Лекция Классификация химических реакций

Лекция № ____

Тема: Классификация химических реакций

План:

1. Типология химических реакций

• По числу и составу реагирующих и образующихся веществ

• По использованию катализатора

• По возможности протекания процесса в двух взаимно противоположных направлениях

• По фазовому состоянию реагирующих веществ

• По тепловому эффекту

• По изменению степеней окисления атомов элементов, образующих реагенты и продукты реакции.

Типология химических реакций

В химии существует множество классификаций химических реакций по различным признакам. Со многими из них вы знакомы. Давайте обобщим известные вам сведения о типологии химических реакций.

1. По числу и составу реагирующих и образующихся веществ, как вы знаете, в неорганической химии различают реакции соединения, разложения, замещения и обмена.

• Реакции, при которых из двух или более исходных веществ образуется одно сложное вещество, называют реакциями соединения.

Н апример, магний горит на воздухе ослепительно-ярким пламенем (цв. вклейка, рис. 16). В результате образуется сложное вещество - оксид магния:

2Mg + О₂ = 2MgO

• Реакции, при которых из одного сложного вещества образуется два или более новых веществ, называют реакциями разложения.

Например, нерастворимые в воде гидроксиды металлов при нагревании разлагаются с образованием оксида металла и воды:

Cu(OH)₂ = CuO + H₂O

• Реакции, при которых атомы простого атомы вещества замещают другого элемента в сложном веществе, называют реакциями замещения/

На реакциях замещения основано получение многих металлов из их оксидов. Например, хром вытесняют из оксида хрома(III) алюминием:

2Аl + Сr₂O₃ = 2Сг + АI₂О₃

• Реакции, при которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями, называют реакциями обмена.

П ри добавлении к раствору нитрата свинца (II) раствора иодида калия выпадает ярко-желтый осадок труднорастворимой соли иодида свинца (II) (цв. вклейка, рис. 17). В растворе присутствует второй продукт реакции - нитрат калия. По уравнению реакции нетрудно заметить, что две соли обменялись катионами, при этом одно из вновь образовавшихся веществ выпало в осадок:

Рb(NО_З)₂ + 2КI = PbI₂↓ + 2КNО₃

Рb²⁺ + 21^- = PbI₂↓

Особый тип реакций обмена, протекающих между растворами кислот и щелочей, называют реакциями нейтрализации. При сливании реагентов щелочь и кислота реагируют друг с другом, и реакция среды образовавшегося раствора становится нейтральной:

H₂SO₄ + 2KOH = K₂SO₄ + 2H₂O

2H⁺ + 2OH^- = 2H₂O

2. По использованию катализатора различают каталитические и некаталитические реакции.

Катализатором называют вещество, которое существенно увеличивает скорость химической реакции, а после окончания реакции оно не изменяет своего химического состава.

Явление изменения скорости реакции в присутствии катализатора называют катализом.

Например, реакцию синтеза аммиака из азота и водорода проводят в присутствии катализатора - особым образом подготовленного железа. Это каталитическая реакция:

Fe

N₂ + 3Н₂ = 2NН₃

Взаимодействие железа с соляной кислотой не требует применения катализатора; это некаталитическая реакция:

Fe + 2НСI = FeCI₂ + H₂↑

Fe + 2Н⁺ = Fe²⁺ + Н₂

3. По возможности протекания процесса в двух взаимно противоположных направлениях реакции делят на обратимые и необратимые.

Например, при взаимодействии оксида магния с раствором серной кислоты образуется соль сульфат магния и вода:

MgO + H₂SО₄~ = MgSO₄ + Н₂О

В тех же условиях из продуктов реакции невозможно получить серную кислоту и оксид металла. Подобные реакции протекают только в одном направлении и называются необратимыми.

Необратимыми называют химические реакции, в результате которых исходные вещества практически полностью превращаются в конечные продукты.

Рассмотренное выше взаимодействие азота с водородом приводит к образованию аммиака:

N₂ + 3Н₂ = 2NН₃

В тех же условиях аммиак может разлагаться на простые вещества:

2NH₃ = N₂ + 3Н₂

Эти химические уравнения отражают два взаимно противоположенных процесса. Их часто объединяют в одно уравнение, замещая знак равенства на стрелки обратимости:

N₂ + 3Н₂  2NН₃

Обратимыми называют химические реакции, которые протекают одновременно в двух противоположенных направлениях - прямом и обратном.

4. По фазовому состоянию реагирующих веществ различают гомогенные и гетерогенные химические реакции

Вы знаете, что смеси веществ бывают гомогенные и гетерогенные. Если реагирующие вещества находятся в одном агрегатном состоянии (точнее - в одной фазе), то реакцию называют гомогенной. Например, гомогенными являются все реакции, протекающие между газообразными веществами:

Н₂ + C1₂ = 2НСI

Если реагирующие вещества находятся в разных агрегатных состояниях (разных фазах), то реакция называется гeтepoгeнной:

СО₂(г.) + С(тв.) = 2СО(г.)

Здесь и далее символом (г.) обозначено газообразное состояние вещества, (тв.) - твердое состояние.

5. По тепловому эффекту реакции делят на экзотермические и эндотермические.

Немаловажным результатом протекания реакций является выделение или поглощение теплоты. Выделяющуюся тепловую энергию люди давно научились использовать в своих целях.

В большинстве случаев человек использует тепловую энергию, которая выделяется в результате реакций горения. Горит газ на кухне, мазут в печах теплоэлектростанций, дрова в костре, уголь в доменной печи. В цилиндрах двигателя внутреннего сгорания протекает реакция горения паров бензина, и выделяющаяся энергия превращается в механическую, заставляет вращаться колеса.

Количество теплоты, которое выделяется или поглощается в результате протекания химической реакции, называют тепловым эффектом.

Тепловой эффект обозначают буквой Q и измеряют в килоджоулях (кДж) или килоджоулях в расчете па 1 моль (кДж моль) какого либо из участников реакции - исходного вещества или продукта.

Реакции, протекающие с выделением тепловой энергии, называют экзотермическими, а с поглощением - эндотермическими.

Для экзотермических реакций, тепловой эффект положителен (Q О), для эндотермических - отрицателен (Q

Уравнения химических реакций, в которых указан тепловой эффект, называют термохимическими; например:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О + 800 кДж (реакция экзотермическая)

СаСО₃ = СаО + Н₂О - 187 кДж (реакция эндотермическая)

Зная тепловой эффект реакции, по термохимическому уравнению можно рассчитать количество теплоты, которое выделится или поглотится при ее протекании.

6. По изменению степеней окисления атомов элементов, образующих реагенты и продукты реакции, различают окислительно-восстановительные и не окислительно-восстановительные реакции.

Окислительно-восстановительными называют реакции, протекающие с изменением степеней окисления элементов, образующих вещества, участвующие в реакции.

Степенью окисления называют условный заряд атомов в химическом соединении, если предполагают, что оно состоит только из простых ионов.

Р ассмотрим окислительно-восстановительные процессы на примере одной из реакций замещения - алюминотермии (восстановление металлов из их оксидов алюминием (цв. вклейка, рис. 18».

Обозначим степени окисления всех элементов в формулах веществ - реагентов и продуктов реакции:

+3 -2 О О +3 -2

Fе₂О₃ + 2Аl = 2Fе + Аl₂О₃

Как видно из уравнения, два элемента - железо и алюминий изменили степени окисления. Что с ними произошло?

Алюминий из нейтрального атома превратился в условный ион В степени окисления +3, т. е. отдал 3 электрона:

Аl⁰- 3е^-  Аl⁺³

Элемент (или вещество), отдающий электроны, называют восстановителем; сам он при этом окисляется.

Условный ион железа в степени окисления +3 превратился в нейтральный атом, т. е. получил при этом три электрона:

Fе⁺³ + 3е^- Fe⁰

Элемент (или вещество), принимающий электроны, называют окислителем, сам элемент при этом восстанавливается.

Принимая электроны, атомы химического элемента восстанавливаются и понижают свою степень окисления, являясь окислителем для другого участника этого процесса. Теряя электроны, химический элемент окисляется и повышает свою степень окисления, играя при этом роль восстановителя для элемента-окислителя.

Контрольные вопросы:

1. Как классифицируют химические реакции по числу и составу реагирующих и образующихся веществ? Приведите примеры реакций каждого типа. Реакции какого типа всегда являются окислительно- восстановительными?

2. Какое вещество называют катализатором? Какое явление называют катализом? Приведите примеры каталитических реакций.

3. Напишите уравнение реакции окисления оксида серы (IV) кислородом до оксида серы (IV) и уравнение обратной реакции. Каким образом в уравнении реакции показать ее обратимость?

4. Как в вашей будущей профессии используется теплота, выделяющаяся при протекании экзотермических реакций?

5. Какое количество теплоты потре6уется для разложения 1,5т карбоната кальция в соответствии с термохимическим уравнением реакции

СаСО₃ = СаО + Н₂О - 187 кДж

6. Какие реакции называют окислительно-восстановительными?

Почему они имеют двойное название? Какие процессы называют окислением? Восстановлением? Какое вещество называют окислителем? Восстановителем?

7. Определите степени окисления элементов В соединениях, имеющих формулы: Са₃Р₂, P₂О₅, Н₃РО₄, Ca₃(PO₄)₂, Н₄Р₂О_7'

8. Азотная кислота любой концентрации восстанавливается металлами не до водорода, а, например, до оксида азота (II). Расставьте коэффициенты методом электронного 6аланса в уравнении реакции азотной кислоты с медью

Cu + HNO₃  Cu(NO₃)₂ + NO + Н₂О

9. Химические свойства металлов характеризуются одним словом – восстановители.. Напишите уравнения реакции алюминия: а) с соляной кислотой; б) хлоридом меди(II); в) кислородом; г) серой. Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы

10. Какое количество вещества железа образуется в результате взаимодействия 640г оксида железа(III), содержащего 5% примесей, с избытком алюминия?

Используемая литература:

1. Габриелян О,С. Химия: учеб для студ. Сред. Проф. Учеб. Заведений/ О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов. – 6-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия, 2009. – 336с.

2. Габриелян О,С. Химия для профессий и специальностей технического профиля: учебник/ О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов. – М.: Издательский центр «Академия, 2009. – 256с.

5