Феноменологические классификации

Химические реакции и их классификация. Типы разрыва химических

Связей

В общем виде уравнение химической реакции можно запи­сать следующим образом:

а₁А₁+a₂А₂+ а₃А₃ + ...=b₁B₁+ b₂В₂+b₃В₃ +...

Здесь А₁, А₂, А₃, и т.д. называются реагентами (или исходными веществами); В₁, В₂, В₃ и т.д. — продуктами (или конечными веществами), а целые числа а₁, а₂, а₃, b_1; b₂, b₃и т.д. — стехиометрическими коэффициентами.

Химические реакции классифицируются различными Спосо­бами. При этом классификации делятся на феноменологические, когда за основу берется некий наблюдаемый параметр, и по меха­низму реакции.

Феноменологические классификации

1) По виду взаимодействия.

реакции разложения 2H₂O₂= 2H₂O+O₂

реакции соединения H₂+I₂=2HI

реакции замещения Fe+CuCl₂ = FeCl₂+Cu

реакции двойного обмена Na₂SO₄+BaCl₂=BaSO₄+2NaCl

При этом нужно иметь в виду, что многие сложные реакции представляют собой совокупность нескольких одновременно про­текающих реакций указанных типов. Так, в реакции

2FeCl₃+3Na₂S=2FeS¯+ S¯+6NaCl совмещены реакции двойного обмена и разложения.

2) По изменению степеней окисления участвующих в реакции элементов.

Окислительно-восстановительные реакции — те, в которых меняется степень окисления хотя бы одного элемента

2Hg⁺²O^-2=2Hg⁰ + О⁰₂

N^-3H₄N⁺³O₂=N⁰₂+2Н₂O

Реакции, идущие без изменения степеней окисления HgO+2НСl=HgCl₂+Н₂О

3) По полноте протекания процесса.

Необратимые реакции идут практически только в одном на­правлении, и реагенты полностью превращаются в продукты

2Н₂О₂ = 2Н₂О + О₂

Слово практически выделено потому, что истинно необрати­мых реакций не существует. Мы называем реакцию необрати­мой, если имеющимися методами не можем заметить обратной реакции.

Обратимые реакции (см. также §14) идут одновременно и в прямом, и в обратном направлении, и реагенты не превраща­ются полностью в продукты

N₂+3H₂«2NH₃

Для обозначения разницы между обратимыми и необратимы­ми реакциями в уравнениях используются разные знаки: «=» для необратимых и ««» для обратимых.

4) По тепловому эффекту.

Экзотермические реакции — протекающие с выделением энер­гии (теплоты)

Р₂О₅+3Н₂О = 2Н₃РO₄+Q

Эндотермические реакции — протекающие с поглощением энергии (теплоты)

N₂+О₂=2NO-Q

Химические уравнения, в которых указан знак и величина теплового эффекта реакции, называются термохимическими. Вопросы, связанные с тепловыми эффектами химических ре­акций, подробно рассмотрены в §11.

В классификации по механизму главную роль играет рас­смотрение реальных процессов на молекулярном уровне. Особен­но важно такое рассмотрение для понимания органической химии.

В ходе химической реакции разрываются одни связи и образу­ются другие. При этом разрыв связи может происходить разным способом и вести к разным результатам. Таким образом, выделя­ются две большие группы реакций — радикальные и ионные.

Радикальные реакции идут с таким разрывом ковалентной связи, при котором из двух электронов, образовывавших связь, один остается у одного фрагмента молекулы, а другой — у другого:

Соответственно, оба фрагмента при этом электронейтральны и имеют неспаренный электрон. Такие частицы называются свобод­ными радикалами, а процесс их образования из стабильной моле­кулы — гемолитическим разрывом связи (гомо — одинаковый).

Ионные реакции сопровождаются таким разрывом ковалент­ной связи, при котором оба электрона бывшей связи остаются у одного из фрагментов.

Такого рода процесс называется гетеролитическим разры­вом связи (гетеро — разный). Получающиеся при этом частицы заряжены (а стало быть, являются ионами) и называются нуклеофилом и электрофилом.

Нуклеофил (нуклеофильная частица) — это частица, имею­щая неподеленную пару электронов. Эта пара электронов может быть использована для образования новой ковалентной связи. Необходимо подчеркнуть, что нуклеофил не обязательно являет­ся отрицательным ионом. Так, молекула аммиака (или какого-либо амина) имеет при атоме азота неподеленную электронную пару и является нуклеофилом, будучи электронейтральной.

Электрофил (электрофильная частица) — это частица, имею­щая вакантную электронную орбиталь на валентном уровне. При взаимодействии с какой-либо частицей, имеющей пару электро­нов, электрофил может принять эту пару на свою свободную орби­таль и за счет этого образовать новую связь. Так же как и в случае нуклеофила, электрофил может быть электронейтральной моле­кулой (например, ВН₃).

Разумеется, к органическим реакциям приложима и феномено­логическая классификация (так же как к неорганическим — по механизму реакции). Наиболее часто используется классификация по структурному признаку, когда изменения рассматриваются отно­сительно атома (или атомов) углерода, участвующих в реакции. При этом наиболее часто встречаются следующие типы превращений:

присоединение: RCH=CH₂+XY®RCHX—CH₂Y,

замещение: RCH₂X+Y®RCH₂Y+X,

отщепление (элиминирование): RCHX—CH₂Y ®RCH=CH₂+XY,

полимеризация: n(CH₂=CH₂)®C—CH₂—CH₂—)_n.

В соответствии с вышесказанным, хлорирование метана под действием света классифицируют как радикальное замещение, присоединение галогенов к алкенам — как электрофильное при­соединение, а гидролиз алкилгалогенидов — как нуклеофильное замещение. Таким образом, органические реакции можно клас­сифицировать по механизму разрыва связей (ковалентных) в реа­гирующих молекулах. В зависимости от двух способов ее разрыва и строится данная классификация.