Классификация химических реакций

Химическая реакция — это превращение одних веществ (реагентов) в другие, отличающиеся по химическому составу или строению (продукты реакции).

ПРИЗНАКИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Химическое превращение от физического всегда можно отличить по наличию одного или нескольких признаков:

· изменение цвета;

· выпадение осадка;

· выделение газа;

· образование слабодиссоциированных веществ (например, воды);

· выделение энергии (тепловой или световой).

ТИПЫ КЛАССИФИКАЦИЙ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Существует несколько подходов к классификации химических реакций, основные из них представлены на схеме ниже.

Рассмотрим их подробнее.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ЧИСЛУ И СОСТАВУ РЕАГИРУЮЩИХ И ОБРАЗУЮЩИХСЯ ВЕЩЕСТВ

Например:

CaO+CO₂=CaCO₃

CaCO₃=CaO+CO₂

Первая реакция является реакцией соединения (иногда говорят присоединения), поскольку из двух веществ получается одно. Во второй реакции, наоборот, из одного вещества получается два и это реакция разложения.

В реакциях замещения простое вещество замещает один из элементов в сложном веществе, в результате чего получается новое просто вещество и новое сложное вещество. Например:

2Al+Fe₂O₃=2Fe+Al₂O₃

В реакциях обмена два сложных вещества обмениваются своими составными частями и образуется два новых сложных вещества:

2NaOH+H₂SO₄=Na₂SO₄+2H₂O

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ИЗМЕНЕНИЮ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) — реакции, протекающие с изменением степеней окисления элемента(ов).

В любой окислительно-восстановительной реакции (ОВР) всегда должен быть как минимум один элемент, повышающий степень окисления (восстановитель), и другой — понижающий степень окисления (окислитель).

Если элемент-окислитель и элемент-восстановитель входят в состав разных молекул, то такая ОВР называется межмолекулярной.

Если же эти элементы входят в состав одной молекулы, такие реакции называются внутримолекулярными ОВР.

Например:

6KOH(конц.)+3Cl₂=KClO₃+5KCl+3H₂O

Cl⁰₂+1⋅2e¯→2Cl⁻ | 5 окислитель, процесс восстановление

Cl⁰₂−5⋅2e¯→2Cl⁺⁵ | 1 восстановитель, процесс окисление

В этой реакции хлор простое вещество одновременно и окислился (до KClO₃) и восстановился (до KCl). Такие реакции называются реакциями диспропорционирования.

Окислительно-восстановительные реакции, в которых один и тот же элемент одновременно и повышает, и понижает степень окисления, называются реакции диспропорционирования.

Противоположны этим реакциям реакции - реакции конпропорционирования:

SO₂+2H₂S=S+2H₂O

S⁺⁴+4e¯→S⁰ | 1 окислитель, процесс восстановление

S⁻²−2e¯→S⁰ | 2 восстановитель, процесс окисление

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Окислительно-восстановительные реакции, в которых один и тот же элемент одновременно и окисляется, и восстанавливается до одной степени окисления, называются реакции конпропорционирования.

Более подробно тема ОВР рассмотрена в темах "ОВР в органической химии" . "Окислительно-восстановительные реакции"

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ТЕПЛОВОМУ ЭФФЕКТУ

Тепловой эффект реакции — ΔH — теплота, поглощаемая или выделяемая системой в ходе химической реакции.

Вспомним, что любая химическая реакция протекает с разрывом старых химических связей и образованием новых. При этом изменяется электронное состояние атомов, их взаиморасположение, а потому и внутренняя энергия продуктов реакции отличается от внутренней энергии реагентов. Как вы знаете, в образовании связи участвуют атомные орбитали. Для молекул с ковалентной связью механизм образования химической связи объясняет метод валентных связей (ВС). Основные принципы метода ВС рассматриваются в теме "Виды, характеристики и механизмы образования химической связи". Наиболее полно особенности образования связывающих и разрыхляющих орбиталей объясняет метод молекулярных орбиталей, как линейной комбинации атомных орбиталей (МОЛКАО), изучающийся в специальном разделе химической термодинамики и в квантовой химии. Рассмотрим два принципиально возможных варианта перераспределения энергии при протекании химической реакции:

1. Е реагентов > Е продуктов. Благодаря "выигрышу" в энергии атомы соединяются и образуют молекулы. Исходя из закона сохранения энергии, в результате такой реакции избыточная энергия выделяется в окружающую среду, чаще всего в виде тепла или света.

2. Е реагентов < Е продуктов. В этом случае для протекания реакции необходима дополнительная энергия, которая может быть получена извне в виде дополнительного нагревания, УФ-облучения или в других формах. При этом температура реагирующей системы должна понижаться за счет поглощения энергии.

Экзотермические реакции — реакции, протекающие с выделением тепла (+Q)

Самые типичные экзотермические реакции — это реакции горения. Иногда энергетический "выигрыш" настолько велик, что происходит выделение и тепловой и световой энергии, что чаще всего принято называть взрывом. Например, горение метана в атмосфере воздуха.

В случае, если на образование новых химических связей требуется энергия большая, чем выделилась при разрыве старых связей, то системе требуется дополнительная подача тепла.

Эндотермические реакции — реакции, протекающие с поглощением тепла (-Q)

Термохимические уравнения — уравнения химических реакций с указанием теплового эффекта реакции.

Подробнее термохимические уравнения будут рассмотрены в соответствующем разделе.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО АГРЕГАТНОМУ СОСТОЯНИЮ РЕАГЕНТОВ

Напомним, что существует четыре агрегатных состояния вещества: газ, жидкость, твердое и плазма (последнее встречается крайне редко).

Реакции, протекающие в одной фазе называются гомогенными, например реакция между двумя растворами или между двумя газами. Реакции, протекающие на границе раздела фаз, называются гетерогенными.

Граница раздела фаз присутствует в системе, образованной, например, жидкостью и твердым телом (металл и кислота), твердым телом и газом (гетерогенный катализ), двумя несмешивающимися жидкостями (масло и вода). Чаще всего химические реакции являются гетерогенными.

Агрегатное состояние вещества обычно обозначается буквами русского алфавита нижним индексом в скобках : (г) — газ, (ж) — жидкость, (т) — твердое.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО НАЛИЧИЮ КАТАЛИЗАТОРА

Катализатор — вещество, которое ускоряет скорость химической реакции, но само при этом не расходуется.

Ингибитор — вещество, замедляющее или предотвращающее протекание химической реакции.

Следует понимать, что катализатор участвует в реакции и претерпевает ряд изменений (каталитический цикл), превращается в промежуточные соединения, которые разрушаются к концу каталитического цикла, превращаясь в исходный катализатор. Поэтому иногда в учебниках встречается формулировка: "катализатор в реакции не расходуется".

Природные катализаторы - ферменты, способны в мягких условиях (например, t тела человека равна 36,6 градуса) способствовать тому, что биохимические процессы в организме протекают с эффективностью, близкой к 100%, в то время, как выход промышленных химических процессов редко составляет более 50%.

Ингибиторы используются в быту и в промышленности для подавления протекания нежелательных процессов: старения полимеров, окисления топлива и смазочных масел, пищевых жиров и др. Например, ортофосфорная кислота замедляет процессы окисления железа (коррозию), поэтому ее используют для предотвращения ржавления. Часто ингибиторы используются в медицине, в лекарственных препаратах, например ингибиторы образования ферментов и др.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО НАПРАВЛЕНИЮ ПРОТЕКАНИЯ РЕАКЦИИ

Реакции, которые при заданных условиях протекают как в прямом, так и в обратном направлении, называют обратимыми.

При записи таких реакций вместо знака равенства используют противоположно направленные стрелки: "↔". В этом случае может наступить состояние равновесия. Это означает, что скорость прямого процесса становится равной скорости обратного процесса. С точки зрения получения конечных продуктов - обратимость реакции является негативным явлением, поэтому часто в промышленных химических процессах приходится смещать химическое равновесие различными способами. Способы смещения химического равнвесия подробно рассматриваются в теме: "Химическое равновесие".

Обратимые реакции очень распространены в химии. К ним относятся диссоциация воды и слабых кислот, гидролиз некоторых солей, реакции водорода с бромом, иодом и азотом, многие промышленно важные реакции, такие как:

2SO₂(г)+O₂(г)=2SO₃(г)

CO(г)+2H₂(г)=CH₃OH(г)

2CH₄(г)=C₂H₂(г)+3H₂(г)

C₂H₄(г)+H₂O(г)=C₂H₅OH(г)

C(тв)+H₂O(г)=CO(г)+H₂(г)

CH₄(г)+H₂O(г)=CO(г)+3H₂(г).