Классификация химических реакций

Теоретический материал

Без химических реакций была бы невозможна эволюция в природе. В открытом космосе встречаются в основном только атомы водорода (H) и гелия (He). Это объясняется отсутствием необходимых условий для прохождения химических реакций.

А вот на Земле ситуация в корне иная. Здесь химические элементы поражают своим разнообразием и могут вступать в различные взаимодействия. Богатство природного мира напрямую зависит от количества и качества химических реакций. Переход от неорганического вещества к живому стал возможен только благодаря химическим процессам. Да и сам человек представляет собой мини-фабрику, где идут не только простые, но и сложнейшие химические реакции по синтезу и расщеплению веществ. Эффективность этой живой «фабрики» поражает воображение.

Что такое химическая реакция

Химическая реакция – это процесс превращения одного или нескольких веществ в другие вещества, в результате чего происходит перераспределение электронов и ядер. Сами ядра атомов при этом не меняются:

H₂ + Cl₂ = 2HCl

Химические реакции нельзя путать с физическими процессами. В физических процессах вещества сохраняют свой состав, хотя могут образовывать смеси, изменять внешнюю форму либо агрегатное состояние. Так, превращение воды в пар или лед является физическим процессом, а не химической реакцией. Химическое взаимодействие, в результате которого образуется вода, описывается формулой:

2H₂ + O₂ = 2H₂O

Отличаются химические реакции и от ядерных реакций, в которых происходят изменения в ядрах атомов и образуются атомы новых элементов. В ходе химических процессов новые вещества получаются в результате изменений, происходящих в электронной оболочке атомов.

Типы химических реакций

Выделяют следующие типы химических реакций: реакции соединения, разложения, замещения и обмена.

Реакция соединения представляет собой образование одного сложного вещества в результате соединения двух или более веществ. Например:

Fe + S = FeS

В результате реакции разложения происходит распад одного сложного вещества на несколько простых.

CaCO3 = CaO + CO₂

Реакция замещения протекает между простыми и сложными веществами, при этом атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе.

Zn + 2HCL = ZnCl₂ + H₂

Реакция обмена возможна между двумя сложными веществами, в результате чего они обмениваются своими составными частями и образуются два новых сложных вещества.
MgO + H2SO₄ = MgSO₄ + H₂O

Классификация химических реакций

Существует целый ряд признаков, по которым можно классифицировать химические реакции:

· По числу и составу реагирующих и образующихся веществ

· По изменению степени окисления атомов элементов

· По использованию катализатора

· По направлению

· По тепловому эффекту

· По фазовому составу

I. По числу и составу реагирующих и образующихся веществ:

1. Реакции соединения – реакции, при которых из двух и более веществ образуется одно сложное вещество.

S + O₂ = SO₂

2SO₂ + O₂ = 2SO₃

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

 

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

2HgO = 2Hg + O₂#

2KNO₃ = 2KNO₂ + O₂#

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂#

 

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

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂#

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂#

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu↓

 

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

CuSO₄ + 2KOH = Cu(OH)₂$ + K₂SO₄

NaOH + HNO₃ = NaNO₃ + H₂O

2NH₄Cl + Ca(OH)₂ = CaCl₂ + 2NH₃# + 2H₂O

 

II. По изменению степеней окисления химических элементов:

1. Окислительно-восстановительные реакции – реакции, идущие с изменением степеней окисления элементов (все реакции замещения, а также реакции соединения и разложения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество). К реакциям, в результате которых степени окисления атомов не изменяются, относятся все реакции обмена, некоторые реакции соединения и разложения. К химическим превращениям, сопровождающимся изменением степеней окисления атомов, относятся все реакции замещения, некоторые реакции соединения и разложения.

 

CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu↓

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑

Mg + H₂SO₄ = MgSO₄ + H₂↑

 

2. Реакции, протекающие без изменений степеней окисления элементов (некоторые реакции соединения, разложения, обмена)

 

SO₂ + Na₂O = Na₂SO₃

Cu(OH)₂ → CuO + H₂O

HCl + NaOH = NaCl + H₂O

 

III. По использованию катализатора:

1. Некаталитические реакции – реакции, идущие без участия катализатора:

2HgO = 2Hg + O₂↑

 

2. Каталитические реакции – реакции, идущие с участием катализатора:

2H₂O₂ = 2H₂O + O₂↑ (кат. MnO₂)

 

IV. По направлению:

1. Необратимые реакции протекают в данных условиях только в одном направлении:

Ba(ClO₂)₂ + H₂SO₄ = 2HClO₂ + BaSO₄↓

 

Необратимыми называются химические реакции, протекающие лишь в одном направлении («слева направо»), в результате чего исходные вещества превращаются в продукты реакции. О таких химических процессах говорят, что они протекают «до конца». К ним относятся реакции горения, а также реакции, сопровождающиеся образованием малорастворимых или газообразных веществ.

 

2. Обратимые реакции в данных условиях протекают одновременно в двух направлениях:

3H₂ + N₂ D 2NH₃

N₂O₄ D 2NO₂

 

Обратимыми называются химические реакции, протекающие одновременно в двух противоположных направлениях («слева направо» и «справа налево»). В уравнениях таких реакций знак равенства заменяется двумя противоположно направленными стрелками. Поскольку в ходе обратимой реакции исходные вещества одновременно и расходуются и образуются, они не полностью превращаются в продукты реакции. Поэтому об обратимых реакциях говорят, что они протекают «не до конца». В их результате всегда образуется смесь исходных веществ и продуктов взаимодействия.

 

V. По тепловому эффекту:

1. Экзотермические реакции протекают с выделением энергии:

4P + 5O₂ = 2P₂O₅ + Q кДж

Реакции этого типа начинаются либо при комнатной температуре, либо при небольшом нагревании и далее осуществляются самопроизвольно за счёт выделения «собственной» теплоты. К экзотермическим относится большинство реакций соединения, замещения, обмена и некоторые реакции разложения.

 

2. Эндотермические реакции протекают с поглощением энергии:

N₂ + O₂ = 2NO – Q кДж

2HgO = 2Hg↓ + O₂↑ - Q кДж

Почти все реакции данного типа начинаются и протекают только при высоких температурах. К ним относится большинство реакций разложения, некоторые процессы соединения и обмена.

 

VI. По фазовому составу:

Фаза — однородная часть смеси веществ, отделённая от других её частей поверхностью — границей раздела фаз. В зависимости от агрегатного состояния различают фазы твёрдые, жидкие и газообразные. Границы между разными фазами иногда видны даже невооружённым глазом. Такие реакции, в которых исходные вещества образуют несколько фаз, называются многофазными, или гетерогенными. К ним относятся взаимодействие твёрдых веществ с растворёнными (т + р-р), газообразными (т + г) или жидкими (т + ж) веществами, а также реакции между жидкими веществами и газами (ж + г), между твёрдыми веществами (т + т). Особенностью гетерогенных реакций является то, что они протекают только на поверхности раздела фаз.

Если между исходными веществами отсутствует поверхность раздела, они образуют одну фазу — однородную газообразную или жидкую смесь. Реакции между веществами, находящимися в одной фазе, называются однофазными, или гомогенными. К ним относятся, например, реакции между газами (г + г), смешивающимися жидкими веществами (ж + ж) или любыми веществами, содержащимися в водных растворах (р-р + р-р).

В отличие от гетерогенных гомогенные реакции протекают сразу во всём объёме реакционной смеси.

 

1. Гетерогенные реакции – реакции, в которых реагирующие вещества и продукты находятся в разных агрегатных состояниях:

CuO↓ + H₂↑ = Cu↓ + H₂O

 

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

2 СО↑ + О₂↑ = 2 СО₂↑