Классификация химических реакций

Ключевые слова конспекта: Реакции без изменения состава веществ: аллотропия и изомерия. Причины аллотропии. Классификация химических реакций: по числу и составу реагентов и продуктов; по тепловому эффекту. Термохимическое уравнение реакции.

Химические реакции

Вспомните, чем отличаются химические явления или химические реакции от физических (Конспект).

  Химические реакции, протекающие
без изменения состава веществ.

Одно из положений теории химического строения утверждает, что свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от строения. Следовательно, можно сделать вывод, что некоторые химические реакции могут сопровождаться изменением только качественного или только количественного состава исходных и образующихся веществ или же изменением их строения.

Если качественный и количественный состав реагентов и продуктов реакций не меняется, то, очевидно, изменяется их строение. В курсе органической химии такие вещества называются изомерами, а процессы их взаимного перехода — реакциями изомеризации. Например, известно, что детонационную стойкость бензина характеризует октановая шкала, в которой устойчивость к детонации 2,2,4-триметилпентана (изооктана) принята за 100. А октановое число его изомера, углеводорода С₈Н₁₈ нормального строения, равно 20. Получить изооктан из н-октана можно с помощью реакции изомеризации:

В неорганической химии одинаковый качественный, но разный количественный состав простых веществ иллюстрируют, например, аллотропные видоизменения кислорода: этот элемент образует два простых вещества — кислород и озон, которые связаны взаимопревращениями. Процесс образования озона происходит при электрических разрядах:

На примере кислорода и озона можно проиллюстрировать философский закон о переходе количественных отношений в качественные. Вспомните и сравните физические, химические и физиологические свойства кислорода и озона.

Влияние строения простых веществ, образованных одним химическим элементом на их свойства, иллюстрируют аллотропные модификации углерода.

Вспомните, какое строение имеют алмаз и графит. У обоих веществ — атомная кристаллическая решётка, только у алмаза она объёмная тетраэдрическая, а у графита — плоскостная. Поэтому алмаз — очень твёрдое вещество, а графит мягок. Алмаз прозрачен и обладает высоким светопреломлением, а графит непрозрачен, тёмно-серого цвета, в отличие от алмаза проводит электрический ток. Тем не менее обе модификации связаны взаимопревращениями:

Процесс получения искусственных алмазов моделирует природные экстремальные явления: проводится при очень высоких давлениях и температурах.

В настоящее время искусственные алмазы получают из графита также при низких давлениях. Такие алмазы значительно уступают природным по ювелирным показателям, но сравнимы с природными по твёрдости, а потому применяются в технических целях.

Первые сведения об аллотропии и аллотропных модификациях связаны с фосфором. В 1669 г. алхимик Хеннинг Брант, прокаливая сухой остаток мочи в попытке получить философский камень, получил белый фосфор (от греч. phos — свет и phoros — несущий), который затем превратился в красный.

  Химические реакции, протекающие
с изменением состава веществ

(по признаку числа и состава реагентов и продуктов реакции).

Из курса химии основной школы вы знаете четыре типа реакций по этому признаку: соединения, разложения, замещения и обмена.

   1. Реакции соединения (присоединения)

В неорганической химии весь спектр разнообразных реакций можно проиллюстрировать примерами промышленных процессов:

1. Реакция горения фосфора — первая стадия получения чистой фосфорной кислоты: 4Р + 5O₂ = 2Р₂O₅
   В этом процессе участвуют два простых вещества и получается одно сложное.

2. Заключительная стадия получения фосфорной кислоты описывается уравнением Р₂O₅ + 3Н₂O = 2Н₃РO₄(сложное вещество образуется в результате взаимодействия двух сложных веществ).
3. На заключительной стадии получения азотной кислоты в реакцию вступают три вещества (одно простое и два сложных): 4NO₂ + O₂ + 2Н₂O = 4HNO₃

В органической химии реакции соединения называются реакциями присоединения, так как к основному веществу (субстрату) присоединяется дополнительное вещество (реагент). Такие реакции характерны для непредельных углеводородов и в зависимости от реагента носят видовые названия:

• гидрирование — присоединение водорода;
• галогенирование — присоединение галогенов;
• гидрогалогенирование — присоединение галогеноводородов;
• гидратация — присоединение воды.

Частным случаем реакции присоединения является реакция полимеризации — соединение множества одинаковых молекул мономера в макромолекулу полимера.

   2. Реакции разложения (отщепления)

Рассмотрим реакции разложения на примере реакций получения кислорода лабораторными способами.

1. Электролиз воды: 
2. Термическим разложением оксида ртути(II) англичанин Джозеф Пристли получил кислород.
3. Разложение пероксида водорода:
4. Разложение нитратов:

Последняя реакция используется не для получения кислорода, а в медицинских целях. Полученное при разложении серебро прижигает ранки или удаляет бородавки, если используется особый ляписный (от лат. lapis infernalis — адский камень) карандаш.

В органической химии реакции разложения называют реакциями отщепления. Так, для получения этилена используются реакции дегидратации этанола, деполимеризации полиэтилена, дегидрирования этана (запишите уравнения реакций).

   3. Реакции замещения

Как видно из определения, эти реакции характеризуют свойства классов простых веществ. Например, такое важное свойство галогенов, как их способность вытеснять менее активные галогены из растворов галогеноводородных кислот или их солей: Сl₂ > Вг₂ > I₂.

Аналогично, этот тип реакций характеризует химические свойства металлов:

1. Щелочные и щёлочноземельные металлы активно взаимодействуют с водой: 2Na + 2Н₂O = 2NaOH + Н₂↑
2. С растворами кислот взаимодействуют металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода: Zn + 2НСl = ZnCl₂ + H₂↑
3. Металлы, стоящие в ряду напряжений до металла соли, вытесняют его из раствора соли: Fe + CuSO₄ = Сu + FeSO₄
4. Более активные металлы вытесняют менее активные из их оксидов с выделением большого количества теплоты — металлотермия: 2Аl + Fe₂O₃ = Аl₂O₃ + 2Fe

Реакции замещения характерны для предельных соединений, например галогенирование метана, согласно цепочке переходов: СН₄ –> СН₃Сl –> СН₂Сl₂ –> СНСl₃ –> ССl₄.

Нитрование бензола относится к реакциям замещения, но протекает между двумя сложными веществами: С₆Н₆ + HNO₃ —> C₆H₅NO₂ + Н₂O

В органической химии продуктами реакций этого типа являются не простое и сложное вещества, а два сложных. Кроме этого, в реакцию замещения могут вступать и сложные вещества.

   4. Реакции обмена

Для растворов электролитов такие реакции протекают в соответствии с правилом Бертолле (названным по имени предложившего его французского химика Клода Бертолле) и возможны в том случае, если образуется осадок, газ или малодиссоциирующее вещество (например, вода).

Приведём примеры.

1. Золотисто–жёлтый осадок иодида свинца выпадает при взаимодействии растворов иодида натрия и нитрата свинца:

2NaI + Pb(NO₃)₂ = Pbl₂↓ + 2NaNO₃
Pb²⁺ + 2I^– = Pbl₂↓

2. Лабораторный способ получения аммиака:

2NH₄Cl + Са(ОН)₂ = СаСl₂ + 2NH₃↑ + 2Н₂O
NH₄⁺ + ОН^– = NH₃↑ + Н₂O

3. Частным случаем реакции обмена является реакция нейтрализации — она протекает между растворами кислот и щелочей:

NaOH + НСl = NaCl + Н₂O
OH^– + H⁺ = H₂O

  Химические реакции, протекающие
с тепловым эффектом.

Важный классификационный признак реакций — выделение или поглощение теплоты. Как правило, реакции соединения сопровождаются выделением теплоты. Такие реакции называются экзотермическими.

Если экзотермическая реакция сопровождается выделением света, то она называется реакцией горения: 2Mg + О₂ = 2MgO + Q

Эта реакция широко использовалась раньше при фотографировании. До сих пор можно встретить выражение: «Место происшествия освещали вспышки магния», — хотя сейчас вместо вспышки пламени горящего порошка магния используются электровспышки.

Важным источником теплоты и энергии является горение углеводородов: СН₄ + 2О₂  –> СО₂↑ + 2Н₂О + Q

Но нет правил без исключения: реакция взаимодействия азота с кислородом сопровождается поглощением теплоты: N₂ + О₂  <=>  2NO – Q

Такие реакции называются эндотермическими.

Схематично экзо- и эндотермические реакции отражает рисунок.

Если реакции разложения протекают с поглощением теплоты, то в реакциях соединения теплота должна выделяться, и наоборот. Например, практическое значение имеет обжиг известняка: процесс получения ценного химического сырья и строительного материала — негашёной извести:

Если в уравнении реакции указывается тепловой эффект, то уравнение называется термохимическим.

Например:
СН₄ + 2О₂ —> СO₂ + 2Н₂O + 800 кДж — реакция экзотермическая;
СаСO₃ = СаО + СO₂ – 187 кДж — реакция эндотермическая.

Классификация реакций по другим критериям

Классификация реакций — многоплановый процесс. Их можно классифицировать также:

• по направлению (обратимые и необратимые реакции);
• по использованию катализатора (каталитические и некаталитические реакции);
• по агрегатному состоянию реагентов и продуктов реакции (гомогенные и гетерогенные реакции);
• по изменению степеней окисления элементов, образующих реагенты и продукты реакции (окислительно–восстановительные и реакции, протекающие без изменения степеней окисления).

Конспект урока по химии «Классификация химических реакций». В учебных целях использованы цитаты из пособия «Химия. 11 класс : учеб, для общеобразоват. организаций : базовый уровень / О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов, С. А. Сладков. — М. : Просвещение». Выберите дальнейшее действие:

• Вернуться к Списку конспектов по химии
• Найти конспект в Кодификаторе ОГЭ по химии
• Найти конспект в Кодификаторе ЕГЭ по химии