Классификация реакций
Существует несколько классификаций реакций, протекающих в неорганической и органической химии.
По характеру процесса
Так называют химические реакции, где из нескольких простых или сложных веществ получается одно сложное вещество. Примеры:
В результате реакции разложения сложное вещество распадается на несколько сложных или простых веществ. Примеры:
В ходе реакций замещения атом или группа атомов в молекуле замещаются на другой атом или группу атомов. Примеры:
К реакциям обмена относятся те, которые протекают без изменения степеней окисления и выражаются в обмене компонентов между веществами. Часто обмен происходит анионами/катионами:
AgF + NaCl = AgCl↓ + NaF
Окислительно-восстановительные реакции (ОВР)
Замечу, что окислителем и восстановителем могут являться только исходные вещества (а не продукты!) Окислитель всегда понижает свою СО, принимая электроны в процессе восстановления. Восстановитель всегда повышает свою СО, отдавая электроны в процессе окисления.
ОВР уравнивают методом электронного баланса, с которым мы подробно познакомимся в разделе «Решения задач».
Обратимые и необратимые реакции
Классическим примером обратимой реакции является синтез аммиака и реакция этерификации (из органической химии):
Необратимые реакции протекают только в одном направлении, до полного расходования одного из исходных веществ. Главное отличие их от обратимых реакций в том, что образовавшиеся продукты реакции не взаимодействуют между собой с образованием исходных веществ.
Примеры необратимых реакций:
NaOH + HCl = NaCl + H2O (образуется вода)
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 (сопровождается выделением большого количества тепла)
Реакции и агрегатное состояние фаз
Фазой в химии называют часть объема равновесной системы, однородную во всех своих точках по химическому составу и физическим свойствам и отделенную от других частей того же объема поверхностью раздела. Фаза бывает жидкой, твердой и газообразной.
К гетерогенным реакциям относятся следующие реакции (примеры): жидкость + газ, газ + твердое вещество, твердое вещество + жидкость. Примером такой реакции может послужить взаимодействие твердого цинка и раствора соляной кислоты:
К гомогенным реакциям относятся (примеры): жидкость + жидкость, газ + газ. Примером такой реакции может служить взаимодействие между растворами уксусной кислоты и едкого натра.
Реакции и их тепловой эффект
NaOH + HCl = NaCl + H2O + 56 кДж
К экзотермическим реакциям часто относятся реакции горения, соединения.
Исключением является взаимодействие азота и кислорода, при котором тепло поглощается:
Как уже было отмечено выше, если тепло выделяется во внешнюю среду, значит, система реагирующих веществ потеряло это тепло. Поэтому не должно казаться противоречием, что внутренняя энергия веществ в результате экзотермической реакции уменьшается.
Энтальпией называют (обозначение Н), количество термодинамической (тепловой) энергии, содержащееся в веществе. Иногда с целью «запутывания» в реакции вместо явного +Q при экзотермической реакции могут написать ΔH 0, так как внутренняя энергия веществ увеличивается. Например:
CaCO3 = CaO + CO2↑ ; ΔH > 0 (значит реакция эндотермическая, так как внутренняя энергия увеличивается)
Замечу, что не все реакции разложения являются эндотермическими. Широко известная реакция разложения дихромата аммония («вулканчик») является примером экзотермического разложения, при котором тепло выделяется.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Классификация химических реакций по различным признакам: числу и составу исходных и полученных веществ, изменению степеней окисления химических элементов, поглощению и выделению энергии
Классификацию химических реакций в неорганической и органической химии осуществляют на основании различных классифицирующих признаков.
По числу и составу исходных и полученных веществ различают реакции соединения, разложения, обмена и замещения.
Реакциями соединения называют химические реакции, в результате которых сложные молекулы получаются из двух и более простых, например:
Реакциями разложения называют химические реакции, в результате которых простые молекулы получаются из более сложных, например:
Реакциями замещения называют химические реакции, в результате которых атом или группа атомов в молекуле вещества замещается на другой атом или группу атомов, например:
Реакциями обмена называют химические реакции, протекающие без изменения степеней окисления элементов и приводящие к обмену составных частей реагентов, например:
По изменению степеней окисления химических элементов, входящих в состав реагирующих веществ, реакции делят на окислительно-восстановительные и не окислительно-восстановительные.
Окислительно-восстановительными называют реакции, сопровождающиеся изменением степеней окисления химических элементов, входящих в состав реагентов:
Не окислительно-восстановительными называют реакции, в которых степень окисления химических элементов, входящих в состав реагентов, не изменяется.
Окислительно-восстановительные реакции разделяют на следующие основные типы: реакции межмолекулярного окисления-восстановления, реакции внутримолекулярного окисления-восстановления, реакции диспропорционирования и реакции конмутации.
Реакциями межмолекулярного окисления-восстановления называют реакции, в которых обмен электронами происходит между различными атомами, молекулами или ионами, например:
(сера — окислитель, магний — восстановитель).
(бром — окислитель, водород — восстановитель).
(окислитель — азотистая кислота, восстановитель — сероводород).
Таким образом, атом-окислитель и атом-восстановитель в данных реакциях принадлежат разным веществам.
Реакциями внутримолекулярного окисления-восстановления называют реакции, в которых атом-окислитель и атом-восстановитель входят в состав одной и той же молекулы.
(окислитель — атом хлора в степени окисления +5, восстановитель — атом кислорода в степени окисления –2).
(окислитель — атом хрома в степени окисления +6, восстановитель — атом азота в степени окисления –3).
(окислители — атомы серебра в степени окисления +1 и азота в степени окисления +5, восстановитель — атом кислорода в степени окисления –2).
Реакциями диспропорционирования называют реакции, в которых молекулы или ионы одного и того же вещества реагируют друг с другом как окислитель и восстановитель. При этом содержащиеся в данном соединении атомы с переменной промежуточной степенью окисления переходят один в высшую, другой — в низшую степень окисления, например:
Реакциями конмутации называют реакции окисления-восстановления, в результате которых происходит выравнивание степеней окисления атомов одного и того же элемента, например:
(окислитель — атом азота в степени окисления +5, восстановитель — атом азота в степени окислителя –3).
(окислитель — атом азота в степени окисления +3, восстановитель — атом азота в степени окислителя –3).
По тепловому эффекту, сопровождающему химические реакции, их разделяют на экзотермические и эндотермические.
Экзотермическими называют химические реакции, идущие с выделением теплоты. Условное обозначение изменения энтальпии ΔH, а теплового эффекта реакции Q. Для экзотермических реакций Q > 0, а ΔH 0.
В соответствии с агрегатным состоянием реагентов различают гомогенные и гетерогенные химические реакции.
Гомогенными называют реакции, протекающие в однородной среде.
Гетерогенными называют реакции, протекающие в неоднородной среде, на поверхности соприкосновения реагирующих веществ, находящихся в разных фазах, например твёрдой и газообразной, жидкой и газообразной, в двух несмешивающихся жидкостях.
Тренировочные задания
1. Реакция 3CaО + P2O5 = Ca3(PO4)2 относится к реакциям
1) разложения
2) соединения
3) обмена
4) замещения
2. Реакция Na2SO4 + Ba(OH)2 = BaSO4 + 2NaOH относится к реакциям
1) разложения
2) соединения
3) обмена
4) замещения
3. Реакция H2SO4 + Fe = FeSO4 + H2 относится к реакциям
1) разложения
2) соединения
3) обмена
4) замещения
4. Реакция CaCO3 = CaO + CO2 относится к реакциям
1) разложения
2) соединения
3) обмена
4) замещения
5. Реакция разложения описана уравнением
6. Реакция соединения описана уравнением
7. К каталитическим процессам относят реакцию между
1) калием и водой
2) серой и хлором
3) азотом и литием
4) азотом и водородом
8. К экзотермическим реакциям относится взаимодействие
1) азота с кислородом
2) углерода с углекислым газом
3) воды с углеродом
4) углерода с кислородом
9. К окислительно-восстановительным реакциям не относится взаимодействие
1) натрия и хлора
2) брома и водорода
3) гидроксида калия и уксусной кислоты
4) кальция и уксусной кислоты
10. К реакциям замещения относится взаимодействие
1) серной кислоты и гидроксида натрия
2) серной кислоты и железа
3) серной кислоты и оксида натрия
4) серной кислоты и хлорида бария
11. К экзотермическим реакциям относится
1) взаимодействие соляной кислоты и гидроксида калия
2) взаимодействие азота и кислорода
3) гидролиз сульфата меди
4) разложение карбоната натрия
12. К эндотермическим реакциям относится
1) взаимодействие азота и кислорода
2) взаимодействие азотной кислоты и гидроксида лития
3) взаимодействие кислорода и водорода
4) взаимодействие воды и оксида калия
13. К окислительно-восстановительным реакциям не относится взаимодействие
1) натрия и брома
2) натрия и кислорода
3) оксида калия и воды
4) натрия и уксусной кислоты
14. Взаимодействие брома с гидроксидом калия относится к реакциям
1) нейтрализации
2) межмолекулярного окисления-восстановления
3) диспропорционирования
4) обмена
15. Взаимодействие азота и кислорода относится к реакциям
1) соединения, эндотермическим
2) соединения, экзотермическим
3) разложения, эндотермическим
4) обмена, экзотермическим
16. К эндотермическим реакциям относится взаимодействие
1) азота и лития
2) азота и кислорода
3) кислорода и кальция
4) углерода и кислорода
17. Взаимодействие оксида кальция и воды относится к реакциям
1) каталитическим, экзотермическим
2) разложения, эндотермическим
3) соединения, экзотермическим
4) обмена, эндотермическим
18. К каталитическим экзотермическим реакциям относится
1) получение фосфорной кислоты из оксида фосфора (V) и воды
2) разложение карбоната кальция
3) синтез аммиака из простых веществ
4) получение соляной кислоты из хлора и водорода
19. При нагревании нитрата серебра происходит реакция
1) соединения
2) разложения
3) замещения
4) обмена
20. Реакция, протекающая по схеме: CaCO3 = CaO + CO2 − Q, является реакцией
1) экзотермического разложения
2) разложения
3) замещения
4) эндотермического разложения
КАК ОПРЕДЕЛИТЬ СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ В ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ И КАК РАССТАВЛЯТЬ КОЭФФИЦИЕНТЫ В ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЯХ С ОРГАНИЧЕСКИМИ ВЕЩЕСТВАМИ
Как определить степень окисления в органических соединениях? Чем отличается определение степени окисления в органических соединениях от определения степени окисления в неорганических? Как составить уравнение окислительно-восстановительной реакции, в которой участвуют соединения углерода, и правильно расставить коэффициенты?
Обо всем этом в данной статье подробно и по порядку.
Проблема, как определить степень окисления в органических соединениях, вытекает из школьного курса химии. Определенное (но не достаточное) внимание уделяется этому вопросу на примере неорганических веществ. Об органических же веществах в этой связи речь практически не идет.
Тем не менее, об окислении соединений углерода в курсе органической химии (10 класс) говорится достаточно часто. 33 задание в ЕГЭ по химии практически всегда подразумевает хотя бы одну ОВР с участием органического вещества и необходимость не только составить схему реакции, но и расставить коэффициенты.
Придя в колледж или университет, изучая курс органической химии на более серьезном уровне, студент сталкивается все с той же проблемой: как определить степень окисления в органических соединениях. Подразумевается, что бывший выпускник школы получил эти знания в школьном курсе химии, поэтому нет надобности останавливаться на данном вопросе в профессиональном образовании.
Налицо потеря взаимосвязи и преемственности разных ступеней образования: среднего основного и профессионального (СПО и ВПО).
Итак, разберемся по порядку как определить степень окисления в органических соединениях.
Что такое электроотрицательность, степень окисления и ковалентная связь
Для того чтобы правильно определить степень окисления в органическом соединении, необходимо четко и ясно усвоить три основных понятия: собственно само понятие степень окисления, электроотрицательность и ковалентная связь.
Остановимся на них кратко, так как их рассмотрение не является основной целью данной статьи.
Что такое электроотрицательность
Понятие электроотрицательности (ЭО) впервые было введено американским химиком Л.Полингом в 1932 г.
Кстати, ЭО – это еще одна относительная величина в химии. Ее правильнее называть относительной электроотрицательностью (ОЭО). Абсолютные значения ЭО очень не удобны в расчетах, поэтому их вычисляют относительно значения ЭО лития Li. Относительные величины не имеют единиц измерения.
Были получены вполне приемлемые для расчетов и анализа числа, которые сведены в удобную таблицу, в общих чертах похожую на периодическую систему химических элементов.
Способность атомов химических элементов притягивать к себе электроны других атомов в процессе образования химической связи называется электроотрицательностью .
Почему нейтральные атомы притягиваются
Раз атомы притягивают к себе электроны, то закономерно возникает следующий вопрос. Если атом, по определению, – это электронейтральная частица, то как он может вообще к себе что-то притягивать, в частности электроны – отрицательно заряженные частицы?
Вообще этот вопрос можно бы переадресовать ученым, специалистам, занимающимся проблемами квантовой механики (один из разделов современной физики).
А мы же лишь крайне упрощенно поясним, почему такое может быть.
Необходимо вспомнить, что силовые линии электрического поля положительного заряда (а им является ядро атома) всегда заканчиваются на отрицательном заряде (электроны атома).
У атомов большинства химических элементов внешний уровень не завершен. То есть в нем есть своеобразная «дырка», сквозь которую выходят силовые линии ядра. Выходят они за пределы атома и заканчиваются на электронах другого атома. В подобной ситуации, несмотря на свою общую электронейтральность, атом ведет себя как положительная частица.
Примерно так это выглядит
При всем при этом атомы полностью не «слипаются». Это не возможно, так как положительно заряженные ядра атомов будут отталкиваться. Но поскольку расстояние между ядром одного атома и электронами другого меньше расстояния между ядрами, то можно утверждать, что силы притяжения все-таки преобладают над силами отталкивания.
При сближении атомов их внешние орбитали будут перекрываться. В пространстве между ядрами электронная плотность несколько увеличится. Но здесь она равномерно не распределяется, а смещается в сторону того ядра, влияние которого сильнее. Сила влияния определяется как величиной положительного заряда, так и радиусом атома.
Для чего необходимо понятие относительной электроотрицательности
Знание и понимание понятия ОЭО дает возможность определить тип химической связи между атомами. Для этого необходимо найти разность ОЭО двух элементов, атомы которых и образуют связь.
Если разность электроотрицательностей менее 0,5, то связь считается ковалентной неполярной. При разности от 0,5 до 1,6 – связь ковалентная полярная. Если более 2,0 – ионная. А если разность в промежутке от 1,6 до 2,0, то в присутствии металла связь считается ионной, при его отсутствии – ковалентной полярной.
Что такое ковалентная связь
Почему мы говорим здесь о ковалентной связи? Потому, что большинство органических соединений – ковалентные. А это очень важно при определении с.о. углерода в них.
ковалентная связь – связь между атомами элементов, возникающая за счет обобществления электронов, т.е. образования общих электронных пар.
Если связь образована между атомами с одинаковой ОЭО, то связь будет считаться ковалентной неполярной. Это потому, что между атомами не происходит перераспределения электронной плотности. Иными словами обобществленная электронная пара не смещается к какому-либо атому.
Такая ситуация возможна, если в образовании связи участвуют атомы одного и того же химического элемента-неметалла:
Но есть и редкие исключения. Молекула фосфина PH3 характеризуется ковалентной неполярной связью, так как относительные электроотрицательности водорода и фосфора равны: ОЭО(Н)=2,1 и ОЭО(Р)=2,1.
Если же связь образована элементами-неметаллами с разной ОЭО, то она считается ковалентной полярной. Происходит перераспределение электронной плотности между атомами, т.е. общая электронная пара смещается к атому с большей ОЭО. И чем сильнее будет разность в электроотрицательностях атомов элементов, тем полярнее будет и связь.
Что такое степень окисления и какие значения она может принимать
Степень окисления (с.о.) – важнейшее понятие в теории окислительно-восстановительных процессов. И это условная величина.
Известно, что при образовании ковалентной связи электроны общей электронной пары смещаются к атому более электроотрицательного элемента. Но лишь смещаются, а не полностью переходят к нему!
Классифицировать с.о. можно по разным признакам. Один из них – это постоянство для одного и того же химического элемента.
Согласно данному признаку, существуют элементы, проявляющие во всех без исключения сложных веществах одну и ту же ( постоянную ) степень окисления. Например:
Другие элементы в разных веществах могут проявлять разные ( переменные ) степени окисления. Например:
И кстати, когда речь заходит об органических веществах, то чаще упоминается валентность углерода в них, но никак не степень окисления.
А вот теперь самое интересное! Мы прекрасно знаем, что химический элемент углерод проявляет две степени окисления: +2 (в соединении СО) и +4 (СО2, например).
Более того, находясь в составе сложного органического соединения, углерод может иметь и нулевую степень окисления! Уж это совсем не вяжется с устоявшимися представлениями, выработанными на основе знаний о неорганических веществах. Для них мы знаем, что с.о. равная нулю возможна у атомов элементов в составе простых веществ (О3, P4, H2, N2 и т.д.)
Подведем некоторый итог.
В органических соединениях:
2) с.о. углерода может быть равна 0;
3) валентность углерода постоянна, равна IV и не всегда совпадает по значению со степенью окисления.
Как определить степень окисления в органических соединениях: примеры
Методы, которыми мы пользуемся для определения с.о. в неорганических веществах, применимы к органическим лишь в очень редких случаях.
Особенности определения с.о. в органических веществах
Определить степень окисления в органических веществах можно разными способами. Разберем самый простой и удобный, на наш взгляд. Именно для этого мы вспомнили, что такое относительная электроотрицательность, ковалентная связь и ее виды.
Вернемся к ранее упомянутому пропану С3Н8 и рассмотрим, какие виды ковалентной связи присутствуют в его молекуле.
1) запишем полную структурную формулу вещества и пронумеруем атомы углерода;
2) определим, какие связи в молекуле будут ковалентными полярными и ковалентными неполярными;
Приведем другие примеры.
Приведенные примеры позволяют сделать общие выводы о том, как определить степень окисления в органических соединениях.
2) Каждая ковалентная полярная связь, электронная плотность которой смещается ОТ атома углерода (С→О, С→N и т.д.), добавляет в его значение с.о. +1.
Как расставить коэффициенты в окислительно-восстановительных реакциях с органическими веществами
Итак, начнем с самых простых окислительно-восстановительных реакций, в которых реагентами выступают органические соединения. Для определения степени окисления углерода будем использовать выше описанный метод. В каждом конкретном примере на этом останавливаться уже не будем.
Пример 1. СН4 + О2 → СО2 + Н2О
При расстановке коэффициентов в данном случае лучше воспользоваться методом электронного баланса:
1) определим с.о. элементов;
2) составим схемы полуреакций с элементами, изменяющими свою с.о.;
3) используя данные по числу отданных и принятых электронов в полуреакциях, найдем наименьшее общее кратное и определим множители для каждой из полуреакций;
4) просуммируем полуреакции с учетом найденных множителей (коэффициентов);
5) перенесем коэффициенты в схему реакции, поставив их перед соответствующими веществами;
6) подберем коэффициенты для всех остальных химических элементов;
7) помним, что баланс количества атомов кислорода проверяем в последнюю очередь. Обычно, если число атомов кислорода слева (до стрелки) и справа (после стрелки) сходится, то это означает, что реакция составлена правильно и все остальные коэффициенты верны.
Пример 2. С3Н8 + О2 → СО2 + Н2О
В данном случае также удобнее использовать метод электронного баланса.
Пример 3. Н2C2O4 + KMnO4 → СО2 + K2CO3 + MnO2 + Н2О
Для расстановки коэффициентов вновь воспользуемся методом электронного баланса.
Пример 4. CH3OH + K2Cr2O7 + H2SO4 → HCOOH + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + Н2О
В данном случае метанол и дихромат калия реагируют в кислой среде. Для расстановки коэффициентов можно воспользоваться любым из методов. Еще раз применим метод электронного баланса.
Пример 5. C6H12O6 + KMnO4 + H2SO4 → CO2 + MnSO4 + K2SO4 + Н2О
Расставим коэффициенты тремя разными способами.
Способ 2. Расставим коэффициенты методом электронного баланса, используя все три с.о. углерода.
Способ 3. Поскольку реакция между глюкозой и перманганатом калия проходит в кислой среде (в H2SO4), расставим коэффициенты ионно-электронным методом (полуреакций):
1) молекулярные вещества (а к ним относится и глюкоза) на ионы не диссоциируют, поэтому в схемах полуреакций записываются в исходном виде;
2) количество недостающих кислорода и водорода в полуреакциях компенсируем, дописывая по необходимости молекулы воды H2O или ионы водорода Н + ;
3) считаем слева и справа в каждой полуреакции суммарный заряд (он создается ионами, образовавшимися при диссоциации реагирующих веществ, и ионами водорода Н + );
4) разницу зарядов компенсируем отдаваемыми или принимаемыми электронами;
5) так же, как и в методе электронного баланса, находим наименьшее общее кратное, определяем множители для каждой из полуреакций;
6) просуммируем полуреакции с учетом найденных множителей (коэффициентов);
7) перенесем коэффициенты в схему реакции, поставив их перед соответствующими веществами;
8) подберем коэффициенты для всех остальных химических элементов;
9) помним, что баланс количества атомов кислорода проверяем в последнюю очередь.
Пример 6. C3H4 + KMnO4 + H2SO4 → CH3COOH + CO2 + MnSO4 + K2SO4 + Н2О
Такое разнообразие степеней окисления одного элемента затрудняет применение метода электронного баланса. Поэтому лучше воспользоваться методом полуреакций.
Действие окислителей на органические вещества
В зависимости от строения и состава органических веществ (разветвленность углеродного скелета, наличие функциональных групп и их количество), а также от условий процесса (избыток или недостаток окислителя, его концентрация, рН раствора, нагревание или охлаждение) окисление происходит по-разному.
Так, например, при окислении алкена раствором KMnO4 в мягких условиях (без нагревания и в нейтральной или слабощелочной среде) образуется двухатомный спирт. А при окислении алкена раствором KMnO4 в жестких условиях (с нагреванием и в кислой или сильнощелочной среде) молекула по двойной связи разрушается, и образуются совершенно иные продукты. Это могут быть и карбоновая кислота, и ее соль и СО2.
Знание действия окислителей на органические вещества тех или иных классов поможет верно определить продукты окислительно-восстановительной реакции и правильно расставить в них коэффициенты.
Итак, ответ на вопрос: «Как определить степень окисления в органических веществах», – позволяет правильно составить схему реакции с участием органических веществ и подобрать наиболее оптимальный метод расстановки коэффициентов.