§ 11. Типы химических реакций

СОСТАВ ВЕЩЕСТВ КАК ОСНОВА КЛАССИФИКАЦИИ РЕАКЦИЙ

Мир химических веществ поистине колоссален: ещё летом 2015 года в международном реестре химических соединений Chemical Abstracts Service было официально зарегистрировано 100-миллионное вещество, и это число непрерывно растёт каждый день. Все эти бесчисленные вещества фундаментально делятся всего на две большие группы — простые (состоящие из атомов одного химического элемента) и сложные (образованные атомами двух или нескольких различных элементов).

Поскольку в химических реакциях молекулы разрушаются и перестраиваются, естественным и самым главным критерием классификации превращений в школьном курсе химии является число и состав исходных веществ (реагентов) и образующихся продуктов. По этому признаку выделяют четыре фундаментальных типа химических реакций: соединения, разложения, замещения и обмена.

РЕАКЦИИ СОЕДИНЕНИЯ: СБОРКА СЛОЖНЫХ ВЕЩЕСТВ И ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ

Реакциями соединения называют такие химические превращения, в результате которых из двух или нескольких веществ образуется одно новое сложное вещество.

В качестве исходных компонентов могут выступать как простые, так и сложные вещества:

• Из простых веществ: горение фосфора в кислороде с образованием оксида фосфора(V): 4P + 5O₂ = 2P₂O₅; горение угля: C + O₂ = CO₂.
• Из сложных веществ: растворение фосфорного ангидрида в воде с синтезом ортофосфорной кислоты: P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄; гашение негашёной извести: CaO + H₂O = Ca(OH)₂.

Обобщённая модельная схема реакции соединения: A + B = AB (или A + B + C = ABC).

Тепловой эффект: в процессе образования новых устойчивых химических связей выделяется значительное количество энергии. Поэтому подавляющее большинство реакций соединения являются экзотермическими (+Q) — они протекают с бурным выделением теплоты и нередко света (горение фосфора, угля, магния).

РЕАКЦИИ РАЗЛОЖЕНИЯ: ТЕРМИЧЕСКИЙ РАСПАД, ГАЗЫ, ОСАДКИ И КАТАЛИЗАТОРЫ

Реакциями разложения называют химические превращения, в результате которых из одного сложного вещества образуется несколько новых веществ (простых или менее сложных). Реакции разложения выступают зеркальной противоположностью реакциям соединения: их обобщённая модель выглядит как AB = A + B.

Чтобы разорвать прочные химические связи исходной молекулы, веществу необходимо непрерывно сообщать энергию извне. Поэтому большинство реакций разложения относятся к эндотермическим (-Q) — они протекают только при постоянном нагревании, что в химических уравнениях обозначается значком температуры «t» над знаком равенства:

• Термическое разложение нерастворимых оснований (гидроксидов):
  • 2Fe(OH)₃ =(t)=> Fe₂O₃ + 3H₂O (бурый осадок гидроксида железа(III) при прокаливании распадается на оксид железа и пары воды);
  • Fe(OH)₂ =(t)=> FeO + H₂O.
• Промышленный обжиг природного известняка для получения негашёной извести: CaCO₃ =(t)=> CaO + CO₂↑.

Специальные химические символы в уравнениях:

• Стрелка вверх (↑) ставится рядом с формулой газообразного вещества, улетучивающегося из зоны реакции (например, CO₂↑, O₂↑, H₂↑);
• Стрелка вниз (↓) ставится рядом с формулой нерастворимого твёрдого осадка, выпадающего на дно пробирки (например, Fe(OH)₃↓, BaSO₄↓).

Каталитические реакции разложения: далеко не все реакции требуют высокой температуры. Знакомый всем пероксид водорода H₂O₂, используемый в медицине для обеззараживания ран, при комнатной температуре хранится годами. Однако стоит добавить в раствор микроскопическую щепотку чёрного порошка оксида марганца(IV) MnO₂, как жидкость мгновенно вскипает от бурного выделения кислорода:

2H₂O₂ =(катализатор MnO₂)=> 2H₂O + O₂↑

Катализаторы — это вещества, которые во много раз ускоряют скорость протекания химической реакции, но сами при этом не расходуются и не входят в состав конечных продуктов. Биологические катализаторы белковой природы в живых клетках называют ферментами.

РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ: ПРОТИВОБОРСТВО ПРОСТЫХ И СЛОЖНЫХ ВЕЩЕСТВ

Реакциями замещения называют химические превращения между одним простым и одним сложным веществами, при которых атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе, в результате чего образуются новое простое и новое сложное вещества.

Обобщённая модельная схема реакции замещения: A + BC = AC + B.

Классические лабораторные примеры:

• Вытеснение меди железом из раствора медного купороса: если опустить стальную кнопку или железный гвоздь в голубой раствор сульфата меди(II) CuSO₄, уже через несколько минут поверхность железа покрывается ярко-красным налётом чистой металлической меди, а раствор зеленеет из-за появления ионов железа:

CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu

• Взаимодействие щелочных металлов с водой: кусочек металлического натрия бегает по поверхности воды, шипит и плавится, вытесняя газообразный водород и образуя едкий натр:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑

• Взаимодействие металлов с кислотами: гранула цинка в соляной кислоте растворяется с обильным выделением пузырьков газа: Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑.

РЕАКЦИИ ОБМЕНА: ВЗАИМНАЯ ПЕРЕГРУППИРОВКА СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ

Реакциями обмена называют химические превращения между двумя сложными веществами, при которых они обмениваются своими составными частями (атомами или группами атомов). В реакцию обязательно вступают два сложных вещества, и на выходе получаются также два качественно новых сложных вещества.

Обобщённая модельная схема реакции обмена: AB + CD = AD + CB.

Главные лабораторные примеры реакций обмена:

• Реакция нейтрализации (щёлочь + кислота): смешивание раствора едкого натра с серной кислотой приводит к полному взаимному гашению их едких свойств с образованием нейтральной соли и молекул воды:

2NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2H₂O

• Реакция осаждения нерастворимого осадка: сливание растворов щелочи и сульфата железа(III) сопровождается мгновенным выпадением хлопьевидного бурого осадка:

6NaOH + Fe₂(SO₄)₃ = 2Fe(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄