Са (НСО3)2
так и относиться к числу окислительно-восстановительных
2FеСl2 + Сl2 = 2FеСl3.
2. Реакции разложения. Химические реакции разложения, по Менделееву, «составляют случаи, обратные соединению, то есть такие, при которых одно вещество даёт два, или, вообще, данное число веществ -- большее их число.
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. Примером реакции разложение может служить химическая реакция разложения мела (или известняка под воздействием температуры): СаСО 3 =СаО+СО 2 . Для проведения реакции разложения, как правило, требуется нагревание. Такие процессы -- эндотермические, т.е. протекают с поглощением теплоты. Из реакций разложения, протекающих без изменения валентных состояний, следует отметить разложение кристаллогидратов, оснований, кислот и солей кислородсодержащих кислот
CuSO4 5H2O = CuSO4 + 5H2O,
Cu(OH)2 = CuO + H2O,
H2SiO3 = SiO2 + H2O.
К реакциям разложения окислительно-восстановительного характера относится разложение оксидов, кислот и солей, образованных элементами в высших степенях окисления
2SO3 = 2SO2 + O2,
4HNO3 = 2H2O + 4NO2O + O2O,
2AgNO3 = 2Ag + 2NO2 + O2,
(NH4) 2Cr2O7 = Cr2O3 + N2 + 4H2O.
Особенно характерны окислительно-восстановительные реакции разложения для солей азотной кислоты.
Реакции разложения в органической химии, в отличие от реакций разложения в неорганической химии, имеют свою специфику. Их можно рассматривать как процессы, обратные присоединению, поскольку в результате чаще всего образуются кратные связи или циклы.
Реакции разложения в органической химии носят название крекинга
С18H38 = С9H18 + С9H20
или дегидрирования C4H10 = C4H6 + 2H2.
В реакциях двух других типов число реагентов равно числу продуктов.
3. Реакции замещения. Их отличительный признак -- взаимодействие простого вещества со сложным. Такие реакции есть и в органической химии. Однако понятие «замещение» в органике шире, чем в неорганической химии. Если в молекуле исходного вещества какой-либо атом или функциональная группа заменяются на другой атом или группу, это тоже реакции замещения, хотя с точки зрения неорганической химии процесс выглядит как реакция обмена.
При реакциях замещения обычно простое вещество взаимодействует со сложным, образуя другое простое вещество и другое сложное А + ВС = АВ + С
Например, опустив стальной гвоздь в раствор медного купороса получаем железный купорос (железо вытеснило медь из её соли) Fe+CuSO 4 = FeSO 4 +Cu.
Эти реакции в подавляющем большинстве принадлежат к окислительно-восстановительным
2Аl + Fe2O3 = 2Fе + Аl2О3,
Zn + 2НСl = ZnСl2 + Н2,
2КВr + Сl2 = 2КСl + Вr2,
2КСlO3 + l2 = 2KlO3 + Сl2.
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
СаСО3+ SiO2 = СаSiO3 + СО2,
Са3(РО4)2 + ЗSiO2 = ЗСаSiO3 + Р2О5.
Иногда эти реакции рассматривают как реакции обмена
СН4 + Сl2 = СН3Сl + НСl.
4. Реакции обмена (в том числе и нейтрализации). Реакциями обмена называют реакции между двумя соединениями, которые обмениваются между собой своими составными частями
АВ + СD = АD + СВ
Большое их число протекает в водных растворах. Примером химической реакции обмена может служить нейтрализация кислоты щёлочью
NaOH+HCl=NaCl+Н 2 О.
Здесь в реагентах (веществах, стоящих слева) ион водорода из соединения HCl обменивается с ионом натрия из соединения NaOH, в результате чего образуется раствор поваренной соли в воде.
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 + Н2SО4 = ZnSО4 + Н2О,
AgNО3 + КВr = АgВr + КNО3,
СrСl3 + ЗNаОН = Сr(ОН)3 + ЗNаСl.
Частный случай этих реакций обмена - реакции нейтрализации
НСl + КОН = КСl + Н2О.
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
NаНСО3 + НСl = NаСl + Н2О + СО2^,
Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3v + 2Н2О,
СН3СООNа + Н3РО4 = СН3СООН + NаН2РО4.
Однако очень многие реакции не укладываются в приведённую простую схему. Например, химическая реакция между перманганатом калия (марганцовкой) и иодидом натрия не может быть отнесена ни к одному из указанных типов. Такие реакции, обычно, называют окислительно- восстановительные, например
2KMnO 4 +10NaI+8H2SO4 =2MnSO4 +K2SO4 +5Na2SO4 +5I2 +8H2O .
К окислительно-восстановительным в неорганической химии относятся все реакции замещения и те реакции разложения и соединения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество. В более обобщенном варианте (уже с учетом и органической химии), все реакции с участием простых веществ. И, наоборот, к реакциям, идущим без изменения степеней окисления элементов, образующих реагенты и продукты реакции, относятся все реакции обмена.
2. Классификация реакций по фазовым признакам
В зависимости от агрегатного состояния реагирующих веществ различают следующие реакции:
1. Газовые реакции:
2. Реакции в растворах:
NaОН(р-р) + НСl(p-p) = NaСl(p-p) + Н2О(ж).
3. Реакции между твердыми веществами:
СаО(тв) +SiO2(тв) = СаSiO3(тв).
Химической реакцией называют процесс превращения веществ, во время которого наблюдается изменение их строения или состава. В результате такого процесса происходит переход исходных веществ, или реагентов, в конечные продукты. На сегодняшний день сформирована весьма четкая классификация химических реакций.
Описание реакций с помощью уравнений. Признаки химических реакций
Существует несколько классификаций, в каждой из которых во внимание берется один или несколько признаков. Например, химические реакции можно разделять, обращая внимание на:
- количество и состав реагентов и конечных продуктов;
- агрегатное состояние исходных и конечных веществ (газ, жидкость, твердая форма);
- количество фаз;
- природу частиц, которые переносятся во время реакции (ион, электрон);
- тепловой эффект;
- возможность протекания реакции в обратном направлении.
Стоит отметить, что химические реакции принято записывать с помощью формул и уравнений. При этом левая часть уравнения описывает состав реагентов и характер их взаимодействия, а в правой части можно увидеть конечные продукты. Еще один очень важный момент - количество атомов каждого элемента в правой и левой части должно быть равным. Только так соблюдается
Как уже упоминалось, существует множество классификаций. Здесь будут рассмотрены наиболее часто используемые.
Классификация химических реакций по составу, количеству исходных и конечных продуктов
В них вступает несколько веществ, которые объединяются, образуя более сложное вещество. В большинстве случаев такая реакция сопровождается выделением тепла.
Исходным реагентом служит сложное соединение, которое в процессе распада образует несколько более простых веществ. Такие реакции могут быть как окислительно-восстановительными, так и происходить без изменения валентности.
Реакции замещения - представляют собой взаимодействие между сложным и простым веществом. В процессе происходит замещение какого-либо атома сложного вещества. Схематически реакцию можно отобразить следующим образом:
А + ВС = АВ + С
Реакции обмена - это процесс, во время которого два исходных реагента обмениваются между собой составляющими частями. Например:
АВ + СД = АД + СВ
Реакции переноса - характеризируются переносом атома или группы атомов от одного вещества к другому.
Классификация химических реакций: обратимые и необратимые процессы
Еще одна важная характеристика реакций - это возможность обратного процесса.
Итак, обратимыми называют такие реакции, продукты которых могут взаимодействовать друг с другом, образуя те же исходные вещества. Как правило, в уравнении обязательно должна отображаться эта черта. В это случае между левой и правой частью уравнения ставят две противоположно направленные стрелки.
При необратимой химической реакции продукты ее не способны реагировать друг с другом - по крайне мере, при нормальных условиях.
Классификация химических реакций по тепловому эффекту
Термохимические реакции разделяют на две основные группы:
- экзотермические процессы, во время которых наблюдается выделение тепла (энергии);
- эндотермические процессы, для которых необходимо поглощение энергии извне.
Классификация химических реакций по количеству фаз и фазовым признакам
Как уже упоминалось, веществ также имеет огромное значение для полной характеристики химической реакции. По этим признакам принято выделять:
- газовые реакции;
- реакции в растворах;
- химические процессы между
Но исходные и конечные продукты не всегда относятся к какому-либо одному агрегатному состоянию. Поэтому реакции классифицируют и исходя из количества фаз:
- однофазные, или гомогенные реакции - это процессы, продукты которых находятся в одном и том же состоянии (в большинстве случаев такая реакция протекает либо в газовой фазе, либо в растворе);
- (многофазные) - реагенты и конечные продукты могут находиться в разных агрегатных состояниях.
