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↑