Глава 5. Классификация химических реакций

Химическая реакция - такое взаимодействие реальных частиц (моле-кул, ионов, атомов), которое приводит к изменению их физико-хими-ческих свойств без изменения природы химических элементов.

В ходе химической реакции одни вещества (исходные, реагенты) превращаются в другие (продукты реакции).

По признаку - природа соединений - реакции делят на реакции неорганической и органической химии.

К общим признакам, применимым к органическим и неорганическим реакциям, относятся следующие:

- степень завершенности процесса,

- характер теплового эффекта,

- степень однородности реакционной смеси.

По первому из них реакции делят на:

- необратимые, когда исходные вещества полностью превращаются в продукты (если реагенты взяты в стехиометрических отношенях):

K₂S + 2HCl 2KCl + H₂S

- обратимые, в ходе которых устанавливается динамическое равновесие между реагентами и продуктами:

N₂ +3H₂ 2NH₃

По второму признаку реакции делят на:

- экзотермические, идущие с выделением тепла:

Na + 2H₂O  2NaOH + H₂ + Q

- эндотермические, в ходе которых происходит поглощение энергии:

CaCO₃ CaO + CO₂ - Q

По третьему признаку реакции делятся на:

- гомогенные, протекающие в объеме одной фазы (реакции между газами или веществами в истинных растворах):

2CO_(г) + O_2(г)  2CO₂, HCl_(р-р) + NaOH_(р-р)  H₂O + NaCl

- гетерогенные, протекающие на поверхности раздела двух фаз (реа-генты находятся в разных агрегатных состояниях):

2Al_(тв.) + 3Сl_2(г)  2AlCl₃

Кроме предложенных общих способов классификации можно также подразделять реакции по признаку наличия катализатора на каталитические и некаталитические.

Реакции неорганической химии классифицируются по признаку изменения числа реагентов и продуктов:

- реакции разложения, в которых из одного исходного вещества образуется несколько продуктов:

Mg(OH)₂ MgO + H₂O

- реакции соединения, в которых из нескольких реагентов образуется один продукт:

2Fe + 3Cl₂ 2FeCl₃

Частный случай реакций соединения - реакции полимеризации:

4HPO₃  (HPO₃)₄

Реакции, в которых число реагентов равно числу продуктов, подразделяют, с одной стороны, на реакции замещения и обмена, а с другой, на реакции полиморфного превращения и изомеризации.

Реакции замещения - реакции, в которых часть сложного вещества замещается простым веществом:

CuSO₄ + Fe  FeSO₄ + Cu ; 2KBr + Cl₂  2КСl +Br₂

Реакции обмена - реакции, в которых реагенты обмениваются своими составными частями:

AgNO₃ + NaBr  NaNO₃ + AgBr

Реакции обмена являются необратимыми в тех случаях, когда один из продуктов уходит из сферы реакции (см. 9.1).

Если в обмене участвуют протоны или гидроксильные группы, то такие реакции называют кислотно-основными. Частным случаем этих реакций являются реакции нейтрализации, идущие с образованием воды как слабого электролита (взаимодействие соединений, содержащих протон - кислот, кислых солей, с соединениями, содержащими гидроксильную группу - основаниями и основными солями):

Na₂HPO₄ + NaOH  Na₃PO₄ + H₂O; 2KOH + H₂SO₄ K₂SO₄ + 2H₂O;

СH₃COOH + NaOH  CH₃COONa + H₂O

Реакции полиморфного превращения - реакции, в которых вещество переходит из одной кристаллической формы в другую без изменения состава:

C_(алмаз) С_{(графит)}

Реакции изомеризации (более характерны для органических соединений) - реакции, в которых меняется строение вещества без изменения состава:

Химические реакции классифицируют также по признаку возможного переноса электронов в ходе процесса.

В отдельный класс выделяют окислительно-восстановительные реакции, сопровождающиеся переносом электронов и приводящие к изменению степеней окисления атомов, входящих в состав реагентов:

2HCl + Zn  ZnCl₂ + H₂; Сl₂ + H₂O  HСl + HOCl

Очевидно, что одна и та же реакция может относиться одновременно к разным типам, в зависимости от признака, по которому проводят классификацию.

Например:

NaOH + HCl  NaCl + H₂O

реакция необратимая, экзотермическая, гомогенная, обмена (кислотно-основная, нейтрализации), не окислительно-восстановительная.

При классификации органических реакций в качестве признака используют процесс, приводящий к изменению органического соединения (субстрата) под действием другого соединения (органического или неорганического, реагента). При этом выделяют следующие типы реакций: замещения, присоединения, отщепления, восстановления и окисления.

В реакциях замещения происходит замена атома (группы атомов) в субстрате на другой атом (группу атомов). Они идут с разрывом -связи и характерны для предельных и ароматических углеводородов, галогенопроизводных, спиртов и карбоновых кислот.

Реакции присоединения характерны для соединений с кратными связями (алкенов, алкинов, карбонильных соединений), идут с разрывом -связи и присоединением к молекуле новых групп:

СH₂=CH₂ + Br₂  CH₂BrCH₂Br

К реакциям присоединения относятся реакции полимеризации:

n CH₂=CH₂  (CH₂CH₂)_n

В реакциях отщепления (элиминирования) происходит отщепление частиц от субстрата с образованием кратной связи или цикла. Они характерны для предельных углеводородов, галогенопроизводных, спиртов.

C₆H₁₂  С₆H₆ + 3H₂

В реакциях восстановления субстрат восстанавливается под действием реагента - восстановителя. Реакции восстановления характерны для соединений с кратными связями (алкенов, алкинов, карбонильных соединений, нитросоединений).

C₆H₅NO₂ + 6H  C₆H₅NH₂ + 2H₂O

Реакции окисления - реакции, в которых субстрат окисляется под действием реагента-окислителя или в результате каталитического дегидрирования (частный случай реакций отщепления). Они характерны для алкенов, алкинов, спиртов и альдегидов.