Химическая реакция

На этой странице вы узнаете

• Что общего у философов, алхимиков и химиков?
• Если у человека противоположные реакции — злость и радость, то что же тогда будет у химических веществ?
• Кто открыл катализаторы?

У человека насчитывается огромное количество различных реакций — радость, гнев, тоска и так далее. Некоторые из них похожи друг на друга, некоторые полностью противоположны. Точно так же и в химии. От «характера» веществ, между прочим, зависит тип реакции.

Гомогенные и гетерогенные химические реакции 

Большинство процессов, протекающих в окружающем нас мире, можно разделить на физические и химические явления, и очень важно уметь отличать их друг от друга.

Физическое явление — изменение свойств физических тел.

К физическим явлениям будут относиться изменения:

• агрегатного состояния;
• размера или формы тела;
• объема;
• положения тел относительно друг друга и т.д.

Химические явления включают в себя химические реакции. Давайте узнаем, что это такое.

Химическая реакция — процесс, в течение которого одни вещества превращаются в другие.

В отличие от физических явлений, в которых происходит изменение свойств одного и того же вещества, химические явления характеризуются превращением одних веществ в другие, при этом образовавшиеся соединения обладают новыми свойствами. 

Например, плавление свечи будет физическим явлением, а горение фитиля свечи — химическим. Также закипание воды будет физическим явлением, а образование воды — химическим явлением, а именно химической реакцией.

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

Перед непосредственным изучением химических реакций разберем необходимый для понимания темы закон — Закон сохранения массы.

Закон сохранения массы гласит, что масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

Можно копнуть чуть глубже и перейти на атомы.

Например, если в реакции есть водород, то можно сказать, что масса атомов водорода в левой части реакции (слева от знака равно) равна массе атомов водорода в правой части (справа от равно). 

Знание этого закона помогает нам составлять уравнения реакций, но этот момент разберем чуть позже.

Что общего у философов, алхимиков и химиков? На первый взгляд, у древних философов, средневековых алхимиков и современных химиков не так много общего. Однако все эти люди внесли свой вклад в открытие Закона сохранения массы. Впервые закон сформулировал древнегреческий философ Эмпедокл:   «Ничто не может произойти из ничего, и никак не может то, что есть, уничтожиться». По мере развития алхимии, а затем и химии, данный закон только подтверждался на практике. А современная формулировка закона была создана Михаилом Васильевичем Ломоносовым.

А сейчас мы разберем, какие реакции вообще бывают в химии. Химия делится на органическую (химия углерода) и неорганическую (химия всех химических элементов и их соединений). Вот и реакции в химии решили делить тоже на две большие группы.

Какие реакции бывают в неорганике? Давайте разбираться.

Реакции в неорганике 

I. Типы реакций по числу и составу исходных веществ и продуктов реакции

Если у человека противоположные реакции — злость и радость, то что же тогда будет у химических веществ? Реакции в химическом мире тоже противоположны.   Когда в коллективе между людьми дружба, все испытывают радость и удовлетворенность, что приводит к объединению людей — как реакции соединения в химии. А когда в коллективе разлад, то у всех членов этого коллектива плохое настроение, все испытывают злость, что ведет к распаду коллектива — как реакции разложения в химии.

1. Реакции соединения

А + В = С

Суть реакции хорошо описывается своим названием — изначально было несколько веществ, их сложили и получилось одно. 

Можем провести ассоциацию с пазлами. То есть мы соединяем пазлы и получаем одно «вещество».

Пример: 4Na + O₂ = 2Na₂O

Давайте разберемся, как мы получили это уравнение.

Опираясь на знание химических свойств элементов, мы можем сказать, что при взаимодействии металла (натрия) с неметаллом (кислородом) образуется оксид Na₂O.

Теперь на сцену выходит Закон сохранения массы. 

Если мы запишем реакцию как Na + O₂ = Na₂O, то у нас массы атомов до и после реакции будут неравные: слева один натрий и два кислорода, а справа будет два натрия и один кислород. Нам нужно уравнять реакцию так, чтобы количество каждого элемента справа и слева было равным, а для этого используем коэффициенты — цифры, отражающие, сколько частиц вещества вступило в реакцию.

Слева два кислорода, справа тоже должно быть два — перед оксидом появляется коэффициент 2.

Na + O₂ = 2Na₂O

Теперь у нас справа 4 натрия, а слева 1, перед металлом возникает 4.

4Na + O₂ = 2Na₂O

Проверяем: справа и слева 4 натрия и 2 кислорода, все верно!

2. Реакции разложения

АВ = А + В

Данная реакция противоположна предыдущей — было одно вещество, из которого образовалось несколько веществ. Причем в продуктах могут быть как простые вещества, так и сложные. 

Это как в случае с матрешкой. Внутри одной матрешки много маленьких. То есть, когда мы разбираем одну большую матрешку, мы получаем много маленьких.

Пример: Сa(OH)₂ = CaO + H₂O

3. Реакции замещения

АВ + С = АС + В

До реакции было одно простое вещество и одно сложное, после реакции мы получаем другое простое вещество и другое сложное. 

Так и в жизни людей иногда происходят замещения. Например, в любом рабочем коллективе есть директор (B). У директора самая большая зарплата (А). У директора есть помощник — заместитель директора (С), который тоже хочет получать столько денег. И иногда так случается, что заместитель (С) вытесняет директора (В), становится самым главным в компании и получает свою заветную огромную зарплату (А).

Пример: CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu 

4. Реакции обмена

АВ + CD = AD + CB

Данная реакция похожа на предыдущую, но немного сложнее: до реакции было два сложных вещества, после реакции стало два других сложных вещества. 

В человеческой жизни может произойти следующая ситуация. Теперь у нас два директора (А и С), которые имеют два разных бизнеса (B и D соответственно). Так случилось, что обоим владельцам надоел их бизнес, поэтому они решили заключить сделку и обменяться своими бизнесами. Теперь директор А владеет бизнесом D, а директор С владеет бизнесом B.

Пример: AgF + NaCl = AgCl + NaF

II. Типы реакций по обратимости

По обратимости мы можем разделить все реакции на обратимые и необратимые.

1. Обратимые

По названию можно догадаться, что такие реакции протекают в двух направлениях: прямом и обратном. То есть из реагентов мы можем получить продукты, а из продуктов — реагенты. Тот самый наш пазл можно собрать, разобрать, и заново собрать.

Пример: N₂ + 3H₂ ⇆ 2NH₃

2. Необратимые

По названию можно догадаться, что такие реакции протекают только в одном направлении — прямом. То есть из реагентов мы можем получить продукты, а из продуктов реагенты мы получить не сможем. Если разбить фарфоровую чашку, обратно уже не соберешь.

Как не путать и верно определять обратима реакция или нет? 

Если в продуктах есть слабый электролит, осадок, газ или выделяется очень много тепла, то чаще всего в таких случаях реакция будет необратима.

Пример: NaOH + HCl = NaCl + H₂O

III. Типы реакций по количеству фаз

Все реакции можно разделить по количеству фаз на гомогенные и гетерогенные. Изучим данные группы по-отдельности. 

Вспомним, что такое фаза.

Фаза — совокупность всех частей системы, обладающих одинаковыми физическими и химическими свойствами во всех точках, и отделенная от других частей системы поверхностью (границей) раздела.

1. Гомогенные реакции

Реагенты чаще всего находятся в одном и том же агрегатном состоянии, при этом граница раздела фаз отсутствует.

Пример: NaOH _(р-р) + CH₃COOH _(р-р) = CH₃COONa _(р-р) + H₂O _(р-р), то есть в данном случае жидкость + жидкость.

2. Гетерогенные реакции

Реагенты чаще всего находятся в разных агрегатных состояниях или друг с другом взаимодействуют две плохо смешивающиеся жидкости, реакция проходит на границе раздела фаз.

Примеры: Zn _(тв.) + 2HCl _(р-р) = ZnCl_{2 (р-р)} + H_{2 (газ),} то есть в данном случае твердое вещество + жидкость.

IV. Типы реакций по тепловому эффекту 

1. Экзотермические реакции

В результате такой реакции выделяется тепло (Q), поэтому также встречается обозначение экзотермических реакций через +Q. Сюда относят большую часть реакций соединения, замещения и обмена, а также горение.

Экзотермические реакции можно сравнить с экстравертами — они активны и им хочется всем делиться с миром

Пример: 2Mg + O₂ = 2MgO + Q

Реакция N₂ + O₂ ⇄ 2NO – Q является исключением. Несмотря на то, что это реакция соединения, тепло выделяться не будет.

Также исключениями будут:

C + CO₂ = 2CO — Q

H₂ + I₂ = 2HI — Q

3O₂ = 2O₃ — Q

2. Эндотермические

Такие реакции протекают с поглощением тепла (–Q), сюда относится большая часть реакций разложения.

Эндотермические реакции можно сравнить с интровертами — они сконцентрированы на своем внутреннем мире и не особо стремятся делиться им с окружающим миром.

Пример: CaCO₃ = CaO + CO₂ – Q

Здесь тоже важно запомнить парочку исключений:

(NH₄)₂Cr₂O₇ = N₂ + Cr₂O₃ + 4H₂O + Q

2HI = Н₂ + I₂ + Q

2NO = N₂ +O₂ +Q

V. Типы реакций по наличию катализатора 

1. Каталитические

По названию можно догадаться, что такие реакции протекают при катализаторе — веществе, которое увеличивает скорость реакции.

Список каталитических реакций, встречающихся на экзамене:

Кто открыл катализаторы? Большинство широко известных катализаторов были открыты случайно, предсказывать их теоретически мы до сих пор не можем. Однако впервые термин «катализатор» ввел Берцелиус. В 1835 шведский химик установил, что в присутствии определенных веществ скорость некоторых химических реакций существенно возрастает.

Все каталитические реакции можно поделить на реакции гетерогенного и гомогенного катализа, также можно выделить ферментативный катализ.

Тип катализа

Гомогенный	Гетерогенный	Ферментативный
Реагенты и катализатор находятся в одной фазе.	Реагенты и катализатор находятся в разных фазах. Реакция происходит на поверхности катализатора.	Роль катализатора играет белок.
SO2 + O2 = SO3, реагенты газообразные,катализатор V2O5 — твердое вещество	Гидролиз дисахаридов в присутствии кислот	Реакции, протекающие внутри человеческого организма

2. Автокатализ

Реакция автокатализа похожа на обычную каталитическую, однако имеет и свои тонкости. Для начала определимся, что же представляет из себя автокатализ.

Автокатализ — ускорение химической реакции одним из ее продуктов, являющимся катализатором превращения исходных веществ.

В отличие от обычной каталитической реакции, в рамках которой изменение количества катализатора не происходит, в автокаталитической реакции количество катализатора изменяется в ходе протекания реакции и образования продукта.

Примером автокатализа является окисление щавелевой кислоты перманганатом. Катализирующим действием тут обладает продукт реакции — ион двухвалентного марганца.

3. Некаталитические

Это реакции, которые протекают без использования катализатора.

Пример: 2KOH + MgCl₂ = Mg(OH)₂ + 2KCl

VI. Типы реакций по изменению степеней окисления 

1. Окислительно-восстановительные (ОВР)

Это реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ. Также об этих реакциях можно почитать в статье «Окислительно-восстановительные реакции».

Пример: KMn⁺⁷O₄ + HCl^— = KCl + Mn⁺²Cl₂ + Cl⁰₂ + H₂O

2. Не окислительно-восстановительные (не ОВР)

Это реакции, протекающие без изменения степени окисления.

Пример: BaCl₂ + H₂SO₄ = BaSO₄ + 2HCl

Лайфхак по определению ОВР: если в реакции есть простое вещество в реагентах или в продуктах, значит, это точно ОВР.

Закрепим знания о типах реакции в неорганике, решив задачу, которая может встретиться в №17 ЕГЭ по химии.

Из предложенного перечня выберите все схемы каталитических реакций.
Zn  +  KOH  +  H₂O = K₂[Zn(OH)₄] + H₂KOH + HCl = KCl + H₂OСu₂O + 2HCl = H₂O + 2CuClCu₂O + 3H₂SO₄ = 2CuSO₄ + SO₂ + 3H₂OKMnO₄ + (NH4)₂SO₃ = MnO₂ + (NH₄)2SO₄ + K₂SO₄ + NH₃ + H₂O

Запишите номера выбранных ответов в порядке возрастания.

Решение. Посчитаем степени окисления для всех элементов во всех реакциях.

1) Zn⁰  +  K⁺O^-2H⁺  +  H⁺₂O^-2 = K⁺₂[Zn⁺²(O^-2H⁺)₄] + H⁰₂

Степени окисления цинка и водорода меняются, это ОВР.

2) K⁺O^-2H⁺ + H⁺Cl^— = K⁺Cl^— + H⁺₂O^-2

Степени окисления не меняются, не ОВР.

3) Сu⁺₂O^-2 + 2H⁺Cl = H⁺₂O^-2 + 2Cu⁺Cl^—

Степени окисления не меняются, не ОВР.

4) Сu⁺₂O^-2 + 3H⁺₂S⁺⁶O^-2₄ = 2Cu⁺²S⁺⁶O^-2₄ + S⁺⁴O^-2₂ + 3H⁺₂O^-2

Степени окисления меди и серы меняются, это ОВР.

5) K⁺Mn⁺⁷O^-2₄ + (N^-3H⁺₄)₂S⁺⁴O^-2₃ = Mn⁺⁴O^-2₂ + (N^-3H⁺₄)₂S⁺⁶O^-2₄ +
K⁺₂S⁺⁶O^-2₄ + N^-3H⁺₃ + H⁺₂O^-2

Степени окисления марганца и серы меняются, это ОВР.

Ответ: 145

С реакциями в неорганической химии разобрались, теперь рассмотрим реакции в органической химии.

Реакции в органике

1. Типы реакций по числу и составу исходных веществ и продуктов реакции

Здесь все похоже на неорганику, однако есть несколько различий. О них мы сейчас и поговорим.

1. Реакции присоединения (в неорганике было соединение)

В данной реакции происходит присоединение одного вещества к другому.

А + В = С

Несмотря на то, что название видоизменилось, суть осталась та же. То есть изначально было несколько веществ, их сложили и получилось одно.

Представьте, что в парке гуляли два одиноких человека. Они случайно познакомились, подружились и теперь ни на шаг друг от друга не отходят — произошло присоединение одного человека к другому.

2. Реакции отщепления (в неорганике было разложение)

В данной реакции происходит разделение одного вещества на несколько составляющих.

АВ = А + В

Опять суть реакции та же. То есть было одно вещество, из которого образовалось несколько веществ (причем в продуктах могут быть как простые вещества, так и сложные). 

3. Реакции замещения

В ходе реакции замещения один из радикалов замещается присоединяемым веществом.

АВ + С = АС + В

Название и суть остаются прежними. То есть до реакции было одно простое вещество и одно сложное, после реакции мы получаем тоже одно простое вещество и одно сложное. 

4. Реакции перегруппировки (изомеризация)

Что нужно знать про этот тип реакции? Здесь всегда один продукт и один реагент, причем состав вещества не меняется, а строение меняется.

Все как в жизни. Мы можем надеть на себя рубашку и застегнуть все пуговицы, а потом расстегнуть нижние пуговицы и завязать низ рубашки в узел. Рубашка осталась та же, но ее вид (строение) изменился.

5. Реакции окисления

Это реакции, в которых количество связей С–Н уменьшается, но увеличивается количество связей С–О.

6. Реакции полимеризации и поликонденсации

Происходит образование полимера из мономеров.

Полимеры — соединения, состоящие из множества повторяющихся одинаковых элементов.

Такие повторяющиеся элементы называются мономерами. 

II. Типы реакций по механизму разрыва связей

Подробнее механизмы реакций в органической химии разбирались в статье «Ионный (правило В.В. Марковникова) и радикальный механизмы реакций в органической химии». 

В сегодняшней статье мы лишь кратко обобщим информацию.

1. С гомолитическим (радикальным) механизмом

Это реакции, в которых разрыв связи происходит с образованием радикалов.

Радикалы — это частицы, которые содержат один или несколько неспаренных электронов во внешнем электронном слое.

К радикальным реакциям относятся реакции галогенирования, нитрования и сульфирования алканов, галогенирование гомологов бензола на свету, реакции полимеризации, а также реакция присоединения против правила Марковникова, где участвует перекись.

В неорганической химии также возможен данный тип реакций:

Попрактикуемся над определением типов реакций в органике, решив аналог №17 ЕГЭ по химии.

Задание. Из предложенного перечня выберите все схемы реакций, протекающих по радикальному механизму. 

Запишите номера выбранных ответов в порядке возрастания.

Решение. Вспомним, что к радикальному механизму относятся реакции галогенирования, нитрования и сульфирования алканов, галогенирования гомологов бензола на свету.

Реакции с самим бензолом (3 и 5), а также с алкенами (1) нам не подойдут, остаются варианты 2 и 4.

Действительно, под 2 дано галогенирование (хлорирование) гомолога бензола, а под 4 галогенирование (хлорирование) алкана.

Ответ: 24

2. С гетеролитическим (ионным) механизмом

В случае реализации ионного механизма в химической реакции происходит образование ионов в ходе гетеролитического разрыва связи: один из атомов забирает электронную пару себе, оставляя другой атом «ни с чем».

К ионным реакциям относятся гидрирование, галогенирование, гидратация, гидрогалогенирование алкенов, галогенирование, нитрование, сульфирование бензола и его гомологов в присутствии катализаторов, присоединение HCN или спирта к альдегидам или кетонам, а также реакция замещение на OH-группу в галогенпроизводном.

Подобные реакции встречаются также и в неорганической химии, например, диссоциация (распад) хлороводорода. Реакция происходит с образованием заряженных частиц — ионов.

Разобрав типы химических реакций, подведем итог и разберемся, каким же способом составлять уравнения реакций.

Общие принципы составления уравнения реакции

Для составления уравнения реакции следуем проверенному плану.

1. Первым делом, исходя из свойств данных нам веществ, записываем продукты реакции.
2. Смотрим, может быть, реакция не нуждается в уравнивании и массы атомов справа и слева равны.
   Если нам повезло и массы одинаковые, то наша работа заканчивается здесь.
3. Если нам не повезло и есть различия между правой и левой частями, определяем, реакция какого типа нам дана: окислительно-восстановительная реакция (ОВР) или нет.
4. Если дана ОВР, пытаемся прикинуть, сможем ли мы ее уравнять интуитивно. Пример того, как это делается, есть выше. Если уравнять таким методом не получится (много веществ и/или атомов), то составляем электронный баланс. О том, как это делается, подробно рассказано в статье «Окислительно-восстановительные реакции».

5. Если дана не-ОВР, то уравниваем интуитивно, подстановкой. При уравнивании реакций любого типа водород уравниваем в конце, а по кислороду делаем проверку.

6. Перепроверяем, все ли элементы имеют равные массы. Мы изучили важнейшую часть как органической, так и неорганической химии — типы реакций, а также получили навык составления уравнения химической реакции. Данная тема не ограничивается только типами реакций, важным параметром является также скорость химической реакции, о ней можно прочитать в статье «Скорость химической реакции».

Фактчек

• Существуют физические и химические явления, химические явления выражаются химическими реакциями.
• В неорганической химии выделяют следующие типы реакций: соединение, разложение, замещение и обмен. 
• Также существует деление на обратимые и необратимые реакции; гомогенные и гетерогенные реакции; экзотермические и эндотермические реакции; каталитические и некаталитические; ОВР и не ОВР.
• В органической химии некоторые типы реакций отличаются от неорганических: вместо соединения — присоединение, вместо разложения — отщепление, отсутствуют реакции обмена, зато есть реакции изомеризации и поликонденсации. Также в органической химии можно разделить реакции на те, которые протекают по гомо- или гетеролитическим механизмам.
• Для составления уравнения реакции важно помнить определенный план.

Проверь себя

Задание 1.
К какому типу химической реакции относится следующая реакция?

1. Присоединение
2. Соединение
3. Замещение
4. Обмен

Задание 2.
К какому типу химической реакции относится следующая реакция?

K₂O + H₂SO₄ = K₂SO₄ + H₂O

1. ОВР
2. Замещение
3. Обмен
4. Соединение

Задание 3.
К какому типу химической реакции относится следующая реакция?

2HgO (t) = 2Hg + O₂

1. Замещение
2. Соединение
3. Обмен
4. Разложение

Задание 4.
К какому типу химической реакции относится следующая реакция?

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2

1. ОВР
2. Соединение
3. Обмен
4. Разложение

Ответы: 1. — 1; 2. — 3; 3. — 4; 4. — 1.