По виду энергии, инициирующей реакцию

Реакции, идущие без изменения состава веществ

1) В неорганической химии к таким реакциям относятся реакции аллотропизации – это реакции, например:

С (графит) ↔ С (алмаз)

S (ромбическая) ↔ S (моноклинная)

Р (белый) ↔ Р (красный)

Sn (белое олово) ↔ Sn (серое олово)

3O₂ (кислород) ↔ 2O₃ (озон)

2) В органической химии к этому типу реакций относятся реакции изомеризации, которые идут без изменения не только качественного, но и количественного состава молекул веществ, например: изомеризация алканов.

Реакции, идущие с изменением состава вещества

1) По числу и составу исходных веществ и продуктов реакции:

а) Реакции соединения – это такие реакции, при которых из двух и более веществ образуется одно сложное вещество

S + O₂ = SO₂

SO₂ + О₂ = 2SO₃

SO₃ + Н₂O = Н₂SO₄

В органической химии реакции соединения принято называть «реакциями присоединения». Все многообразие таких реакций можно рассмотреть на примере блока реакций, характеризующих свойства непредельных веществ, например этилена:

1. Реакция гидрирования – присоединения водорода:

CH₂ = CH₂ + Н₂ → СН₃ – СН₃

2. Реакция гидратации – присоединения воды.

CH₂ = CH₂ + Н₂О → СН₃ – СН₂ОН

3. Реакция полимеризации.

nCH₂ = CH₂ → (–СН₂ – СН₂–)n

б) Реакции разложения – это такие реакции, при которых из одного сложного вещества образуется несколько новых веществ.

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂

2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂

в) Реакции замещения – это такие реакции, в результате которых атомы простого вещества замещают атомы какого-нибудь элемента в сложном веществе.

2Na + 2Н₂O = 2NаОН + Н₂

СН₄ + Br₂ = CH₃Br + HBr

Особенность реакции замещения у органических веществ: в результате таких реакций образуются не простое и сложное вещество, как в неорганической химии, а два сложных вещества.

В органической химии к реакциям замещения относят и некоторые реакции между двумя сложными веществами, например, нитрование бензола. Она формально является реакцией обмена. То, что это реакция замещения, становится понятным только при рассмотрении ее механизма.

г) Реакции обмена – это такие реакции, при которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями

Эти реакции характеризуют свойства электролитов и в растворах протекают по правилу Бертолле, то есть только в том случае, если в результате образуется осадок, газ или малодиссоциирующее вещество (например, Н₂O).

СuSO₄ + 2КОН = Сu(ОН)₂ + К₂SO₄

СН₃СООН + NаОН = СН₃СООNа + Н₂O

2НCl + СаСO₃ → СаCl₂ + СO₂↑ + Н₂O

2) По изменению степеней окисления химических элементов:

По этому признаку различают следующие реакции:

а) Окислительно-восстановительные реакции – реакции, идущие с изменением степеней окисления элементов.

К ним относится множество реакций, в том числе все реакции замещения, а также те реакции соединения и разложения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество, например:

Mg⁰ + H₂⁺¹SO₄ = Mg⁺²SO₄ + H₂⁰

2Mg⁰ + O₂⁰ = Mg⁺²O^-2

2H₂⁺¹O₂^-1 = 2H₂O^-2 + O₂⁰

б) Неокислительно-восстановительные – реакции, идущие без изменения степеней окисления химических элементов.

К ним, например, относятся все реакции ионного обмена, а также многие реакции соединения и разложения, если участвуют только сложные вещества.

СаСО₃ = СО₂ + H₂O

К₂О + Н₂О = 2КОН

По тепловому эффекту

а) Экзотермические реакции – реакции, которые протекают с выделением теплоты.

К ним относятся почти все реакции соединения. Редкое исключение составляют эндотермические реакции синтеза оксида азота(II) из азота и кислорода и реакция газообразного водорода с твердым иодом.

Н₂ + С1₂ = 2НС1 + 92,3 кДж

б) Эндотермические реакции – реакции, которые протекают с поглощением теплоты.

К ним будут относиться почти все реакции разложения.

N₂ + O₂ ↔ 2NO – 90,4 кДж

4) По агрегатному состоянию веществ:

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

S_(т) + О_2(г) = SO_2(г)

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

Н_2(г) + С1_2(г) = 2НС1_(г)

5) По участию катализатора:

а) Некаталитические реакции – реакции, идущие без участия катализатора.

б) Каталитические реакции – реакции, идущие с участием катализатора. Так как все биохимические реакции, протекающие в клетках живых организмов, идут с участием особых биологических катализаторов белковой природы – ферментов, все они относятся к каталитическим или, точнее, ферментативным.

6) По направлению:

а) Необратимые реакции – реакции, которые протекают в данных условиях только в одном направлении. К ним можно отнести все реакции обмена, сопровождающиеся образованием осадка, газа или малодиссоциирующего вещества (воды) и все реакции горения.

б) Обратимые реакции – реакции, которые в данных условиях протекают одновременно в двух противоположных направлениях. Таких реакций подавляющее большинство.

В органической химии признак обратимости отражают названия - антонимы процессов:

- гидрирование – дегидрирование,

- гидратация – дегидратация,

- полимеризация – деполимеризация.

По механизму протекания

а) Радикальные реакции – реакции, идущие между образующимися в ходе реакции радикалами и молекулами.

При всех реакциях происходит разрыв старых и образование новых химических связей. Способ разрыва связи в молекулах исходного вещества определяет механизм (путь) реакции. Если вещество образовано за счет ковалентной связи, то могут быть два способа разрыва этой связи: гемолитический и гетеролитический. Например, для молекул Сl₂, СН₄ и т. д. реализуется гемолитический разрыв связей, он приведет к образованию частиц с неспаренными электронами, то есть свободных радикалов.

 

По радикальному механизму протекают большинство реакций горения органических и неорганических веществ, синтез воды, аммиака, полимеризация этилена, винилхлорида и др.

б) Ионные реакции – реакции, идущие между имеющимися или образующимися в ходе реакции ионами.

Типичные ионные реакции – это взаимодействие между электролитами в растворе. Ионы образуются не только при диссоциации электролитов в растворах, но и под действием электрических разрядов, нагревания или излучений. γ-Лучи, например, превращают молекулы воды и метана в молекулярные ионы.

По другому ионному механизму происходят реакции присоединения к алкенам галогеноводородов, водорода, галогенов, окисление и дегидратация спиртов, замещение спиртового гидроксила на галоген; реакции, характеризующие свойства альдегидов и кислот. Ионы в этом случае образуются при гетеролитическом разрыве ковалентных полярных связей.

По виду энергии, инициирующей реакцию

а) Фотохимические реакции. Например: синтеза НСl или реакции метана с хлором, получение озона в тропосфере. К этому виду реакций принадлежит и важнейший процесс, протекающий в растительных клетках, – фотосинтез.

б) Радиационные реакции. Они инициируются излучениями большой энергии - рентгеновскими лучами, ядерными излучениями (γ-лучами, a-частицами и др.). С помощью радиационных реакций проводят очень быструю радиополимеризацию, радиолиз (радиационное разложение) и т. д.

Вулканизация каучука может быть проведена без серы с использованием радиовулканизации, и полученная резина будет ничуть не хуже традиционной.

в) Электрохимические реакции. Их инициирует электрический ток.

г) Термохимические реакции. Их инициирует тепловая энергия. К ним относятся все эндотермические реакции и множество экзотермических реакций, для начала которых необходима первоначальная подача теплоты, то есть инициирование процесса.

Классификация химических реакций, как и все другие классификации, условна. Ученые договорились разделить реакции на определенные типы по выделенным ими признакам. Конкретная химическая реакция всегда многокачественна, ее характеризуют разные признаки. Например, процесса синтеза аммиака:

N_2(г) + 3H_2(г) ↔ 2NH_3(г) + 45,9кДж

Это реакция соединения, окислительно-восстановительная, экзотермическая, обратимая, каталитическая, гомогенная. Для успешного управления процессом необходимо учитывать все приведенные сведения.

Рассмотренная выше классификация химических реакций отражена на схеме: