Химия

Химические реакции классифицируют по различным критериям. Некоторые критерии классификации и соответствующие типы реакций описаны ниже.

Числа и состав исходных веществ и продуктов.

1. Реакции соединения: из двух или нескольких исходных простых или сложных веществ образуется одно новое сложное вещество; эти реакции могут быть как окислительно-восстановительными, так и протекать без изменения степени окисления атомов:

Al(OH)₃ + 3KOH = K₃[Al(OH)₆]

CaO + CO₂ = CaCO₃

2. Реакции разложения: из одного сложного вещества образуются два и более простых или сложных веществ; эти реакции могут быть как окислительно-восстановительными, так и нет:

2KHCO₃ K₂CO₃ + CО₂↑ + H₂O

3. Реакции замещения: атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе; в неорганической химии все реакции замещения — окислительно-восстановительные:

4. Реакции обмена: реакции, в результате которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями, образуя два новых сложных вещества; эти реакции протекают без изменения степени окисления атомов элементов (частный случай таких реакций — реакции нейтрализации). Условия протекания реакций обмена в водных растворах: выделение газа, выпадение осадка, образование слабого электролита:

KOH + HCl = KCl + H₂O

Na₂SO₄ + Ba(NO₃)₂ = BaSO₄↓ + 2NaNO₃

Тепловой эффект.

1. Экзотермические реакции: протекают с выделением тепла Q (выделение тепла показывают +Q); экзотермическими являются большинство реакций горения и соединения, реакции нейтрализации:

2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ + Q

2KOH + H₂SO₄ = K₂SO₄ + 2H₂O + Q

3H₂ + N₂ ⇄ 2NH₃ + Q

SO₃ + H₂O = H₂SO₄ + Q

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O + Q

2. Эндотермические реакции: протекают с поглощением тепла (поглощение тепла показывается −Q), эндотермическими являются многие реакции разложения, фотосинтез в растениях:

CaCO₃ CaO + CO₂↑ − Q

6CO₂ + 6H₂O C₆H₁₂O₆ + 6O₂↑ − Q

Пример эндотермической реакции соединения:

N₂ + O₂ 2NO − Q

Направление протекания реакции.

1. Необратимые реакции: реакции, протекающие до конца в одном направлении; для реакций обмена условиями необратимости является выпадение осадка, образование слабого электролита или выделение газа:

KOH + HNO₃ = KNO₃ + H₂O

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + 2NaCl

2H₂ + O₂ = 2H₂O

2. Обратимые реакции: при данных условиях протекают в двух взаимно противоположных направлениях (как говорят, слева направо и справа налево, или в прямом и обратном направлениях, что показывают противоположно направленными стрелками):

2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃

3H₂ + N₂ ⇄ 2NH₃

CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃

Изменение степени окисления.

1. Окислительно-восстановительные реакции: степени окисления атомов изменяются, так как между ними происходит обмен электронами:

2. Реакции, протекающие без изменения степени окисления атомов элементов (не окислительно-восстановительные):

BaCO₃ BaO + CO₂↑,

K₂ZnO₂ + 4HCl = 2KCl + ZnCl₂ + 2H₂O.

Участие в реакции катализатора.

1. Каталитические: реакции, протекающие с участием катализатора:

2SO₂ + O₂ $\stackrel{{\text{V}}_2{\text{O}}_5}{\rightleftarrows }$ 2SO₃

3H₂ + N₂ $\stackrel{\text{Fe}}{\rightleftarrows }$ 2NH₃

2. Некаталитические реакции: протекают без участия катализатора (например, все реакции ионного обмена):

H₂SO₄ + Ba(OH)₂ = BaSO₄↓ + 2H₂O

2C₂H₆ + 5O₂ = 4CO₂ + 6H₂O.

Наличие раздела фаз реагирующих (исходных) веществ.

1. Гомогенные реакции — это реакции между веществами, находящимися в одной фазе, как правило, жидкой или газообразной (агрегатное состояние указывают буквами «г» и «ж»; «р-р» означает, что вещество находится в растворе):

H₂ (г) + Cl₂ (г) = 2HCl (г)

NaOH (р-р) + HCl (р-р) = NaCl (р-р) + H₂O (ж)

NH₃ (г) + HCl (г) = NH₄Cl (тв)

Гомогенные реакции протекают сразу во всем объеме реакционной смеси (растворе, газовой фазе).

2. Гетерогенные реакции — исходные (реагирующие) вещества находятся в разных агрегатных состояниях либо только в твердом состоянии (твердое или кристаллическое состояние обозначается «тв»):

CaO (тв) + CO₂ (г) = CaCO₃ (тв)

Zn (тв) + 2HCl (р-р) = ZnCl₂ (р-р) + H₂ (г)

Cu (тв) + S (тв) = CuS (тв)

В случае гетерогенных реакций химическое взаимодействие протекает только на поверхностях раздела фаз: тв + р-р, тв + г, тв + ж, ж + г, тв + тв.

Одну и ту же реакцию, как правило, можно охарактеризовать сразу по нескольким признакам. Например, реакция, уравнение которой

N₂ (г) + 3H₂ (г) ⇄ 2NH₃,

может рассматриваться одновременно как обратимая каталитическая гомогенная окислительно-восстановительная экзотермическая реакция соединения.

В учебной школьной литературе наблюдается определенная путаница в определении гомогенных и гетерогенных реакций. Одни авторы считают, что гомогенной является реакция, в которой в одной фазе находятся как реагенты, так и продукты, а другие — только реагенты, поэтому одна и та же реакция, например

BaCl₂ (р-р) + H₂SO₄ (р-р) = BaSO₄ (тв) + 2HCl (р-р)

в одном случае будет считаться гетерогенной, а в другом — гомогенной.

Данный вопрос хорошо освещен в вузовских учебниках по физической химии (например, А.Г. Стромберг, Д.П. Семченко. Физическая химия / под ред. А.Г. Стромберга. М. : Высшая школа, 1988. С. 289): «В зависимости от фазового агрегатного состояния компонентов (исходных веществ и продуктов) различают реакции гомогенные и гетерогенные, а также гомофазные и гетерофазные. Гомогенными называют реакции, протекающие... во всем объеме... в одной фазе: в смеси газов, в жидком растворе или (реже) в твердой фазе. К гетерогенным относят реакции, протекающие на границе двух фаз».

Авторы подчеркивают, что гомогенными являются реакции, в которых в одной фазе находятся реагирующие вещества (!), т.е. это реакции типа жидкость + жидкость, газ + газ. Именно эти реакции протекают во всем объеме жидкого раствора или газовой смеси, а не на границе раздела фаз. Примеры гомогенных

H₂ (г) + Cl₂ (г) = 2HCl (г) (1)

AgNO₃ (р-р) + KCl (р-р) = AgCl (тв) + KNO₃ (р-р) (2)

и гетерогенных реакций

Cu (тв) + S (тв) = CuS (тв) (3)

(реакция протекает не во всем объеме, а по поверхности раздела двух твердых фаз);

Zn (тв) + 2HCl (р-р) = ZnCl₂ (р-р) +H₂ (г) (4)

(реакция протекает на границе твердой и жидкой фаз);

CuO (тв) +H₂ (г) = Cu (г) + H₂O (г) (5)

(реакция протекает на границе твердой и газообразной фаз).

Далее авторы подчеркивают, что гомофазными называются реакции, в которых все компоненты (и реагирующие вещества, и продукты — А. Вр.) находятся в одной фазе. К гетерофазным относят реакции, компоненты которых находятся в разных фазах.

Следовательно, реакция (1) является гомофазной, а реакция (2) — гетерофазной.

Таким образом, одна и та же реакция может одновременно классифицироваться как гомогенная и гомофазная [реакция (1)] или как гомогенная и гетерофазная [реакция (2)]. Реакции (3)–(5) являются и гетерогенными, и гетерофазными. Авторы подчеркивают, что «реакцию

CaCO₃ (тв) = CaO (тв) + CO₂ (г)

следует отнести к гетерогенным гетерофазным реакциям. Реакция протекает на границе двух твердых фаз, причем компоненты находятся в двух разных фазах».

На тип каталитической реакции влияет агрегатное состояние катализатора. Цитируем указанную книгу: «Реакция синтеза аммиака

N₂ + 3H₂ = 2NH₃ (г),

протекающая на поверхности платины, является гетерогенной, так как протекает на границе фаз платина — смесь газов; но она гомофазная, так как все компоненты находятся в газовой фазе (платина является катализатором и в реакции не расходуется)».