Классификация химических реакций (работа 2)
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 СН>4> и кислород О>2> реагируют между собой с образованием диоксида углерода СО>2 >и воды Н>2>О. При этом разрываются связи между атомами С и Н в молекуле метана и между атомами кислорода в молекуле О>2>. 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
CH>4> +2O>2> = CO>2> + 2H>2>O
Количество атомов разных элементов в левой и правой частях уравнения одинаково. В левой части один атом углерода в составе молекулы метана (СН>4>), и в правой - тот же атом углерода мы находим в составе молекулы СО>2>. 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 Н>2>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 + H>2>O
Если реакция между СаО и Н>2>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
H>2> + CuO = Cu + H>2>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 + 5О>2> = 2Р>2>О>5 >+ Q; CH>4 >+ 2О>2> → СО>2 >+ 2H>2>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: СаСО>3
|
|
Реакции соединения – из нескольких простых или сложных веществ образуется одно сложное: 2H>2> + О>2 >→ 2H>2>O C>2>H>4 >+ H>2> → C>2>H>6> |
|
|
Реакции замещения – атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе: Zn + 2HCl = ZnCl>2 >+ H>2>↑ CH>4 >+ Cl>2 >→ CH>3>Cl + HCl |
|
|
Реакции обмена – два сложных вещества обмениваются составными частями: AgNO>3> + HCl = AgCl↓ + HNO>3> HCOOH + CH>3>OH → HCOOCH>3> + H>2>O |
|
|
По агрегатному состоянию реагирующих веществ |
Гетерогенные – исходные вещества и продукты реакции находятся в разных агрегатных состояниях: Fe>(т) >+ CuCl>2(р-р)> → Cu>(т)> + FeCl>2(р-р)> 2Na>(т) >+ 2C>2>H>5>OH>(ж)> → 2C>2>H>5>ONa>(р-р)> + H>2(г)> ↑ |
|
Гомогенные – исходные вещества и продукты реакции находятся в одном агрегатном состоянии: H>2(г)> + Cl>2(г)> => >2HCl>(г)> C>2>H>5>OH>(>>ж>>)> + CH>3>COOH>(>>ж>>)> → CH>3>COOC>2>H>5(>>ж>>)> + H>2>O>(>>ж>>)> |
|
|
По наличию катализатора |
Каталитические
2H>2>O>2>
|
|
Некаталитические
S
+ О>2>
|
|
|
По направлению |
Необратимые – протекают в данных условиях только в одном направлении: H>2>SO>4> + BaCl>2 >→ BaSO>4>+ 2HCl CH>4 >+ 2О>2> → СО>2 >+ 2H>2>O |
|
Обратимые – протекают в данных условиях одновременно в двух противоположных направлениях: 3H>2> + N>2> ↔ 2NH>3> ; C>2>H>4 >+ H>2> ↔ C>2>H>6> |
|
|
По изменению степени окисления атомов элементов |
Окислительно-восстановительные – реакции, идущие с изменением степени окисления: Fe0 + 2H+1Cl-1 → Fe2+Cl>2>-1> >+ H>2>0 H+1C0O-2 H+1 + H>2>> >→ C-2 H>3>+1 O-2 H+1 |
|
Неокислительно-восстановительные – реакции, идущие без изменения степени окисления: S+4O>4>-2 + H>2>O → H>2>+ S+4O>4>-2 CH>3>NH>2> + HCl → (CH>3>NH>3>)Cl |
CuO + H>2>O
– Q; C>8>H>18>
2H>2>O
+ О>2>↑ C>2>H>4
>+ H>2
>
C>2>H>4>
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 + Н>2>О = Са(ОН)>2>
Са(ОН)>2> = СаО + Н>2>О
Эти реакции относятся к разным типам химических реакций.
Первая реакция является типичной реакцией соединения, поскольку при ее протекании две молекулы реагентов СаО и Н>2>О соединяются в одну, более сложную молекулу Са(ОН)>2>.
Вторая реакция Са(ОН)>2> = СаО + Н>2>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 CaBr>2> с раствором HF выпадает осадок. Происходит реакция, в которой ионы кальция и водорода обмениваются между собой ионами брома и фтора
CaBr>2> + 2HF = CaF>2>¯ + 2HBr
При сливании растворов CaCl>2> и Na>2>CO>3> тоже выпадает осадок, потому что ионы кальция и натрия обмениваются между собой частицами CO>3>2- и Cl–
CaCl>2> + Na>2>CO>3> = CaCO>3>¯ + 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 = H>2 >+ ZnCl>2>
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 + Cl>2> = 2NaCl + Br>2> – это реакция замещения;
в левой части уравнения есть простое вещество-молекула хлора Cl>2>, и в правой части есть простое вещество – молекула брома Br>2>.
В реакциях обмена - и реагенты и продукты являются сложными веществами, например
CaCl>2> + Na>2>CO>3> = CaCO>3>¯ + 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+1Cl = H>2>0 + Zn+2Cl>2>
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 реакции могут сопровождаться выделением тепла, испусканием света, изменением агрегатного состояния веществ, появлением запаха, образованием газа и т.п.
Для описания химических реакций используют 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 реакции могут 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
Габриелян О.С. Химия. 11 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений / О.С.Габриелян. - М.: Дрофа.- 304 с.
Иванова Р.Г. Химия. Учебник для 10 кл. общеобразовательных учреждений / Р.Г.Иванова, А.А.Каверина. – М.: Просвещение, 2001. – 287 с.
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.
Мануйлов А.В. Основы химии. Электронный учебник / А.В.Мануйлов, В.И.Родионов. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.hemi.nsu.ru/
Химия. 8-9 класс: Поурочные планы / Авт. сост. С.Ю.Дибленко, Е.А.Смирнова, С.М.Колмыкова. – Волгоград: Учитель, 2005. – 169 с.