§ 11. Типы химических реакций

Научная систематизация химических превращений по их фундаментальным отличительным признакам и механизмам протекания.

• Главный признак школьного курса — число и качественный состав вступающих в реакцию реагентов и образующихся продуктов (деление на 4 базовых типа: соединение, разложение, замещение, обмен)
• Другие важнейшие классификационные признаки: тепловой эффект (экзо- и эндотермические), изменение степеней окисления атомов (окислительно-восстановительные и без изменения степеней окисления), участие катализатора (каталитические и некаталитические), обратимость (обратимые и необратимые)
• Позволяет безошибочно прогнозировать условия протекания процессов и свойства продуктов

Химические реакции, в результате которых из двух или нескольких исходных веществ образуется ровно одно новое сложное вещество.

• В реакцию могут вступать как простые вещества (например, горение фосфора: 4P + 5O₂ = 2P₂O₅), так и сложные вещества (например, гашение фосфорного ангидрида: P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄)
• Как правило, почти все реакции соединения сопровождаются выделением тепла и относятся к экзотермическим процессам
• Общая модельная схема: A + B = AB (или A + B + C = ABC)

Химические реакции, в результате которых из одного сложного исходного вещества образуется несколько новых веществ (простых или менее сложных).

• Выступают прямой противоположностью реакциям соединения; для их запуска и протекания обычно требуется непрерывное нагревание (эндотермические процессы)
• Примеры: термическое разложение гидроксида железа(III): 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O (при нагревании), обжиг природного известняка: CaCO₃ → CaO + CO₂↑
• Общая модельная схема: AB → A + B

Химические реакции между простым и сложным веществами, при которых атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе, образуя новое простое и новое сложное вещество.

• В реакцию вступают строго одно простое и одно сложное вещество, и в результате образуются также одно новое простое и одно новое сложное вещество
• Примеры: вытеснение меди железом из раствора медного купороса: CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu, бурное взаимодействие щелочного металла с водой: 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑
• Общая модельная схема: A + BC = AC + B

Химические реакции между двумя сложными веществами, при которых они обмениваются своими составными частями (атомами или группами атомов).

• В процесс вступают два сложных вещества и продуктами являются два качественно новых сложных вещества
• Протекают до конца в растворах электролитов при выполнении правила Бертолле: если выпадает осадок (↓), выделяется газ (↑) или образуется слабый электролит / вода (H₂O)
• Примеры: нейтрализация кислоты щёлочью: 2NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2H₂O, выпадение осадка: 6NaOH + Fe₂(SO₄)₃ = 2Fe(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄
• Общая модельная схема: AB + CD = AD + CB

Вещества, многократно ускоряющие скорость протекания химической реакции, но сами при этом не расходующиеся и не входящие в конечный состав образующихся продуктов.

• Реакции, протекающие с применением катализаторов, называют каталитическими; формула катализатора указывается над знаком равенства
• Пример: разложение пероксида водорода в присутствии катализатора оксида марганца(IV):

$$2\\text{H}_2\text{O}_2 \xrightarrow{\text{MnO}_2} 2\\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2\uparrow$$

• Биологические катализаторы белковой природы в живых клетках называют ферментами

В современной химии в основу научной классификации реакций заложены следующие ключевые признаки:

• Число и состав исходных реагентов и образующихся продуктов: делит реакции на четыре фундаментальных типа — реакции соединения, разложения, замещения и обмена;
• Тепловой эффект (направление теплового потока): экзотермические реакции (+Q, протекающие с выделением тепла в окружающую среду) и эндотермические реакции (-Q, протекающие с поглощением тепла);
• Изменение степеней окисления атомов: окислительно-восстановительные реакции (ОВР, сопровождающиеся переходом электронов) и реакции, протекающие без изменения степеней окисления;
• Участие катализатора: каталитические реакции (протекающие исключительно в присутствии катализатора) и некаталитические реакции;
• Направление и полнота протекания процесса: обратимые реакции (протекающие одновременно в прямом и обратном направлениях) и практически необратимые реакции;
• Агрегатное состояние реагирующих веществ (фазовый признак): гомогенные (протекающие в однородной среде без границ раздела фаз) и гетерогенные (протекающие на границе раздела фаз «твёрдое тело — жидкость», «жидкость — газ»).

По числу и качественному составу реагентов и продуктов выделяют четыре основных типа реакций:

• Реакции соединения — химические превращения, в ходе которых из двух или нескольких исходных веществ (простых или сложных) образуется строго одно новое сложное вещество.

Уравнения реакций:

$$4\text{P} + 5\text{O}_2 = 2\text{P}_2\text{O}_5$$

$$\text{P}_2\text{O}_5 + 3\\text{H}_2\text{O} = 2\\text{H}_3\text{PO}_4$$

• Реакции разложения — химические превращения, в ходе которых из одного исходного сложного вещества образуется несколько качественно новых веществ (простых или менее сложных).

Уравнения реакций:

$$2\text{Fe(OH)}_3 \xrightarrow{t^\circ} \text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\\text{H}_2\text{O}$$

$$\text{CaCO}_3 \xrightarrow{t^\circ} \text{CaO} + \text{CO}_2\uparrow$$

• Реакции замещения — химические превращения между простым и сложным веществами, при которых атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в составе сложного вещества с образованием нового простого и нового сложного вещества.

Уравнения реакций:

$$\text{CuSO}_4 + \text{Fe} = \text{FeSO}_4 + \text{Cu}$$

$$2\text{Na} + 2\\text{H}_2\text{O} = 2\text{NaOH} + \\text{H}_2\uparrow$$

• Реакции обмена — химические превращения между двумя сложными веществами, в ходе которых они взаимно обмениваются своими составными составными частями с образованием двух новых сложных веществ.

Уравнения реакций:

$$2\text{NaOH} + \\text{H}_2\text{SO}_4 = \text{Na}_2\text{SO}_4 + 2\\text{H}_2\text{O}$$

$$6\text{NaOH} + \text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3 = 2\text{Fe(OH)}_3\downarrow + 3\text{Na}_2\text{SO}_4$$