Классификация химических реакций. Тепловой эффект

Существует несколько критериев классификации химических реакций. В неорганической химии по числу и исходных веществ и продуктов реакции делятся на реакции соединения, разложения, замещения и обмена:

4NO₂ + O₂ + 2H₂O = 4HNO₃

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑

Zn + FeSO₄ = ZnSO₄ + Fe

2NaOH + CuSO₄ = Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄.

Важно помнить, что в реакции соединения могут вступать как простые, так и сложные вещества, реакции разложения характерны только для сложных веществ, в реакции замещения вступает одно простое и одно сложное вещество, а в реакции обмена – два сложных вещества, которые обмениваются своими составными частями.

По тепловому эффекту реакции делят на экзотермические, которые протекают с выделением тепла, и эндотермические, которые идут с поглощением тепла:

CH₄ + 2O₂ = CO₂↑ + 2H₂O + Q

CaCO₃ = CaO + CO₂↑ - Q.

Из этих реакций видно, что реакции горения, как правило, идут с выделением тепла, а реакции разложения – с поглощением.

По направлению протекания реакции их делят на необратимые, которые идут до конца в одном направлении, и обратимые, которые идут в двух противоположных направлениях:

Ba(OH)₂ + 2HCl = BaCl₂ + 2H₂O

2SO₂ + O₂ ↔ 2SO₃.

Необратимыми являются реакции, в результате которых образуется газ, осадок или слабый электролит.

По признаку изменения степени окисления реакции делят на окислительно-восстановительные, которые протекают с изменением степени окисления атомов, и не окислительно-восстановительные, которые протекают без изменения степени окисления атомов:

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂

Na₂O + CO₂ = Na₂CO₃.

Следует помнить, что большинство органических реакций идут с изменением степени окисления атомов. В неорганических реакциях первый признак окислительно-восстановительной реакции – это участие в ней простого вещества, потому что степень окисления простых веществ равна нулю. Поэтому данный элемент будет либо повышать, либо понижать свою степень окисления. Так, в реакции окисления сульфида цинка участвует простое вещество – кислород. То есть в неорганических реакциях, реакции замещения также являются окислительно-восстановительными.

По участию в реакции катализатора реакции делят на каталитические, протекающие с участием катализатора, и некаталитические, которые не требуют применения катализатора. Большинство органических реакций идут только в присутствии катализатора:

ZnCl₂ + 2AgNO₃ = 2AgCl↓ + Zn(NO₃)₂

3H₂ + N₂ = 2NH₃.

По наличию раздела фаз реагирующих веществ реакции делят на гомогенные, в которых реагирующие вещества находятся в одном агрегатном состоянии (жидком или газообразном), а также на гетерогенные, в которых реагирующие вещества находятся в разных агрегатных состояниях (или в твёрдом состоянии):

2KOH (р-р) + H₂SO₄ (р-р) = K₂SO₄ (р-р) + 2H₂O (ж)

CuO (т) + H₂ (г) = Cu (т) + H₂O (ж).

Большинство реакций можно одновременно классифицировать по различным признакам:

2SO₂ (г) + O₂ (г)  2SO₃ (г) + Q.

Так реакция получения оксида серы (VI) из оксида серы (IV) является одновременно реакцией соединения, обратимой, окислительно-восстановительной, экзотермической, гомогенной и каталитической.

Органические реакции также можно классифицировать по различным признакам. На основе сопоставления строения исходных и конечных продуктов реакции делят на реакции замещения, присоединения, отщепления (элиминирования), изомеризации (перегруппировки), разложения.

В реакциях замещения атом или группа атомов в молекуле замещается на другой атом или группу атомов:

СH₃ – CH₃ + Cl₂  CH₃ – CH₂Cl + HCl.

В реакциях присоединения молекулы органических веществ соединяются в новую молекулу, при чём образуется только один продукт реакции. Присоединение водорода – это реакция гидрирования, присоединение галогена – галогенирование, присоединение воды – гидратация, присоединение галогеноводорода – гидрогалогенирование:

HC ≡ CH + H₂  H₂C = CH₂

CH₃ – CH = CH₂ + Br₂ → CH₃ – CHBr – CH₂Br

H₂C = CH₂ + H₂O  H₃C – CH₂OH

HC ≡ C – CH₃ + HCl → H₂C = CCl – CH₃.

К реакциям присоединения относятся также реакции полимеризации:

n(H₂C = CH – CH = CH₂)  (-CH₂ – CH = CH – CH₂-)_n.

В реакциях отщепления происходит отрыв атомов или групп атомов от исходного вещества, но углеродный скелет при этом сохраняется:

H₃C – CH₂ – CH₂Br + KOH  H₃C – CH = CH₂ + KBr + H₂O

H₃C – CH₂OH  H₂C = CH₂ + H₂O

H₃C – CH₃  H₂C = CH₂ + H₂↑.

В реакциях изомеризации исходное вещество и продукт реакции являются изомерами. При этом углеродный скелет может изменяться:

H₃C – CH₂ – CH₂ – CH₃ H₃C – CH – CH₂ – CH₃

 |

 CH₃

В результате реакций разложения из одного сложного вещества образуются несколько простых или сложных веществ. К органическим реакциям разложения относится крекинг, при котором происходит разрыв углерод-углеродной связи:

H₃C – CH₂ – CH₂ – CH₃  H₃C – CH₃ + H₂C = CH₂.

Если реакции разложения идут при высокой температуре, то они называются ещё пиролизом:

CH₄  C + 2H₂↑.

Органические вещества также вступают в окислительно-восстановительные реакции. При этом степени окисления изменяются у атомов углерода. Считается, что вещество окисляется, если теряет атом водорода и приобретает атомы кислорода. Кислородсодержащий окислитель обозначается символом [O]:

СH₃ – CH₂OH + CuO  CH₃ – C = O + Сu + H₂O.

 |

 H

Если вещество восстанавливается, то оно приобретает атомы водорода и теряет атомы кислорода. Восстановитель часто обозначается символом [H]:

C₆H₅NO₂  C₆H₅NH₂

В зависимости от разрыва ковалентной связи органические реакции делят на радикальные и ионные. А ионные реакции бывают электрофильные и нуклеофильные. При гомолитическом разрыве связи образуются свободные радикалы, так как частицы, которые имеют неспаренный электрон.

 При гетеролитическом разрыве связи общая электронная пара остаётся у одного атома и образуется катион и анион.

В электрофильных реакциях электрофилы («любящие электроны») имеют свободную орбиталь:

H₂C = CH₂ + HCl → H₃C – CH₂Cl (H⁺ электрофил).

В нуклеофильных реакциях нуклеофилы («любящие ядро») имеют неподелённую пару электронов на внешнем уровне:

H₂C = O + H – CN → H₂C – OH

 |

 CN

CN – нуклеофил.

Решим задачи. Нужно рассчитать объём (н. у.) метана, сгоревшего в кислороде, в соответствии с термохимическим уравнением:

CH₄ (г) + 2O₂ (г) = CO₂ (г) + H₂O (г) + 803 кДж, если выделилось 40,15 кДж теплоты.

1 моль – 22,4 л

22,4 л – 803 кДж

х л – 40,15 кДж

х = 22,4 · 40,15 / 803 = 1,12 л.

При сгорании угля с образованием углекислого газа выделяется 394 кДж теплоты. Рассчитаем количество теплоты, которое выделится при получении оксида углерода (IV) объёмом 4,48 л (н. у.).

С (т) + О₂ (г) = СО₂ (г) + 394 кДж

22,4 л – 394 кДж

4,48 л – х кДж, х = 4,48 · 394 / 22,4 = 78,8 кДж.