К каким классам веществ относятся реагенты и продукты их реакции
Темы кодификатора ЕГЭ: Классификация химических реакций в органической и неорганической химии.
Химические реакции — это такой вид взаимодействия частиц, когда из одних химических веществ получаются другие, отличающиеся от них по свойствам и строению. Вещества, которые вступают в реакцию — реагенты. Вещества, которые образуются в ходе химической реакции — продукты.
В ходе химической реакции разрушаются химические связи, и образуются новые.
В ходе химических реакций не меняются атомы, участвующие в реакции. Меняется только порядок соединения атомов в молекулах. Таким образов, число атомов одного и того же вещества в ходе химической реакции не меняется.
Химические реакции классифицируют по разным признакам. Рассмотрим основные виды классификации химических реакций.
Классификация по числу и составу реагирующих веществ
По составу и числу реагирующих веществ разделяют реакции, протекающие без изменения состава веществ, и реакции, протекающие с изменением состава веществ:
1. Реакции, протекающие без изменения состава веществ (A → B)
К таким реакциям в неорганической химии можно отнести аллотропные переходы простых веществ из одной модификации в другую:
Sромбическая → Sмоноклинная.
В органической химии к таким реакциям относятся реакции изомериза-ции, когда из одного изомера под действием катализатора и внешних факторов получается другой (как правило, структурный изомер).
Например, изомеризация бутана в 2-метилпропан (изобутан):
CH3-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH(CH3)-CH3.
2. Реакции, протекающие с изменением состава
- Реакции соединения (A + B + … → D) — это такие реакции, в которых из двух и более веществ образуется одно новое сложное вещество. В неорганической химии к реакция соединения относятся реакции горения простых веществ, взаимодействие основных оксидов с кислотными и др. В органической химии такие реакции называются реакциями присоединения. Реакции присоединения — это такие реакции, в ходе которых к рассматриваемой органической молекуле присоединяется другая молекула. К реакциям присоединения относятся реакции гидрирования (взаимодействие с водородом), гидратации (присоединение воды), гидрогалогенирования (присоединение галогеноводорода), полимеризация (присоединение молекул друг к другу с образованием длинной цепочки) и др.
Например, гидратация :
CH2=CH2 + H2O → CH3-CH2-OH
- Реакции разложения (A → B + C + …) — это такие реакции, в ходе которых из одной сложной молекулы образуется несколько менее сложных или простых веществ. При этом могут образовываться как простые, так и сложные вещества.
Например, при разложении пероксида водорода:
2H2O2 → 2H2O + O2.
В органической химии разделяют собственно реакции разложения и реакции отщепления. Реакции отщепления (элиминирования) — это такие реакции, в ходе которых происходит отрыв атомов или атомных групп от исходной молекулы при сохранении ее углеродного скелета.
Например, реакция отщепления водорода (дегидрирование) от пропана:
C3H8 → C3H6 + H2
Как правило, в названии таких реакций есть приставка «де». Реакции разложения в органической химии происходят, как правило, с разрывом углеродной цепи.
Например, реакция крекинга бутана (расщепление на более простые молекулы при нагревании или под действием катализатора):
C4H10 → C2H4 + C2H6
- Реакции замещения — это такие реакции, в ходе которых атомы или группы атомов одного вещества замещаются на атомы или группы атомов другого вещества. В неорганической химии эти реакции происходят по схеме:
AB + C = AC + B.
Например, более активные галогены вытесняют менее активные из соединений. Взаимодействие йодида калия с хлором:
2KI + Cl2 → 2KCl + I2.
Замещаться могут как отдельные атомы, так и молекулы.
Например, при сплавлении менее летучие оксиды вытесняют более летучие из солей. Так, нелетучий оксид кремния вытесняет оксид углерода из карбоната натрия при сплавлении:
Na2CO3 + SiO2 → Na2SiO3 + CO2
В органической химии реакции замещения — это такие реакции, в ходе которых часть органической молекулы замещается на другие частицы. При этом замещенная частица, как правило, соединяется с частью молекулы-заместителя.
Например, реакция хлорирования метана:
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
По числу частиц и составу продуктов взаимодействия эта реакция больше похожа на реакцию обмена. Тем не менее, по механизму такая реакция является реакцией замещения.
- Реакции обмена — это такие реакции, в ходе которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями:
AB + CD = AC + BD
К реакциям обмена относятся реакции ионного обмена, протекающие в растворах; реакции, иллюстрирующие кислотно-основные свойства веществ и другие.
Пример реакции обмена в неорганической химии — нейтрализация соляной кислоты щелочью:
NaOH + HCl = NaCl + H2O
Пример реакции обмена в органической химии — щелочной гидролиз хлорэтана:
CH3-CH2-Cl + KOH = CH3-CH2-OH + KCl
Классификация химических реакций по изменению степени окисления элементов, образующих вещества
По изменению степени окисления элементов химические реакции делят на окислительно-восстановительные реакции, и реакции, идущие без изменения степеней окисления химических элементов.
- Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) — это реакции, в ходе которых степени окисления веществ изменяются. При этом происходит обмен электронами.
В неорганической химии к таким реакциям относятся, как правило, реакции разложения, замещения, соединения, и все реакции, идущие с участием простых веществ. Для уравнивания ОВР используют метод электронного баланса (количество отданных электронов должно быть равно количеству полученных) или метод электронно-ионного баланса.
В органической химии разделяют реакции окисления и восстановления, в зависимости от того, что происходит с органической молекулой.
Реакции окисления в органической химии — это реакции, в ходе которых уменьшается число атомов водорода или увеличивается число атомов кислорода в исходной органической молекуле.
Например, окисление этанола под действием оксида меди:
CH3-CH2-OH + CuO → CH3-CH=O + H2O + Cu
Реакции восстановления в органической химии — это реакции, в ходе которых увеличивается число атомов водорода или уменьшается число атомов кислорода в органической молекуле.
Например, восстановление уксусного альдегида водородом:
CH3-CH=O + H2 → CH3-CH2-OH
- Протолитические реакции и реакции обмена — это такие реакции, в ходе которые степени окисления атомов не изменяются.
Например, нейтрализация едкого натра азотной кислотой:
NaOH + HNO3 = H2O + NaNO3
Классификация реакций по тепловому эффекту
По тепловому эффекту реакции разделяют на экзотермические и эндотермические.
Экзотермические реакции — это реакции, сопровождающиеся выделением энергии в форме теплоты (+Q). К таким реакциям относятся почти все реакции соединения.
Исключения — реакция азота с кислородом с образованием оксида азота (II) — эндотермическая:
N2 + O2 = 2NO – Q
Реакция газообразного водорода с твердым йодом также эндотермическая:
H2 + I2 = 2HI – Q
Экзотермические реакции, в ходе которых выделяется свет, называют реакциями горения.
Например, горение метана:
CH4 + O2 = CO2 + H2O
Также экзотермическими являются:
- реакции щелочных металлов с водой;
- реакции, сопровождающиеся взрывом;
- разложение дихромата аммония («вулканчик»);
- образование аммиака: N2 + 3H2 = 2NH3;
- реакции нейтрализации;
- синтез метанола;
- алюмотермия;
- реакции, в которых из менее стабильных веществ образуются более стабильные;
- в органической химии — реакции присоединения, реакции горения, окисления и др.
Эндотермические реакции — это реакции, сопровождающиеся поглощением энергии в форме теплоты (— Q). Как правило, с поглощением теплоты идет большинство реакций разложения (реакции, требующие длительного нагревания).
Например, разложение известняка:
CaCO3 → CaO + CO2 – Q
Также эндотермическими являются:
- реакции гидролиза;
- реакции, идущие только при нагревании;
- реакции, протекающие только при очень высоких температурах или под действием электрического разряда.
Например, превращение кислорода в озон:
3O2 = 2O3 — Q
В органической химии с поглощением теплоты идут реакции разложения. Например, крекинг пентана:
C5H12 → C3H6 + C2H6 – Q.
Классификация химических реакций по агрегатному состоянию реагирующих веществ (по фазовому составу)
Вещества могут существовать в трех основных агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном. По фазовому состоянию разделяют реакции гомогенные и гетерогенные.
- Гомогенные реакции — это такие реакции, в которых реагирующие вещества и продукты находятся в одной фазе, и столкновение реагирующих частиц происходит во всем объеме реакционной смеси. К гомогенным реакциям относят взаимодействия жидкость-жидкость и газ-газ.
Например, окисление сернистого газа:
2SO2(г) + O2(г) = 2SO3(г)
- Гетерогенные реакции — это реакции, в которых реагирующие вещества и продукты находятся в разных фазах. При этом столкновение реагирующих частиц происходит только на границе соприкосновения фаз. К таким реакциям относятся взаимодействия газ-жидкость, газ-твердая фаза, твердая-твердая, и твердая фаза — жидкость.
Например, взаимодействие углекислого газа и гидроксида кальция:
CO2(г) + Ca(OH)2(р-р) = CaCO3(тв) + H2O
Для классификации реакций по фазовому состоянию полезно уметь определять фазовые состояния веществ. Это достаточно легко сделать, используя знания о строении вещества, в частности, о типах кристаллической решетки.
Вещества с ионной, атомной или металлической кристаллической решеткой, как правило твердые при обычных условиях; вещества с молекулярной решеткой, как правило, жидкости или газы при обычных условиях.
Обратите внимание, что при нагревании или охлаждении вещества могут переходить из одного фазового состояния в другое. В таком случае необходимо ориентироваться на условия проведения конкретной реакции и физические свойства вещества.
Например, получение синтез-газа происходит при очень высоких температурах, при которых вода — пар:
CH4(г) + H2O(г) = CO(г) + 3H2(г)
Таким образом, паровая конверсия метана — гомогенная реакция.
Классификация химических реакций по участию катализатора
Катализатор — это такое вещество, которое ускоряет реакцию, но не входит в состав продуктов реакции. Катализатор участвует в реакции, но практичсеки не расходуется в ходе реакции. Условно схему действия катализатора К при взаимодействии веществ A + B можно изобразить так: A + K = AK; AK + B = AB + K.
В зависимости от наличия катализатора различают каталитические и некаталитические реакции.
- Каталитические реакции — это реакции, которые идут с участием катализаторов. Например, разложение бертолетовой соли: 2KClO3 → 2KCl + 3O2.
- Некаталитические реакции — это реакции, которые идут без участия катализатора. Например, горение этана: 2C2H6 + 5O2 = 2CO2 + 6H2O.
Все реакции, протекающие с участием в клетках живых организмов, протекают с участием особых белковых катализаторов — ферментов. Такие реакции называют ферментативными.
Более подробно механизм действия и функции катализаторов рассматриваются в отдельной статье.
Классификация реакций по способности протекать в обратном направлении
Обратимые реакции — это реакции, которые могут протекать и в прямом, и в и обратном направлении, т.е. когда при данных условиях продукты реакции могут взаимодействовать друг с другом. К обратимым реакциям относятся большинство гомогенных реакций, этерификация; реакции гидролиза; гидрирование-дегидрирование, гидратация-дегидратация; получение аммиака из простых веществ, окисление сернистого газа, получение галогеноводородов (кроме фтороводорода) и сероводорода; синтез метанола; получение и разложение карбонатов и гидрокарбонатов, и т.д.
Необратимые реакции — это реакции, которые протекают преимущественно в одном направлении, т.е. продукты реакции не могут взаимодействовать друг с другом при данных условиях. Примеры необратимых реакций: горение; реакции, идущие со взрывом; реакции, идущие с образованием газа, осадка или воды в растворах; растворение щелочных металлов в воде; и др.
Хими́ческая реа́кция — превращение одного или нескольких исходных веществ (реагентов) в другие вещества, при котором ядра атомов не меняются, при этом происходит перераспределение электронов и ядер, и образуются новые химические вещества. В отличие от ядерных реакций, при химических реакциях не изменяется общее число ядер атомов и изотопный состав химических элементов.
Химические реакции происходят при смешении или физическом контакте реагентов самопроизвольно, при нагревании, участии катализаторов (катализ), действии света (фотохимические реакции), электрического тока (электродные процессы), ионизирующих излучений (радиационно-химические реакции), механического воздействия (механохимические реакции), в низкотемпературной плазме (плазмохимические реакции) и т. п. Взаимодействие молекул между собой происходит по цепному маршруту: ассоциация — электронная изомеризация — диссоциация, в котором активными частицами являются радикалы, ионы, координационно-ненасыщенные соединения. Скорость химической реакции определяется концентрацией активных частиц и разницей между энергиями связи разрываемой и образуемой.
Химические процессы, протекающие в веществе, отличаются и от физических процессов, и от ядерных превращений. В физических процессах каждое из участвующих веществ сохраняет неизменным свой состав (хотя вещества могут образовывать смеси), но могут изменять внешнюю форму или агрегатное состояние.
В химических процессах (химических реакциях) получаются новые вещества с отличными от реагентов свойствами, но никогда не образуются атомы новых элементов, так как ядра остаются прежними, а все изменения происходят в электронной оболочке.
В ядерных реакциях происходят изменения в атомных ядрах всех участвующих элементов, что приводит к образованию атомов новых элементов.
Классификация[править | править код]
Существует большое количество признаков, по которым можно классифицировать химические реакции.
По наличию границы раздела фаз[править | править код]
Химическая реакция, протекающая в пределах одной фазы, называется гомогенной химической реакцией. Химическая реакция, протекающая на границе раздела фаз, называется гетерогенной химической реакцией. В многостадийной химической реакции некоторые стадии могут быть гомогенными, а другие — гетерогенными. Такие реакции называются гомогенно-гетерогенными[1].
В зависимости от числа фаз, которые образуют исходные вещества и продукты реакции, химические процессы могут быть гомофазными (исходные вещества и продукты находятся в пределах одной фазы) и гетерофазными (исходные вещества и продукты образуют несколько фаз). Гомо- и гетерофазность реакции не связана с тем, является ли реакция гомо- или гетерогенной[2]. Поэтому можно выделить четыре типа процессов:
- Гомогенные реакции (гомофазные). В реакциях такого типа реакционная смесь является гомогенной, а реагенты и продукты принадлежат одной и той же фазе. Примером таких реакций могут служить реакции ионного обмена, например, нейтрализация раствора кислоты раствором щёлочи:
- Гетерогенные гомофазные реакции. Компоненты находятся в пределах одной фазы, однако реакция протекает на границе раздела фаз, например, на поверхности катализатора. Примером может быть гидрирование этилена на никелевом катализаторе:
- Гомогенные гетерофазные реакции. Реагенты и продукты в такой реакции существуют в пределах нескольких фаз, однако реакция протекает в одной фазе. Так может проходить окисление углеводородов в жидкой фазе газообразным кислородом.
- Гетерогенные гетерофазные реакции. В этом случае реагенты находятся в разном фазовом состоянии, продукты реакции также могут находиться в любом фазовом состоянии. Реакционный процесс протекает на границе раздела фаз. Примером может служить реакция солей угольной кислоты (карбонатов) с кислотами Бренстеда:
По изменению степеней окисления реагентов[править | править код]
- Если в процессе реакции происходит изменение степеней окисления реагентов, то такие реакции называются окислительно-восстановительными реакциями: атомы одного элемента (окислителя) восстанавливаются, то есть присоединяют электроны и понижают свою степень окисления, а атомы другого элемента (восстановителя) окисляются, то есть отдают электроны и повышают свою степень окисления. Частным случаем окислительно-восстановительных реакций являются реакции конпропорционирования, в которых окислителем и восстановителем являются атомы одного и того же элемента, находящиеся в разных степенях окисления.
Пример окислительно-восстановительной реакции — горение водорода (восстановитель) в кислороде (окислитель) с образованием воды:
Пример реакции конпропорционирования — реакция разложения нитрата аммония при нагревании. Окислителем в данном случае выступает азот (+5) нитрогруппы, а восстановителем — азот (-3) катиона аммония:
- Не относятся к окислительно-восстановительным реакции, в которых не происходит изменения степеней окисления атомов, например:
По тепловому эффекту реакции[править | править код]
Все химические реакции сопровождаются выделением или поглощением энергии. При разрыве химических связей в реагентах выделяется энергия, которая в основном идёт на образование новых химических связей. В некоторых реакциях энергии этих процессов близки, и в таком случае общий тепловой эффект реакции приближается к нулю.
В остальных случаях можно выделить:
- экзотермические реакции, которые идут с выделением тепла, (положительный тепловой эффект) например, указанное выше горение водорода
- эндотермические реакции в ходе которых тепло поглощается (отрицательный тепловой эффект) из окружающей среды.
Тепловой эффект реакции (энтальпию реакции, ΔrH), часто имеющий очень важное значение, можно вычислить по закону Гесса, если известны энтальпии образования реагентов и продуктов. Когда сумма энтальпий продуктов меньше суммы энтальпий реагентов (ΔrH < 0) наблюдается выделение тепла, в противном случае (ΔrH > 0) — поглощение.
По типу превращений реагирующих частиц[править | править код]
Химические реакции всегда сопровождаются физическими эффектами: поглощением или выделением энергии, изменением окраски реакционной смеси и др. Именно по этим физическим эффектам часто судят о протекании химических реакций.
- Реакция соединения — химическая реакция, в результате которой из двух или большего числа исходных веществ образуется только одно новое. В такие реакции могут вступать как простые, так и сложные вещества.
Пример:
- Реакция разложения — химическая реакция, в результате которой из одного вещества образуется несколько новых веществ. В реакции данного типа вступают только сложные соединения, а их продуктами могут быть как сложные, так и простые вещества.
Пример:
- Реакция замещения — химическая реакция, в результате которой атомы одного элемента, входящие в состав простого вещества, замещают атомы другого элемента в его сложном соединении. Как следует из определения, в таких реакциях одно из исходных веществ должно быть простым, а другое сложным.
Пример:
- Реакции обмена — реакция, в результате которой два сложных вещества обмениваются своими составными частями. К таким реакциям относится в том числе реакция нейтрализации.
Пример:
По направлению протекания[править | править код]
- Необратимыми называют химические реакции, протекающие лишь в одном направлении («слева направо»), в результате чего исходные вещества превращаются в продукты реакции. О таких химических процессах говорят, что они протекают «до конца». К ним относят реакции горения, а также реакции, сопровождающиеся образованием малорастворимых или газообразных веществ
- Обратимыми называются химические реакции, протекающие одновременно в двух противоположных направлениях («слева направо» и «справа налево»). В уравнениях таких реакций знак равенства заменяется двумя противоположно направленными стрелками. Среди двух одновременно протекающих реакций различают прямую (протекает «слева направо») и обратную (протекает «справа налево»). Поскольку в ходе обратимой реакции исходные вещества одновременно и расходуются, и образуются, они не полностью превращаются в продукты реакции. Поэтому об обратимых реакциях говорят, что они протекают «не до конца». В результате всегда образуется смесь исходных веществ и продуктов взаимодействия.
По признаку участия катализаторов[править | править код]
- Каталитическими называют реакции, протекающие в присутствии катализаторов. В уравнениях таких реакций химическую формулу катализатора указывают над знаком равенства или обратимости, иногда вместе с обозначением условий протекания (температура t, давление p). К реакциям данного типа относятся многие реакции разложения и соединения.
- Некаталитическими называются многие реакции, протекающие в отсутствие катализаторов. Это, например, реакции обмена и замещения.
По критерию самопроизвольности[править | править код]
Самопроизвольность показывает на способность протекания химических реакций как при нормальных условиях (T = 298 K, P = 101325 Па или 1 атм), так и при различных значениях температуры и давления. Критерием самопроизвольности протекания химических реакций служит свободная энергия Гиббса ΔG. Энергия Гиббса представляет собой разность двух разнонаправленных термодинамических критериев — энтальпийного ΔH (который стремится к уменьшению энтальпии) и энтропийного — TΔS (который стремится к увеличению энтропии):
Исходя из данного критерия, химические реакции делятся на:
- Самопроизвольные или экзергонические, когда величина энергии Гиббса отрицательна, то есть ΔG < 0
- Несамопроизвольные или эндергонические, когда величина энергии Гиббса положительна, то есть ΔG > 0
- Равновесные, когда величина энергии Гиббса равна нулю, то есть ΔG = 0
Применение[править | править код]
С помощью химических реакций можно получать практически любые вещества, которые в природе находятся в ограниченных количествах, например, азотные удобрения, либо вообще не встречаются по каким-либо причинам, например сульфаниламиды и другие синтетические лекарственные препараты, полиэтилен и другие пластмассы. Химия позволяет синтезировать новые, неизвестные природе вещества, необходимые для жизнедеятельности человека. Вместе с тем, неумелое или безответственное химическое воздействие на окружающую среду и на протекающие природные процессы может привести к нарушению установившихся естественных химических циклов, что делает актуальной экологическую проблему (загрязнение окружающей среды) и усложняет задачу рационального использования природных ресурсов и сохранения естественной среды обитания на Земле.
См. также[править | править код]
- Химическая кинетика
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Эмануэль Н. М., Кнорре Д. Г. Курс химической кинетики. — 4-е изд., переработанное и дополненное. — М.: Высшая школа, 1984. — 463 с.
- Химия: Справ. изд./ В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.: Пер. с нем. — М.: Химия, 1989.
- Басоло Ф., Пирсон Р. Механизмы неорганических реакций. — М.: Мир, 1971. — 591 с.
- Воронин А. И., Ошеров В. И., Динамика молекулярных реакций. М.: Наука, 1990. — 421с.
- Воробьев А. Х., Лекции по теории элементарного акта химических реакций в конденсированной фазе. МГУ, 2000.
- Ганкин В. Ю., Ганкин Ю. В., Как образуется химическая связь и протекают химические реакции. М.: Граница, 2007.-319 с.
- Никитин Е. Е., Теория элементарных атомно-молекулярных процессов в газах. М., Химия, 1970.
- Салем Л. Электроны в химических реакциях. М.: Мир, 1985. 299 c.
- Тоуб М. Механизмы неорганических реакций. — М.: Мир, 1975. — 275 с.
- Глесстон С., Лейдлер К., Эйринг Г. Теория абсолютных скоростей реакций. М.: ГИИЛ, 1948. — 584 с.
- Уманский С. Я. Теория элементарных химических реакций. Интеллект, 2009. — 408с.
- Степанов Н. Ф. «Сложный мир элементарных актов химических реакций» (недоступная ссылка) Соросовский образовательный журнал, 1996, № 11, с. 30-36.
- Степанов Н. Ф. «Потенциальные поверхности и химические реакции» (недоступная ссылка) Соросовский образовательный журнал, 1996, № 10, с. 33-41.
Ссылки[править | править код]
- [www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3845.html Химические реакции]- Химическая энциклопедия
Некоторые внешние ссылки в этой статье ведут на сайты, занесённые в спам-лист. Эти сайты могут нарушать авторские права, быть признаны неавторитетными источниками или по другим причинам быть запрещены в Википедии. Редакторам следует заменить такие ссылки ссылками на соответствующие правилам сайты или библиографическими ссылками на печатные источники либо удалить их (возможно, вместе с подтверждаемым ими содержимым). Список проблемных ссылок
|