Лекция по химии №8

Лекция по общей химии №8

Конспект  лекции по общей химии составлен в соответствии с программой учебной дисциплины Химия, которая является частью программы среднего (полного) общего образования, реализуемого в рамках СПО с учетом профиля получаемого профессионального образования.

Конспект  лекций по органической  химии предназначен для использования учащимися с целью самостоятельного изучения предмета, коррекции знаний, при повторении и подготовке к итоговой контрольной работе.

Тема: Классификация химических реакций 

Химические реакции, или химические явления, – это процессы, в результате которых из одних веществ образуются другие, отличающиеся от них по составу и (или) строению.

При химических реакциях обязательно происходит изменение веществ, при котором рвутся старые и образуются новые связи между атомами.

Рассмотрим классификацию химических реакций по различным признакам.

I. По числу и составу реагирующих веществ

Реакции, идущие без изменения состава веществ

В неорганической химии к таким реакциям можно отнести процессы получения аллотропных модификаций одного химического элемента, например:

C (графит)  C (алмаз)

P (белый)  P (красный)

3O2 (кислород)  2O3 (озон)

В органической химии к этому типу реакций могут быть отнесены реакции изомеризации, которые идут без изменения не только качественного, но и количественного состава молекул веществ, например:

Изомеризация алканов.

Реакция изомеризации алканов имеет большое практическое значение, так как углеводороды изостроения обладают меньшей способностью к детонации.

Реакции, идущие с изменением состава вещества

Можно выделить четыре типа таких реакций: соединения, разложения, замещения и обмена.

Реакции соединения – это такие реакции, при которых из двух и более веществ образуется одно сложное вещество. В неорганической химии все многообразие реакций соединения можно рассмотреть, например, на примере реакций получения серной кислоты из серы:

Получение оксида серы (IV):

  S + O2 = SO2 – из двух простых веществ образуется одно сложное.

Получение оксида серы (VI):

2SO2 + O2

2SO3

– из простого и сложного веществ образуется одно сложное.

Примером реакции соединения, при которой одно сложное вещество образуется из более чем двух исходных, может служить заключительная стадия получения азотной кислоты:

4NO2 + О2 + 2Н2O = 4HNO3

В органической химии реакции соединения принято называть «реакциями присоединения». Все многообразие таких реакций можно рассмотреть на примере блока реакций, характеризующих свойства непредельных веществ, например этилена:

Реакция гидрирования – присоединения водорода:

Реакции разложения – это такие реакции, при которых из одного сложного вещества образуется несколько новых веществ.

В неорганической химии все многообразие таких реакций можно рассмотреть на блоке реакций получения кислорода лабораторными способами:

Разложение оксида ртути (II):

2HgO

2Hg + O2↑

– из одного сложного вещества образуются два простых.

В органической химии реакции разложения можно рассмотреть на блоке реакций получения этилена в лаборатории и в промышленности:

Реакция дегидратации (отщепления воды) этанола:

Реакция дегидрирования (отщепление водорода) этана:

Реакции замещения – это такие реакции, в результате которых атомы простого вещества замещают атомы какого-нибудь элемента в сложном веществе. B неорганической химии примером таких процессов может служить блок реакций, характеризующих свойства, например, металлов:

Взаимодействие щелочных или щелочноземельных металлов с водой:
  2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑

Взаимодействие металлов с кислотами в растворе:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑

Предметом изучения органической химии являются не простые вещества, а только соединения. Поэтому как пример реакции замещения приведем наиболее характерное свойство предельных соединений, в частности метана, – способность его атомов водорода замещаться на атомы галогена:

CH4   +   Cl2

CH3Cl

+      HCl

                                                              хлорметан

В органической химии к реакциям замещения относят и некоторые реакции между двумя сложными веществами, например нитрование бензола:

C6H6	+      HNO3		C6H5NO2	+      H2O
бензол			нитробензол

Она формально является реакцией обмена. То, что это реакция замещения, становится понятным только при рассмотрении ее механизма.

Реакции обмена – это такие реакции, при которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями.

Эти реакции характеризуют свойства электролитов и в растворах протекают по правилу Бертолле, то есть только в том случае, если в результате образуется осадок, газ или малодиссоциирующее вещество (например, Н2О).

B неорганической химии это может быть блок реакций, характеризующих, например, свойства щелочей:

Реакция нейтрализации, идущая с образованием соли и воды:

NaOH + HNO3 = NaNO3 + Н2O

или в ионном виде:

OH– + H+ = H2O

Реакция между щелочью и солью, идущая с образованием газа:

2NH4Cl + Са(ОН)2 = CaCl2 + 2NH3↑ + 2Н2O

B органической химии можно рассмотреть блок реакций, характеризующих, например, свойства уксусной кислоты: Реакция, идущая с образованием слабого электролита – H2O:

CH3COOH + NaOH

Na(CH3COO) + H2O

Реакция, идущая с образованием газа:

2CH3COOH + CaCO3 → 2CH3COO– + Ca2+ + CO2↑ + H2O

Реакция, идущая с образованием осадка:

2CH3COOH + K2SiO3 → 2K(CH3COO) + H2SiO3↓

II. По изменению степеней окисления химических элементов, образующих вещества

По этому признаку различают следующие реакции:

Реакции, идущие с изменением степеней окисления элементов, или окислительно-восстановительные реакции. К ним относится множество реакций, в том числе все реакции замещения, а также те реакции соединения и разложения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество, например:

Реакции, идущие без изменения степеней окисления химических элементов. К ним, например, относятся все реакции ионного обмена, а также многие реакции соединения, например:

Li₂O + Н₂O = 2LiOH,

многие реакции разложения:

2Fe(OH)3

Fe2O3 + 3H2O

реакции этерификации:

HCOOH + CH3OH

HCOOCH3 + H2O

III. По тепловому эффекту

По тепловому эффекту реакции делят на экзотермические и эндотермические.                                          

1.Экзотермические реакции протекают с выделением энергии.

К ним относятся почти все реакции соединения. Редкое исключение составляют эндотермические реакции синтеза оксида азота (II) из азота и кислорода и реакция газообразного водорода с твердым иодом:

N₂ + O₂ = 2NO – Q

Экзотермические реакции, которые протекают с выделением света, относят к реакциям горения, например:

4P + 5O₂ = 2P₂O₅ + Q

Гидрирование этилена – пример экзотермической реакции:

CH2=CH2 + H2

CH3–CH3

+ Q

Она идет при комнатной температуре.

2.Эндотермические реакции протекают с поглощением энергии.

Очевидно, что к ним будут относиться почти все реакции разложения, например:

1.                                         Обжиг известняка:

CaCO3

CaO + CO2↑

– Q

Количество выделенной или поглощенной в результате реакции энергии называют тепловым эффектом реакции, а уравнение химической реакции с указанием этого эффекта называют термохимическим уравнением, например:

H₂(г) + Cl₂(г) = 2HCl(г) + 92,3 кДж

N₂(г) + O₂(г) = 2NO(г) – 90,4 кДж

IV. По агрегатному состоянию реагирующих веществ (фазовому составу)

По агрегатному состоянию реагирующих веществ различают:

1.                 Гетерогенные реакции – реакции, в которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в разных агрегатных состояниях (в разных фазах):

2Al(т) + 3CuCl₂(р-p) = 3Cu(т) + 2AlCl3(р-p)

CaC₂(т) + 2H₂O(ж) = C₂H₂↑ + Ca(OH)₂(р-p)

Гомогенные реакции – реакции, в которых реагирующие вещества и

2.                 продукты реакции находятся в одном агрегатном состоянии (в одной фазе):

H₂(г) + F₂(г) = 2HF(г)

V. По участию катализатора

По участию катализатора различают:

1.                 Некаталитические реакции, идущие без участия катализатора:

2HgO		2Hg + O2↑
C2H4 + 3O2		2CO2 + 2H2O

2.       Каталитические реакции, идущие с участием катализатора:

2KClO3

2KCl + 3O3↑

C2H5OH

CH2=CH2↑

+ H2O

                             Этанол                           этен

Так как все биохимические реакции, протекающие в клетках живых организмов, идут с участием особых биологических катализаторов белковой природы – ферментов, все они относятся к каталитическим или, точнее, ферментативным. Следует отметить, что более 70 % химических производств используют катализаторы.

VI. По направлению

По направлению различают:

1.                 Необратимые реакции протекают в данных условиях только в одном направлении.

К ним можно отнести все реакции обмена, сопровождающиеся образованием осадка, газа или малодиссоциирующего вещества (воды) и все реакции горения.

Обратимые реакции в данных условиях протекают одновременно в двух противоположных направлениях.

Таких реакций подавляющее большинство.

В органической химии признак обратимости отражают названия – антонимы процессов:

·                                             гидрирование – дегидрирование,

·                                             гидратация – дегидратация,

Обратимы все реакции этерификации (противоположный процесс, как вы знаете, носит название гидролиза) и гидролиза белков, сложных эфиров, углеводов, полинуклеотидов. Обратимость этих процессов лежит в основе важнейшего свойства живого организма – обмена веществ.

Рассмотренная выше классификация химических реакций отражена

 на рис 1.

Рисунок 1.

Классификация химических реакций

Классификация химических реакций, как и все другие классификации, условна. Ученые договорились разделить реакции на определенные типы по выделенным ими признакам. Но большинство химических превращений можно отнести к разным типам. Например, составим характеристику процесса синтеза аммиака:

Это реакция соединения, окислительно-восстановительная, экзотермическая, обратимая, каталитическая, гетерогенная (точнее, гетерогенно-каталитическая), протекающая с уменьшением давления в системе. Для успешного управления процессом необходимо учитывать все приведенные сведения. Конкретная химическая реакция всегда многокачественна, ее характеризуют разные признаки.