Без изменения состава веществ

Общие понятия о химических реакциях и уравнениях химических реакций

Химические реакции – это процессы, в результате которых из одних веществ образуются другие, отличающиеся от них по составу и (или) строению.

Химические реакции отличаются от ядерных тем, что общее число атомов каждого химического элемента и его изотопный состав не меняется.

Химические реакции записываются посредством химических уравнений и схем, содержащих формулы исходных веществ и продуктов реакции. В химических уравнениях, в отличие от схем, число атомов каждого элемента одинаково в левой и правой частях, что отражает закон сохранения массы.

В левой части уравнения пишутся формулы исходных веществ (реагентов), в правой части — веществ, получаемых в результате протекания химической реакции (продуктов реакции, конечных веществ). Знак равенства, связывающий левую и правую часть, указывает, что общее количество атомов веществ, участвующих в реакции, остается постоянным. Это достигается расстановкой перед формулами целочисленных стехиометрических коэффициентов, показывающих количественные соотношения между реагентами и продуктами реакции.

Химические уравнения могут содержать дополнительные сведения об особенностях протекания реакции. Если химическая реакция протекает под влиянием внешних воздействий (температура, давление, излучение и т.д.), это указывается соответствующим символом, как правило, над (или «под») знаком равенства.

Классификации химических реакций

Классификация химических реакций многопланова (в ее основу могут быть положены различные признаки). Классификации по признакам являются параллельными (независимыми друг от друга).

Классификация химических реакций:

I. по числу и составу реагирующих и образующихся веществ:

II. по изменению степени окисления атомов элементов:

III. по использованию катализатора:

IV. по направлению:

V. по механизму:

VI. по тепловому эффекту:

VII. по виду энергии, инициирующей реакцию:

VIII. по фазовому составу (по агрегатному состоянию реагирующих веществ):

IX. по фазовым признакам

X. по типу переносимых частиц

XI. по названию реагента (по агрегатному состоянию реагирующих веществ):

XII. качественные реакции

XIII. именные реакции

Рассмотрим более подробно каждый из типов реакций.

3. Классификация химических реакций по числу и составу реагирующих и образующихся веществ:

Без изменения состава веществ

а. реакции получения аллотропных модификаций одного химического элемента:

3O₂ (кислород) ↔ 2O₃ (озон)

S (кристаллическая) ↔ S (пластическая)

C (графит) ↔ C (алмаз)

Sn (белое олово) ↔ Sn (серое олово)

б. реакции изомеризации в органической химии

C₄H₈

CH₂=CH−CH₂−CH₃ ↔ CH₃−CH=CH−CH₃

бутен-1 бутен-2

C₅H₁₂

4 3 2 1

CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₃ ↔ CH₃ – CH₂ – CH – CH₃

|

CH₃

пентан 2 метилбутан

2) С изменением состава веществ:

а. Реакции замещения (реакции, в результате которых атомы простого вещества замещают атомы какого-нибудь элемента в сложном веществе):

А + ВС = АВ + С.

Эти реакции в подавляющем большинстве принадлежат к окислительно-восстановительным:

2Аl + Fe₂O₃ = 2Fе + Аl₂О₃,

Zn + 2НСl = ZnСl₂ + Н₂,

2КВr + Сl₂ = 2КСl + Вr₂,

2КСlO₃ + I₂ = 2KIO₃ + 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.

б. Реакции соединения (реакции, при которых из нескольких веществ образуется одно сложное вещество):

A + B + C = D

Как правило, эти реакции сопровождаются выделением тепла, т.е. приводят к образованию более устойчивых и менее богатых энергией соединений.

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.

в. Реакции разложения (реакции, при которых из одного сложного вещества образуется несколько новых веществ):

А = В + С + D.

Продуктами разложения сложного вещества могут быть как простые, так и сложные вещества.

Из реакций разложения, протекающих без изменения валентных состояний, следует отметить разложение кристаллогидратов, оснований, кислот и солей кислородсодержащих кислот:

К реакциям разложения окислительно-восстановительного характера относится разложение оксидов, кислот и солей, образованных элементами в высших степенях окисления:

2AgNO₃ = 2Ag + 2NO₂ + O₂,

(NH₄)2Cr₂O₇ = Cr₂O₃ + N₂ + 4H₂O.

Особенно характерны окислительно-восстановительные реакции разложения для солей азотной кислоты.

Реакции разложения в органической химии носят название крекинга:

С₁₈H₃₈ = С₉H₁₈ + С₉H₂₀,

Или дегидрирования

C₄H₁₀ = C₄H₆ + 2H₂.

г. Реакции обмена (реакции, при которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями). Эти реакции характеризуют свойства электролитов в растворах и протекают по правилу Бертолле, т.е. только в том случае, если в результате образуется осадок (нерастворимое или малорастворимое вещество), газ или малодиссоциирующее вещество (например, вода))

АВ + СD = АD + СВ.

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 = 2СаСО₃↓ + 2Н₂О,

СН₃СООNа + Н₃РО₄ = СН₃СООН + NаН₂РО₄.

д. Реакции переноса (реакции, при которых атом или группа атомов переходит от одной структурной единицы к другой):

АВ + ВС = А + В₂С,

А₂В + 2СВ₂ = АСВ₂ +АСВ₃.

Например:

2AgCl + SnCl₂ = 2Ag + SnCl₄,

H₂O + 2NO₂ = HNO₂ + HNO₃.

4. Классификация химических реакций по изменению степени окисления атомов элементов:

1) Без изменения степени окисления атомов элементов (не окислительно-восстановительные реакции):

Ag⁺N⁺⁵O₃⁻² + H⁺Cl⁻ = Ag⁺Cl⁻ + H⁺N⁺⁵O₃⁻²,

2) С изменением степени окисления атомов элементов (окислительно-восстановительные реакции)

2Mg⁰ + C⁺⁴O₂⁻² = 2Mg⁺²O + C⁰

C⁺⁴ + 4ē → 1C⁰ 1 C⁺⁴ + 4ē → 1C⁰ – процесс окисления

Mg⁰ – 2ē → Mg⁺² 2 2Mg⁰ – 4ē → 2Mg⁺² – процесс восстановления

Следует знать:

· Реакции разложения и соединения могут быть как окислительно-восстановительными, так и не окислительно-восстановительными;

· Реакции замещения всегда окислительно-восстановительные;

· Реакции обмена всегда протекают без изменения степеней окисления.

5. Классификация химических реакций по использованию катализатора:

1) Каталитические реакции (реакции, протекающие с участием катализаторов):

MnO₂, t

2KClO₃ —-—→ 2KCl + 3O₂↑

H₂SO₄, t

C₂H₅OH ——→ CH₂=CH₂↑ + H₂O

Все биохимические реакии, протекающие в клетках живых организмов, идут с участием особых биологических катализаторов белковой природы – ферментов. Более 70% химических производств используют катализаторы.

2) Некаталитические реакции (реакции, протекающие без участия катализатороов):

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О

НСl + КОН = КСl + Н₂О

6. Классификация химических реакций по направлению:

1) Необратимые реакции (это такие химические процессы, продукты которых не способны реагировать друг с другом в тех же условиях, в которых они получены, с образованием исходных веществ, или это реакции, протекающие в данных условиях только в одном направлении)

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О

KClO₃ = 2KCl + 3O₂

C + O₂ = CO₂

BaCl₂ + H₂SO₄ = 2HCl + BaSO₄↓

2) Обратимые реакции (это такие химические процессы, продукты которых способны реагировать друг с другом с образованием исходных веществ реакции, или это реакции, протекающие в данных условиях одновременно в двух противоположных направлениях (их подавляющее большинство))

2SO₂ + O₂ ↔ 2SO₃

N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃

N₂ + O₂ ↔ 2NO – Q

7. Классификация химических реакций по механизму:

1) Радикальные реакции (реакции, которые идут с участием образующихся в ходе реакции радикалов). Реакции, представляющие собой цепь последовательных превращений, называют цепными реакциями.

Например, хлорирование метана

Сl: Сl → Сl· + Сl·

Образовавшиеся свободные радикалы атакуют молекулы метана, отрывая у них атом водорода:

СН₄ + Сl· → СН₃· + НСl

и превращая в радикалы СН₃·, которые, в свою очередь, сталкиваясь с молекулами хлора, разрушают их с образованием новых радикалов:

СН₃· + Сl₂ → СН₃Сl + Сl· и т. д.

Происходит развитие цепи.

Наряду с образованием радикалов происходит их «гибель» в результате процесса рекомбинации — образования неактивной молекулы из двух радикалов:

СН₃· + Сl· → СН₃Сl

Сl· + Сl· → Сl₂

СН₃· + СН₃· → СН₃—СН₃

2) Ионные реакции (реакции, которые идут между уже имеющимися или образующимися в ходе реакции ионами).

Н⁺Сl⁻ + К⁺ОН⁻ = К⁺Сl⁻ + Н₂О

или

Н⁺ + ОН⁻ = Н₂О

8. Классификация химических реакций по тепловому эффекту:

1) Экзотермические реакции (реакции, протекающие с выделением энергии, Q>0, ∆H <0)

С +О₂ = СО₂ + Q

2) Эндотермические реакции (реакции, протекающие с поглощением энергии Q<0, ∆H >0)

N₂ +О₂ = 2NО − Q

9. Классификация химических реакций по виду энергии, инициирующей реакцию:

1) Электрохимические реакции (реакции, которые инициирует электрический ток)

Это реакции электролиза, электросинтеза (например, реакции промышленного получения неорганических окислителей HClO₄, KClO₃, KClO, KMnO₄ и т.д.)

2) Термохимические реакции (реакции, которые инициирует тепловая энергия)

К ним относятся все эндотермические реакции:

N₂ +О₂ = 2NО − Q

А также множество экзотермических реакция, для начала которых необходиа первоначальная подача теплоты, т.е. инициирование процесса. Например, горение угля:

C + O₂ = CO₂ + Q

3) Фотохимические реакции (реакции, которые инициирует световая энергия)

свет

NO₂(г) —→ NO(г) + O(г)

4) Радиационные реакции (реакции, которые инициируются излучениями большой энергии – рентгеновскими лучами, ядерными излучениями (γ-лучами, α-частицами – He²⁺ и др.))

С помощью радиационных реакций проводят очень быструю радиополимеризацию, радиолиз (радиационное разложение) и т.д. Например, вулканизация каучука может быть проведена с использованием радиовулканизации, и полученная резина будет ничуть не хуже традиционной.

10. Классификация химических реакций по фазовому составу (по агрегатному состоянию реагирующих веществ):

Под фазой понимают совокупность однородных частей системы с одинаковыми физическими и химическими свойствами и отделенных друг от друга поверхностью раздела.

1) Гомогенные реакции (реакции, в которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в одном агрегатном состоянии (в одной фазе))

К ним относят реакции, протекающие в газовой фазе, и целый ряд реакций, протекающих в растворах.

N₂(г) + 3H₂(г) ↔ 2NH₃(г)

NaOH(р-р) + HCl(р-р) = NaCl(р-р) + H₂O(жид.)

2) Гетерогенные реакции (реакции, в которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в разных агрегатных состояниях (в разных фазах))

К ним относят реакции, в которых реагенты и продукты реакции находятся в разных фазах. Например:

газожидкофазные реакции

CO₂(г) + NaOH(p-p) = NaHCO₃(p-p)

газотвердофазные реакции

СO₂(г) + СаО(тв) = СаСO₃(тв)

жидкотвердофазные реакции

Na₂SO₄(р-р) + ВаСl₃(р-р) = ВаSО₄(тв)↓ + 2NaСl(p-p)

жидкогазотвердофазные реакции

Са(НСО₃)₂(р-р) + Н₂SО₄(р-р) = СО₂(r)↑ +Н₂О(ж) + СаSО₄(тв)↓