Классификация химических реакций

Гомогенные и гетерогенные реакции

Гомогенность и гетерогенность зависят от агрегатного состояния веществ, участвующих в химической реакции, или, другими словами, от фазы, в которой вещество находится.

Фаза — это четко определенное и однородное состояние системы, в котором отсутствуют видимые границы, разделяющие ее на отдельные части.

Часто используются условные обозначения для того, чтобы показать, в какой фазе находится то или иное вещество:

Условное обозначение	Расшифровка
р-р., ж.	раствор, жидкость
г.	газ
тв., к.	твердое, кристаллическое вещество

Гомогенные реакции — это реакции, в которых все вещества находятся в одном и том же агрегатном состоянии (в одной фазе).

К примеру, взаимодействие между двумя газами или двумя растворами — это гомогенные реакции.

H₂SO_4(р-р) + 2NaOH_(р-р) = Na₂SO_4(р-р) + 2H₂O_(р-р)

2SO_2(г) + O_2(г) = 2SO_3(г)

Гетерогенные реакции — это реакции, в которых вещества находятся в различных агрегатных состояниях (жидкость + твердое тело или газ + твердое тело и пр.), проходят на границе раздела фаз.

Zn_(тв) + 2HCl_(р-р) = ZnCl₂ + H₂ ↑

Определять агрегатные состояния легко, если разбираться в теме «Химическая связь» и знать, какие кристаллические решетки характерны для веществ.

Так, твердыми веществами при нормальных условиях (н. у.) являются те, что обладают ионной, атомной и металлической кристаллическими решетками. Вещества с молекулярной решеткой при н. у. являются газами или жидкостями.

Экзо- и эндотермические реакции

По мере протекания химической реакции может либо выделяться тепло, либо поглощаться. На этом принципе основан данный вариант классификации.

Экзотермические реакции проходят с выделением тепла (+Q), в то время как эндотермические реакции проходят с поглощением тепла (−Q).

Практически все реакции соединения являются экзотермическими, за исключением образования оксида азота (II):

N₂ + O₂ = 2NO − Q

и йодоводорода:

H₂+ I₂ = 2HI − Q.

Если в ходе такой реакции выделяется свет, то она именуется реакцией горения:

2C₂H₆ + 7O2 = 4CO₂ + 6H₂O + Q

Также к экзотермическим реакциям относят реакции нейтрализации:

H₂SO_4(р-р) + 2NaOH_(р-р) = Na₂SO_4(р-р) + 2H₂O_(р-р) + Q

Эндотермическими реакциями являются реакции гидролиза разложения при нагревании:

CaCO₃ = CaO + CO₂ − Q

Если в уравнении реакции указывают тепловой эффект, тогда такое уравнение считается термохимическим:

C_(тв) + O_2(г) = CO_2(г) + 394 кДж

Знак «+» говорит о том, что реакция экзотермическая, 394 кДж — значение теплового эффекта. Также в термохимическом уравнении обязательно указывают агрегатные состояния веществ.

Иногда вместо указания непосредственно теплового эффекта в термохимическом уравнении можно встретить знак энтальпии H:

• Если ΔH < 0, значит, тепло выделяется и реакция экзотермическая;
• Если ΔH > 0, значит, тепло поглощается и реакция эндотермическая.

2K + 2H₂O = 2KOH + H₂, ΔH<0

CaCO₃ = CaO + CO₂, ΔH>0

178.1K

Какая профессия тебе подходит? Узнай за 10 минут!

Получи больше пользы от Skysmart:

• Подтяни оценки на курсах по химии.

• Выбирай из 550+ репетиторов по химии.

• Записывайся на бесплатные курсы для детей.

Окислительно-восстановительные реакции

Данный вариант классификации основан на изменении степени окисления (С. О.) элементов в ходе реакции. Так, если по мере протекания химической реакции меняется степень окисления одного или нескольких химических элементов, то реакция называется окислительно-восстановительной (ОВР).

Уже из названия становится понятно, что во время реакции протекают два процесса — окисление и восстановление.

Окисление — это процесс, при котором атом отдает электроны. В результате С.О. элемента повышается. Частицы, отдающие электроны, — восстановители.

Восстановление — процесс принятия электронов, в результате которого С.О. элемента понижается. Частицы, принимающие электроны, — окислители.

ОВР разделяют на несколько типов:

• Межмолекулярные, когда атомы окислителя и восстановителя находятся в разных молекулах:

  Cu + 4HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

  Окислитель — HNO₃ (С.О. азота +5), восстановитель — Cu (С.О. равна 0).

• Внутримолекулярные, когда в составе одного сложного вещества находятся атомы и окислителя, и восстановителя:

  2NaNO₃ = 2NaNO₂ + O₂

  Здесь окислителем является азот (изменение С.О. +5 → +3), восстановителем — кислород (изменение С.О. −2 → 0), оба атома находятся в одном соединении — NaNO₃.

• Реакции диспропорционирования, когда один и тот же атом принимает как роль окислителя, так и роль восстановителя:

  3HNO₂ = HNO₃ + 2NO + H₂O

  Азот в соединении HNO₂ обладает С.О. равной +3. В HNO3 он принимает С.О. +5, в NO +2. Таким образом, один и тот же атом дважды изменил свою степень окисления:

  • N⁺³ – 2e = N⁺⁵ — окисление, N⁺³ — восстановитель,
  • N⁺³ + 1e = N⁺² — восстановление, N⁺³ — окислитель.

Иногда уравнивать реакции ОВР затруднительно, поэтому чаще всего в таких ситуациях используют метод электронного баланса, узнать о котором подробнее можно из другой нашей статьи.

Каталитические и некаталитические реакции

Химическая реакция может проходить с использованием специальных веществ, способных изменить ее скорость.

Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в процессе не расходуется.

Представим схему действия катализатора (kat) во взаимодействии веществ A и B:

• На начальном этапе одно из реагирующих веществ связывается с катализатором:

  A + kat = Akat

• Затем происходит непосредственно химическая реакция:

  Akat + B = AB + kat

В роли катализатора в органической химии можно встретить, например, металлы (платина Pt, палладий Pd, никель Ni), в неорганической химии — оксид ванадия (V) V₂O₅, хлорид алюминия AlCl₃ и пр. В животных организмах многие процессы также катализируются, но уже веществами белкового происхождения — ферментами.

Таким образом, все химические реакции можно разделить на два типа:

• Каталитические реакции — это реакции, проходящие с применением катализатора;
• Некаталитические реакции — реакции, в которых катализатор не используется.

Некоторые каталитические реакции, которые могут пригодиться при сдаче ЕГЭ, представлены в таблице ниже:

Реакция	Катализатор
N2 + 3H2 ⇄ 2NH3	Железо Fe
2SO2 + O2 ⇄ 2SO3	Оксид ванадия (V) V2O5
2H2O2 = 2H2O + O2	Оксид марганца (IV) MnO2
2KClO3 = 2KCl + 3O2
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O	Платина Pt
CO + 2H2 = CH3OH	Оксид цинка ZnO / Оксид меди (II) CuO
Реакции этерификации	H+
Реакции гидратации/дегидратации

Обратимые и необратимые реакции

Случается, что химические реакции могут протекать одновременно в двух направлениях, и тогда такие реакции называют обратимыми. При написании химического уравнения в этом случае используют знак обратимости ⇄ вместо «=».

Вещества, полученные в ходе обратимой реакции, могут взаимодействовать друг с другом, и тогда будут образовываться исходные вещества. К примеру, обратимым является синтез аммиака из простых веществ:

N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃

Необратимые реакции, в свою очередь, идут до конца, когда полностью расходуется какое-либо из исходных веществ.

Существует ряд признаков, по которым мы можем определить, что реакция является необратимой:

• Выпадение осадка (↓):

  2NaOH + CuCl₂ = Cu(OH)₂↓ + 2NaCl

• Выделение газа (↑):

  Na₂CO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂O + CO₂↑

• Образование малодиссоциирующего соединения:

  NaOH + HCl = NaCl + H₂O

Некоторые часто встречающиеся на ЕГЭ обратимые реакции:

• N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃
• N₂ + O₂ ⇄ 2NO
• 2NO + O₂ ⇄ 2NO₂
• 2SO₃ ⇄ O₂ + 2SO₂
• Реакции этерификации, гидрирования, гидратации

В данной статье мы рассмотрели классификацию химических реакций по агрегатному состоянию, изменению степени окисления, поглощению или выделению тепла, наличию катализатора и обратимости. Понимание этой классификации позволяет глубже изучить химические процессы, а также научиться прогнозировать их и ими управлять.

Пора проверить себя

Задание 1

Выберите из представленного перечня два вещества, вступающие в обратимую реакцию:

1. гидроксид натрия
2. азот
3. соляная кислота
4. водород
5. оксид углерода (IV)

Ответ

24

Задание 2

Выберите из представленного перечня две реакции, которые являются окислительно-восстановительными:

1. 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ = CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O
2. Li₂O + H₂O = 2LiOH
3. 2Al + 3CuCl₂ = 3Cu + 2AlCl₃
4. 2P + 5H₂SO₄ = 2H₃PO₄ + 5SO₂ + 2H₂O

Ответ

34