Классификация реакций

Химические реакции - явления, при которых происходит разрыв одних и образование других химических связей. При этом из одних химических веществ получаются другие вещества (или другое вещество).

По изменению состава веществ реакции делятся на

  1. Реакции, при которых не происходит изменение состава веществ

    а) аллотропные превращения: С(графит) С(алмаз); O2 O3 и др.
    б) реакции изомеризация: NH4OCN (NH2)2CO; CH3—CH2—CH2—CH3 CH3—CH(CH3)—CH3 и др.

  2. Реакции, при которых происходит изменение состава веществ - все остальные реакции.

    а) реакции соединения: S + O2 = SO2; CaO + CO2 = CaCO3; C2H4 + Br2 = C2H4Br2 и т. п.
    б) реакции разложения: 2HgO = 2Hg + O2; MgCO3 = MgO + CO2; C2H5OH = C2H4 + H2O и т. п.
    в) реакции замещения: Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2; CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2; CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl и др.
    г) реакции обмена: CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O; NaOH + HCl = NaCl + H2O; HCOOH + CH3OH = HCOOCH3 + H2O; и другие, более сложные, реакции.

По изменению степени окисления реакции делятся на реакции, протекающие с изменением степени окисления (окислительно-восстановительные реакции, ОВР):

Fe0 + S0 = Fe+IIS-II;

и реакции, протекающие без изменения степени окисления.

По изменению внутренней энергии (по тепловому эффекту реакции) реакции делятся на
экзотермические: 2Mg + O2 = 2MgO + Q; CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Q (тепло выделяется);
эндотермические: CaCO3 = CaO + CO2 - Q; C8H18 C4H10 + C4H8 - Q. (тепло поглощается)

По направлению протекания реакции делятся на
необратимые: AgNO3 + NaCl = AgCl + NaNO3; CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl (протекают в одном направлении)
обратимые: K2SO3 + H2O KHSO3 + KOH; C2H6 C2H4 + H2 (протекают в двух направлениях)

По числу фаз в реагирующей смеси различают
гомофазные ("гомогенные") реакции:

2CO(г) + O2(г) = 2CO2(г) (одна фаза - газ);
CH3NH2(р-р)+ HCl(р-р) = [CH3NH3]Cl(р-р) (одна фаза - водный раствор);

гетерофазные ("гетерогенные") реакции:

Fe(т) + CuSO4(р-р) = Cu(т) + FeSO4(р-р) (три фазы - две твердых фазы и водный раствор);
2Na(т) + 2C2H5OH(ж) = 2C2H5ONa(р-р) + H2(г) (три фазы - газ, твердая фаза и спиртовой раствор).

По участию в реакции катализатора выделяют каталитические реакции:

2H2O2 2H2O + O2; C2H4 + H2 C2H6

Есть и другие классификационные признаки: скорость, механизм и т. д.

Одну и ту же реакцию по разным признакам можно отнести одновременно к нескольким типам, например, реакция

N2 + 3H2 2NH3 + Q

является экзотермической обратимой гомофазной (формально) каталитической окислительно-восстановительной реакцией соединения.

Реакции обмена, протекающие в растворах, идут до конца, если образуется осадок, газ или малодиссоциированное вещество (в частности, вода)

BaCl2 + Na2SO4 = BaSO4 + 2NaCl
NH4Cl + NaOH = NaCl + NH3 + H2O
KNO2 + HCl = KCl + HNO2 (молекулярное уравнение)
K+ + NO2- + H+ + Cl- = K+ + Cl- + HNO2 (полное ионное уравнение)
H+ + NO2- = HNO2 (сокращенное ионное уравнение, ионное уравнение)

Скорость химической реакции

Скорость гомофазной реакции - отношение изменения концентрации реагента или продукта реакции ко времени протекания реакции.

Единица измерения скорости:

Скорость гетерофазной реакции - отношение изменения количества вещества реагента или продукта реакции ко времени протекания реакции и площади соприкосновения реагирующих веществ.

Единица измерения скорости:

Факторы, влияющие на скорость реакции.
1. Природа реагирующих веществ (состав, строение, энергия активации).



Энергия активации (Ea) - избыточная энергия (по сравнению со средней), необходимая для эффективного соударения реагирующих частиц.

Чем меньше энергия активации, тем больше скорость реакции, и, чем больше энергия активации, тем меньше скорость реакции. Например, реакции обмена в водных растворах, приводящие к образованию осадка протекают очень быстро, так как у них очень маленькая энергия активации. Напротив, реакция получения аммиака из водорода и азота при комнатной температуре практически не идет, так как у нее очень большая энергия активации.

2. Температура. При увеличении температуры увеличивается скорость движения молекул и их кинетическая энергия, уменьшается прочность связей, все это приводит к возрастанию числа частиц с энергией, равной энергии активации, и увеличению скорости реакции.

Правило Вант-Гоффа. При увеличении температуры на 10oС скорость реакции возрастает в 2 ... 4 раза.

или

3. Концентрации реагентов. Чем больше концентрация реагирующих веществ, тем чаще их частицы соударяются, и тем больше скорость реакции. Для реакции aA + bB = dD, протекающей в одну стадию, скорость реакции v = k·(cA)a·(cB)b. Это выражение называется законом действующих масс для скорости реакции. Постоянная (при постоянной температуре) величина k называется константой скорости реакции. Она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагентов.

4. Наличие катализатора. Катализаторы - вещества, с помощью которых медленная реакция заменяется последовательностью более быстрых реакций с меньшими энергиями активации. Катализаторы вступают в первую реакцию этой последовательности и выделяются в химически неизменном виде в результате последней реакции. Поэтому создается впечатление, что катализаторы увеличивают скорость реакции.

Ингибиторы - вещества, уменьшающие скорость реакции; ингибиторы, в отличие от катализаторов, в ходе реакции расходуются.

5. Скорость гетерофазных реакций зависит также от состояния поверхности (например, чистая или загрязненная), характера образующихся продуктов (например, растворимы продукты или нет), условий подвода реагентов и отвода продуктов реакции (например, используется перемешивание, или нет).

Если реакция протекает на границе газовой фазы и твёрдой (или жидкой) фазы, то на скорость реакции не влияют концентрации жидких и твердых веществ, а если на границе жидкой и твёрдой фазы, то - концентрации твердых веществ.

Обратимые реакции. Химическое равновесие.

Необратимые реакции протекают только в одном направлении.

Обратимые реакции - реакции, которые при одних и тех же условиях протекают как в прямом, так и в обратном направлениях.

H2 + I2 2HI
реагенты продукт

Состояние обратимой реакции, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции называется химическим равновесием. Химическое равновесие - равновесие динамическое.

Принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии оказать внешнее воздействие, то равновесие в системе сместится в том направлении, в котором происходит частичная компенсация этого воздействия.

  • при увеличении концентрации исходного вещества равновесие смещается в сторону продуктов реакции;
  • при увеличении концентрации продуктов реакции - в сторону реагентов (исходных веществ);
  • при увеличении давления (если в системе есть газы) - в сторону меньшего объема;
  • при уменьшении давления - в сторону большего объема;
  • при увеличении температуры - в сторону продуктов эндотермической реакции;
  • при уменьшении температуры - в сторону продуктов экзотермической реакции.

Введение катализатора не смещает равновесия, но ускоряет его достижение.

Тепловой эффект реакции.

Тепловой эффект реакции - количество теплоты, выделяющейся, или поглощающейся при протекании реакции с теми количествами вещества реагентов, которые задаются коэффициентами в термохимическом уравнении.

C2H4 + 3O2 = 2CO2 + 2H2O + 1400 кДж Экзотермическая реакция;
CaCO3 = CaO + CO2 - 157 кДж Эндотермическая реакция.

Тепловой эффект возникает прежде всего из-за разницы в энергиях связей в исходных веществах (реагентах) и продуктах реакции (см. вышеприведенный рис.)

Теория электролитической диссоциации

Вещества с ионой или сильно полярной ковалентной связью могут при растворении или плавлении (только ионные вещества) образовывать подвижные ионы, за счет которых эти растворы или расплавы проводят электрический ток. Такие вещества называют электролитами, а процесс образования ионов - электролитической диссоциацией.

    Электролитами являются:
  • соли NaCl = Na+ + Cl-
  • основания NaOH = Na+ + OH-
  • кислоты HCl = H+ + Cl-

Сильные электролиты - электролиты, которые в разбавленном растворе полностью (необратимо) диссоциируют.

Слабые электролиты - электролиты, которые в разбавленном растворе диссоциируют частично (обратимо) и незначительно.

Степень диссоциации - отношение числа продиссоциировавших в растворе молекул к числу исходных молекул (молекул, попавших в раствор). Степень диссоциации зависит от концентрации и температуры. С увеличением концентрации степень диссоциации уменьшается, а с увеличением температуры - возрастает.

Некоторые электролиты диссоциируют ступенчато:

H2S H+ + HS- (первая ступень); HS- H+ + S2- (вторая ступень).

Степень диссоциации по второй ступени всегда меньше, чем по первой ступени.

Свойства разбавленных растворов сильных электролитов определяются свойствами ионов, находящихся в этих растворах (молекул в них нет): свойства кислот - свойствами ионов водорода, свойства щелочей - свойствами гидорксидных ионов, свойства солей - свойствами ионов, входящих в состав данной соли.

Рекомендации к теме

Изучив номенклатурные правила для веществ отдельных классов, познакомьтесь теперь с общей последовательностью составления названия органического вещества по номенклатурным правилам ИЮПАК на примере соединения

  1. Корнем названия соединения является название родоначальной структуры (цепи или цикла). В данном случае это может быть: пропен, пентан и пентен.

  2. Выбор старшей характеристической группы. Различают два типа заместителей: а) заместители, определяющие выбор главной цепи (характеристические группы) и б) заместители, не определяющие выбор главной цепи. Характеристическим группам приписывается старшинство. Известные Вам группы в порядке убывания старшинства располагаются в ряд:
    —COOH, —CHO, —CO—, —OH, —NH2
    Старшая из имеющихся в молекуле характеристических групп определяет суффикс названия. В данном случае - суффикс "ов", окончание "ая" и дополнительное слово "кислота". Наличие остальных характеристических групп отражается приставками (в нашем случае - "амино").

    Ко второй группе заместителей относятся углеводородные радикалы, атомы галогенов, нитрогруппа.

  3. Выбор главной цепи или главного цикла. Главная цепь (или цикл) должна содержать самую старшую из характеристических групп., а также максимально возможное при этом число кратных связей. Если таких цепей несколько, то выбирают наиболее длинную, а если и таких цепей несколько, то - ту, которая содержит наибольшее число заместителей.

  4. Нумерация атомов главной цепи. Главную цепь нумеруют с того конца, к которому ближе старшая группа. Если таких вариантов несколько, то выбирают тот, который дает минимальные номера кратным связям, а если и таких вариантов больше одного, то предпочтение отдается тому, при котором заместители получают наименьшие номера.

    В нашем случае:

  5. Обозначение заместителей. Эта операция Вам известна. Отметим только, что в случае, если в молекуле несколько разных заместителей, то они перечисляются в алфавитном порядке.

    В итоге, для нашего примера получаем название: 2-аминопентен-4-овая кислота.

Проверьте, умеете ли вы решать задачи на определение состава органического вещества по продуктам его сгорания.

Пример. При сжигании в избытке кислорода 2,52 г углеводорода с плотность паров по водороду 42 образовалось 7,92 г углекислого газа и 3,24 г воды. Определите молекулярную формулу углеводорода.


Ответ: C6H12