Класифікація хімічних реакцій з теплового ефекту. Зворотні та незворотні реакції

ВИЗНАЧЕННЯ

Хімічними реакціяминазивають перетворення речовин, у яких відбувається зміна їх складу та (або) будови.

Найчастіше під хімічними реакціями розуміють процес перетворення вихідних речовин (реагентів) на кінцеві речовини (продукти).

Хімічні реакції записуються за допомогою хімічних рівнянь, що містять формули вихідних речовин та продуктів реакції. Відповідно до закону збереження маси, число атомів кожного елемента в лівій та правій частинах хімічного рівняння однаково. Зазвичай формули вихідних речовин записують у лівій частині рівняння, а формули продуктів – у правій. Рівність числа атомів кожного елемента в лівій та правій частинах рівняння досягається розстановкою перед формулами речовин цілих стехіометричних коефіцієнтів.

Хімічні рівняння можуть містити додаткові відомості про особливості перебігу реакції: температура, тиск, випромінювання і т.д., що вказується відповідним символом (або «під») знаком рівності.

Усі хімічні реакції можуть бути згруповані у кілька класів, яким притаманні певні ознаки.

Класифікація хімічних реакцій за кількістю і складом вихідних речовин, що утворюються

Відповідно до цієї класифікації, хімічні реакції поділяються на реакції сполуки, розкладання, заміщення, обміну.

В результаті реакцій сполукиз двох або більше (складних чи простих) речовин утворюється одна нова речовина. У загальному вигляді рівняння такої хімічної реакції виглядатиме так:

Наприклад:

СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Са(НСО 3) 2

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4

2Mg + O2 = 2MgO.

2FеСl 2 + Сl 2 = 2FеСl 3

Реакції сполуки найчастіше екзотермічні, тобто. протікають із виділенням тепла. Якщо реакції беруть участь прості речовини, такі реакції найчастіше є окислювально-відновними (ОВР), тобто. протікають із зміною ступенів окиснення елементів. Однозначно сказати, чи буде реакція сполуки між складними речовинами ставитися до ОВР не можна.

Реакції, в результаті яких з однієї складної речовини утворюється кілька інших нових речовин (складних чи простих), відносять до реакцій розкладання. У загальному вигляді рівняння хімічної реакції розкладання виглядатиме так:

Наприклад:

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)

Більшість реакцій розкладання відбувається при нагріванні (1,4,5). Можливе розкладання під впливом електричного струму (2). Розкладання кристалогідратів, кислот, основ і солей кисневмісних кислот (1, 3, 4, 5, 7) протікає без зміни ступенів окислення елементів, тобто. ці реакції не належать до ОВР. До ОВР реакцій розкладання відноситься розкладання оксидів, кислот і солей, утворених елементами у вищих ступенях окиснення (6).

Реакції розкладання зустрічаються і в органічній хімії, але під іншими назвами - крекінг (8), дегідрування (9):

18 H 38 = 9 H 18 + 9 H 20 (8)

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

При реакціях заміщенняпроста речовина взаємодіє зі складною, утворюючи нову просту та нову складну речовину. У загальному вигляді рівняння хімічної реакції заміщення виглядатиме так:

Наприклад:

2Аl + Fe 2 O 3 = 2Fе + Аl 2 Про 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 Про 5 (6)

СН 4 + Сl 2 = СН 3 Сl + НСl (7)

Реакції заміщення переважно є окислювально-відновними (1 – 4, 7). Приклади реакцій розкладання, у яких немає зміни ступенів окислення нечисленні (5, 6).

Реакціями обмінуназивають реакції, які відбуваються між складними речовинами, у яких вони обмінюються своїми складовими частинами. Зазвичай цей термін застосовують для реакцій за участю іонів у водному розчині. У загальному вигляді рівняння хімічної реакції обміну виглядатиме так:

АВ + СD = АD + СВ

Наприклад:

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

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

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

AgNО 3 + КВr = АgВr ↓ + КNО 3 (4)

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

Реакції обміну є окислювально-відновними. Окремий випадок цих реакцій обміну – реакції нейтралізації (реакції взаємодії кислот з лугами) (2). Реакції обміну протікають у тому напрямку, де хоча б одна з речовин видаляється зі сфери реакції у вигляді газоподібної речовини (3), осаду (4, 5) або малодисоціюючої сполуки, найчастіше води (1, 2).

Класифікація хімічних реакцій щодо змін ступенів окиснення

Залежно від зміни ступенів окислення елементів, що входять до складу реагентів і продуктів реакції, всі хімічні реакції поділяються на окислювально-відновні (1, 2) і, що протікають без зміни ступеня окислення (3, 4).

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

Mg 0 – 2e = Mg 2+ (відновник)

4+ + 4e = C 0 (окислювач)

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

Fe 2+ -e = Fe 3+ (відновник)

N 5+ +3e = N 2+ (окислювач)

AgNO 3 + HCl = AgCl ↓ + HNO 3 (3)

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

Класифікація хімічних реакцій з теплового ефекту

Залежно від того, чи виділяється чи поглинається тепло (енергія) в ході реакції, всі хімічні реакції умовно поділяють на екзо – (1, 2) та ендотермічні (3) відповідно. Кількість тепла (енергії), що виділилося або поглинулося в ході реакції, називають тепловим ефектом реакції. Якщо в рівнянні вказано кількість теплоти, що виділилася або поглиненої, то такі рівняння називаються термохімічними.

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)

Класифікація хімічних реакцій у напрямку протікання реакції

У напрямку протікання реакції розрізняють оборотні (хімічні процеси, продукти яких здатні реагувати один з одним у тих же умовах, в яких вони отримані, з утворенням вихідних речовин) та незворотні (хімічні процеси, продукти яких не здатні реагувати один з одним з утворенням вихідних речовин ).

Для оборотних реакцій рівняння у загальному вигляді прийнято записувати так:

А + В ↔ АВ

Наприклад:

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

Прикладами незворотних реакцій може бути наступні реакції:

2КСlО 3 → 2КСl + ЗО 2

З 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6Н 2 О

Свідченням незворотності реакції може бути виділення як продуктів реакції газоподібної речовини, осаду або малодисоціюючої сполуки, найчастіше води.

Класифікація хімічних реакцій щодо наявності каталізатора

З цієї точки зору виділяють каталітичні та некаталітичні реакції.

Каталізатором називають речовину, що прискорює перебіг хімічної реакції. Реакції, які відбуваються за участю каталізаторів, називаються каталітичними. Перебіг деяких реакцій взагалі неможливий без присутності каталізатора:

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

Нерідко один із продуктів реакції служить каталізатором, який прискорює цю реакцію (автокаталітичні реакції):

MeO + 2HF = MeF 2 + H 2 O, де Ме - метал.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Класифікація хімічних реакцій

Хімічні реакції класифікують зі зміни числа та складу вихідних речовин та продуктів реакції на такі види:

реакції з'єднання- Кілька речовин з'єднуються в один продукт;

реакції розкладання- З однієї вихідної речовини утворюється кілька продуктів;

реакції заміщення- проста речовина замінює частину атомів складної речовини;

реакції обміну- Складні речовини обмінюються своїми складовими частинами.

По тепловому ефекту хімічні реакції можна поділити на екзотермічні- протікають з виділенням теплоти та ендотермічні- теплоти, що протікають з поглинанням.

З урахуванням явища каталізу реакції можуть бути каталітичні- із застосуванням каталізаторів та некаталітичні- Без застосування каталізаторів.

За зміною ступеня окислення реакції поділяються на окисно-відновні– у них відбувається зміна ступенів окислення атомів і на реакції без зміни ступенів окисненняатомів.

За ознакою наявності поверхні розділу фаз реакції поділяються на гомогенні та гетерогенні. Гомогенні протікають в одній фазі, гетерогенні – на поверхні поділу фаз.

За ознакою оборотності реакції поділяють на оборотніі незворотні.Необоротні реакції протікають до кінця, поки речовини повністю не прореагують; оборотні – до досягнення хімічної рівноваги, що характеризується рівними швидкостями протікання прямої та зворотної реакцій та наявністю в реакційній суміші одночасно і вихідних речовин, та продуктів реакції.

Хімічна рівновага є динамічною, і її можна змістити в той чи інший бік, змінюючи умови реакції (концентрації речовин, температуру, тиск). Передбачити напрямок зміщення рівноваги можна за допомогою принципу Ле Шательє: якщо на систему, що знаходиться в рівновазі, впливають зовнішні фактори, то рівновага в системі зміщується у бік тієї реакції, яка послаблює цей вплив.

Хімічні реакції протікають із певними швидкостями. Розділ хімії, що вивчає вплив різних факторів на швидкість хімічної реакції, а також механізми хімічних перетворень, називається Хімічна кінетика.

Чинники, що впливають швидкість протікання хімічної реакції: температура, тиск, концентрація речовин, присутність каталізатора.

Вплив температури на швидкість реакцій визначається правилом Вант-Гоффа: в інтервалі температур від 0 до 100 про З при підвищенні температури на кожні 10 градусів швидкість хімічної реакції зростає в 2-4 рази.

Каталіз- вибіркове прискорення одного з напрямків хімічної реакції під дією каталізатора. Каталізаториберуть участь у проміжних процесах, але відновлюються наприкінці реакції. Явище каталізу поширене у природі (більшість процесів, які у живих організмах, є каталітичними) і широко використовують у техніці (у нафтопереробці і нафтохімії, у виробництві сірчаної кислоти, аміаку, азотної кислоти та інших.). Більшість промислових реакцій - це каталітичні.

Існує негативний каталіз чи інгібування. Інгібітори– речовини, що уповільнюють перебіг хімічної реакції (наприклад, інгібітори корозії).

Особливу групу утворюють автокаталітичні реакції. Вони один із продуктів реакції служить каталізатором перетворення вихідних речовин.

Природні каталізатори називаються ферментами,ферменти прискорюють біохімічні процеси усередині організму. Вихідними речовинами для синтезу ферментів є коферменти.Ряд коферментів організм не може синтезувати з їжі і повинен отримувати їх у готовому вигляді. Це, наприклад, вітаміни.

1. За ознакою зміни ступенів окислення елементів умолекулах реагуючих речовин всі реакції поділяються на:

а) окисно-відновні реакції (Реакції з перенесенням електронів);

б) не окисно-відновні реакції (Реакції без перенесення електронів).

2. За знаком теплового ефектувсі реакції поділяються на:

а) екзотермічні (що йдуть з виділенням теплоти);

б) ендотермічні (що йдуть із поглинанням теплоти).

3. За ознакою однорідності реакційної системиреакції поділяються на:

а) гомогенні (що протікають в однорідній системі);

б) гетерогенні (що протікають у неоднорідній системі)

4. Залежно від присутності чи відсутності каталізаторареакції поділяються на:

а) каталітичні (що йдуть за участю каталізатора);

б) некаталітичні (що йдуть без каталізатора).

5. За ознакою оборотностівсі хімічні реакції поділяються на:

а) незворотні (що протікають тільки в одному напрямку);

б) оборотні (протікають одночасно у прямому та у зворотному напрямках).

Розглянемо ще одну класифікацію, що часто використовується.

За кількістю та складом вихідних речовин (реагентів) та продуктів реакціїможна виділити такі найважливіші типи хімічних реакцій:

а) реакції з'єднання;б) реакції розкладання;

в) реакції заміщення;г) реакції обміну.

Реакції з'єднання- Це реакції, в ході яких з двох або декількох речовин утворюється одна речовина складнішого складу:

А + В + ... = В.

Існує велика кількість реакцій сполуки простих речовин (металів з неметалами, неметалів з неметалами), наприклад:

Fe + S = FeS 2Na + Н 2 = 2NaН

S + О 2 = SО 2 Н 2 + Сl 2 = 2НСl

Реакції сполуки простих речовин завжди є окислювально-відновними реакціями. Як правило, ці реакції екзотермічні.

У реакціях сполуки можуть брати участь і складні речовини, наприклад:

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

СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Сa(НСО 3) 2

У наведених прикладах ступеня окиснення елементів при перебігу реакцій не змінюються.

Існують також реакції сполуки простих і складних речовин, які відносяться до окисно-відновних реакцій, наприклад:

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

· Реакції розкладання- це реакції, при протіканні яких з однієї складної речовини утворюються дві або декілька простіших речовин: А = В + С + ...

Продуктами розкладання вихідної речовини можуть бути як прості, так і складні речовини, наприклад:

2Fе(ОН) 3 = Fе 2 Про 3 + 3Н 2 Про СО 3 = ВА + СО 2

2АgNO 3 = 2Аg + 2NO 2 + О 2

Реакції розкладання зазвичай протікають при нагріванні речовин та є ендотермічними реакціями. Як і реакції з'єднання, реакції розкладання можуть протікати зі зміною та без зміни ступенів окиснення елементів.

Реакції заміщення- це реакції між простими та складними речовинами, при протіканні яких атоми простої речовини замінюють атоми одного з елементів у молекулі складної речовини. В результаті реакції заміщення утворюються нова проста і нова складна речовина:

А + ВС = АС + В

Ці реакції майже завжди є окислювально-відновними реакціями. Наприклад:

Zn + 2НСl = ZnСl 2 + Н 2

Са + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + Н 2

Fе + СuSО 4 = FеSО 4 + Сu

2Аl + Fе 2 Про 3 = 2Fе + Аl 2 Про 3

2КВr + Сl 2 = 2КСl + Вr 2

Існує невелика кількість реакцій заміщення, в яких беруть участь складні речовини та які відбуваються без зміни ступенів окислення елементів, наприклад:

СаСО 3 + SiO 2 = СаSiO 3 + СО 2

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

Реакції обміну- Це реакції між двома складними речовинами, молекули яких обмінюються своїми складовими частинами:

АВ + СВ = АВ + СВ

Реакції обміну завжди протікають без перенесення електронів, тобто не окислювально-відновними реакціями. Наприклад:

НNО 3 + NаОН = NaNО 3 + Н 2 О

Сl 2 + Н 2 SО 4 =SO 4 + 2НСl

В результаті реакцій обміну зазвичай утворюються осад (↓), або газоподібна речовина (), або слабкий електроліт (наприклад, вода).

Хімічна реакція, або хімічне перетворення, це процес, під час якого з одних речовин утворюються інші речовини, що відрізняються за хімічним складом та будовою.

Хімічні реакції класифікуються за такими ознаками:

Зміна чи відсутність зміни кількості реагентів та продуктів реакції. За цією ознакою реакції поділяються на реакції з'єднання, розкладання, заміщення, обміну.

Реакція сполуки — це реакція, у ході якої з двох або кількох речовин утворюється одна нова речовина. Наприклад, Fe + S → FeS.

Реакція розкладання — це реакція, коли з однієї речовини утворюється дві чи кілька нових речовин. Наприклад, CaCO3 → CaO + CO2.

Реакція заміщення - це реакція між простою та складною речовинами, в процесі якої атоми простої речовини заміщають атоми одного з елементів у складній речовині, внаслідок чого утворюються нова проста та нова складна речовини. Наприклад, Fe + CuCl2 → Cu + FeCl2.

Реакція обміну — це реакція, у якій дві складні речовини обмінюються своїми складовими частинами. Наприклад, NaOH + HCl → NaCl + H2O.

Другою ознакою класифікації хімічних реакцій є зміна або відсутність зміни ступенів окислення елементів, що входять до складу речовин, які реагують. За цією ознакою реакції поділяються на окислювально-відновні та такі, що відбуваються без зміни ступенів окислення елементів.

Наприклад, Zn+S → ZnS (цинк плюс ес утворюється цинк-ес). Це окислювально-відновна реакція, під час якої Цинк віддає два електрони і набуває ступеня окислення +2: Zn0 - 2 → Zn +2, а Сірка приймає 2 електрони і набуває ступеня окислення -2: S0 + 2 → S-2.

Процес віддачі електронів речовинами називається окисленням, процес прийому електронів — відновленням.

Третьою ознакою класифікації хімічних реакцій виділення чи поглинання енергії у процесі реакції. За цією ознакою реакції поділяються на екзотермічні (що супроводжується виділенням теплоти) та ендотермічні (що супроводжуються поглинанням тепла).

Четвертою ознакою класифікації хімічних реакцій є тип одного з реагентів. За цією ознакою реакції поділяються на реакції галогенів (взаємодія з хлором, бромом), гідрування (приєднання молекул водню), гідратації (приєднання молекул води), гідролізу, нітрування.

П'ятою ознакою класифікації хімічних реакцій є каталізатора. За цією ознакою реакції поділяються на каталітичні (які відбуваються лише за наявності каталізатора) та некаталітичного (що відбуваються без каталізатора).

Ще однією ознакою класифікації хімічних реакцій є перебіг реакції до кінця. За цією ознакою реакції поділяються на оборотні та незворотні.

Існують інші класифікації хімічних реакцій. Все залежить від того, який критерій покладено в їхню основу.

Хімічна реакція, або хімічне перетворення, - це процес, під час якого з одних речовин утворюються інші речовини, що відрізняються за хімічним складом та будовою.

Хімічні реакції класифікуються за такими ознаками:

1) зміна або відсутність зміни кількості реагентів та продуктів реакції. За цією ознакою реакції поділяються на реакції з'єднання, розкладання, заміщення, обміну.

Реакція сполуки - це реакція, у ході якої з двох або кількох речовин утворюється одна нова речовина. Наприклад, Fe + S → FeS.

Реакція розкладання - це реакція, коли з однієї речовини утворюється дві чи кілька нових речовин. Наприклад, CaCO3 → CaO + CO2.

Реакція заміщення - це реакція між простою та складною речовинами, у процесі якої атоми простої речовини заміщають атоми одного з елементів у складній речовині, внаслідок чого утворюються нова проста та нова складна речовини. Наприклад, Fe + CuCl2 → Cu + FeCl2.

Реакція обміну - це реакція, у якій дві складні речовини обмінюються своїми складовими частинами. Наприклад, NaOH + HCl → NaCl + H2O.

2) Другою ознакою класифікації хімічних реакцій є зміна або відсутність зміни ступенів окислення елементів, що входять до складу речовин, які реагують. За цією ознакою реакції поділяються на окислювально-відновні та такі, що відбуваються без зміни ступенів окислення елементів. Наприклад, Zn+S → ZnS (цинк плюс ес утворюється цинк-ес). Це окислювально-відновна реакція, під час якої Цинк віддає два електрони і набуває ступеня окислення +2: Zn0 - 2 → Zn +2, а Сірка приймає 2 електрони і набуває ступеня окислення -2: S0 + 2 → S-2.

Процес віддачі електронів речовинами називається окисленням, а процес прийому електронів – відновленням.

3) Третьою ознакою класифікації хімічних реакцій виділення чи поглинання енергії у процесі реакції. За цією ознакою реакції поділяються на екзотермічні (що супроводжується виділенням теплоти) та ендотермічні (що супроводжуються поглинанням тепла).

4) Четвертою ознакою класифікації хімічних реакцій є тип одного з реагентів. За цією ознакою реакції поділяються на реакції галогенів (взаємодія з хлором, бромом), гідрування (приєднання молекул водню), гідратації (приєднання молекул води), гідролізу, нітрування.

5) П'ятою ознакою класифікації хімічних реакцій є наявність каталізатора. За цією ознакою реакції поділяються на каталітичні (які відбуваються лише за наявності каталізатора) та некаталітичного (що відбуваються без каталізатора).

6) Ще однією ознакою класифікації хімічних реакцій перебіг реакції остаточно. За цією ознакою реакції поділяються на оборотні та незворотні.

Існують інші класифікації хімічних реакцій. Все залежить від того, який критерій покладено в їхню основу.