Классификация химических реакций

Содержание

 

Введение

1. Общее понятие о химической реакции

2. Классификация химических реакций

Заключение

Список используемой литературы

 

 

Введение

 

Самое интересное в окружающем мире состоит в том, что он постоянно изменяется.

Понятие «химическая реакция» - второе главное понятие химии. Каждую секунду в мире происходит неисчислимое множество реакций, в результате которых одни вещества превращаются в другие. Некоторые реакции мы можем наблюдать непосредственно, например ржавление железных предметов, свертывание крови, сгорание автомобильного топлива.

В то же время, подавляющее большинство реакций остаются невидимыми, но именно они определяют свойства окружающего нас мира.

Для того, чтобы осознать свое место в мире и научиться им управлять, человек должен глубоко понять природу этих реакций и те законы, которым они подчиняются. Задача современной химии состоит в изучении функций веществ в сложных химических и биологических системах, анализе связи структуры вещества с его функциями и синтезе веществ с заданными функциями.

Итак, химических реакций протекающих вокруг человека очень много, они протекают постоянно. Что же необходимо сделать, чтобы не запутаться во всём многообразии химических реакций? Научиться их классифицировать и выявлять существенные признаки классов.

Цель данной работы: рассмотреть понятие «химическая реакция» и систематизировать и обобщить знания о классификации химических реакций.

Работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 14 страниц.

 

1. Общее понятие о химической реакции

 

Химическая реакция - это превращение одних веществ в другие. Однако, такое определение нуждается в существенном дополнении.

Так, например, в ядерном реакторе или в ускорителе тоже одни вещества превращаются в другие, но такие превращения химическими не называют. В чем же здесь дело? В ядерном реакторе происходят ядерные реакции. Они заключаются в том, что ядра элементов при столкновении с частицами высокой энергии (ими могут быть нейтроны, протоны и ядра иных элементов) - разбиваются на осколки, представляющие собой ядра других элементов. Возможно и слияние ядер между собой. Эти новые ядра затем получают электроны из окружающей среды и, таким образом, завершается образование двух или нескольких новых веществ. Все эти вещества являются какими-либо элементами Периодической системы. В отличие от ядерных реакций, в химических реакциях не затрагиваются ядра атомов. Все изменения происходят только во внешних электронных оболочках. Разрываются одни химические связи и образуются другие.

Таким образом, химическими реакциями называются явления, при которых одни вещества, обладающие определенным составом и свойствами, превращаются в другие вещества - с другим составом и другими свойствами. При этом в составе атомных ядер изменений не происходит.

Выделим признаки и условия химических реакций (рис.1, 2).

 

Рисунок 1 – Признаки химических реакций

 

Рисунок 2 – Условия проведения химических реакций

 

Рассмотрим типичную химическую реакцию: сгорание природного газа (метана) в кислороде воздуха (данную реакцию можно наблюдать дома, у кого есть газовая плита) на рисунке 3.

 

Рисунок 3 - Сгорание природного газа (метана) в кислороде воздуха

 

Метан СН4 и кислород О2 реагируют между собой с образованием диоксида углерода СО2 и воды Н2О. При этом разрываются связи между атомами С и Н в молекуле метана и между атомами кислорода в молекуле О2. На их месте возникают новые связи между атомами С и О, Н и О.

На рисунке 3 хорошо видно, что для успешного осуществления реакции на одну молекулу метана надо взять две молекулы кислорода. Однако записывать химическую реакцию с помощью рисунков молекул не слишком удобно, поэтому для записи химических реакций используют сокращенные формулы веществ - такая запись называется уравнением химической реакции.

 

 

Рисунок 4 – Уравнение реакции

 

Уравнение химической реакции показанной на рисунке 3 выглядит следующим образом

 

CH4 +2O2 = CO2 + 2H2O

 

Количество атомов разных элементов в левой и правой частях уравнения одинаково. В левой части один атом углерода в составе молекулы метана (СН4), и в правой - тот же атом углерода мы находим в составе молекулы СО2. все четыре водородных атома из левой части уравнения мы обязательно найдем и в правой - в составе молекул воды.

В уравнении химической реакции для выравнивания количества одинаковых атомов в разных частях уравнения используются коэффициенты, которые записываются перед формулами веществ.

 

 

Рассмотрим другую реакцию - превращение оксида кальция СаО (негашеной извести) в гидроксид кальция Са(ОН)2 (гашеную известь) под действием воды (рис.5).

 

Рисунок 5 - Оксид кальция СаО присоединяет молекулу воды Н2О

с образованием гидроксида кальция Са(ОН)2

 

В отличие от математических уравнений, в уравнениях химических реакций нельзя переставлять левую и правую части. Вещества в левой части уравнения химической реакции называются реагентами, а в правой - продуктами реакции.

Если сделать перестановку левой и правой части в уравнении из рисунка 5, то получим уравнение совсем другой химической реакции

 

Ca(OH)2 = CaO + H2O

 

Если реакция между СаО и Н2О (рис. 4) начинается самопроизвольно и идет с выделением большого количества теплоты, то для проведения последней реакции, где реагентом служит Са(ОН)2, требуется сильное нагревание. Добавим также, что реагентами и продуктами могут быть не обязательно молекулы, но и атомы - если в реакции участвует какой-нибудь элемент или элементы в чистом виде, например

 

H2 + CuO = Cu + H2O

 

Таким образом, мы подошли к классификации химических реакций, которую рассмотрим в следующей главе.

 

2. Классификация химических реакций

 

В процессе изучения химии приходится встречаться с классификациями химических реакций по различным признакам (табл.1).

 

Таблица 1 - Классификация химических реакций

По тепловому эффекту	Экзотермические – протекают с выделением энергии 4Р + 5О2 = 2Р2О5 + Q; CH4 + 2О2 → СО2 + 2H2O + Q
	Эндотермические – протекают с поглощением энергии Cu(OH)2 CuO + H2O – Q; C8H18 C8H16 + H2 – Q
По числу и составу исходных и образовавшихся веществ	Реакции разложения – из одного сложного вещества образуется несколько более простых: СаСО3 СаО + СО2 C2H5OH → C2H4 + H2O
	Реакции соединения – из нескольких простых или сложных веществ образуется одно сложное: 2H2 + О2 → 2H2O C2H4 + H2 → C2H6
	Реакции замещения – атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе:  Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑ CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
	Реакции обмена – два сложных вещества обмениваются составными частями: AgNO3 + HCl = AgCl↓ + HNO3  HCOOH + CH3OH → HCOOCH3 + H2O
По агрегатному состоянию реагирующих веществ	Гетерогенные – исходные вещества и продукты реакции находятся в разных агрегатных состояниях: Fe(т) + CuCl2(р-р) → Cu(т) + FeCl2(р-р) 2Na(т) + 2C2H5OH(ж) → 2C2H5ONa(р-р) + H2(г) ↑
	Гомогенные – исходные вещества и продукты реакции находятся в одном агрегатном состоянии: H2(г) + Cl2(г) = 2HCl(г) C2H5OH(ж) + CH3COOH(ж) → CH3COOC2H5(ж) + H2O(ж)
По наличию катализатора	Каталитические 2H2O2 2H2O + О2↑ C2H4 + H2 C2H4
	Некаталитические S + О2 SO2 C2H2 + 2Cl2 → C2H2 Cl4
По направлению	Необратимые – протекают в данных условиях только в одном направлении: H2SO4 + BaCl2 → BaSO4+ 2HCl  CH4 + 2О2 → СО2 + 2H2O
	Обратимые – протекают в данных условиях одновременно в двух противоположных направлениях: 3H2 + N2 ↔ 2NH3 ; C2H4 + H2 ↔ C2H6
По изменению степени окисления атомов элементов	Окислительно-восстановительные – реакции, идущие с изменением степени окисления: Fe0 + 2H+1Cl-1 → Fe2+Cl2-1 + H20  H+1C0O-2 H+1 + H2 → C-2 H3+1 O-2 H+1
	Неокислительно-восстановительные – реакции, идущие без изменения степени окисления: S+4O4-2 + H2O → H2+ S+4O4-2  CH3NH2 + HCl → (CH3NH3)Cl

 

Как видим, существует различные способы классификации химических реакций, из которых более подробно мы рассмотрим следующие.

По признаку изменения числа исходных и конечных веществ. Здесь можно найти 4 типа химических реакций (рис.6): реакции соединения, реакции разложения, реакции обмена, реакции замещения.

 

Рисунок 6 – Классификация химических реакций по признаку изменения числа исходных и конечных веществ

 

Приведем примеры таких реакций. Для этого воспользуемся уравнением получения гашеной извести и уравнению получения негашеной извести

 

СаО + Н2О = Са(ОН)2

Са(ОН)2 = СаО + Н2О

 

Эти реакции относятся к разным типам химических реакций.

Первая реакция является типичной реакцией соединения, поскольку при ее протекании две молекулы реагентов СаО и Н2О соединяются в одну, более сложную молекулу Са(ОН)2.

Вторая реакция Са(ОН)2 = СаО + Н2О является типичной реакцией разложения: здесь реагент Ca(OH)2 разлагается с образованием двух других, более простых веществ (продуктов реакции).

В реакциях обмена количество реагентов и продуктов обычно одинаково. В таких реакциях исходные вещества обмениваются между собой атомами и даже целыми составными частями своих молекул. Например, при сливании раствора CaBr2 с раствором HF выпадает осадок. Происходит реакция, в которой ионы кальция и водорода обмениваются между собой ионами брома и фтора

 

CaBr2 + 2HF = CaF2¯ + 2HBr

 

При сливании растворов CaCl2 и Na2CO3 тоже выпадает осадок, потому что ионы кальция и натрия обмениваются между собой частицами CO32- и Cl–

 

CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3¯ + 2NaCl

 

Стрелка рядом с продуктом реакции показывает, что это соединение нерастворимо и выпадает в осадок. Таким образом, стрелку можно использовать и для обозначения удаления какого-нибудь продукта из химической реакции в виде осадка (¯ ) или газа ( ), например:

 

Zn + 2HCl = H2 + ZnCl2

 

Последняя реакция относится к еще одному типу химических реакций - реакциям замещения. Цинк заместил водород в его соединении с хлором - в HCl. Водород при этом выделяется в виде газа.

Реакции замещения внешне могут быть похожи на реакции обмена. Отличие заключается в том, что в реакциях замещения обязательно участвуют атомы какого-нибудь простого вещества, которые замещают атомы одного из элементов в сложном веществе, например

 

2NaBr + Cl2 = 2NaCl + Br2 – это реакция замещения;

 

в левой части уравнения есть простое вещество-молекула хлора Cl2, и в правой части есть простое вещество – молекула брома Br2.

В реакциях обмена - и реагенты и продукты являются сложными веществами, например

 

CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3¯ + 2NaCl – это реакция обмена;

 

в этом уравнении реагенты и продукты - сложные вещества.

Деление всех химических реакций на реакции соединения, разложения, замещения и обмена - не единственное.

Рассмотрим способ классификации по признаку изменения (или отсутствия изменения) степеней окисления у реагентов и продуктов. По этому признаку все реакции делятся на окислительно-восстановительные реакции и все прочие (т.е. не окислительно-восстановительные).

 

Рисунок 7 – Реакции с изменением степени окисления элементов

 

Так, рассмотренная выше реакция между Zn и HCl является не только реакцией замещения, но и окислительно-восстановительной реакцией, потому что в ней изменяются степени окисления реагирующих веществ

 

Zn0 + 2H+1Cl = H20 + Zn+2Cl2

 

это реакция замещения и одновременно окислительно-восстановительная реакция.

Окислительно-восстановительными являются также:

- реакции метана с кислородом (рис. 1):

 

 

меняют степень окисления углерод и кислород;

- реакция оксида меди с водородом:

 

 

меняют степень окисления водород и медь;

- реакция бромида натрия с  хлором:

 

 

меняют степень окисления бром и хлор.

Важно также отметить, что по разным признакам одна и та же реакция может быть отнесена одновременно к нескольким типам, например

 

 

 

- эта реакция относится к  реакциям: соединения, экзотермическим, окислительно-восстановительным, каталитическим и обратимым.

К окислительно-восстановительным в неорганической химии относятся все реакции замещения и те реакции разложения и соединения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество.

В более обобщенном варианте (уже с учетом и органической химии): все реакции с участием простых веществ, и наоборот, к реакциям, идущим без изменения степеней окисления элементов, образующих реагенты и продукты реакции, относятся все реакции обмена.

К окислительно-восстановительным относятся подавляющее большинство химических реакций, они играют исключительно важную роль.

Классификация окислительно-восстановительных реакций

Межмолекулярные (окислитель и восстановитель - разные вещества):