Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Самостоятельная работа 14
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.
Химические реакции следует отличать от ядерных реакций. В результате химических реакций общее число атомов каждого химического элемента и его изотопный состав не меняются. Иное дело ядерные реакции — процессы превращения атомных ядер в результате их взаимодействия с другими ядрами или элементарными частицами, например превращение алюминия в магний:
2713Аl + 11Н = 2412Мg + 42Не
Классификация химических реакций многопланова, то есть в ее основу могут быть положены различные признаки. Но под любой из таких признаков могут быть отнесены реакции как между неорганическими, так и между органическими веществами.
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:
С (графит) <-> С (алмаз)
S (ромбическая) <-> S (моноклинная)
Р (белый) <-> Р (красный)
Sn (белое олово) <-> Sn (серое олово)
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:
1. Изомеризация алканов.
Реакция изомеризации алканов имеет большое практическое значение, так как углеводороды изостроения обладают меньшей способностью к детонации.
2. Изомеризация алкенов.
3. Изомеризация алкинов (реакция А. Е. Фаворского).
CH3—CH2—С=-СН < - > СН3—С=-С—СН3
этилацетилен диметнлацетилен
4. Изомеризация галогеналканов (А. Е. Фаворский, 1907 г.).
Впервые мочевина была синтезирована Ф. Велером в 1828 г. изомеризацией цианата аммония при нагревании.
Реакции, идущие с изменением состава вещества
Можно выделить четыре типа таких реакций: соединения, разложения, замещения и обмена.
1. 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:
1. Получение оксида серы(1У):
S + 02 = S02 — из двух простых веществ образуется одно сложное.
2. Получение оксида серы (VI):
S02 + 02 -> 2SO3 — из простого и сложного веществ образуется одно сложное.
3. Получение серной кислоты:
S03 + Н20 = Н2S04 — из двух сложных 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:
4NО2 + 02 + 2Н20 = 4НNO3
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:
1. Реакция гидрирования — присоединения водорода:
CH2=CH2 + Н2->Н3—СН3
этен этан
2. Реакция гидратации — присоединения воды.
3. Реакция полимеризации.
2. 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:
1. Разложение оксида ртути(II) — из одного сложного вещества образуются два простых.
2. Разложение нитрата калия — из одного сложного вещества образуются одно простое и одно сложное.
3. Разложение перманганата калия — из одного сложного вещества образуются два сложных и одно простое, то есть три новых вещества.
В органической химии реакции разложения можно рассмотреть на блоке реакций получения этилена в лаборатории и в промышленности:
1. Реакция дегидратации (отщепления воды) этанола:
С2H5OH-> CH2=CH2 + H2O
2. Реакция дегидрирования (отщепление водорода) этана:
CH3—CH3-> CH2=CH2 + H2
или СН3—СН3 —> 2С + ЗН2
3. Реакция крекинга (расщепления) пропана:
CH3—СН2—СН3 —> СН2=СН2 + СН4
3. Реакции замещения — это такие реакции, в результате которых атомы простого вещества замещают атомы какого-нибудь элемента в сложном веществе.
В неорганической химии примером таких процессов может служить блок реакций, характеризующих свойства, например, металлов:
1. Взаимодействие щелочных или щелочноземельных металлов с водой:
2Na + 2Н20 = 2NаОН + Н2
2. Взаимодействие металлов с кислотами в растворе:
Zn + 2НСl = ZnСl2 + Н2
3. Взаимодействие металлов с солями в растворе:
Fе + СuS04 = FеS04 + Сu
4. Металлотермия:
2Аl + Сг203 —> Аl203 + 2Сг
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. Другой пример — бромирование ароматического соединения (бензола, толуола, анилина).
FеВг3
С6Н6 + Вг2 —> С6Н5Вг + НВг
бензол бромбензол
Обратим внимание на особенность реакции замещения у органических веществ: в результате таких реакций образуются не простое и сложное вещество, как в неорганической химии, а два сложных вещества.
В органической химии к реакциям замещения относят и некоторые реакции между двумя сложными веществами, например нитрование бензола. Она формально является реакцией обмена. То, что это реакция замещения, становится понятным только при рассмотрении ее механизма.
4. 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, Н20).
В неорганической химии это может быть блок реакций, характеризующих, например, свойства щелочей:
1. Реакция нейтрализации, идущая с образованием соли и воды.
2. Реакция между щелочью и солью, идущая с образованием газа.
3. Реакция между щелочью и солью, идущая с образованием осадка:
СиS04 + 2КОН = Сu(ОН)2 + К2SO4
или в ионном виде:
Сu2+ + 20Н = Сu(ОН)2
В органической химии можно рассмотреть блок реакций, характеризующих, например, свойства уксусной кислоты:
1. Реакция, идущая с образованием слабого электролита — Н20:
СН3СООН + NаОН <-> Nа(СН3СОО) + Н20
2. Реакция, идущая с образованием газа: 2СН3СООН + СаС03 —> 2СН3СОО + Са2+ + С02 + Н20
3. Реакция, идущая с образованием осадка:
2СН3СООН + К2SO3 —> 2К(СН3СОО) + Н2SO3
или
2СН3СООН +SiO —> 2СН3СОО + Н2SiO3
II. По изменению степеней окисления химических элементов, образующих вещества
По этому признаку различают следующие реакции:
1. 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:
В органической химии ярким примером окислительно-восстановительных реакций могут служить свойства альдегидов.
1. Они восстанавливаются в соответствующие спирты:
2. Реакции, идущие без изменения степеней окисления химических элементов. К ним, например, относятся все реакции ионного обмена, а также многие реакции соединения, многие реакции разложения, реакции этерификации:
НСООН + CHgOH НСООСН3 + 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(И) из азота и кислорода и реакция газообразного водорода с твердым иодом.
Экзотермические реакции, которые протекают с выделением света, относят к реакциям горения. Гидрирование этилена — пример экзотермической реакции. 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
2. Крекинг бутана
Количество выделенной или поглощенной в результате реакции энергии называют тепловым эффектом реакции, а уравнение химической реакции с указанием этого эффекта называют термохимическим уравнением
Н2(г) + С12(г) = 2НС1(г) + 92,3 кДж
N2(г) + 02(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).
2. Гомогенные реакции — реакции, в которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в одном агрегатном состоянии (в одной фазе).
V. По участию катализатора
По участию катализатора различают:
1. Некаталитические реакции, идущие без участия катализатора.
2. Каталитические реакции, идущие с участием катализатора.
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.
2. 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,
• полимеризация — деполимеризация.
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.
VII. По механизму протекания различают:
1. Радикальные реакции идут между образующимися в ходе реакции радикалами и молекулами.
Как вы уже знаете, при всех реакциях происходит разрыв старых и образование новых химических связей. Способ разрыва связи в молекулах исходного вещества определяет механизм (путь) реакции. Если вещество образовано за счет ковалентной связи, то могут быть два способа разрыва этой связи: гемолитический и гетероли-тический. Например, для молекул Сl2, СН4 и т. д. реализуется гемолитический разрыв связей, он приведет к образованию частиц с неспаренными электронами, то есть свободных радикалов.
Радикалы чаще всего образуются, когда разрываются связи, при которых общие электронные пары распределены между атомами примерно одинаково (неполярная ковалентная связь), однако многие полярные связи также могут разрываться подобным же образом, в частности тогда, когда реакция проходит в газовой фазе и под действием света, как, например, в случае рассмотренных выше процессов — взаимодействия С12 и СН4- Радикалы очень ре-акционноспособны, так как стремятся завершить свой электронный слой, забрав электрон у другого атома или молекулы. Например, когда радикал хлора сталкивается с молекулой водорода, то он вызывает разрыв общей электронной пары, связывающей атомы водорода, и образует ковалентную связь с одним из атомов водорода. Второй атом водорода, став радикалом, образует общую электронную пару с неспаренным электроном атома хлора из разрушающейся молекулы Сl2, в результате чего возникает радикал хлора, который атакует новую молекулу водорода и т. д. Реакции, представляющие собой цепь последовательных превращений, называют цепными реакциями. За разработку теории цепных реакций два выдающихся химика — наш соотечественник Н. Н. Семенов и англичанин С. А. Хиншелвуд были удостоены Нобелевской премии.
Аналогично протекает и реакция замещения между хлором и метаном:
По радикальному механизму протекают большинство реакций горения органических и неорганических веществ, синтез воды, аммиака, полимеризация этилена, винилхлорида и др.
2. Ионные реакции идут между уже имеющимися или образующимися в ходе реакции ионами.
Типичные ионные реакции — это взаимодействие между электролитами в растворе. Ионы образуются не только при диссоциации электролитов в растворах, но и под действием электрических разрядов, нагревания или излучений. Ŷ-Лучи, например, превращают молекулы воды и метана в молекулярные ионы.
По другому ионному механизму происходят реакции присоединения к алкенам галогеноводородов, водорода, галогенов, окисление и дегидратация спиртов, замещение спиртового гидроксила на галоген; реакции, характеризующие свойства альдегидов и кислот. Ионы в этом случае образуются при гетеролитическом разрыве ковалентных полярных связей.
VIII. По виду энергии, инициирующей реакцию, различают:
1. Фотохимические реакции. Их инициирует световая энергия. Кроме рассмотренных выше фотохимических процессов синтеза НСl или реакции метана с хлором, к ним можно отнести получение озона в тропосфере как вторичного загрязнителя атмосферы. В роли первичного в этом случае выступает оксид азота(IV), который под действием света образует радикалы кислорода. Эти радикалы взаимодействуют с молекулами кислорода, в результате чего получается озон.
Образование озона идет все время, пока достаточно света, так как N0 может взаимодействовать с молекулами кислорода с образованием того же Ж)2. Накопление озона и других вторичных загрязнителей атмосферы может привести к появлению фотохимического смога.
К этому виду реакций принадлежит и важнейший процесс, протекающий в растительных клетках, — фотосинтез, название которого говорит само за себя.
2. Радиационные реакции. Они инициируются излучениями большой энергии — рентгеновскими лучами, ядерными излучениями (Ý-лучами, а-частицами — Не2+ и др.). С помощью радиационных реакций проводят очень быструю радиополимеризацию, радиолиз (радиационное разложение) и т. д.
Например, вместо двухстадийного получения фенола из бензола его можно получать взаимодействием бензола с водой под действием радиационных излучений. При этом из молекул воды образуются радикалы [·OН] и [·H·], с которыми и реагирует бензол с образованием фенола:
С6Н6 + 2[ОН] —> С6Н5ОН + Н20
Вулканизация каучука может быть проведена без серы с использованием радиовулканизации, и полученная резина будет ничуть не хуже традиционной.
3. Электрохимические реакции. Их инициирует электрический ток. Помимо хорошо известных вам реакций электролиза укажем также реакции электросинтеза, например, реакции промышленного получения неорганических окислителей.
4. Термохимические реакции. Их инициирует тепловая энергия. К ним относятся все эндотермические реакции и множество экзотермических реакций, для начала которых необходима первоначальная подача теплоты, то есть инициирование процесса.
Рассмотренная выше классификация химических реакций отражена на схеме 3.
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.