Классификация химических реакций
СОДЕРЖАНИЕ: Общее понятие о химической реакции, ее сущность, признаки и условия проведения. Структура химических уравнений, их особенности и отличия от математических уравнений. Классификация и виды химических реакций: соединения, разложения, обмена, замещения.Содержание
Введение
1. Общее понятие о химической реакции
2. Классификация химических реакций
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Самое интересное в окружающем мире состоит в том, что он постоянно изменяется.
Понятие « химическая реакция» - второе главное понятие химии. Каждую секунду в мире происходит неисчислимое множество реакций, в результате которых одни вещества превращаются в другие. Некоторые реакции мы можем наблюдать непосредственно, например ржавление железных предметов, свертывание крови, сгорание автомобильного топлива.
В то же время, подавляющее большинство реакций остаются невидимыми, но именно они определяют свойства окружающего нас мира.
Для того, чтобы осознать свое место в мире и научиться им управлять, человек должен глубоко понять природу этих реакций и те законы, которым они подчиняются. Задача современной химии состоит в изучении функций веществ в сложных химических и биологических системах, анализе связи структуры вещества с его функциями и синтезе веществ с заданными функциями.
Итак, химических реакций протекающих вокруг человека очень много, они протекают постоянно. Что же необходимо сделать, чтобы не запутаться во всём многообразии химических реакций? Научиться их классифицировать и выявлять существенные признаки классов.
Цель данной работы: рассмотреть понятие «химическая реакция» и систематизировать и обобщить знания о классификации химических реакций.
Работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 14 страниц.
1. Общее понятие о химической реакции
Химическая реакция - это превращение одних веществ в другие. Однако, такое определение нуждается в существенном дополнении.
Так, например, в ядерном реакторе или в ускорителе тоже одни вещества превращаются в другие, но такие превращения химическими не называют. В чем же здесь дело? В ядерном реакторе происходят ядерные реакции. Они заключаются в том, что ядра элементов при столкновении с частицами высокой энергии (ими могут быть нейтроны, протоны и ядра иных элементов) - разбиваются на осколки, представляющие собой ядра других элементов. Возможно и слияние ядер между собой. Эти новые ядра затем получают электроны из окружающей среды и, таким образом, завершается образование двух или нескольких новых веществ. Все эти вещества являются какими-либо элементами Периодической системы. В отличие от ядерных реакций, в химических реакциях не затрагиваются ядра атомов. Все изменения происходят только во внешних электронных оболочках. Разрываются одни химические связи и образуются другие.
Таким образом, химическими реакциями называются явления, при которых одни вещества, обладающие определенным составом и свойствами, превращаются в другие вещества - с другим составом и другими свойствами. При этом в составе атомных ядер изменений не происходит.
Выделим признаки и условия химических реакций (рис.1, 2).
Рисунок 1 – Признаки химических реакций
Рисунок 2 – Условия проведения химических реакций
Рассмотрим типичную химическую реакцию: сгорание природного газа (метана) в кислороде воздуха (данную реакцию можно наблюдать дома, у кого есть газовая плита) на рисунке 3.
Рисунок 3 - Сгорание природного газа (метана) в кислороде воздуха
Метан СН4 и кислород О2 реагируют между собой с образованием диоксида углерода СО2 и воды Н2 О. При этом разрываются связи между атомами С и Н в молекуле метана и между атомами кислорода в молекуле О2 . На их месте возникают новые связи между атомами С и О, Н и О.
На рисунке 3 хорошо видно, что для успешного осуществления реакции на одну молекулу метана надо взять две молекулы кислорода. Однако записывать химическую реакцию с помощью рисунков молекул не слишком удобно, поэтому для записи химических реакций используют сокращенные формулы веществ - такая запись называется уравнением химической реакции.
Рисунок 4 – Уравнение реакции
Уравнение химической реакции показанной на рисунке 3 выглядит следующим образом
CH4 +2O2 = CO2 + 2H2 O
Количество атомов разных элементов в левой и правой частях уравнения одинаково. В левой части один атом углерода в составе молекулы метана (СН4 ), и в правой - тот же атом углерода мы находим в составе молекулы СО2 . все четыре водородных атома из левой части уравнения мы обязательно найдем и в правой - в составе молекул воды.
В уравнении химической реакции для выравнивания количества одинаковых атомов в разных частях уравнения используются коэффициенты , которые записываются перед формулами веществ.
Рассмотрим другую реакцию - превращение оксида кальция СаО (негашеной извести) в гидроксид кальция Са(ОН)2 (гашеную известь) под действием воды (рис.5).
Рисунок 5 - Оксид кальция СаО присоединяет молекулу воды Н2 О
с образованием гидроксида кальция Са(ОН)2
В отличие от математических уравнений, в уравнениях химических реакций нельзя переставлять левую и правую части. Вещества в левой части уравнения химической реакции называются реагентами , а в правой - продуктами реакции .
Если сделать перестановку левой и правой части в уравнении из рисунка 5, то получим уравнение совсем другой химической реакции
Ca(OH)2 = CaO + H2 O
Если реакция между СаО и Н2 О (рис. 4) начинается самопроизвольно и идет с выделением большого количества теплоты, то для проведения последней реакции, где реагентом служит Са(ОН)2 , требуется сильное нагревание. Добавим также, что реагентами и продуктами могут быть не обязательно молекулы, но и атомы - если в реакции участвует какой-нибудь элемент или элементы в чистом виде, например
H2 + CuO = Cu + H2 O
Таким образом, мы подошли к классификации химических реакций, которую рассмотрим в следующей главе.
2. Классификация химических реакций
В процессе изучения химии приходится встречаться с классификациями химических реакций по различным признакам (табл.1).
Таблица 1 - Классификация химических реакций
По тепловому эффекту |
Экзотермические – протекают с выделением энергии 4Р + 5О2 = 2Р2 О5 + Q; CH4 + 2О2 СО2 + 2H2 O + Q |
Эндотермические – протекают с поглощением энергии Cu(OH)2
|
|
По числу и составу исходных и образовавшихся веществ |
Реакции разложения – из одного сложного вещества образуется несколько более простых: СаСО3 |
| Реакции соединения – из нескольких простых или сложных веществ образуется одно сложное: 2H2 + О2 2H2 OC2 H4 + H2 C2 H6 | |
Реакции замещения – атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе: Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 CH4 + Cl2 CH3 Cl + HCl |
|
Реакции обмена – два сложных вещества обмениваются составными частями: AgNO3 + HCl = AgCl + HNO3 HCOOH + CH3 OH HCOOCH3 + H2 O |
|
По агрегатному состоянию реагирующих веществ |
Гетерогенные – исходные вещества и продукты реакции находятся в разных агрегатных состояниях: Fe(т) + CuCl2(р-р) Cu(т) + FeCl2(р-р) 2Na(т) + 2C2 H5 OH(ж) 2C2 H5 ONa(р-р) + H2(г) |
Гомогенные – исходные вещества и продукты реакции находятся в одном агрегатном состоянии: H2(г) + Cl2(г) =2HCl(г) C2 H5 OH( ж ) + CH3 COOH( ж ) CH3 COOC2 H5( ж ) + H2 O( ж ) |
|
По наличию катализатора |
Каталитические
2H2
O2
 2H2
O + О2
C2
H4
+ H2 
C2
H4
|
Некаталитические
S + О2
 SO2
C2
H2
+ 2Cl2
C2
H2
Cl4
|
|
По направлению |
Необратимые – протекают в данных условиях только в одном направлении: H2 SO4 + BaCl2 BaSO4 + 2HCl CH4 + 2О2 СО2 + 2H2 O |
Обратимые – протекают в данных условиях одновременно в двух противоположных направлениях: 3H2 + N2 2NH3 ; C2 H4 + H2 C2 H6 |
|
По изменению степени окисления атомов элементов |
Окислительно-восстановительные – реакции, идущие с изменением степени окисления: Fe0 + 2H+1 Cl-1 Fe2+ Cl2 -1 + H2 0 H+1 C0 O-2 H+1 + H2 C-2 H3 +1 O-2 H+1 |
Неокислительно-восстановительные – реакции, идущие без изменения степени окисления: S+4 O4 -2 + H2 O H2 + S+4 O4 -2 CH3 NH2 + HCl (CH3 NH3 )Cl |
Как видим, существует различные способы классификации химических реакций, из которых более подробно мы рассмотрим следующие.
По признаку изменения числа исходных и конечных веществ. Здесь можно найти 4 типа химических реакций (рис.6): реакции соединения , реакции разложения , реакции обмена , реакции замещения .
Рисунок 6 – Классификация химических реакций по признаку изменения числа исходных и конечных веществ
Приведем примеры таких реакций. Для этого воспользуемся уравнением получения гашеной извести и уравнению получения негашеной извести
СаО + Н2 О = Са(ОН)2
Са(ОН)2 = СаО + Н2 О
Эти реакции относятся к разным типам химических реакций.
Первая реакция является типичной реакцией соединения , поскольку при ее протекании две молекулы реагентов СаО и Н2 О соединяются в одну, более сложную молекулу Са(ОН)2 .
Вторая реакция Са(ОН)2 = СаО + Н2 О является типичной реакцией разложения : здесь реагент Ca(OH)2 разлагается с образованием двух других, более простых веществ (продуктов реакции).
В реакциях обмена количество реагентов и продуктов обычно одинаково. В таких реакциях исходные вещества обмениваются между собой атомами и даже целыми составными частями своих молекул. Например, при сливании раствора CaBr2 с раствором HF выпадает осадок. Происходит реакция, в которой ионы кальция и водорода обмениваются между собой ионами брома и фтора
CaBr2 + 2HF = CaF2 + 2HBr
При сливании растворов CaCl2 и Na2 CO3 тоже выпадает осадок, потому что ионы кальция и натрия обмениваются между собой частицами CO3 2- и Cl–
CaCl2 + Na2 CO3 = CaCO3 + 2NaCl
Стрелка рядом с продуктом реакции показывает, что это соединение нерастворимо и выпадает в осадок. Таким образом, стрелку можно использовать и для обозначения удаления какого-нибудь продукта из химической реакции в виде осадка ( ) или газа ( ), например:
Zn + 2HCl = H2 + ZnCl2
Последняя реакция относится к еще одному типу химических реакций - реакциям замещения . Цинк заместил водород в его соединении с хлором - в HCl. Водород при этом выделяется в виде газа.
Реакции замещения внешне могут быть похожи на реакции обмена. Отличие заключается в том, что в реакциях замещения обязательно участвуют атомы какого-нибудь простого вещества, которые замещают атомы одного из элементов в сложном веществе, например
2NaBr + Cl2 = 2NaCl + Br2 – это реакция замещения;
в левой части уравнения есть простое вещество-молекула хлора Cl2 , и в правой части есть простое вещество – молекула брома Br2 .
В реакциях обмена - и реагенты и продукты являются сложными веществами, например
CaCl2 + Na2 CO3 = CaCO3 + 2NaCl – это реакция обмена;
в этом уравнении реагенты и продукты - сложные вещества.
Деление всех химических реакций на реакции соединения, разложения, замещения и обмена - не единственное.
Рассмотрим способ классификации по признаку изменения (или отсутствия изменения) степеней окисления у реагентов и продуктов. По этому признаку все реакции делятся на окислительно-восстановительные реакции и все прочие (т.е. не окислительно-восстановительные).
Рисунок 7 – Реакции с изменением степени окисления элементов
Так, рассмотренная выше реакция между Zn и HCl является не только реакцией замещения, но и окислительно-восстановительной реакцией , потому что в ней изменяются степени окисления реагирующих веществ
Zn0 + 2H+1 Cl = H2 0 + Zn+2 Cl2
это реакция замещения и одновременно окислительно-восстановительная реакция.
Окислительно-восстановительными являются также:
- реакции метана с кислородом (рис. 1):
меняют степень окисления углерод и кислород;
- реакция оксида меди с водородом:
меняют степень окисления водород и медь;
- реакция бромида натрия с хлором:
меняют степень окисления бром и хлор.
Важно также отметить, что по разным признакам одна и та же реакция может быть отнесена одновременно к нескольким типам, например
- эта реакция относится к реакциям: соединения, экзотермическим, окислительно-восстановительным, каталитическим и обратимым.
К окислительно-восстановительным в неорганической химии относятся все реакции замещения и те реакции разложения и соединения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество.
В более обобщенном варианте (уже с учетом и органической химии): все реакции с участием простых веществ, и наоборот, к реакциям, идущим без изменения степеней окисления элементов, образующих реагенты и продукты реакции, относятся все реакции обмена.
К окислительно-восстановительным относятся подавляющее большинство химических реакций, они играют исключительно важную роль.
Классификация окислительно-восстановительных реакций
Межмолекулярные (окислитель и восстановитель - разные вещества):
Внутримолекулярные (окислитель и восстановитель входят в состав одного и того же вещества):
Диспропорционирование [дисмутация] (степень окисления одного и того же элемента и повышается и понижается):
Контрпропорционирование [конмутация] (взаимодействие окислителя и восстановителя, в состав которых входит один и тот же элемент в разных степенях окисления):
Продуктом является вещество с элементом в промежуточной степени окисления.
Таким образом, мы узнали, что такое химическая реакция, выявили признаки химических реакций, сформировали представления о причинах и условия протекания химических реакций и систематизировали и обобщили представление о классификации химических реакций.
Заключение
Завершая работу, кратко отметим следующее.
Вещества, взаимодействуя друг с другом, подвергаются различным изменениям и превращениям.
Химическая реакция — это превращение одного или нескольких исходных веществ (реагентов) в отличающиеся от них по химическому составу или строению вещества (продукты реакции).
В отличие от ядерных реакций, при химических реакциях ядра атомов не меняются, в частности не изменяется их общее число, изотопный состав химических элементов, при этом происходит перераспределение электронов и ядер и образуются новые химические вещества.
Химические реакциимогут сопровождаться выделением тепла, испусканием света, изменением агрегатного состояния веществ, появлением запаха, образованием газа и т.п.
Для описания химических реакцийиспользуют химические уравнения , в левой части которых указывают исходные вещества, в правой - продукты.
Обе части уравнения соединены знаком равенства (в этом случае кол-во атомов хим. элементов справа и слева должно быть уравнено с помощью стехиометрического коэффициента, стрелкой (в случае необратимых хим. превращений) или прямой и обратной стрелками (для обратимых реакций).
Химические реакциимогут осуществляться как один элементарный акт (стадия) (простые реакции ) или через последовательность отдельных стадий (сложные реакции ), составляющих в совокупности механизм реакции .
Существуют различные системы классификации химических реакций.
Наиболее широко используют следующую классификацию:
а) по числу и составу исходных веществ и продуктов, которые подразделяют на:
- реакции соединения - реакции, при которых из двух или нескольких веществ образуется одно новое вещество:
- реакции разложения - реакции, в результате которых из одного вещества образуется несколько новых веществ:
- реакции замещения - реакции, в результате которых атомы простого вещества замещают в молекулах других веществ:
- реакции обмена - реакции, в результате которых два вещества обмениваются атомами или группировками атомов, образуя два новых вещества:
б) выделение или поглощение теплоты: подразделяются на экзотермические и эндотермические. Выделение или поглощение энергии может быть обозначено в уравнении реакции соответственно знаком +Q или -Q.
Реакции разложения обычно протекают с поглощением энергии, а присоединения — с выделением энергии.
в) изменение степени окисления химических элементов: реакции, в результате которых некоторые элементы, входящие в состав исходных веществ и продуктов, меняют свои степени окисления.
г) наличие или отсутствие катализатора. Реакции, идущие с участием катализаторов, называются каталитическими. Не все реакции нуждаются в катализаторах, но многие без катализаторов практически идти не могут.
д) обратимость реакций: делят на обратимые и необратимые.
- реакции, протекающие в двух противоположных направлениях, называются обратимыми,
- реакции, протекающие только в одном направлении - необратимыми.
Признаками необратимости реакций в растворах является образование малодиссоциирующего вещества (осадка, газа или воды).
Кроме того, одна и та же реакция по разным признакам может быть отнесена одновременно к нескольким типам.
Список используемой литературы
1. Габриелян О.С. Химия. 11 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений / О.С.Габриелян. - М.: Дрофа.- 304 с.
2. Иванова Р.Г. Химия. Учебник для 10 кл. общеобразовательных учреждений / Р.Г.Иванова, А.А.Каверина. – М.: Просвещение, 2001. – 287 с.
3. Кузнецова Н.Е. Химия. Учебник. 8 класс / Н.Е.Кузнецова, И.М.Титова, Н.Н.Гара, А.Ю.Жегин М.: Вентана-Граф, 2005. – 224 с.
4. Мануйлов А.В. Основы химии. Электронный учебник / А.В.Мануйлов, В.И.Родионов. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.hemi.nsu.ru/
5. Химия. 8-9 класс: Поурочные планы / Авт. сост. С.Ю.Дибленко, Е.А.Смирнова, С.М.Колмыкова. – Волгоград: Учитель, 2005. – 169 с.