Классификация химических реакций

Классификация химических реакций.

Химическая реакция или химическое превращение – это процесс, при котором из одних веществ, обладающих определенным составом и свойствами, образуются  другие вещества - с другим составом и другими свойствами. При химических реакциях практически не происходит превращений атомов одних химических элементов в другие. Превращения, в результате которых образуются атомы новых элементов, называются ядерными реакциями.

Существует ряд признаков, по которым можно классифицировать химические реакции:

По числу и составу исходных веществ и продуктов реакции:

1) Реакции разложения – реакции, в результате которых из одного сложного вещества образуются два или несколько простых или сложных веществ:

2HgO(сложное) ⇒ 2Hg(простое) + О2↑(простое)

CaCO3(сложное) ⇒ CaO(сложное) + СО2↑ (сложное)

2КClO3(сложное) ⇒ 2KCl(cложное) + 3О2↑(простое)

В органической химии к таким реакциям относятся реакции отщепления, когда происходит образование двойной или тройной связи, реакции декарбоксилирования, крекинг-процессы:

                        СH3-CH2-OH Kt  CH2=CH2 + H2O,

                       HOOC-CH2-COOH         CO2 + CH3COOH

                       C10H22  t  C4H8 + C6H14

2) Реакции соединения – реакции, в которых из двух или нескольких веществ образуется одно новое более сложное вещество:

С(простое) + О2(простое) ⇒ СО2(сложное)

CO(cложное) + ЅО2(простое) ⇒ СО2(сложное)

СаСО3 + Н2О + СО2 ⇒ Са(НСО3)2(сложное)

В органической химии такие реакции называют реакциями присоединения, в них обычно исчезает двойная или тройная связь:

CH2=CH2 + H2  Kt  CH3-CH3

HC≡CH + HCl ⇒ CH2=CHCl

         O                                 OH

  CH3-C-H + HO-C2H5         CH3-CH-O-C2H5

К реакциям присоединения можно также отнести реакции полимеризации:

nCH2=CH2  t, Kt  ( CH2-CH2  ) n

3) Реакции замещения – это реакции между простыми и сложными веществами, в которых атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном соединении:

       CuSO4 + Fe → FeSO4 + Cu↓

       CH4 + Cl2  hн  CH3Cl + HCl

В органической химии к реакциям замещения относят также реакции, в которых замещаться может не один атом, а группа атомов, и заместителем является не один атом, а группа атомов:

C2H5OH + HBr → C2H5Br + H2O        - нуклеофильное замещение;

C6H6 + HNO3 → C6H6NO2 + H2O        - электрофильное замещение.

4) Реакции обмена – реакции, протекающие между сложными веществами, при которых их составные части обмениваются местами.

Обычно этот термин применим для реакций с участием ионов, находящихся в растворе:

H2SO4 + 2NaOH ⇒ Na2SO4 + H2O                        - реакция нейтрализации;

CH3COONa + H2O  CH3COOH + NaOH                - реакция гидролиза;

AgNO3 + KBr ⇒ AgBr↓ + KNO3                        - реакция ионного обмена.

5) Реакции изомеризации наблюдаются в органической химии, когда идет превращение одного изомера в другой:

CH3-CH2-CH2-CH3 ⇒  CH3-CH-CH3 (катализатор – AlCl3)

                                        CH3

6) Реакции поликонденсации, в которых наряду с образованием высокомолекулярного продукта идет выделение низкомолекулярного вещества

nC6H5OH(фенол) + nH2C=O(формальдегид)⇒  OH  OH                

                                                                CH2                 CH2  OH +(n-1)H2O

                                        n-1

(фенопласт или фенолформальдегидная смола)

2. По тепловому эффекту реакции делятся на экзотермические и эндотермические:

Экзотермические – реакции с выделением тепла (∆H < 0):

N2(газ) + 3H2(газ)  2NH3(газ) + Q (Kt; 500oC; 200атм.)                

Эту же реакцию можно записать в термодинамической системе знаков тепловых эффектов:

N2(газ) + 3H2(газ)  2NH3(газ) ; ΔH<0

4Al(тв) + 3O2(газ) ⇒ 2Al2O3(тв) + Q                                

C(тв) + O2(газ) ⇒ СO2(газ) + 393 кДж/моль

C(тв) + O2(газ) ⇒ СO2(газ); ΔH = - 393 кДж/моль

Hg + ЅO2⇒ HgO;        ΔH = -21,6 ккал/моль

Эндотермические – реакции с поглощением тепла (∆H > 0):

N2 + O2 ⇒ 2NO – Q (в термохимической системе знаков)                

HgO ⇒ Hg + ЅO2; ΔH = +21,6 ккал/моль  (в термодинамической системе знаков)

CaCO3(тв) t  CaO(тв) + CO2(газ)↑  - 180 кДж/моль

C(тв) + CO2(газ) ⇒ 2СO(газ); ΔH = + 41,2 ккал/моль

По направленности процесса при одних и тех же условиях  реакции делятся на необратимые и обратимые: 

1) Необратимые реакции, которые протекают практически до конца. Признаком необратимости реакции являются выделение газообразных продуктов, выпадение трудно растворимого осадка, образование слабого электролита или выделение большого количества тепла:

2KClO3  t  2KCl + 3O2↑

BaCl2 + H2SO4 ⇒ 2HCl + BaSO4↓

Ba2+ + 2Cl+ + 2H+ + SO42- ⇒ 2H+ + 2Cl - + BaSO4↓

Ba2+  + SO42- ⇒  BaSO4↓

H2SO4 + 2NaOH ⇒ Na2SO4 + 2H2O        

2H+ + SO42- + 2Na+ + 2OH - ⇒ 2Na+ + SO42- + 2H2O        

2H+ + 2OH - ⇒ 2H2O        

Cтв + O2(газ) ⇒ СO2↑ + 393 кДж

2) Обратимые реакции, которые могут протекать в противоположных направлениях с соизмеримой скоростью:

SO2 + ЅO2 ⇔ SO3        (катализатор V2O5)

N2 + 3H2 ⇔ 2NH3 (катализатор F2O3+Al2O3+K2O)

H2O + CO2 ⇔ H2CO3

CH3COOH + C2H5OH ⇔ CH3COOC2H5 + H2O

По типу разрыва ковалентной связи и механизму: Свободнорадикальные реакции, когда происходит гомолитический разрыв связи:

H2 + Cl2  hн  2HCl

Cтадия инициирования: Cl2 + h√ → 2Cl●

Стадии развития  цепи: Cl● +H2→ HCl + H●

                               H●+ Cl2 → HCl + Cl●

Обрыв цепи: Cl● + Cl● → Cl2

                H● + H●→ H2

Реакция хлорирования метана также протекает по радикальному механизму:

CH4 + Cl2 hн  CH3Cl + HCl

Cтадия инициирования: Cl2 + h√ → 2Cl●

Стадии развития  цепи: CH4 + Cl● ⇒ HCl + CH3●

CH3● + Cl2⇒ CH3Cl + Cl●

Обрыв цепи: Cl● + Cl●⇒ Cl2

  Cl● + CH3●  ⇒ СH3Cl

2) Ионные реакции, когда происходит гетеролитический разрыв связи:

        H

CH3-С +δ → Cl-δ + NaOH ⇒ C2H5OH + NaCl

        H

        Oд -         H  O-H

  ║  │  │

  CH3-Cд+-H + C≡N → CH3-CH-C≡N

                               

По агрегатному состоянию реагирующих веществ и продуктов реакции: Гомогенные реакции протекают в однородной среде (в одной фазе):

СО(газ) + Cl2(газ)  ⇒ СОСl2(газ)

H2(газ)  + Cl2(газ)  ⇒2HCl(газ)

Гетерогенные реакции протекают на границе раздела фаз:

СаСО3(тв) + 2НСl ⇒ СаСl2(раствор) + H2O + CO2↑(газ)

C(тв) + O2(газ) ⇒ СO2(газ)

Ba + 2H2O ⇒ Ba(OH)2 + H2↑

По изменениям степени окисления элементов (электронная сущность реакции):

1) реакции без изменения степени окисления:

NaOH + H2S → NaHS + H2O

2) Реакции сопровождающиеся изменением степени окисления элементов - окислительно-восстановительные реакции:

2Na2S+4O3+ O2 ⇒ 2Na2S+6O4

S+4 – 2e - ⇒ S+6        2  S+4 – восстановитель, процесс окисления

2O0 + 4e - ⇒ 2O2-        1        O20 – окислитель, процесс восстановления

4HNO3 ⇒ 2H2O + 4NO2 + O2

N+5 + 1e - ⇒ N+4        4

2O2- – 4e - ⇒ O20        1

4KClO3 ⇒ 3KClO4 + KCl

Cl+5 - 2e - ⇒ Cl+7        3

Cl+5 + 6e - ⇒ Cl -        1