Классификацию химических реакций в неорганической и органической химии осуществляют на основании различных классифицирующих признаков, сведения о которых приведены в таблице ниже.
По изменению степени окисления элементов
Первый признак классификации — по изменению степени окисления элементов, образующих реагенты и продукты.
а) окислительно-восстановительные
б) без изменения степени окисления
Окислительно-восстановительными
называют реакции, сопровождающиеся изменением степеней окисления химических элементов, входящих в состав реагентов. К окислительно-восстановительным в неорганической химии относятся все реакции замещения и те реакции разложения и соединения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество. К реакциям, идущим без изменения степеней окисления элементов, образующих реагенты и продукты реакции, относятся все реакции обмена.
По числу и составу реагентов и продуктов
Химические реакции классифицируются по характеру процесса, т.е по числу и составу реагентов и продуктов.
Реакциями соединения
называют химические реакции, в результате которых сложные молекулы получаются из нескольких более простых, например:
4Li + O 2 = 2Li 2 O
Реакциями разложения
называют химические реакции, в результате которых простые молекулы получаются из более сложных, например:
CaCO 3 = CaO + CO 2
Реакции разложения можно рассматривать как процессы, обратные соединению.
Реакциями замещения
называют химические реакции, в результате которых атом или группа атомов в молекуле вещества замещается на другой атом или группу атомов, например:
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2
Их отличительный признак - взаимодействие простого вещества со сложным. Такие реакции есть и в органической химии.
Однако понятие «замещение» в органике шире, чем в неорганической химии. Если в молекуле исходного вещества какой-либо атом или функциональная группа заменяются на другой атом или группу, это тоже реакции замещения, хотя с точки зрения неорганической химии процесс выглядит как реакция обмена.
— обмена (в том числе и нейтрализации).
Реакциями обмена
называют химические реакции, протекающие без изменения степеней окисления элементов и приводящие к обмену составных частей реагентов, например:
AgNO 3 + KBr = AgBr + KNO 3
По возможности протекать в обратном направлении
По возможности протекать в обратном направлении – обратимые и необратимые.
Обратимыми называют химические реакции, протекающие при данной температуре одновременно в двух противоположных направлениях с соизмеримыми скоростями. При записи уравнений таких реакций знак равенства заменяют противоположно направленными стрелками. Простейшим примером обратимой реакции является синтез аммиака взаимодействием азота и водорода:
N 2 +3H 2 ↔2NH 3
Необратимыми называют реакции, протекающие только в прямом направлении, в результате которых образуются продукты, не взаимодействующие между собой. К необратимым относят химические реакции, в результате которых образуются малодиссоциированные соединения, происходит выделение большого количества энергии, а также те, в которых конечные продукты уходят из сферы реакции в газообразном виде или в виде осадка, например:
HCl + NaOH = NaCl + H2O
2Ca + O 2 = 2CaO
BaBr 2 + Na 2 SO 4 = BaSO 4 ↓ + 2NaBr
По тепловому эффекту
Экзотермическими называют химические реакции, идущие с выделением теплоты. Условное обозначение изменения энтальпии (теплосодержания) ΔH, а теплового эффекта реакции Q. Для экзотермических реакций Q > 0, а ΔH < 0.
Эндотермическими называют химические реакции, идущие с поглощением теплоты. Для эндотермических реакций Q < 0, а ΔH > 0.
Реакции соединения как правило будут реакциями экзотермическими, а реакции разложения - эндотермическими. Редкое исключение - реакция азота с кислородом - эндотермическая:
N2 + О2 → 2NO – Q
По фазе
Гомогенными называют реакции, протекающие в однородной среде (однородные вещества, в одной фазе, например г-г, реакции в растворах).
Гетерогенными называют реакции, протекающие в неоднородной среде, на поверхности соприкосновения реагирующих веществ, находящихся в разных фазах, например, твердой и газообразной, жидкой и газообразной, в двух несмешивающихся жидкостях.
По использованию катализатора
Катализатор – вещество ускоряющее химическую реакцию.
Каталитические реакции протекают только в присутствии катализатора (в том числе и ферментативные).
Некаталитические реакции идут в отсутствие катализатора.
По типу разрыва связей
По типу разрыва химической связи в исходной молекуле различают гомолитические и гетеролитические реакции.
Гомолитическими называются реакции, при которых в результате разрыва связей образуются частицы, имеющие неспаренный электрон - свободные радикалы.
Гетеролитическими называют реакции, протекающие через образование ионных частиц - катионов и анионов.
- гомолитические (равный разрыв, каждый атом по 1 электрону получает)
- гетеролитический (неравный разрыв – одному достается пара электронов)
Радикальными (цепными) называют химические реакции с участием радикалов, например:
CH 4 + Cl 2 hv →CH 3 Cl + HCl
Ионными называют химические реакции, протекающие с участием ионов, например:
KCl + AgNO 3 = KNO 3 + AgCl↓
Электрофильными называют гетеролитические реакции органических соединений с электрофилами - частицами, несущими целый или дробный положительный заряд. Они подразделяются на реакции электрофильного замещения и электрофильного присоединения, например:
C 6 H 6 + Cl 2 FeCl3 → C 6 H 5 Cl + HCl
H 2 C =CH 2 + Br 2 → BrCH 2 –CH 2 Br
Нуклеофильными называют гетеролитические реакции органических соединений с нуклеофилами - частицами, несущими целый или дробный отрицательный заряд. Они подразделяются на реакции нуклеофильного замещения и нуклеофильного присоединения, например:
CH 3 Br + NaOH → CH 3 OH + NaBr
CH 3 C(O)H + C 2 H 5 OH → CH 3 CH(OC 2 H 5) 2 + H 2 O
Классификация органических реакций
Классификация органических реакций приведена в таблице:
УДК 546(075) ББК 24.1 я 7 0-75
Составители: Клименко B.I канд. техн. наук, доц. Володчснко А Н., канд. техн. наук, доц. Павленко В И., д-р техн. наук, проф.
Рецензент Гикунова И.В., канд. техн. наук, доц.
Основы неорганической химии: Методические указания для студентов 0-75 дневной формы обучения. - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2001. - 54 с.
В методических указаниях подробно, с учетом основных разделов общей химии, рассмотрены свойства важнейших классов неорганических веществ.Данная работа содержит обобщения, схемы, таблицы, примеры, что будет способствовать лучшему усвоению обширного фактического материала. Особое внимание как в теоретической, гак и в практической части уделено связи неорганической химии с основными понятиями общей химии.
Книга предназначена для студентов первого курса всех специальностей.
УДК 546(075) ББК 24.1 я 7
© Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов (БелГТАСМ), 2001
ВВЕДЕНИЕ
Познание основ любой науки и стоящих перед нею проблем - это тот минимум, который должен знать любой человек, чтобы свободно ориенти роваться в окружающем мире. Важную роль в этом процессе играет есте ствознание. Естествознание - совокупность наук о природе. Все науки делятся на точные (естественные) и изящные (гуманитарные). Первые изучают законы развития материального мира, вторые - законы развития и проявления человеческого разума. В представленной работе мы ознако мимся с основами одной из естественных наук 7 неорганической химии. Успешное изучение неорганической химии возможно лишь при условии знания состава и свойств основных классов неорганических соединений. Зная особенности классов соединений, можно характеризовать свойства их отдельных представителей.
При изучении любой науки, и химии в том числе, всегда встает во прос: с чего начать? С изучения фактического материала: описания свойств соединений, указания условий их существования, перечисления реакций, в которые они вступают; на этой базе выводят законы, управ ляющие поведением веществ или, наоборот, сначала приводят законы, а затем на их основе обсуждают свойства веществ. В данной книге мы будем использовать оба приема изложения фактического материала.
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Что же составляет предмет химии, что изучает эта наука? Су ществует несколько определений химии.
С одной стороны, химия - это наука о веществах, их свойствах и превращениях. С другой стороны, химия - одна из естественных наук, изучающих химическую форму движения материи. Химическая форма движения материи - это процессы ассоциации атомов в молекулы и диссо циации молекул. Химическую организацию материи можно представить следующей схемой (рис. 1 ).
Рис. 1. Химическая организация материи
Материя - это объективная реальность, данная человеку в его ощущениях, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от нас. Материя как объективная реальность существует в двух формах: в форме вещества и в форме поля.
Поле (гравитационное, электромагнитное, внутриядерных сил) - это форма существования материи, которая характеризуется и проявляется прежде всего энергией, а не массой, хотя и обладает последней.Энергия - это количественная мера движения, выражающая способность материаль ных объектов совершать работу.
Масса (лат. massa - глыба, ком, кусок) - физическая величина, одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные и гравитационные свойства.
Атом - это низший уровень химической организации материи.Атом - наименьшая частица элемента, сохраняющая его свойства. Он состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов; в целом атом элекгронейтрален.Химический элемент - это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Известно 109 элементов, из них 90 существует в природе.
Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая химиче скими свойствами этого вещества.
Число химических элементов ограничено, а их комбинации дают все
многообразие веществ.
Что же такое вещество?
В широком смысле вещество - это конкретный вид материи, обла дающий массой покоя и характеризующийся при данных условиях опре деленными физическими и химическими свойствами. Известно около 600 тысяч неорганических веществ и около 5 млн органических веществ.
В более узком смысле вещество - это определенная совокупность атомных и молекулярных частиц, их ассоциатов и агрегатов, находя щихся в любом из трех агрегатных состояний.
Вещество достаточно полно определяется тремя признаками: 1 ) занимает часть пространства;2 ) обладает массой покоя;
3) построено из элементарных частиц.
Все вещества можно разделить на простые и сложные.
менты образуют не одно, а несколько простых веществ. Такое явле ние называется аллотропией, а каждые из этих простых веществ - аллотропным видоизменением (модификацией) данного элемента. Ал лотропия наблюдается у углерода, кислорода, серы, фосфора и ряда других элементов. Так, графит, алмаз, карбин и фуллерены - аллотроп ные видоизменения химического элемента углерода; красный, белый, черный фосфор - аллотропные видоизменения химического элемента фосфора. Простых веществ известно около 400.
Простое вещество является формой существования химических
элементов в свободном состоянии
Простые вещества делятся на металлы и неметаллы. Принадлежность химического элемента к металлам или неметаллам можно определить, пользуясь периодической системой элементов Д.И. Менделеева. Прежде чем это сделать, давайте немного вспомним строение периодической си стемы.
1.1. Периодический закон и периодическая система Д.И.Менделеева
Периодическая система элементов - это графическое выражение периодического закона, открытого Д.И.Менделеевым 18 февраля 1869 г. Периодический закон звучит так: свойства простых веществ, а также свойства соединений, находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элемента.
Существует более 400 вариантов изображения периодической си стемы. Наиболее распространены клеточные варианты (короткий вариант - 8 -клеточный и длинные варианты - 18- и 32-клеточные). Короткопе риодная периодическая система состоит из 7 периодов и8 групп.
Элементы, имеющие аналогичное строение внешнего энергетического уровня, объединяются в группы. Различают главные (А) и побочные (В)
группы. Главные группы составляют s- и p-элементы, а побочные -d- элементы.
Период представляет собой последовательный ряд элементов, в ато мах которых происходит заполнение одинакового числа электронных слоев одного и того же энергетического уровня. Различие в последовательности заполнения электронных слоев объясняет причину различной длины пе риодов. В связи с этим периоды содержат разное количество элементов: 1-й период - 2 элемента; 2-й и 3-й периоды - по8 элементов; 4-й и 5-й
периоды - по 18 элементов и 6 -й период - 32 элемента.
Элементы малых периодов (2 -й и 3-й) выделяют в подгруппу типиче ских элементов. Так как уd- и /элементов заполняются 2-й и 3-й снаружи элгк-
лочке их атомов, а следовательно, большая способность к присоедине нию электронов (окислительная способность), передаваемая высокими значениями их электроотрицательности. Элементы с неметаллическими свойствами занимают правый верхний угол периодической системы
Д.И.Менделеева. Неметаллы могут бьггь газообразными (F2 , О2 , CI2 ), твердыми (В, С, Si, S) и жидкими (Вг2).
Элемент водород занимает особое место в периодической си
стеме и не имеет химических аналогов. Водород проявляет металлические
и неметаллические свойства, и поэтому в периодической системе его
помещают одновременно в IA и VIIA группу.
В силу большого своеобразия химических свойств выделяют от
дельно благородные газы (аэрогены) - элементы VIIIA группы | |||||
дической | системы. Исследования последних лет позволяют тем не ме |
||||
нее причислить некоторые из них (Кг, Хе, Rn) к неметаллам. | |||||
Характерным свойством металлов является то, что валентные | |||||
троны слабо связаны с конкретным атомом, и | внутри каждого | ||||
существует так называемый электронный | Поэтому все | ||||
обладают | высокой электропроводностью, | теплопроводностью | |||
тичностью. Хотя есть и хрупкие металлы (цинк, сурьма, висмут). Ме таллы проявляют, как правило, восстановительные свойства.
Сложные вещества (химические соединения) - это вещества, мо лекулы которых образованы атомами различных химических элемен тов (гетероатомные или гетероядерные молекулы). Например, С 02, КОН. Известно более 10 млн сложных веществ.
Высшей формой химической организации материи являются ассоциаты и агрегаты. Ассоциаты - это объединения простых молекул или ионов в более сложные, не вызывающие изменения химической при роды вещества. Ассоциаты существуют главным образом в жидком и газообразном состоянии, а агрегаты-в твердом.
Смеси - системы, состоящие из нескольких равномерно распреде ленных соединений, связанных между собой постоянными соотношения ми и не взаимодействующие друг с другом.
1.2. Валентность и степень окисления
Составление эмпирических формул и образование названий хи мических соединений основано на знании и правильном использовании понятий степень окисления и валентность.
Степень окисления - эго условный заряд элемента в соединении, вычисленный из предположения, что соединение состоит из ионов. Эго величина условная, формальная, так как чисто ионных соедине ний практически нет. Степень окисления по абсолютной величине может быть целым или дробным числом; а по заряду может быть положительной, отрицательной и равной нулю величиной.
Валентность - это величина, определяемая количеством неспарен ных электронов на внешнем энергетическом уровне или числом свобод ных атомных орбиталей, способных участвовать в образовании химиче ских связей.
Некоторые правила определения степеней окисления химических элементов
1. Степень окисления химического элемента в простом веществе
равна 0 .
2. Сумма степеней окисления атомов в молекуле (ионе) равна 0
(заряду иона).
3. Элементы I-III А групп имеют положительную степень окис ления, соответствующую номеру группы, в которой находится данный элемент.
4. Элементы IV -V IIА групп, кроме положительной степени окис ления, соответствующей номеру группы; и отрицательной степени окис ления, соответствующей разнице между номером группы и числом8 , имеют промежуточную степень окисления, равную разности между номером группы и числом2 (табл.1 ).
Таблица 1
Степени окисления элементов IV -V IIА подгрупп
Степень окисления | ||||
Промежуточная | ||||
5. Степень окисления водорода равна +1, если в соединении есть хотя бы один неметалл; - 1 в соединениях с металлами (гидридах); 0 в Н2.
Гидриды некоторых элементов
ВеН2 | ||||||
NaH MgH2 АШ3 | ||||||
СаН2 | GaH3 | GeH4 | AsH3 | |||
SrH2 | InH3 | SnH4 | SbH3 | |||
ВаН2 | ||||||
Соединения Н | Промежуточные | Соединения i t |
||||
соединения | ||||||
6 . Степень окисления кислорода, как правило, равна -2, за ис ключением пероксидов (-1), надпероксидов (-1/2), озонидов (-1/3), озона (+4), фторида кислорода (+2).
7. Степень окисления фтора во всех соединениях, кроме F2> равна -1. В соединениях с фтором реализуются высшие формы окисления мно гих химических элементов (BiF5, SF6, IF?, OsFg).
8 . В периодах орбитальные радиусы атомов с возрастанием по рядкового номера уменьшаются, а энергия ионизации возрастает. При этом усиливаются кислотные и окислительные свойства; высшие сте
пени окисления элементов становятся менее устойчивыми.
9. Для элементов нечетных групп периодической системы харак терны нечетные, а для элементов четных групп - четные степени
окисления.
10. В главных подгруппах с возрастанием порядкового номера элемента размеры атомов в общем увеличиваются, а энергия иониза ции - уменьшается. Соответственно усиливаются основные и ослабевают окислительные свойства. В подгруппах ^-элементов с увеличением порядкового номера участие «.^-электронов в образовании связей
уменьшается, а следовательно, уменьшается | абсолютное значение степе |
||||||
ни окисления (табл. 2 ). | |||||||
Таблица 2 |
|||||||
Значения степеней окисления элементов VA подгруппы |
|||||||
Степень окисления | |||||||
Li, К, Fe, Ва | Кислотные С 02, S 0 3 | ||||||
Неметаллы | |||||||
Амфотсрные ZnO ВеО | |||||||
Амфигены | Двойные Fe304 | ||||||
Be, AL Zn | |||||||
яолеобразующие |
|||||||
Аэрогены | СО, NO, SiO, N20 | ||||||
Основания Ва(ОН)2 | |||||||
Кислоты HNO3 | ГИДРОКСИДЫ |
||||||
Амфолиты Zti(OH)2 | |||||||
Средние КагСОз, | |||||||
Кислые МаНКЮз, | |||||||
Основные (СиОН)гСОз, 4-------- | |||||||
Двойные CaMg(COs)2 | |||||||
Смешанные СаСГСЮ | |||||||
> w h o w J 3 w »
Рис, 2. Схема важнейших классов неорганических веществ
Химические реакции – это процессы, в результате которых из одних веществ образуются другие, отличающиеся от них по составу и (или) строению.
Классификация реакций:
I. По числу и составу реагирующих веществ и продуктов реакции:
1) Реакции, идущие без изменения состава вещества:
В неорганической химии это реакции превращения одних аллотропных модификаций в другие:
C (графит) → C (алмаз); P (белый) → P (красный).
В органической химии это реакции изомеризации – реакции, в результате которых из молекул одного вещества образуются молекулы других веществ того же качественного и количественного состава, т.е. с той же молекулярной формулой, но другим строением.
СН 2 -СН 2 -СН 3 → СН 3 -СН-СН 3
н-бутан 2-метилпропан (изобутан)
2) Реакции, идущие с изменением состава вещества:
а) Реакции соединения (в органической химии присоединения) – реакции, в ходе которых из двух и более веществ образуется одно более сложное: S + O 2 → SO 2
В органической химии это реакции гидрирования, галогенирования, гидрогалогенирования, гидратации, полимеризации.
СН 2 = СН 2 + НОН → СН 3 – СН 2 ОН
б) Реакции разложения (в органической химии отщепления, элиминирования) – реакции, в ходе которых из одного сложного вещества образуется несколько новых веществ:
СН 3 – СН 2 ОН → СН 2 = СН 2 + Н 2 О
2KNO 3 →2KNO 2 + O 2
В органической химии примеры реакций отщепления - дегидрирование, дегидратация, дегидрогалогенирование, крекинг.
в) Реакции замещения – реакции, в ходе которых атомы простого вещества замещают атомы какого-нибудь элемента в сложном веществе (в органической химии – реагентами и продуктами реакции часто являются два сложных вещества).
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl +HCl ; 2Na+ 2H 2 O→ 2NaOH + H 2
Примеры реакций замещения, не сопровождающихся изменением степеней окисления атомов, крайне немногочисленны. Следует отметить реакцию оксида кремния с солями кислородсодержащих кислот, которым отвечают газообразные или летучие оксиды:
СаСО 3 + SiO 2 = СаSiO 3 + СО 2
Са 3 (РО 4) 2 + ЗSiO 2 = ЗСаSiO 3 + Р 2 О 5
г) Реакции обмена – реакции, в ходе которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями:
NaOH + HCl → NaCl + H 2 O,
2CH 3 COOH + CaCO 3 → (CH 3 COO) 2 Ca + CO 2 + H 2 O
II. По изменению степеней окисления химических элементов, образующих вещества
1) Реакции, идущие с изменением степеней окисления, или ОВР:
∙2| N +5 + 3e – → N +2 (процесс восстановления, элемент – окислитель),
∙3| Cu 0 – 2e – → Cu +2 (процесс окисления, элемент – восстановитель),
8HNO 3 + 3Cu → 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O.
В органической химии:
C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH
2) Реакции, идущие без изменения степеней окисления химических элементов:
Li 2 O + H 2 O → 2LiOH,
HCOOH + CH 3 OH → HCOOCH 3 + H 2 O
III. По тепловому эффекту
1) Экзотермические реакции протекают с выделением энергии:
С + О 2 → СО 2 + Q,
СH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + Q
2) Эндотермические реакции протекают с поглощением энергии:
СaCO 3 → CaO + CO 2 - Q
C 12 H 26 → C 6 H 14 + C 6 H 12 - Q
IV. По агрегатному состоянию реагирующих веществ
1) Гетерогенные реакции – реакции, в ходе которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в разных агрегатных состояниях:
Fe(тв) + CuSO 4 (р-р) → Cu(тв) + FeSO 4 (р-р),
CaC 2 (тв) + 2H 2 O(ж) → Ca(OH) 2 (р-р) + C 2 H 2 (г)
2) Гомогенные реакции – реакции, в ходе которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в одном агрегатном состоянии:
H 2 (г) + Cl 2 (г) → 2HCl(г),
2C 2 H 2 (г) + 5O 2 (г) → 4CO 2 (г) + 2H 2 O(г)
V. По участию катализатора
1) Некаталитические реакции, идущие без участия катализатора:
2Н 2 + О 2 → 2Н 2 О, С 2 Н 4 + 3О 2 → 2СО 2 + 2Н 2 О
2) Каталитические реакции, идущие с участием катализаторов:
2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2
VI. По направлению
1) Необратимые реакции протекают в данных условиях только в одном направлении:
С 2 Н 4 + 3О 2 → 2СО 2 + 2Н 2 О
2) Обратимые реакции в данных условиях протекают одновременно в двух противоположных направлениях: N 2 + 3H 2 ↔2NH 3
VII. По механизму протекания
1) Радикальный механизм.
А: В → А· + ·В
Происходит гомолитический (равноценный) разрыв связи. При гемолитическом разрыве пара электронов, образующая связь, делится таким образом, что каждая из образующихся частиц получает по одному электрону. При этом образуются радикалы – незаряженные частицы с неспаренными электрономи. Радикалы – очень реакционноспособные частицы, реакции с их участием происходят в газовой фазе с большой скоростью и часто со взрывом.
Радикальные реакции идут между образующимися в ходе реакции радикалами и молекулами:
2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl +HCl
Примеры: реакции горения органических и неорганических веществ, синтез воды, аммиака, реакции галогенирования и нитрования алканов, изомеризация и ароматизация алканов, каталитическое окисление алканов, полимеризация алкенов, винилхлорида и др.
2) Ионный механизм.
А: В → :А - + В +
Происходит гетеролитический (неравноценный) разрыв связи, при этом оба электрона связи остаются с одной из ранее связанных частиц. Образуются заряженные частиц (катионы и анионы).
Ионные реакции идут в растворах между уже имеющимися или образующимися в ходе реакции ионами.
Например, в неорганической химии – это взаимодействие электролитов в растворе, в органической химии – это реакции присоединения к алкенам, окисление и дегидрирование спиртов, замещение спиртовой группы и другие реакции, характеризующие свойства альдегидов и карбоновых кислот.
VIII. По виду энергии, инициирующей реакцию:
1) Фотохимические реакции происходят при воздействии квантов света. Например, синтез хлороводорода, взаимодействие метана с хлором, получение озона в природе, процессы фотосинтеза и др.
2) Радиационные реакции инициируются излучениями больших энергий (рентгеновскими лучами, γ-лучами).
3) Электрохимические реакции инициирует электрический ток, например, при электролизе.
4) Термохимические реакции инициируются тепловой энергией. К ним относятся все эндотермические реакции и множество экзотермических, для инициации которых необходима теплота.
Темы кодификатора ЕГЭ: Классификация химических реакций в органической и неорганической химии.
Химические реакции — это такой вид взаимодействия частиц, когда из одних химических веществ получаются другие, отличающиеся от них по свойствам и строению. Вещества, которые вступают в реакцию — реагенты . Вещества, которые образуются в ходе химической реакции — продукты .
В ходе химической реакции разрушаются химические связи, и образуются новые.
В ходе химических реакций не меняются атомы, участвующие в реакции. Меняется только порядок соединения атомов в молекулах. Таким образов, число атомов одного и того же вещества в ходе химической реакции не меняется .
Химические реакции классифицируют по разным признакам. Рассмотрим основные виды классификации химических реакций.
Классификация по числу и составу реагирующих веществ
По составу и числу реагирующих веществ разделяют реакции, протекающие без изменения состава веществ, и реакции, протекающие с изменением состава веществ:
1. Реакции, протекающие без изменения состава веществ (A → B)
К таким реакциям в неорганической химии можно отнести аллотропные переходы простых веществ из одной модификации в другую:
S ромбическая → S моноклинная.
В органической химии к таким реакциям относятся реакции изомериза-ции , когда из одного изомера под действием катализатора и внешних факторов получается другой (как правило, структурный изомер).
Например , изомеризация бутана в 2-метилпропан (изобутан):
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 3 -CH(CH 3)-CH 3 .
2. Реакции, протекающие с изменением состава
- Реакции соединения (A + B + … → D) — это такие реакции, в которых из двух и более веществ образуется одно новое сложное вещество. В неорганической химии к реакция соединения относятся реакции горения простых веществ, взаимодействие основных оксидов с кислотными и др. В органической химии такие реакции называются реакциями присоединения . Реакции присоединения — это такие реакции, в ходе которых к рассматриваемой органической молекуле присоединяется другая молекула. К реакциям присоединения относятся реакции гидрирования (взаимодействие с водородом), гидратации (присоединение воды), гидрогалогенирования (присоединение галогеноводорода), полимеризация (присоединение молекул друг к другу с образованием длинной цепочки) и др.
Например , гидратация:
CH 2 =CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH
- Реакции разложения (A → B + C + …) — это такие реакции, в ходе которых из одной сложной молекулы образуется несколько менее сложных или простых веществ. При этом могут образовываться как простые, так и сложные вещества.
Например , при разложении пероксида водорода :
2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2 .
В органической химии разделяют собственно реакции разложения и реакции отщепления. Реакции отщепления (элиминирования) — это такие реакции, в ходе которых происходит отрыв атомов или атомных групп от исходной молекулы при сохранении ее углеродного скелета.
Например , реакция отщепления водорода (дегидрирование) от пропана :
C 3 H 8 → C 3 H 6 + H 2
Как правило, в названии таких реакций есть приставка «де». Реакции разложения в органической химии происходят, как правило, с разрывом углеродной цепи.
Например , реакция крекинга бутана (расщепление на более простые молекулы при нагревании или под действием катализатора):
C 4 H 10 → C 2 H 4 + C 2 H 6
- Реакции замещения — это такие реакции, в ходе которых атомы или группы атомов одного вещества замещаются на атомы или группы атомов другого вещества. В неорганической химии эти реакции происходят по схеме:
AB + C = AC + B .
Например , более активные галогены вытесняют менее активные из соединений. Взаимодействие йодида калия с хлором :
2KI + Cl 2 → 2KCl + I 2 .
Замещаться могут как отдельные атомы, так и молекулы.
Например , при сплавлении менее летучие оксиды вытесняют более летучие из солей. Так, нелетучий оксид кремния вытесняет оксид углерода из карбоната натрия при сплавлении:
Na 2 CO 3 + SiO 2 → Na 2 SiO 3 + CO 2
В органической химии реакции замещения — это такие реакции, в ходе которых часть органической молекулы замещается на другие частицы . При этом замещенная частица, как правило, соединяется с частью молекулы-заместителя.
Например , реакция хлорирования метана :
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl
По числу частиц и составу продуктов взаимодействия эта реакция больше похожа на реакцию обмена. Тем не менее, по механизму такая реакция является реакцией замещения.
- Реакции обмена — это такие реакции, в ходе которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями:
AB + CD = AC + BD
К реакциям обмена относятся реакции ионного обмена , протекающие в растворах; реакции, иллюстрирующие кислотно-основные свойства веществ и другие.
Пример реакции обмена в неорганической химии — нейтрализация соляной кислоты щелочью :
NaOH + HCl = NaCl + H 2 O
Пример реакции обмена в органической химии — щелочной гидролиз хлорэтана :
CH 3 -CH 2 -Cl + KOH = CH 3 -CH 2 -OH + KCl
Классификация химических реакций по изменению степени окисления элементов, образующих вещества
По изменению степени окисления элементов химические реакции делят на окислительно-восстановительные реакции , и реакции, идущие без изменения степеней окисления химических элементов.
- Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) — это реакции, в ходе которых степени окисления веществ изменяются . При этом происходит обмен электронами .
В неорганической химии к таким реакциям относятся, как правило, реакции разложения, замещения, соединения, и все реакции, идущие с участием простых веществ. Для уравнивания ОВР используют метод электронного баланса (количество отданных электронов должно быть равно количеству полученных) или метод электронно-ионного баланса .
В органической химии разделяют реакции окисления и восстановления, в зависимости от того, что происходит с органической молекулой.
Реакции окисления в органической химии — это реакции, в ходе которых уменьшается число атомов водорода или увеличивается число атомов кислорода в исходной органической молекуле.
Например , окисление этанола под действием оксида меди:
CH 3 -CH 2 -OH + CuO → CH 3 -CH=O + H 2 O + Cu
Реакции восстановления в органической химии — это реакции, в ходе которых увеличивается число атомов водорода или уменьшается число атомов кислорода в органической молекуле.
Например , восстановление уксусного альдегида водородом :
CH 3 -CH=O + H 2 → CH 3 -CH 2 -OH
- Протолитические реакции и реакции обмена — это такие реакции, в ходе которые степени окисления атомов не изменяются.
Например , нейтрализация едкого натра азотной кислотой :
NaOH + HNO 3 = H 2 O + NaNO 3
Классификация реакций по тепловому эффекту
По тепловому эффекту реакции разделяют на экзотермические и эндотермические .
Экзотермические реакции — это реакции, сопровождающиеся выделением энергии в форме теплоты (+Q ). К таким реакциям относятся почти все реакции соединения.
Исключения — реакция азота с кислородом с образованием оксида азота (II) — эндотермическая:
N 2 + O 2 = 2NO – Q
Реакция газообразного водорода с твердым йодом также эндотермическая :
H 2 + I 2 = 2HI – Q
Экзотермические реакции, в ходе которых выделяется свет, называют реакциями горения .
Например , горение метана:
CH 4 + O 2 = CO 2 + H 2 O
Также экзотермическими являются:
Эндотермические реакции — это реакции, сопровождающиеся поглощением энергии в форме теплоты (— Q ). Как правило, с поглощением теплоты идет большинство реакций разложения (реакции, требующие длительного нагревания).
Например , разложение известняка :
CaCO 3 → CaO + CO 2 – Q
Также эндотермическими являются:
- реакции гидролиза ;
- реакции, идущие только при нагревании ;
- реакции, протекающие только при очень высоких температурах или под действием электрического разряда.
Например , превращение кислорода в озон:
3O 2 = 2O 3 — Q
В органической химии с поглощением теплоты идут реакции разложения. Например , крекинг пентана :
C 5 H 12 → C 3 H 6 + C 2 H 6 – Q .
Классификация химических реакций по агрегатному состоянию реагирующих веществ (по фазовому составу)
Вещества могут существовать в трех основных агрегатных состояниях — твердом , жидком и газообразном . По фазовому состоянию разделяют реакции гомогенные и гетерогенные .
- Гомогенные реакции — это такие реакции, в которых реагирующие вещества и продукты находятся в одной фазе , и столкновение реагирующих частиц происходит во всем объеме реакционной смеси. К гомогенным реакциям относят взаимодействия жидкость-жидкость и газ-газ .
Например , окисление сернистого газа :
2SO 2(г) + O 2(г) = 2SO 3(г)
- Гетерогенные реакции — это реакции, в которых реагирующие вещества и продукты находятся в разных фазах . При этом столкновение реагирующих частиц происходит только на границе соприкосновения фаз . К таким реакциям относятся взаимодействия газ-жидкость, газ-твердая фаза, твердая-твердая, и твердая фаза — жидкость .
Например , взаимодействие углекислого газа и гидроксида кальция :
CO 2(г) + Ca(OH) 2(р-р) = CaCO 3(тв) + H 2 O
Для классификации реакций по фазовому состоянию полезно уметь определять фазовые состояния веществ . Это достаточно легко сделать, используя знания о строении вещества, в частности, о .
Вещества с ионной , атомной или металлической кристаллической решеткой , как правило твердые при обычных условиях; вещества с молекулярной решеткой , как правило, жидкости или газы при обычных условиях.
Обратите внимание, что при нагревании или охлаждении вещества могут переходить из одного фазового состояния в другое. В таком случае необходимо ориентироваться на условия проведения конкретной реакции и физические свойства вещества.
Например , получение синтез-газа происходит при очень высоких температурах, при которых вода — пар:
CH 4(г) + H2O (г) = CO (г) + 3H 2(г)
Таким образом, паровая конверсия метана — гомогенная реакция .
Классификация химических реакций по участию катализатора
Катализатор — это такое вещество, которое ускоряет реакцию, но не входит в состав продуктов реакции. Катализатор участвует в реакции, но практичсеки не расходуется в ходе реакции. Условно схему действия катализатора К при взаимодействии веществ A + B можно изобразить так: A + K = AK; AK + B = AB + K.
В зависимости от наличия катализатора различают каталитические и некаталитические реакции.
- Каталитические реакции — это реакции, которые идут с участием катализаторов. Например, разложение бертолетовой соли: 2KClO 3 → 2KCl + 3O 2 .
- Некаталитические реакции — это реакции, которые идут без участия катализатора. Например, горение этана: 2C 2 H 6 + 5O 2 = 2CO 2 + 6H 2 O.
Все реакции, протекающие с участием в клетках живых организмов, протекают с участием особых белковых катализаторов — ферментов. Такие реакции называют ферментативными.
Более подробно механизм действия и функции катализаторов рассматриваются в отдельной статье.
Классификация реакций по направлению
Обратимые реакции — это реакции, которые могут протекать и в прямом, и в и обратном направлении, т.е. когда при данных условиях продукты реакции могут взаимодействовать друг с другом. К обратимым реакциям относятся большинство гомогенных реакций, этерификация; реакции гидролиза; гидрирование-дегидрирование, гидратация-дегидратация; получение аммиака из простых веществ, окисление сернистого газа, получение галогеноводородов (кроме фтороводорода) и сероводорода; синтез метанола; получение и разложение карбонатов и гидрокарбонатов, и т.д.
Необратимые реакции — это реакции, которые протекают преимущественно в одном направлении, т.е. продукты реакции не могут взаимодействовать друг сдругом при данных условиях. Примеры необратимых реакций: горение; реакции, идущие со взрывом; реакции, идущие с образованием газа, осадка или воды в растворах; растворение щелочных металлов в воде; и др.
Химия - наука о веществах, закономерностях их превращений (физических и химических свойствах) и применении.
В настоящее время известно более 100 тыс. неорганических и более 4 млн. органических соединений.
Химические явления: одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных составом и свойствами, при этом состав ядер атомов не изменяется.
Физические явления: меняется физическое состояние веществ (парообразование, плавление, электропроводность, излучение тепла и света, ковкость и др.) или образуются новые вещества с изменением состава ядер атомов.
Атомно - молекулярное учение.
1. Все вещества состоят из молекул.
Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.
2. Молекулы состоят из атомов.
Атом - наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Различным элементам соответствуют различные атомы.
3. Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении; между ними существуют силы притяжения и отталкивания.
Химический элемент - это вид атомов, характеризующийся определенными зарядами ядер и строением электронных оболочек. В настоящее время известно 118 элементов: 89 из них найдены в природе (на Земле), остальные получены искусственным путем. Атомы существуют в свободном состоянии, в соединениях с атомами того же или других элементов, образуя молекулы. Способность атомов вступать во взаимодействие с другими атомами и образовывать химические соединения определяется его строением. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него, образуя электронейтральную систему, которая подчиняется законам, характерным для микросистем.
Атомное ядро - центральная часть атома, состоящая из Zпротонов и Nнейтронов, в которой сосредоточена основная масса атомов.
Заряд ядра - положительный, по величине равен количеству протонов в ядре или электронов в нейтральном атоме и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе.
Сумма протонов и нейтронов атомного ядра называется массовым числом A= Z+ N .
Изотопы
- химические
элементы с одинаковыми зарядами ядер, но различными массовыми числами за счет
разного числа нейтронов в ядре.
|
Массовое
|
A |
63 |
Cu и |
65 |
35 |
Cl и |
37 |
Химическая формула - это условная запись состава вещества с помощью химических знаков (предложены в 1814 г. Й. Берцелиусом) и индексов (индекс - цифра, стоящая справа внизу от символа. Обозначает число атомов в молекуле). Химическая формула показывает, атомы каких элементов и в каком отношении соединены между собой в молекуле.
Аллотропия - явление образования химическим элементом нескольких простых веществ, различающихся по строению и свойствам. Простые вещества - молекулы, состоят из атомов одного и того же элемента.
C ложные вещества - молекулы, состоят из атомов различных химических элементов.
Постоянная атомной массы равна 1 / 12 массы изотопа 12 C - основного изотопа природного углерода.
m u = 1 / 12 m (12 C ) =1 а.е.м = 1,66057 10 -24 г
Относительная атомная масса (A r ) - безразмерная величина, равная отношению средней массы атома элемента (с учетом процентного содержания изотопов в природе) к 1 / 12 массы атома 12 C .
Средняя абсолютная масса атома (m ) равна относительной атомной массе, умноженной на а.е.м.
A r (Mg ) = 24,312
m (Mg ) = 24,312 1,66057 10 -24 = 4,037 10 -23 г
Относительная молекулярная масса (M r ) - безразмерная величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1 / 12 массы атома углерода 12 C .
M г = m г / (1 / 12 m а (12 C ))
m r - масса молекулы данного вещества;
m а (12 C ) - масса атома углерода 12 C .
M г = S A г (э). Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс всех элементов с учетом индексов.
Примеры.
M г (B 2 O 3 ) = 2 A r (B ) + 3 A r (O ) = 2 11 + 3 16 = 70
M г (KAl(SO 4) 2) = 1
A r (K) + 1 A r (Al) + 1 2 A r (S) + 2 4
A r (O) =
= 1 39 + 1 27 + 1 2 32 + 2 4
16 = 258
Абсолютная масса молекулы равна относительной молекулярной массе, умноженной на а.е.м. Число атомов и молекул в обычных образцах веществ очень велико, поэтому при характеристике количества вещества используют специальную единицу измерения - моль.
Количество вещества, моль . Означает определенное число структурных элементов (молекул, атомов, ионов). Обозначается n , измеряется в моль. Моль - количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержится атомов в 12 г углерода.
Число Авогадро (N A ). Количество частиц в 1 моль любого вещества одно и то же и равно 6,02 10 23 . (Постоянная Авогадро имеет размерность - моль -1).
Пример.
Сколько молекул содержится в 6,4 г серы?
Молекулярная масса серы равна 32 г /моль. Определяем количество г/моль вещества в 6,4 г серы:
n (s ) = m (s ) / M (s ) = 6,4г / 32 г/моль = 0,2 моль
Определим число структурных единиц (молекул), используя постоянную Авогадро N A
N(s) = n (s) N A = 0,2 6,02 10 23 = 1,2 10 23
Молярная масса показывает массу 1 моля вещества (обозначается M ).
M = m / n
Молярная масса вещества равна отношению массы вещества к соответствующему количеству вещества.
Молярная масса вещества численно равна его относительной молекулярной массе, однако первая величина имеет размерность г/моль, а вторая - безразмерная.
M = N A m (1 молекула) = N A M г 1 а.е.м. = (N A 1 а.е.м.) M г = M г
Это означает, что если масса некоторой молекулы равна, например, 80 а.е.м. ( SO 3 ), то масса одного моля молекул равна 80 г. Постоянная Авогадро является коэффициентом пропорциональности, обеспечивающим переход от молекулярных соотношений к молярным. Все утверждения относительно молекул остаются справедливыми для молей (при замене, в случае необходимости, а.е.м. на г) Например, уравнение реакции: 2 Na + Cl 2 2 NaCl , означает, что два атома натрия реагируют с одной молекулой хлора или, что одно и то же, два моль натрия реагируют с одним молем хлора.
