Конспект урока: Классификация химических реакций

Введение

Вокруг нас и в нас самих протекает множество самых различных химических реакций. При этом протекают они за счёт различных химических свойств соединений. Где-то проявляются окислительно-восстановительные свойства, где-то — кислотно-основные, где-то происходит ионный обмен. Химические процессы могут быть масштабны и разрушительны, а могут протекать без заметных нам признаков. Более того, одни и те же вещества при разных условиях могут образовать разные продукты. 

Вот почему, кроме знания химических свойств веществ, для понимания химических процессов необходимо научиться понимать, что за реакция протекает и чего от неё следует ждать.

Классификация по числу и составу реагирующих веществ

Данный вид классификации реакций наиболее важен. Это связано с тем, что благодаря ему можно предсказывать число и состав продуктов, зная число и состав реагирующих веществ.

К сожалению, не каждую реакцию можно классифицировать по этому признаку. В некоторых сложных реакциях перечисленные ниже типы реакций могут комбинироваться.

По числу и составу реагирующих веществ выделяют реакции соединения, разложения, замещения и обмена.

Рис. 1. Классификация реакций по числу и составу исходных веществ и продуктов реакции

Реакции соединения не всегда бывают очевидными, однако, если в реакцию вступают только простые вещества, это однозначно будет соединение. Что не менее важно, поскольку реакции соединения, как правило, приводят к образованию новых химических связей, они сопровождаются выделением тепла.

Реакции разложения сложно с чем-то спутать, поскольку в них принимает участие только одно вещество. При этом при разложении вещества происходит разрушение химических связей, вот почему многие из них для протекания требуют нагревания.

Реакции замещения протекают только в том случае, если вступающее в реакции простое вещество химически активнее простого вещества, образующегося в этой реакции. Как правило, оценить возможность протекания этих реакций помогает ряд активности металлов.

Реакции обмена в большинстве случаев протекают в растворах и только при соблюдении двух условий: 

1. Реагирующие вещества должны быть растворимы, за исключением случаев, когда в реакции принимают участие сильные кислоты. 

2. В результате реакции должен образоваться слабый электролит (например, газ, осадок или вода). 

При записи реакции обмена в ионном виде важно помнить, что вещества, которые диссоциируют ступенчато, не расписывают на ионы, а оставляют в молекулярном виде (H₂S, H₂CO₃, H₃PO4, H₂SO₃)

Решение

1. В начале запишем уравнение этой реакции:

$\mathrm{Zn} + 2\mathrm{HCl} = {\mathrm{ZnCl}}_2 + {\mathrm{H}}_2$. 

2. Цинк и водород — простые вещества, соляная кислота и хлорид цинка — сложные. Следовательно, в данной реакции взаимодействуют простое вещество со сложным и образуются новое простое и новое сложное вещество, что соответствует реакции замещения.

Ответ: это реакция замещения.

Стоит отметить, что классификация химических реакций в органической химии несколько отличается от химии неорганической. Поскольку в реакциях с органическими веществами, как правило, интерес представляют только органические продукты реакции, выделяют только три типа химических реакций: отщепление – реакции, аналогичные разложению; присоединение — реакции, аналогичные соединению; замещение — реакции, которые объединяют реакции замещения и обмена из неорганической химии.

Классификация по тепловому эффекту и по изменению степеней окисления

В ходе химических реакций разрушаются старые химические связи и образуются новые. При этом энергия, затрачиваемая на разрушение старых связей, как правило, имеет другое значение, чем энергия, которая выделяется при образовании новых. Сама же выделяющаяся или поглощаемая в ходе реакции энергия называется тепловым эффектом. Тепловой эффект обозначают буквой Q.

Рис. 2. Классификация реакций по тепловому эффекту

Практически все реакции горения являются экзотермическими, а реакции, протекание которых требует нагревания — эндотермические.

В сущности, тепловой эффект является важным признаком протекания реакции и может быть указан как один из её компонентов, например:

$2\mathrm{Ca} + {\mathrm{O}}_2 = 2\mathrm{CaO} + \mathrm{Q}$.

Впрочем, знание того, является реакция эндо- или экзотермической, не помогает определять её продукты. Значительно важнее понимать, происходило ли в ходе протекания реакции изменение степеней окисления. В зависимости от этого реакцию отнесут либо к окислительно-восстановительным реакциям, либо к протекающим без изменения степеней окисления. Разница между ними может быть как небольшой, так и достаточно существенной, поскольку некоторые окислительно-восстановительные реакции являются довольно сложными и не подлежат классификации по числу и составу реагирующих веществ.

Самый надёжный способ определить, к какому типу отнести реакцию по этому признаку — определить степени окисления атомов всех элементов в каждом из участвующих веществ. Однако, если в реакции присутствуют простые вещества, можно быть уверенным, что она окислительно-восстановительная. Большинство же реакций обмена, напротив, протекают без изменения степеней окисления.

Решение

1. Запишем уравнение этой реакции:

$2{\mathrm{SO}}_2 + {\mathrm{O}}_2 = 2{\mathrm{SO}}_3$.

2. Поскольку в этой реакции участвует кислород, она является реакцией горения, а следовательно, она экзотермическая.

3. В данной реакции принимает участие простое вещество, которое в любом случае должно будет изменить степень окисления. Значит, эта реакция окислительно-восстановительная.

Ответ: экзотермическая, окислительно-восстановительная.

Классификация по обратимости и наличию катализатора

Ещё одно важное различие химических реакций заключается в том, что некоторые из них могут протекать только в одном направлении, другие же могут идти как в прямом направлении, так и в обратном. Иными словами, в некоторых случаях продукты реакций могут взаимодействовать между собой, образуя исходные вещества, в некоторых же продукты между собой не реагируют.

Признак, лежащий в основе этого деления, называется обратимость.

В записи обратимых реакций используют стрелку ↔, обозначающую, что возможно протекание в обоих направлениях, а в записи необратимых стрелку →, показывающую, что реакция идёт только в сторону продуктов.

Определить обратимость реакции по исходным веществам достаточно сложно. Как обратимыми, так и необратимыми бывают реакции различных типов. Однако, большинство реакций в неорганической химии необратимые, так что обратимые реакции можно просто запомнить при знакомстве с ними.

Кроме того, отличать реакции друг от друга может и наличие катализатора.

Некоторые реакции без участия катализаторов протекали бы бесконечно долго, поэтому наличие катализатора в некоторых случаях является обязательным условием.

Если катализатор используется, его химическую формулу записывают над стрелкой в уравнении химической реакции. Такие реакции называют каталитическими. В качестве катализатора могут выступать самые разнообразные вещества.

Однородность химических реакций

Последний рассматриваемый нами признак классификации — однородность реакции.

Если взаимодействующие вещества находятся в одном агрегатном состоянии и между ними нет границы раздела фаз, такая реакция будет гомогенной.

Гомогенными являются, например, реакции между веществами в растворах и между газами.

Если же вещества находятся в разных агрегатных состояниях или между ними есть граница раздела фаз — реакция будет гетерогенной. 

Решение

1. По числу и составу — реакция соединения, так как из нескольких веществ образуется одно.

2. По тепловому эффекту — экзотермическая, так как это реакция соединения, кроме того, указано что тепловой эффект +Q.

3. По изменению степеней окисления — окислительно-восстановительная: участвуют два простых вещества, которые изменяют степени окисления в ходе реакции.

4. По обратимости — обратимая, на это указывает стрелка в уравнении.

5. По наличию катализатора — некаталитическая. Хоть на практике эту реакции обычно и проводят, применяя катализатор, в данном случае он не указан, следовательно, не был использован.

Ответ: реакция соединения, экзотермическая, окислительно-восстановительная, обратимая, некаталитическая.

Ответы

Упражнение 1

2. Соединение и замещение 
3. Разложение и обмен

Упражнение 3

2. -Q
3. →