Классификация химических реакций

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, называют реагентами. Вещества, которые образуются в ходе химической реакции, называют 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 типы 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: Sромбическая→Sмоноклинная. В органической химии к таким реакциям относятся реакции изомеризации, когда из одного изомера под действием катализатора и внешних факторов получается другой (как правило, структурный изомер). Например, изомеризация бутана в 2-метилпропан (изобутан): CH3-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH(CH3)-CH3.
  2. Реакции, протекающие с изменением состава веществ:
  • 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 присоединенияРеакции присоединения это такие реакции, в ходе которых к рассматриваемой органической молекуле присоединяется другая молекула. К реакциям присоединения относятся реакции гидрирования *взаимодействие с водородом), гидратация (присоединение воды), гидрогалогенирование (присоединение галогеноводорода), полимеризация (присоединение молекул друг к другу с образованием длинной цепочки) и др. Например, гидратация этилена: CH2=CH2 + H2O = CH3-CH2-OH.
  • Реакции разложения (→ 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, как при разложении пероксида водорода: 2H2O2 → 2H2O+O2. 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. К реакциям отщепления относят, например, реакции отщепления водорода (дегидрирования): C3H8  → C3H6 + H2. 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): C4H10 → C2H4 + C2H6.
  • 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, вытеснение более активными галогенами менее активных: 2KI + Cl2 v 2KCl + I2. Замещаться могут как отдельные атомы, так и молекулы. Например, при сплавлении менее летучие оксиды вытесняют более летучие из солей: CaCO3 + SiO2 → CaSiO3 + CO2. 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: CH4 + Cl2 → CH3Cl + 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 + H2O. Пример реакции обмена в органической химии — щелочной гидролиз хлорэтана: CH3-CH2-Cl + KOH = CH3-CH2-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 реагенты обмениваются 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 жлектронов 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: CH3-CH2-OH + CuO → CH3-CH=O + H2O + 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: CH3-CH=O + H2 → CH3-CH2-OH.
  • Протолитические реакции и реакции обмена — это такие реакции, в ходе которые степени окисления атомов не изменяются. Нпапример, нейтрализация едкого натра азотной кислотой: NaOH + HNO3 = H2O + NaNO3.

Классификация реакций по тепловому эффекту

По тепловому эффекту разделяют экзотермические и эндотермические реакции.

Экзотермические реакции — это реакции, сопровождающиеся выделением энергии в форме теплоты (+Q). К таким реакциям относятся почти все реакции соединения (исключения —  реакция азота с кислородом, единственная эндотермическая реакция окисления кислородом: N2 + O2 = 2NO — Q; и реакция газообразного водорода с твердым йодом: H2 + I2 = 2HI — Q). Экзотермические реакции, в ходе которых выделяется свет, называют реакциями горения. Например, горение метана: CH4 + O2 = CO2 + H2O.

Также экзотермическими являются: реакции щелочных металлов с водой; реакции, сопровождающиеся взрывом; разложение дихромата аммония («вулканчик»); образование аммиака: N2 + 3H2 = 2NH3; реакции нейтрализации; синтез метанола; алюмотермия; реакции, в которых из менее стабильных веществ образуются более стабильные; в органической химии — реакции присоединения, реакции горения, окисления и др.

Эндотермические реакции — это реакции, сопровождающиеся поглощением энергии в форме теплоты (-Q). Как правило, с поглощением теплоты идет большинство реакций разложения (как правило, реакции требующие длительного нагревания), например, разложение известняка: CaCO→ CaO + CO2 — Q; реакции гидролиза; реакции, идущие только при нагревании; реакции, протекающие только при очень высоких температурах или под действием электрического разряда, например, превращение кислорода в озон: 3O2 = 2O3 — Q. В органической химии с поглощением теплоты идут реакции разложения, например, крекинг пентана: C5H12 → C3H6 + C2H6 — Q.

Классификация химических реакций по агрегатному состоянию реагирующих веществ (по фазовому составу)

Вещества могут существовать, как правило, 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 реакция идет по всему объему реакционной смеси. К гомогенным реакциям относят взаимодействия жидкость-жидкость, и газ-газ. Например, окисление сернистого газа: 2SO2(г) + O2(г) = 2SO3(г).
  • Гетерогенные реакции — это реакции, в которых реагирующие вещества и продукты находятся в разных фазах. При этом реакция 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: CO2(г) + Ca(OH)2(р-р) = CaCO3(тв) + H2O.

Для классификации реакций по фазовому состоянию полезно уметь определять фазовые состояния веществ. Это достаточно легко сделать, используя знания о строении вещества, в частности, о типах кристаллической решетки. 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. Так, реакция получения синтез-газа идет при очень высоких температурах, при которых вода — пар: CH4(г) + H2O(г) = CO(г) + 3H2(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: 2KClO3 → 2KCl + 3O2.
  • Некаталитические реакции — это реакции, которые идут без участия катализатора. Например, горение этана: 2C2H6 + 5O2 = 2CO2 + 6H2O.

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.