Классификация химических реакций по тепловому эффекту. Обратимые и необратимые реакции

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Химическими реакция называют превращения веществ, в которых происходит изменение их состава и (или) строения.

Наиболее часто под химическими реакциями понимают процесс превращения исходных веществ (реагентов) в конечные вещества (продукты).

Химические реакции записываются с помощью химических уравнений, содержащих формулы исходных веществ и продуктов реакции. Согласно закону сохранения массы, число атомов каждого элемента в левой и правой частях химического уравнения одинаково. Обычно формулы исходных веществ записывают в левой части уравнения, а формулы продуктов – в правой. Равенство числа атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения достигается расстановкой перед формулами веществ целочисленных стехиометрических коэффициентов.

Химические уравнения могут содержать дополнительные сведения об особенностях протекания реакции: температура, давление, излучение и т.д., что указывается соответствующим символом над (или «под») знаком равенства.

Все химические реакции могут быть сгруппированы в несколько классов, которым присущи определенные признаки.

Классификация химических реакций по числу и составу исходных и образующихся веществ

Согласно этой классификации, химические реакции подразделяются на реакции соединения, разложения, замещения, обмена.

В результате реакций соединения из двух или более (сложных или простых) веществ образуется одно новое вещество. В общем виде уравнение такой химической реакции будет выглядеть следующим образом:

Например:

СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Са(НСО 3) 2

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4

2Mg + O 2 = 2MgO.

2FеСl 2 + Сl 2 = 2FеСl 3

Реакции соединения в большинстве случаев экзотермические, т.е. протекают с выделением тепла. Если в реакции участвуют простые вещества, то такие реакции чаще всего являются окислительно-восстановительными (ОВР), т.е. протекают с изменением степеней окисления элементов. Однозначно сказать будет ли реакция соединения между сложными веществами относиться к ОВР нельзя.

Реакции, в результате которых из одного сложного вещества образуется несколько других новых веществ (сложных или простых) относят к реакциям разложения . В общем виде уравнение химической реакции разложения будет выглядеть следующим образом:

Например:

CaCO 3 CaO + CO 2 (1)

2H 2 O =2H 2 + O 2 (2)

CuSO 4 × 5H 2 O = CuSO 4 + 5H 2 O (3)

Cu(OH) 2 = CuO + H 2 O (4)

H 2 SiO 3 = SiO 2 + H 2 O (5)

2SO 3 =2SO 2 + O 2 (6)

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 = Cr 2 O 3 + N 2 +4H 2 O (7)

Большинство реакций разложения протекает при нагревании (1,4,5). Возможно разложение под действием электрического тока (2). Разложение кристаллогидратов, кислот, оснований и солей кислородсодержащих кислот (1, 3, 4, 5, 7) протекает без изменения степеней окисления элементов, т.е. эти реакции не относятся к ОВР. К ОВР реакциям разложения относится разложение оксидов, кислот и солей, образованных элементами в высших степенях окисления (6).

Реакции разложения встречаются и в органической химии, но под другими названиями — крекинг (8), дегидрирование (9):

С 18 H 38 = С 9 H 18 + С 9 H 20 (8)

C 4 H 10 = C 4 H 6 + 2H 2 (9)

При реакциях замещения простое вещество взаимодействует со сложным, образуя новое простое и новое сложное вещество. В общем виде уравнение химической реакции замещения будет выглядеть следующим образом:

Например:

2Аl + Fe 2 O 3 = 2Fе + Аl 2 О 3 (1)

Zn + 2НСl = ZnСl 2 + Н 2 (2)

2КВr + Сl 2 = 2КСl + Вr 2 (3)

2КСlO 3 + l 2 = 2KlO 3 + Сl 2 (4)

СаСО 3 + SiO 2 = СаSiO 3 + СО 2 (5)

Са 3 (РО 4) 2 + ЗSiO 2 = ЗСаSiO 3 + Р 2 О 5 (6)

СН 4 + Сl 2 = СН 3 Сl + НСl (7)

Реакции замещения в своем большинстве являются окислительно-восстановительными (1 – 4, 7). Примеры реакций разложения, в которых не происходит изменения степеней окисления немногочисленны (5, 6).

Реакциями обмена называют реакции, протекающие между сложными веществами, при которых они обмениваются своими составными частями. Обычно этот термин применяют для реакций с участием ионов, находящихся в водном растворе. В общем виде уравнение химической реакции обмена будет выглядеть следующим образом:

АВ + СD = АD + СВ

Например:

CuO + 2HCl = CuCl 2 + H 2 O (1)

NaOH + HCl = NaCl + H 2 O (2)

NаНСО 3 + НСl = NаСl + Н 2 О + СО 2 (3)

AgNО 3 + КВr = АgВr ↓ + КNО 3 (4)

СrСl 3 + ЗNаОН = Сr(ОН) 3 ↓+ ЗNаСl (5)

Реакции обмена не являются окислительно-восстановительными. Частный случай этих реакций обмена -реакции нейтрализации (реакции взаимодействия кислот со щелочами) (2). Реакции обмена протекают в том направлении, где хотя бы одно из веществ удаляется из сферы реакции в виде газообразного вещества (3), осадка (4, 5) или малодиссоциирующего соединения, чаще всего воды (1, 2).

Классификация химических реакций по изменениям степеней окисления

В зависимости от изменения степеней окисления элементов, входящих в состав реагентов и продуктов реакции все химические реакции подразделяются на окислительно-восстановительные (1, 2) и, протекающие без изменения степени окисления (3, 4).

2Mg + CO 2 = 2MgO + C (1)

Mg 0 – 2e = Mg 2+ (восстановитель)

С 4+ + 4e = C 0 (окислитель)

FeS 2 + 8HNO 3 (конц) = Fe(NO 3) 3 + 5NO + 2H 2 SO 4 + 2H 2 O (2)

Fe 2+ -e = Fe 3+ (восстановитель)

N 5+ +3e = N 2+ (окислитель)

AgNO 3 +HCl = AgCl ↓ + HNO 3 (3)

Ca(OH) 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 ↓ + H 2 O (4)

Классификация химических реакций по тепловому эффекту

В зависимости от того, выделяется ли или поглощается тепло (энергия) в ходе реакции, все химические реакции условно разделяют на экзо – (1, 2) и эндотермические (3), соответственно. Количество тепла (энергии), выделившееся или поглотившееся в ходе реакции называют тепловым эффектом реакции. Если в уравнении указано количество выделившейся или поглощенной теплоты, то такие уравнения называются термохимическими.

N 2 + 3H 2 = 2NH 3 +46,2 кДж (1)

2Mg + O 2 = 2MgO + 602, 5 кДж (2)

N 2 + O 2 = 2NO – 90,4 кДж (3)

Классификация химических реакций по направлению протекания реакции

По направлению протекания реакции различают обратимые (химические процессы, продукты которых способны реагировать друг с другом в тех же условиях, в которых они получены, с образованием исходных веществ) и необратимые (химические процессы, продукты которых не способны реагировать друг с другом с образованием исходных веществ).

Для обратимых реакций уравнение в общем виде принято записывать следующим образом:

А + В ↔ АВ

Например:

СН 3 СООН + С 2 Н 5 ОН↔ Н 3 СООС 2 Н 5 + Н 2 О

Примерами необратимых реакций может служить следующие реакции:

2КСlО 3 → 2КСl + ЗО 2

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6Н 2 О

Свидетельством необратимости реакции может служить выделение в качестве продуктов реакции газообразного вещества, осадка или малодиссоциирующего соединения, чаще всего воды.

Классификация химических реакций по наличию катализатора

С этой точи зрения выделяют каталитические и некаталитические реакции.

Катализатором называют вещество, ускоряющее ход химической реакции. Реакции, протекающие с участием катализаторов, называются каталитическими. Протекание некоторых реакций вообще невозможно без присутствия катализатора:

2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (катализатор MnO 2)

Нередко один из продуктов реакции служит катализатором, ускоряющим эту реакцию (автокаталитические реакции):

MeO+ 2HF = MeF 2 + H 2 O, где Ме – металл.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Классификация химических реакций.

Химические реакции классифицируют по изменению числа и состава исходных веществ и продуктов реакции на следующие виды:

реакции соединения - несколько веществ соединяются в один продукт;

реакции разложения - из одного исходного вещества образуется несколько продуктов;

реакции замещения - простое вещество замещает часть атомов сложного вещества;

реакции обмена - сложные вещества обмениваются своими составными частями.

По тепловому эффекту химические реакции можно подразделить на экзотермические - протекающие с выделением теплоты и эндотермические - протекающие с поглощением теплоты.

С учетом явления катализа реакции могут быть каталитические - с применением катализаторов и некаталитические - без применения катализаторов.

По изменению степени окисления реакции делятся на окислительно-восстановительные – в них происходит изменение степеней окисления атомов, и на реакции без изменения степеней окисления атомов.

По признаку наличия поверхности раздела фаз реакции делятся на гомогенные и гетерогенные . Гомогенные протекают в одной фазе, гетерогенные – на поверхности раздела фаз.

По признаку обратимости реакции делят на обратимые и необратимые. Необратимые реакции протекают до конца, пока вещества не прореагируют полностью; обратимые – до достижения химического равновесия, которое характеризуется равными скоростями протекания прямой и обратной реакций и наличием в реакционной смеси одновременно и исходных веществ, и продуктов реакции.

Химическое равновесие является динамическим, и его можно сместить в ту или иную сторону изменяя условия реакции (концентрации веществ, температуру, давление). Предсказать направление смещения равновесия можно с помощью принципа Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывают воздействие внешние факторы, то равновесие в системе смещается в сторону той реакции, которая ослабляет это воздействие.

Химические реакции протекают с определенными скоростями. Раздел химии, который изучает влияние различных факторов на скорость химической реакции, а также механизмы химических превращений, называется химическая кинетика.

Факторы, влияющие на скорость протекания химической реакции: температура, давление, концентрация веществ, присутствие катализатора.

Влияние температуры на скорость реакций определяется правилом Вант-Гоффа: в интервале температур от 0 о С до 100 о С при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость химической реакции возрастает в 2-4 раза.

Катализ - избирательное ускорение одного из направлений химической реакции под действием катализатора. Катализаторы принимают участие в промежуточных процессах, но восстанавливаются в конце реакции. Явление катализа распространено в природе (большинство процессов, происходящих в живых организмах, являются каталитическими) и широко используется в технике (в нефтепереработке и нефтехимии, в производстве серной кислоты, аммиака, азотной кислоты и др.). Большая часть всех промышленных реакций - это каталитические.

Существует отрицательный катализ или ингибирование.Ингибиторы – вещества, замедляющие протекание химической реакции (например, ингибиторы коррозии).

Особую группу образуют автокаталитические реакции. В них один из продуктов реакции служит катализатором превращения исходных веществ.

Природные катализаторы называются ферментами, ферменты ускоряют биохимические процессы внутри организма. Исходными веществами для синтеза ферментов являются коферменты. Ряд коферментов организм не может синтезировать из пищи и должен получать их в готовом виде. Это, например, витамины.

1. По признаку изменения степеней окисления элементов в молекулах реагирующих веществ все реакции делятся на:

а) окислительно-восстановительные реакции (реакции с переносом электронов);

б) не окислительно-восстановительные реакции (реакции без переноса электронов).

2. По знаку теплового эффекта все реакции делятся на:

а) экзотермические (идущие с выделением теплоты);

б) эндотермические (идущие с поглощением теплоты).

3. По признаку однородности реакционной системы реакции делятся на:

а) гомогенные (протекающие в однородной системе);

б) гетерогенные (протекающие в неоднородной системе)

4. В зависимости от присутствия или отсутствия катализа­тора реакции делятся на:

а) каталитические (идущие с участием катализатора);

б) некаталитические (идущие без катализатора).

5. По признаку обратимости все химические реакции делят­ся на:

а) необратимые (протекающие только в одном направ­лении);

б) обратимые (протекающие одновременно в прямом и в обратном направлениях).

Рассмотрим еще одну часто используемую классифика­цию.

По числу и составу исходных веществ (реагентов) и про­дуктов реакции можно выделить следующие важнейшие типы химических реакций:

а) реакции соединения; б) реакции разложения;

в) реакции замещения; г) реакции обмена.

Реакции соединения - это реакции, в ходе которых из двух или нескольких веществ образуется одно вещество более сложного состава:

А + В + ... = В.

Существует большое число реакций соединения простых веществ (металлов с неметаллами, неметаллов с неметалла­ми), например:

Fe + S = FeS 2Na + Н 2 = 2NaН

S + О 2 = SО 2 Н 2 + Сl 2 = 2НСl

Реакции соединения простых веществ всегда являются окислительно-восстановительными реакциями. Как прави­ло, эти реакции экзотермичны.

В реакциях соединения могут участвовать и сложные вещества, например:

СаО + SО 3 = СаSО 4 К 2 О + Н 2 О = 2КОН

СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Сa(НСО 3) 2

В приведенных примерах степени окисления элементов при протекании реакций не изменяются.

Существуют также реакции соединения простых и сложных веществ, которые относятся к окислительно-восстано­вительным реакциям, например:

2FеС1 2 + Сl 2 = 2FеСl 3 2SО 2 + О 2 = 2SО 3

· Pеакции разложения - это реакции, при протекании которых из одного сложного вещества образуются два или несколько более простых веществ: А = В + С + ...

Продуктами разложения исходного вещества могут быть как простые, так и сложные вещества, например:

2Fе(ОН) 3 = Fе 2 О 3 + 3Н 2 О ВаСО 3 = ВаО + СО 2

2АgNO 3 = 2Аg + 2NO 2 + О 2

Реакции разложения обычно протекают при нагревании веществ и являются эндотермическими реакциями. Как и реакции соединения, реакции разложения могут протекать с изменением и без изменения степеней окисления элемен­тов.

Реакции замещения - это реакции между простыми и сложными веществами, при протекании которых атомы простого вещества замещают атомы одного из элемен­тов в молекуле сложного вещества. В результате реакции замещения образуются новое простое и новое сложное вещество:

А + ВС = АС + В

Эти реакции почти всегда являются окислительно-вос­становительными реакциями. Например:

Zn + 2НСl = ZnСl 2 + Н 2

Са + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + Н 2

Fе + СuSО 4 = FеSО 4 + Сu

2Аl + Fе 2 О 3 = 2Fе + Аl 2 О 3

2КВr + Сl 2 = 2КСl + Вr 2

Существует небольшое число реакций замещения, в ко­торых участвуют сложные вещества и которые происходят без изменения степеней окисления элементов, например:

СаСО 3 + SiO 2 = СаSiO 3 + СО 2

Са 3 (РО 4) 2 + 3SiO 2 = 3СаSiO 3 + Р 2 О 5

Реакции обмена - это реакции между двумя сложными веществами, молекулы которых обмениваются своими составными частями:

АВ + СВ = АВ + СВ

Реакции обмена всегда протекают без переноса элект­ронов, т. е. являются не окислительно-восстановительны­ми реакциями. Например:

НNО 3 + NаОН = NaNО 3 + Н 2 О

ВаСl 2 + Н 2 SО 4 = ВаSO 4 + 2НСl

В результате реакций обмена обычно образуются осадок (↓),или газообразное вещество (), или слабый электролит (например, вода).

Химическая реакция, или химическое превращение, это процесс, во время которого из одних веществ образуются другие вещества, отличающиеся по химическому составу и строению.

Химические реакции классифицируются по следующим признакам:

Изменение или отсутствие изменения количества реагентов и продуктов реакции. По этому признаку реакции подразделяются на реакции соединения, разложения, замещения, обмена.

Реакция соединения — это реакция, в ходе которой из двух или нескольких веществ образуется одно новое вещество. Например, Fe + S → FeS.

Реакция разложения — это реакция, при которой из одного вещества образуется два или несколько новых веществ. Например, CaCO3 → CaO + CO2.

Реакция замещения — это реакция между простой и сложной веществами, в процессе которой атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложной веществе, в результате чего образуются новая простая и новая сложная вещества. Например, Fe + CuCl2 → Cu + FeCl2.

Реакция обмена — это реакция, в процессе которой две сложные вещества обмениваются своими составными частями. Например, NaOH + HCl → NaCl + H2O.

Вторым признаком классификации химических реакций изменение или отсутствие изменения степеней окисления элементов, входящих в состав веществ, которые реагируют. По этому признаку реакции подразделяются на окислительно-восстановительные и такие, которые происходят без изменения степеней окисления элементов.

Например, Zn + S → ZnS (цинк плюс эс образуется цинк-эс). Это окислительно-восстановительная реакция, во время которой Цинк отдает два электрона и приобретает степень окисления +2: Zn0 — 2 → Zn +2, а Сера принимает 2 электрона и приобретает степень окисления -2: S0 + 2 → S-2.

Процесс отдачи электронов веществами называется окислением, а процесс приема электронов — восстановлением.

Третьим признаком классификации химических реакций выделения или поглощения энергии в процессе реакции. По этому признаку реакции подразделяются на экзотермические (что сопровождается выделением теплоты) и эндотермические (сопровождающиеся поглощением тепла).

Четвертым признаком классификации химических реакций тип одного из реагентов. По этому признаку реакции подразделяются на реакции галогенов (взаимодействие с хлором, бромом), гидрирования (присоединение молекул водорода), гидратации (присоединения молекул воды), гидролиза, нитрования.

Пятым признаком классификации химических реакций является наличие катализатора. По этому признаку реакции подразделяются на каталитические (которые происходят только при наличии катализатора) и некаталитического (происходящих без катализатора).

Еще одним признаком классификации химических реакций протекание реакции до конца. По этому признаку реакции подразделяются на обратимые и необратимые.

Существуют и другие классификации химических реакций. Все зависит от того, какой критерий положен в их основу.

Химическая реакция, или химическое превращение, - это процесс, во время которого из одних веществ образуются другие вещества, отличающиеся по химическому составу и строению.

Химические реакции классифицируются по следующим признакам:

1) изменение или отсутствие изменения количества реагентов и продуктов реакции. По этому признаку реакции подразделяются на реакции соединения, разложения, замещения, обмена.

Реакция соединения - это реакция, в ходе которой из двух или нескольких веществ образуется одно новое вещество. Например, Fe + S → FeS.

Реакция разложения - это реакция, при которой из одного вещества образуется два или несколько новых веществ. Например, CaCO3 → CaO + CO2.

Реакция замещения - это реакция между простой и сложной веществами, в процессе которой атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложной веществе, в результате чего образуются новая простая и новая сложная вещества. Например, Fe + CuCl2 → Cu + FeCl2.

Реакция обмена - это реакция, в процессе которой две сложные вещества обмениваются своими составными частями. Например, NaOH + HCl → NaCl + H2O.

2) Вторым признаком классификации химических реакций изменение или отсутствие изменения степеней окисления элементов, входящих в состав веществ, которые реагируют. По этому признаку реакции подразделяются на окислительно-восстановительные и такие, которые происходят без изменения степеней окисления элементов. Например, Zn + S → ZnS (цинк плюс эс образуется цинк-эс). Это окислительно-восстановительная реакция, во время которой Цинк отдает два электрона и приобретает степень окисления +2: Zn0 - 2 → Zn +2, а Сера принимает 2 электрона и приобретает степень окисления -2: S0 + 2 → S-2.

Процесс отдачи электронов веществами называется окислением, а процесс приема электронов - восстановлением.

3) Третьим признаком классификации химических реакций выделения или поглощения энергии в процессе реакции. По этому признаку реакции подразделяются на экзотермические (что сопровождается выделением теплоты) и эндотермические (сопровождающиеся поглощением тепла).

4) Четвертым признаком классификации химических реакций тип одного из реагентов. По этому признаку реакции подразделяются на реакции галогенов (взаимодействие с хлором, бромом), гидрирования (присоединение молекул водорода), гидратации (присоединения молекул воды), гидролиза, нитрования.

5) Пятой признаком классификации химических реакций является наличие катализатора. По этому признаку реакции подразделяются на каталитические (которые происходят только при наличии катализатора) и некаталитического (происходящих без катализатора).

6) Еще одним признаком классификации химических реакций протекание реакции до конца. По этому признаку реакции подразделяются на обратимые и необратимые.

Существуют и другие классификации химических реакций. Все зависит от того, какой критерий положен в их основу.