Химические свойства веществ выявляются в разнообразных химических реакциях.
Превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и (или) строения, называются химическими реакциями. Часто встречается и такое определение: химической реакцией называется процесс превращения исходных веществ (реагентов) в конечные вещества (продукты).
Химические реакции записываются посредством химических уравнений и схем, содержащих формулы исходных веществ и продуктов реакции. В химических уравнениях, в отличие от схем, число атомов каждого элемента одинаково в левой и правой частях, что отражает закон сохранения массы.
В левой части уравнения пишутся формулы исходных веществ (реагентов), в правой части - веществ, получаемых в результате протекания химической реакции (продуктов реакции, конечных веществ). Знак равенства, связывающий левую и правую часть, указывает, что общее количество атомов веществ, участвующих в реакции, остается постоянным. Это достигается расстановкой перед формулами целочисленных стехиометрических коэффициентов, показывающих количественные соотношения между реагентами и продуктами реакции.
Химические уравнения могут содержать дополнительные сведения об особенностях протекания реакции. Если химическая реакция протекает под влиянием внешних воздействий (температура, давление, излучение и т.д.), это указывается соответствующим символом, как правило, над (или под ) знаком равенства.
Огромное число химических реакций может быть сгруппировано в несколько типов реакций, которым присущи вполне определенные признаки.
В качестве классификационных признаков могут быть выбраны следующие:
1. Число и состав исходных веществ и продуктов реакции.
2. Агрегатное состояние реагентов и продуктов реакции.
3. Число фаз, в которых находятся участники реакции.
4. Природа переносимых частиц.
5. Возможность протекания реакции в прямом и обратном направлении.
6. Знак теплового эффекта разделяет все реакции на: экзотермические реакции, протекающие с экзо-эффектом - выделение энергии в форме теплоты (Q>0, ∆H <0):
С +О2 = СО2 + Q
и эндотермические реакции, протекающие с эндо-эффектом - поглощением энергии в форме теплоты (Q<0, ∆H >0):
N2 +О2 = 2NО - Q.
Такие реакции относят к термохимическим.
Рассмотрим более подробно каждый из типов реакций.
Классификация по числу и составу реагентов и конечных веществ
1. Реакции соединения
При реакциях соединения из нескольких реагирующих веществ относительно простого состава получается одно вещество более сложного состава:
A + B + C = D
Как правило, эти реакции сопровождаются выделением тепла, т.е. приводят к образованию более устойчивых и менее богатых энергией соединений.
Реакции соединения простых веществ всегда носят окислительно-восстановительный характер. Реакции соединения, протекающие между сложными веществами, могут происходить как без изменения валентности:
СаСО3 + СО2 + Н2О = Са(НСО3)2,
так и относиться к числу окислительно-восстановительных:
2FеСl2 + Сl2 = 2FеСl3.
2. Реакции разложения
Реакции разложения приводят к образованию нескольких соединений из одного сложного вещества:
А = В + С + D.
Продуктами разложения сложного вещества могут быть как простые, так и сложные вещества.
Из реакций разложения, протекающих без изменения валентных состояний, следует отметить разложение кристаллогидратов, оснований, кислот и солей кислородсодержащих кислот:
to |
||
CuSO4 5H2O |
= |
CuSO4 + 5H2O |
to |
||
Cu(OH)2 |
= |
CuO + H2O |
to |
||
H2SiO3 |
= |
SiO2 + H2O. |
К реакциям разложения окислительно-восстановительного характера относится разложение оксидов, кислот и солей, образованных элементами в высших степенях окисления:
to |
||
2SO3 |
= |
2SO2 + O2. |
to |
||
4HNO3 |
= |
2H2O + 4NO2O + O2O. |
2AgNO3 = 2Ag + 2NO2 + O2,
(NH4)2Cr2O7 = Cr2O3 + N2 + 4H2O.
Особенно характерны окислительно-восстановительные реакции разложения для солей азотной кислоты.
Реакции разложения в органической химии носят название крекинга:
С18H38 = С9H18 + С9H20,
или дегидрирования
C4H10 = C4H6 + 2H2.
3. Реакции замещения
При реакциях замещения обычно простое вещество взаимодействует со сложным, образуя другое простое вещество и другое сложное:
А + ВС = АВ + С.
Эти реакции в подавляющем большинстве принадлежат к окислительно-восстановительным:
2Аl + Fe2O3 = 2Fе + Аl2О3,
Zn + 2НСl = ZnСl2 + Н2,
2КВr + Сl2 = 2КСl + Вr2,
2КСlO3 + l2 = 2KlO3 + Сl2.
Примеры реакций замещения, не сопровождающихся изменением валентных состояний атомов, крайне немногочисленны. Следует отметить реакцию двуокиси кремния с солями кислородсодержащих кислот, которым отвечают газообразные или летучие ангидриды:
СаСО3+ SiO2 = СаSiO3 + СО2,
Са3(РО4)2 + ЗSiO2 = ЗСаSiO3 + Р2О5,
Иногда эти реакции рассматривают как реакции обмена:
СН4 + Сl2 = СН3Сl + НСl.
4. Реакции обмена
Реакциями обмена называют реакции между двумя соединениями, которые обмениваются между собой своими составными частями:
АВ + СD = АD + СВ.
Если при реакциях замещения протекают окислительно-восстановительные процессы, то реакции обмена всегда происходят без изменения валентного состояния атомов. Это наиболее распространенная группа реакций между сложными веществами - оксидами, основаниями, кислотами и солями:
ZnO + Н2SО4 = ZnSО4 + Н2О,
AgNО3 + КВr = АgВr + КNО3,
СrСl3 + ЗNаОН = Сr(ОН)3 + ЗNаСl.
Частный случай этих реакций обмена - реакции нейтрализации:
НСl + КОН = КСl + Н2О.
Обычно эти реакции подчиняются законам химического равновесия и протекают в том направлении, где хотя бы одно из веществ удаляется из сферы реакции в виде газообразного, летучего вещества, осадка или малодиссоциирующего (для растворов) соединения:
NаНСО3 + НСl = NаСl + Н2О + СО2↑,
Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3↓ + 2Н2О,
СН3СООNа + Н3РО4 = СН3СООН + NаН2РО4.
5. Реакции переноса.
При реакциях переноса атом или группа атомов переходит от одной структурной единицы к другой:
АВ + ВС = А + В2С,
А2В + 2СВ2 = АСВ2 +АСВ3.
Например:
2AgCl + SnCl2 = 2Ag + SnCl4,
H2O + 2NO2 = HNO2 + HNO3.
Классификация реакций по фазовым признакам
В зависимости от агрегатного состояния реагирующих веществ различают следующие реакции:
1. Газовые реакции
to |
||
H2 + Cl2 |
2HCl. |
2. Реакции в растворах
NaОН(р-р) + НСl(p-p) = NaСl(p-p) + Н2О(ж)
3. Реакции между твердыми веществами
to |
||
СаО(тв) +SiO2(тв) |
= |
СаSiO3(тв) |
Классификация реакций по числу фаз.
Под фазой понимают совокупность однородных частей системы с одинаковыми физическими и химическими свойствами и отделенных друг от друга поверхностью раздела.
Все многообразие реакций с этой точки зрения можно разделить на два класса:
1.Гомогенные (однофазные) реакции. К ним относят реакции, протекающие в газовой фазе, и целый ряд реакций, протекающих в растворах .
2.Гетерогенные (многофазные) реакции. К ним относят реакции, в которых реагенты и продукты реакции находятся в разных фазах. Например:
газожидкофазные реакции
CO2(г) + NaOH(p-p) = NaHCO3(p-p).
газотвердофазные реакции
СO2(г) + СаО(тв) = СаСO3(тв).
жидкотвердофазные реакции
Na2SO4(р-р) + ВаСl3(р-р) = ВаSО4(тв)↓ + 2NaСl(p-p).
жидкогазотвердофазные реакции
Са(НСО3)2(р-р) + Н2SО4(р-р) = СО2(r)↑ +Н2О(ж) + СаSО4(тв)↓.
Классификация реакций по типу переносимых частиц
1. Протолитические реакции.
К протолитическим реакциям относят химические процессы, суть которых заключается в переносе протона от одних реагирующих веществ к другим.
В основе этой классификации лежит протолитическая теория кислот и оснований, в соответствии с которой кислотой считают любое вещество, отдающее протон, а основанием - вещество, способное присоединять протон, например:
CH3COOH |
+ H2O = |
CH3COO- + |
H3O+ |
кислотаI |
основаниеI |
основаниеI |
кислотаII |
NH3 + |
H2O = |
NH4+ + |
OH- |
основаниеI |
кислотаII |
кислотаII |
основаниеII |
К протолитическим реакциям относят реакции нейтрализации и гидролиза.
2. Окислительно-восстановительные реакции.
К таковым относят реакции, в которых реагирующие вещества обмениваются электронами, изменяя при этом степени окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ. Например:
Zn + 2H+ → Zn2+ + H2↑,
FeS2 + 8HNO3(конц) = Fe(NO3)3 + 5NO↑ + 2H2SO4 + 2H2O,
Подавляющее большинство химических реакций относятся к окислительно-восстановительным, они играют исключительно важную роль.
3. Лиганднообменные реакции.
К таковым относят реакции, в ходе которых происходит перенос электронной пары с образованием ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму. Например:
Cu(NO3)2 + 4NH3 = [Cu(NH3)4](NO3)2,
Fe + 5CO = [Fe(CO)5],
Al(OH)3 + NaOH = [NaAl(OH)4].
Характерной особенностью лиганднообменных реакций является то, что образование новых соединений, называемых комплексными, происходит без изменения степени окисления.
4. Реакции атомно-молекулярного обмена.
К данному типу реакций относятся многие из изучаемых в органической химии реакций замещения, протекающие по радикальному, электрофильному или нуклеофильному механизму.
Обратимые и необратимые химические реакции
Обратимыми называют такие химические процессы, продукты которых способны реагировать друг с другом в тех же условиях, в которых они получены, с образованием исходных веществ.
Для обратимых реакций уравнение принято записывать следующим образом:
А + В АВ.
Две противоположно направленные стрелки указывают на то, что при одних и тех же условиях одновременно протекает как прямая, так и обратная реакция, например:
СН3СООН + С2Н5ОН СН3СООС2Н5 + Н2О.
Необратимыми называют такие химические процессы, продукты которых не способны реагировать друг с другом с образованием исходных веществ. Примерами необратимых реакций может служить разложение бертолетовой соли при нагревании:
2КСlО3 → 2КСl + ЗО2↑,
или окисление глюкозы кислородом воздуха:
С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О.
