1.2.5. Основні типи хімічних реакцій

Хімічною реакцією називається процес, за якого з одних речовин утворюються інші, відмінні від попередніх за складом або будовою.

Під час хімічних реакцій обов'язково відбувається зміна речовин, за якої розриваються старі і виникають нові зв'язки між атомами.

Хімічні реакції слід відрізняти від ядерних реакцій. Під час хімічної реакції загальне число атомів кожного хімічного елемента та його ізотопний склад не змінюються. В ядерній реакції відбувається процес перетворення атомних ядер при їх взаємодії з іншими ядрами або елементарними частинками.

Відомо, що реакції можуть відбуватися між речовинами різної складності або з виділенням різних видів енергії, а також може змінюватися ступінь окиснення атомів, що входять до складу молекул реагентів та продуктів реакції. Всі ці ознаки і є основою для класифікації хімічних реакцій.

Строкань О. М(наступні 10 сторінок)

Класифікація хімічних реакцій за енергетичною ознакою

Дуже часто хімічні реакції супроводжуються поглинанням або виділенням тепла. Кіль­кість тепла, що виділяється або поглинається під час протікання реакції в стехіометричних співвідношеннях реагентів, називається її тепловим ефектом. Іноді тепловий ефект вводять у рівняння хімічної реакції, тоді це рівняння називається термохімічним. При цьому, якщо в результаті реакції тепло виділяється (екзотермічна реакція), то тепловий ефект вводиться зі знаком «+», а якщо поглинається (ендотермічна реакція), то зі знаком «-». Наприклад:

Н₂ + С1₂ = 2НС1 - 184,6 кДж.

Наведене термохімічне рівняння реакції показує, що взаємодія 1 моля водню і 1 моля хлору супроводжується утворенням двох молів хлороводню, у процесі чого поглинається 184,6 кДж теплової енергії.

Це рівняння можна написати таким чином:

• Н₂ + ¹ С1₂ ^ НС1 - 92, 3 кДж.

• ^{2 2 2}

Отже, зрозуміло, що при утворенні одного моля хлороводню поглинається 93,3 кДж теп­ла.

Кількість тепла, що виділяється і поглинається під час утворення одного моля речовини, називається теплотою утворення цієї речовини.

Деякі хімічні реакції протікають з виділенням або поглинанням світла. Реакції, що про­тікають під дією світла, яке поглинається (наприклад, знебарвлення барвників), називаються фотохімічними, а реакції, що супроводжуються виділенням світла (світіння живих організ­мів або вологого гнилого дерева), називаються хемілюмінесцентними реакціями.

Під час зарядження і розрядження акумуляторів, що супроводжується поглинанням і виділенням електроенергії, протікають електрохімічні реакції.

Окисно-відновні реакції'

Хімічні реакції, що супроводжуються зміною ступеня окиснення атомів, які входять до складу реагентних молекул, називаються окисно-відновними. У реакції

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

атоми Гідрогену підвищують ступінь окиснення від 0 до +1 за рахунок віддачі електронів. Це означає, що вони окиснюються і є при цьому відновниками. Атоми Оксигену знижують свій ступінь окиснення від 0 до —2, тобто вони відновлюються, однак самі при цьому є окис- нювачами. Окисно-відновні процеси підпорядковуються принципу електронного балансу, який стверджує, що число відданих електронів повинно дорівнювати числу приєднаних. Так,

• наведеного рівняння реакції випливає, що для відновлення двох атомів Оксигену необхідно

• електрони, які можна отримати від 4 атомів (двох молекул) Гідрогену.

Принцип електронного балансу дозволяє визначати стехіометричні коефіцієнти у рівнян­нях окисно-відновних реакцій.

Наприклад, необхідно визначити стехіометричні коефіцієнти у рівнянні реакції:

Са + ^ Са^0₃)₂ + МН₄М0₃ + Н₂0.

Цю операцію виконуємо у такій послідовності.

• Визначимо, атоми яких елементів і в якій послідовності змінюють ступінь окиснення. Ми бачимо, що це атоми Кальцію (Са⁰ ^ Са²+) і Нітрогену в кислотному залишку нітратної кислоти (№+ ^ №).

• Запишемо електронні рівняння:

Са⁰ - 2е- ^ Са²+, + 8е ^ №^-.*

Са⁰ - 2е ^ Са²+ + 8е ^

4Са⁰ - 8е ^ 4Са²+ + 8е ^

4

Складемо електронний баланс. Зрозуміло, що на один акт приєднання 8 електронів до атома Нітрогену №+ повинна припадати втрата електронів чотирма атомами Кальцію:

Чому 8 електронів? У атома Гідрогену №+ є дефіцит п'яти електронів, а у № — надлишок трьох електронів. Всього №+ + 5е ^ N°. N° + 3е ^ №^-. Усього 8.

• Запишемо сумарне рівняння:

4Са⁰ + №+ ^ 4Са²+ + №^-.

Отже, бачимо, що в лівій і правій частинах сумарного рівняння заряди дорівнюють +5, тобто електронний баланс збережений.

• Переносимо стехіометричні коефіцієнти спочатку в праву, а потім у ліву частину рівняння:

4Са + НМ0₃ ^ 4Са(М0₃)₂ + МН₄М0₃ + Н₂0.

Таким чином, у правій частині рівняння 10 атомів Нітрогену, а у лівій — тільки один. Перед формулою нітратної кислоти ставимо коефіцієнт 10. Оскільки перед формулою амоній нітрату стехіометричний коефіцієнт дорівнює одиниці, то для того щоб одержати в правій частині рівняння 10 атомів Гідрогену, перед формулою води ставимо коефіцієнт 3:

4Са + 10НМ0₃ = 4Са(М0₃)₂ + МН₄М0₃ + 3Н₂0.

Перевіряємо число атомів Оксигену в правій і лівій частинах рівняння:

• ліва частина — 10 • 3 = 30;

• права частина — 3 • 2 • 4 + 3 + 3 = 30. Стехіометричні коефіцієнти розставлені правильно.

Класифікація хімічних реакцій за участю каталізатора

Каталізатори — це речовини, які беруть участь у хімічній реакції, змінюють її швидкість або напрям, але після закінчення реакції залишаються якісно й кількісно незмінними. Розрізняють:

1. некаталітичні реакції, що відбуваються без участі каталізатора:

2НдО Л 2Нд + 0₂ Т ;

2. каталітичні реакції, що відбуваються за участю каталізатора:

2КС10₃ > 2КС1 + 30₂ Т .

Понад 70 % хімічних виробництв застосовують каталізатори.

Класифікація хімічних реакцій за напрямом

За напрямом розрізняють:

1. необоротні реакції, що відбуваються за даних умов тільки в одному напрямі:

Ге8 + 2НС1 = ГеС1₂ + Н₂8Ї,

н+ + он^- = н₂о,

Ад+ + СІ^- = А§С1^.

До таких реакцій можна віднести усі реакції обміну, що супроводжуються утворенням га­зу, осаду або слабкого електроліту (води);

2. оборотні реакції за даних умов відбуваються одночасно у двох протилежних напрямах:

3Н₂ + N ^ 2NН., СО + С1₂ ^ СОС1₂.

Класифікація хімічних реакцій за ступенем складності вихідних і кінцевих речовин

Відповідно до цієї ознаки виділяють чотири типи хімічних процесів — реакції сполучення, реакції розкладу, реакції заміщення та реакції обміну.

Реакції сполучення

Хімічні реакції, під час яких з двох (або більшої кількості) менш складних речовин утво­рюється одна (або декілька) більш складних, називаються реакціями сполучення. Реакції сполучення можуть відбуватися:

• між простими речовинами з утворенням однієї складної речовини:

2Ма + С1₂ = 2КаС1, Нд + 8 = Н§8;

• між простими та складними речовинами:

СО + С1₂ = СОС1₂, 2МО + О₂ = 2МО₂;

• між складними речовинами:

СаО + СО₂ = СаСО₃, Р₂О₅ + 3Н₂О = 2Н₃РО₄.

Оскільки в молекулах простих речовин ступінь окиснення атомів дорівнює 0, а після про­тікання реакції відрізняється від нуля, то всі реакції сполучення, в яких бере участь хоча б одна проста речовина, є окисно-відновними.

Реакції розкладу

Хімічні реакції, під час яких з однієї складної речовини одержують дві або декілька про­стіших речовин, називаються реакціями розкладу.

Реакції розкладу можуть супроводжуватися утворенням:

• двох (або більше) простих речовин:

2НдО = 2Нд + О2, 2НІ + Н2 = І2;

• однієї (або більше) простої та однієї (або більше) складної речовини:

2М₂О₅ = 4МО₂ + О₂, МпС1₄ = МпС1₂ + С1₂;

• двох (або більше) складних речовин:

МН₄С1 = МН₃ + НС1, Си₂(ОН)₂СО₃ = 2СиО + Н₂О + СО₂.

Якщо під час реакції розкладу утворюється хоча б одна проста речовина, то реакція є окисно-відновною.

Реакції заміщення

Хімічні реакції, під час яких з однієї простої та однієї складної речовини одержують нову просту і нову складну речовину, називаються реакціями заміщення.

Реакції заміщення відбуваються в тих випадках, коли елемент, що заміщує, є більш актив­ним за елемент, який заміщують:

Си8О₄ + 2п = 2п8О₄ + Си, 2МаВг + С1₂ = 2МаС1 + Вг₂.

Оскільки в реакціях заміщення за визначенням завжди бере участь проста речовина, то всі вони є окисно-відновними.

Реакції обміну

Хімічні реакції, під час яких з двох складних речовин одержують дві нові складні речови­ни, називаються реакціями обміну.

Реакції обміну можуть відбуватися:

• між кислотами і основами (гідроксидами) з утворенням солі та води:

2МаОН + Н₂8О₄ = Ма₂8О₄ + 2Н₂О, Ге(ОН)₃ + 3НС1 = ГеС1₃ + 3Н₂О;

• між солями та лугами з утворенням нової солі і нового гідроксиду:

ГеС1₂ + 2МаОН = Ге(ОН)₂^ + 2КаС1, 2п8О₄ + 2КОН = 2П(ОН)₂^ + К₂8О₄;

• між солями і кислотами з утворенням нової солі і нової кислоти:

ВаС1₂ + Н₂8О₄ = Ва8О₄^ + 2НС1, АдМО₃ + НС1 = АдС1^ + НМО₃;

• між двома солями з утворенням двох нових солей:

СаС1₂ + Ма₂СО₃ = СаСО₃ + 2КаС1,

Си8О4 + К28 = Си8 + К28О4.

У зв'язку з тим, що під час реакцій обміну реагують і утворюються тільки складні речови­ни, ці реакції не є окисно-відновними.

Умови протікання реакцій обміну

Якщо до реакції вступають дві складні речовини, то це не означає, що між ними буде про­тікати реакція. Так, якщо, наприклад, змішати розчини двох солей калій нітрату та натрій сульфату, то може відбутися реакція:

2КМО₃ + Ма₂8О₄ = К₂8О₄ + 2МаМО₃.

Однак у цьому випадку ми не побачимо жодних ознак протікання реакції, оскільки як вихідні речовини, так і продукти реакції розчинні у воді, тобто їх молекули повністю дисо- ційовані. Отже, при змішуванні розчинів цих речовин утворюється набір іонів, склад якого залишається незмінним протягом часу існування цього розчину.

Але якщо до розчину аргентум (I) нітрату додати розчин, що містить стехіометричну кіль­кість натрій хлориду, то випадає сирний осад аргентум (I) хлориду, а в розчині залишається натрій нітрат, тобто відбувається хімічна реакція, що має таке рівняння:

АдМО₃ + МаС1 = АдС1^ + МаМО₃.

Ця реакція відбувається до кінця, тому що в результаті утворюється осад.

Саме у такий спосіб з високою ефективністю відбувається реакція обміну при змішуванні:

• кислоти з гідроксидом;

• сильної кислоти з солями карбонатної кислоти (виділення карбонатної кислоти, яка роз­кладається на СО₂ і Н₂О);

• сильної кислоти з солями сульфітної кислоти (виділення вільної сульфітної кислоти).

Спільним для всіх описаних випадків протікання реакцій обміну є те, що один з продуктів реакції виводиться з її сфери в результаті випадіння осаду, утворення води (малодисоційова- на речовина) або виділення газоподібних продуктів.

Реакції обміну відбуваються тільки в тому випадку, якщо один з продуктів реакції виво­диться з її сфери.