Химические реакции

Химические реакции окружают человека везде и всюду. Это процессы превращения материи, происходящие в природе и на производстве, которые сопровождаются изменением веществ. Химические реакции нужно отличать от физических явлений, когда превращений веществ не происходит, а изменяется только их агрегатное состояние, и от ядерных реакций – изменения атомных ядер при их взаимодействии с другими ядрами или элементарными частицами, результатом которых является образование новых элементов

Что такое химическая реакция

Химическая реакция — это такое взаимодействие частиц: атомов, молекул, ионов, радикалов при котором происходит перераспределение электронов между  взаимодействующими частицами и из одних химических веществ образуются другие, отличающиеся от исходных по составу, строению и свойствам.

Вещества, вступающие  в реакцию называют  реагенты, а вещества, образующиеся в ходе химической реакции — продукты

В ходе химической реакции разрушаются химические связи между атомами в исходных веществах и образуются новые в продуктах реакции. Число атомов и ядра в них в ходе реакции не изменяются. Изменяется электронное состояние атомов, их взаимоположение, то есть порядок соединения, а также изменяется внутренняя энергия продуктов реакции и реагентов.

Признаки химических реакций

• изменение цвета
• выделение газа
• выпадение или растворение осадка
• выделение или поглощение тепла
• появление запаха
• свечение
• звук

Классификация химических реакций

В основе классификации химических реакций лежат разные признаки. Но любую химическую реакцию как органическую, так и неорганическую, можно соотнести под каждый из таких признаков.В этой статье рассматривается классификация химических реакций по разным признакам

Отличие реакций в неорганической и органической химии

1. Органические реакции в отличии от неорганических  происходят между молекулами, при этом разрываются одни ковалентные связи и образуются новые.
2. Большинство органических реакций протекает медленнее неорганических, и для их осуществления  необходимо создавать специальные условия: повышать температуру, давление, применять катализаторы.
3. Органические реакции, в отличие от неорганических, редко протекают с высоким выходом продукта. Во многих случаях основная реакция сопровождается несколькими побочными, поэтому выход основного продукта в таких реакциях составляет менее 50%. Это связано с тем, что многие из них обратимы, т. е. могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении.

Классификация по числу и составу исходных и образующихся веществ

Реакции, идущие без изменения состава веществ

Химических реакций, идущих без изменения числа и состава исходных веществ и продуктов реакции не так много. В неорганической химии — это реакции образования простых веществ (аллотропных модификаций) одним и тем же элементом, с разным строением и свойствами,

например: S₈ ромбическая → S₈ моноклинная

В органической химии к таким реакциям относятся реакции перестройки углеродных цепей (изомеризация), когда из одного вещества под действием определенных условий, создаваемых для реакции(температура, применение катализатора), образуется вещество с другой структурой, но тем же составом — изомер.

Например, образование из бутана изобутана (2-метилпропана):

CH₃-CH₂-CH₂-CH₃  ⇒ CH₃-CH(CH₃)-CH₃

Реакции с изменением состава веществ

Реакции соединения — это  реакции, в которых из двух и более простых или менее сложных веществ образуется одно новое сложное вещество

В неорганической химии к реакциям соединения относятся

реакции горения:CH₄ + 2O₂ ⇒CO₂ + 2H₂O   и взаимодействие основных оксидов с кислотными: например, реакция взаимодействия оксида кальция с оксидом углерода (IV): CaCO₃ → CaO + CO₂ ↑

В органической химии подобные реакции называются реакциями присоединения

Реакции присоединения — это такие реакции, в ходе которых к исходной молекуле (субстрату) присоединяется другая молекула (реагент) в результате чего образуется новое вещество. В зависимости от присоединяемого вещества реакции будут иметь разные названия:

гидрирования (присоединение водорода)

СН₂=СН₂ + Н₂ ⇒ СН₃ — СН₃

галогенирования (присоединение галогенов: хлор, бром, йод)

СН₂=СН₂ + Сl₂ ⇒ СН₂Сl — СН₂Сl

гидрогалогенирования (присоединение галогеноводородов  — НГаl)

СН₂=СН₂ + НСl ⇒ СН₃ — СН₂Сl

гидратации (присоединение воды)

СН₂=СН₂ + Н₂О ⇒ СН₃ — СН₂ОН

полимеризации (присоединение молекул друг к другу при наличии в них кратных связей)

nСН2=СН2 + СН2 = СН2 ⇒ ( — СН2 — СН2 -)n (реакция получения полиэтилена)

Реакции разложения — это такие реакции, в ходе которых из одного сложного вещества образуется два и более простых или менее сложных веществ

Пример реакции: CaCO₃ → CaO + CO₂ ↑

схема реакции разложения

Реакции разложения в органической химии разделяют на собственно реакции разложения, которые происходят с разрывом углеродной цепи  и реакции отщепления.

Реакции отщепления  или элиминирования — это  реакции, в процессе которых  от исходной молекулы отрываются атомы или или  группы атомов, а углеродный скелет молекулы сохраняется. В названии таких реакций используют приставку «де».

Например реакция дегидрирования пропана: СН₃ — СН₂ — СН₃ ⇒ СН₂ = СН — СН₃ + Н₂  

Пример реакции разложения (крекинга) гексана C₆H₁₄ ⇒ С₃Н₈ + С₃Н₆  

В реакциях разложения (термического расщепления) органических веществ происходит разрыв углеродной цепи молекулы на более короткие цепочки. Такие реакции протекают в жестких условиях при высокой температуре (400-500 ºС) и в присутствии катализатора. Этот процесс является важнейшей стадией переработки углеводородов.

Реакции замещения — это такие реакции в процессе протекания которых атомы или  группы

атомов одного вещества замещаются на атомы или атомные группы другого вещества

схема реакции замещения

Пример реакции взаимодействия соляной кислоты с цинком: 2НСl + Zn ⇒ ZnCl₂ + H₂

Замещаться могут не только отдельные атомы, но и молекулы

Например, при сплавлении оксидов с солями, менее летучие оксиды вытесняют более летучие из солей. Так, нелетучий оксид кремния вытесняет оксид серы (IV) из сульфита натрия при сплавлении:

Na₂SO₃ + SiO₂ ⇒ Na₂SiO₃ + SO₂↑

В органической химии реакции замещения — это такие реакции, в процессе протекания которых в исходной  молекуле (субстрате) часть атомов замещается на другие атомы или группы атомов молекулы-заместителя. При этом продуктами реакции будут измененная исходная молекула (субстрат) и новая, образовавшаяся из двух частей: замещенных частиц исходной молекулы и части молекулы-заместителя.

Например, реакция хлорирования метана: CH₄ + Cl₂ ⇒ CH₃Cl + HCl

По числу исходных частиц и составу продуктов эта реакция больше похожа на реакцию обмена, но по механизму такая реакция является реакцией замещения

Реакциями обмена — называются реакции, протекающие между двумя сложными веществами, при которых их составные части обмениваются местами по схеме:

схема реакции обмена      AB + CD = AC + ВD

Например:Fe₂(SO₄)₃  + 3BaCl₂  ⇒ 3BaSO₄↓ + 2FeCl₃

В неорганической химии большинство реакций обмена протекают в растворах электролитов между ионами и поэтому их называют реакциями ионного обмена или ионными реакциями

Реакции ионного обмена идут до конца в трех случаях:

Образование осадка:

Fe₂(SO₄)₃  + 3BaCl₂  ⇒ 3BaSO₄↓ + 2FeCl₃ (уравнение в молекулярном виде)

Ионные уравнения : 2Fe³⁺ + 3SO₄ ^2- + 3Ba²⁺ + 6Cl^— → 3BaSO4 ↓ + 2Fe³⁺+ 6Cl^—    (полное)

3Ba²⁺ + 3SO₄ ^2- →  3BaSO₄   (сокращенное)

Образование газообразного вещества

Na₂CO₃ + 2HCl ⇒ 2NaCl + CO₂ ↑ + H₂O (в молекулярном виде)

Ионные: 2Na⁺ + CO₃ ^2- + 2H⁺ + 2Cl^—  ⇒ 2Na⁺ + 2Cl^— + CO₂↑ + H₂O (полное)

2H⁺  +  CO₃ ^2-  ⇒ CO₂ ↑ + H₂O  (сокращенное)

Образование малодиссоциирующего вещества — воды

NaOH + HNO₃ ⇒ NaNO₃ + H₂O (молекулярное)

Ионные: Na⁺+OH^— + H⁺+ NO₃ ^— ⇒ Na⁺ + NO₃ ^— + H₂O (полное)

H⁺ +OH^—  ⇒ H₂O (сокращенное)

https://bioshim.ru/chemistry/reaktsii-ionnogo-obmena

Классификация  по изменению степени окисления

По изменению степени окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ, химические реакции делят на реакции, идущие без изменения степени окисления (протолитические реакции и реакции обмена) и окислительно-восстановительные реакции. https://bioshim.ru/rubriki/okislitelno-vosstanovitelnye-reaktsii

Классификация по тепловому эффекту

Все химические реакции протекают  с выделением или поглощением теплоты

То количество теплоты, которое поглощается или выделяется  в ходе реакции, называют тепловым эффектом химической реакции

По тепловому эффекту все реакции делят на два вида:

Экзотермические реакции

К экзотермическим относятся  реакции, которые протекают с выделением теплоты. Теплоту обозначают буквой Q и ставят в продуктах реакции со знаком «+»

Например, реакция горения этана:

2 С₂Н₆ + 7О₂ ⇒ 4СО₂ + 6Н₂О + Q

К реакциям, идущим с выделением теплоты (экзотермическим), кроме реакций горения, относятся почти все реакции соединения (исключение реакция азота с кислородом с образованием оксида азота (II) — эндотермическая: N₂ + O₂ = 2NO –Q), реакции сопровождающиеся взрывом, разложения дихромата аммония, образования аммиака: N₂ + 3H₂ ⇒ 2NH₃ , реакции нейтрализации, алюмотермия, синтез аммиака, и реакции в которых из менее стабильных веществ образуются более стабильные

Экзотермические реакции, в процессе протекания которых выделяется свет, называют реакциями горения. Например, реакция горения пропана:

С₃Н₈ + 5О₂  ⇒ 3СО₂  + 4Н₂О + Q

Эндотермические

Эндотермические — это реакции, которые протекают с поглощением теплоты. Теплоту в эндотермический реакции принято указывать со знаком «-«

Например, реакция разложения малахита:

Cu₂CO₃ (OH)₂  → CuO  + CO₂  + H₂O — Q

Химические уравнения, в которых указано количество теплоты, выделяемое или поглощаемое при реакции, называются термохимическими

Например: H₂ + Cl₂ = 2HCl + 184,6 кДЖ. В термохимических уравнениях вместо стрелки ставят знак равенства.

Классификация реакций по агрегатному состоянию реагирующих веществ (фазовому составу)

Все вещества при обычных условиях могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. В химические взаимодействия могут вступать вещества, находясь в разных агрегатных состояниях.

Реагирующие вещества находящиеся в одинаковом агрегатном состоянии (в одинаковой фазе ), и протекающие  в однородной среде  во всем объеме реакционной смеси,  называться  гомогенными. К гомогенным реакциям относят реакции типа газ-газ, жидкость – жидкость, например, реакция соединения газообразных веществ, водорода с хлором: Н₂(г) + Сl₂(г) = 2НСl(г)

Гетерогенными называют такие реакции, в которых реагирующие вещества и продукты  реакции находятся в разных фазах, то есть в разных агрегатных состояниях. В таких реакциях взаимодействие частиц происходит непосредственно на границе соприкосновения фаз. К таким реакциям относят  взаимодействия типа  газ – жидкость, газ —  твердое вещество, жидкость – твердое вещество. Например, реакция горения серы на воздухе: S(т) + O₂(г) = SO₂(г) 

Чтобы классифицировать реакции по фазовому состоянию, нужно уметь определять фазовое состояние реагирующих веществ. Для этого можно использовать знания о строении вещества и типах кристаллических решеток. Обычно твердые вещества при обычных условиях имеют металлическую, атомную и ионную решетку, а вещества с молекулярной – жидкие или газообразные

Классификация по участию катализатора

При осуществлении многих химических реакций, требуется ускорить их протекание, особенно при производстве важных и необходимых продуктов, или наоборот замедлить те  химические реакции, которые с точки зрения пользы и вреда для человека — нежелательны, например, ржавление железных конструкций. В таких случая  большая роль принадлежит специальным веществам, которые либо ускоряют химический процесс, либо замедляют его.

Явление ускорения химических реакций благодаря присутствию некоторых веществ носит название катализа, а замедление – ингибирования.

Вещества, которые ускорят химические реакции, активно участвуют в них, но сами в итоге не расходуются, называются катализаторами. Вещества, которые замедляют скорость химических реакций, называются ингибиторами

Реакции, протекающие под действием катализаторов, называются каталитическими

Независимо от того, в какой среде протекает химическая реакция – гомогенной или гетерогенной, сущность действия катализаторов одна и та же: катализаторы активно участвуют в данной реакции с образованием различных промежуточных соединений.

Например, реакция этилена с водой. Для ее протекания применяют  в лабораторных условиях применят серную кислоту, а при производстве этанола – ортофосфорную.   Этилен непосредственно с водой не реагирует.

Механизм реакции:

На первой стадии образуется промежуточный продукт — этилсульфат CH₂=CH₂ + Н – О – SО₂ – ОН → СН₃ – СН₂ – О — SО₂ – ОН (этилсульфат)

На второй стадии этилсульфат взаимодействует с водой: СН₃ – СН₂–О — SО₂–ОН + НОН → СН₃–СН₂–ОН + НО–SО₂ –ОН

Реакции, которые идут без участия катализаторов, называются некаталитическими.

Многие реакции протекают без участия катализаторов, например реакции взаимодействия сульфата меди (II) с гидроксидом натрия:

CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂ + Na₂SO₄

В клетках живых организмов все реакции протекают с участием веществ белковой природы — ферментов — биологических катализаторов

Реакции с участием ферментов называют ферментативными

Классификация химических реакций по направлению

По направлению различают два типа химических реакций

Необратимые реакции

Необратимые — это реакции, протекающие в данных условиях только в одном направлении до образования продуктов, не способных взаимодействовать друг с другом

К таким реакциям относят: все реакции горения, обмена с образованием осадка, газа или воды, а также некоторые другие реакции, например: разложения,  взаимодействие щелочных металлов с водой, реакции со взрывом и другие

Пример необратимых реакций:

2К + 2Н₂О → 2КОН + Н₂  ↑  

K₂SO₃ + HCl →KCl + H₂O + SO₂ ↑

Обратимые реакции

Обратимыми называют реакции, протекающие в данных условиях (в замкнутой системе) одновременно в двух направлениях

К ним относят реакции: гидролиз неорганических и органических веществ, этерификации, гидрирование-дегидрирование, гидратация- дегидратация, полимеризация – деполимеризация, получение аммиака из простых веществ и другие.

Пример обратимых реакций:

CO + O₂ ⇔ 2CO₂ + Q

2NO  ⇔  N₂O₄

Химические реакции по механизму протекания

При любых химических реакциях происходит разрыв старых и образование новых химических связей. Способ разрыва связи в молекулах исходного вещества определяет механизм (путь) реакции. По механизму протекания различают радикальные реакции и ионные реакции

Радикальные

Радикальные реакции идут между образующимися в ходе реакции радикалами и молекулами

Радикалы – это реакционноспособные  частицы с неспаренным электроном. Радикалы чаще всего образуются при гомолитическом разрыве химических связей общих электронных пар между атомами с неполярной ковалентной связью.

Механизм: Cl∙ + H ꞉ H → H ꞉ Cl + H∙ + Cl ꞉ Cl → H ꞉ Cl  + Cl∙

По радикальному механизму протекает большинство реакций горения органических и неорганических веществ, синтез воды, аммиака, полимеризация этилена и другие

Реакции, представляющие собой цепь последовательных превращений, называют цепными реакциями

Ионные

Ионные реакции протекают между уже имеющимися ионами или образующимися в ходе реакции, ионами

Ионы — это заряженные частицы, образующиеся при отдаче или принятии электронов. Положительно заряженные частицы — катионы. Отрицательно заряженные — анионы. Ионы образуются при гетеролитическом разрыве ковалентных полярных связей:  при диссоциации электролитов в растворах,  под действием электрических     разрядов, нагревания или излучений

Реакции, представляющие собой цепь последовательных превращений, называют цепными реакциями

Механизм:

H ꞉Br꞉  → H ⁺  +  [꞉Br꞉]^— ;    Na∙ + ꞉Cl∙  → Na⁺ + [꞉Cl∙]^—

Типичные ионные реакции – это взаимодействие между ионами в растворах   электролитов

По радикальному механизму протекает большинство реакций горения органических и неорганических веществ, синтез воды, аммиака, полимеризация этилена и другие

По ионному механизму происходят реакции в растворах электролитов, присоединения к алкенам галогеноводородов, водорода, галогенов, окисление и дегидратация спиртов

Алгоритм составления уравнений химических реакций

таблица алгоритма