Классификация химических реакций в неорганической и органической химии

Химические реакции – это процессы, в результате которых из одних веществ образуются другие, отличающиеся от них по составу и (или) строению.

Классификация реакций:

I. По числу и составу реагирующих веществ и продуктов реакции:

1) Реакции, идущие без изменения состава вещества:

В неорганической химии это реакции превращения одних аллотропных модификаций в другие:

C (графит) → C (алмаз); P (белый) → P (красный).

В органической химии это реакции изомеризации – реакции, в результате которых из молекул одного вещества образуются молекулы других веществ того же качественного и количественного состава, т.е. с той же молекулярной формулой, но другим строением.

t, AlCl₃

-СН₂-СН₂-СН₃ → СН₃-СН-СН₃

СН₃

н-бутан 2-метилпропан (изобутан)

2) Реакции, идущие с изменением состава вещества:

а) Реакции соединения (в органической химии присоединения) – реакции, в ходе которых из двух и более веществ образуется одно более сложное: S + O₂→ SO₂

В органической химии это реакции гидрирования, галогенирования, гидрогалогенирования, гидратации, полимеризации.

t, H₂SO₄

СН₂ = СН₂ + НОН → СН₃ – СН₂ОН

б) Реакции разложения (в органической химии отщепления, элиминирования) – реакции, в ходе которых из одного сложного вещества образуется несколько новых веществ:

t, H₂SO₄

СН₃ – СН₂ОН → СН₂ = СН₂ + Н₂О

2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂

В органической химии примеры реакций отщепления - дегидрирование, дегидратация, дегидрогалогенирование, крекинг.

в) Реакции замещения – реакции, в ходе которых атомы простого вещества замещают атомы какого-нибудь элемента в сложном веществе (в органической химии – реагентами и продуктами реакции часто являются два сложных вещества).

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl +HCl; 2Na+ 2H₂O→ 2NaOH + H₂

Примеры реакций замещения, не сопровождающихся изменением степеней окисления атомов, крайне немногочисленны. Следует отметить реакцию оксида кремния с солями кислородсодержащих кислот, которым отвечают газообразные или летучие оксиды:

СаСО₃+ SiO₂ = СаSiO₃ + СО₂

Са₃(РО₄)₂ + ЗSiO₂ = ЗСаSiO₃ + Р₂О₅

г) Реакции обмена – реакции, в ходе которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями:

NaOH + HCl → NaCl + H₂O,
2CH₃COOH + CaCO₃ → (CH₃COO)₂Ca + CO₂ + H₂O

II. По изменению степеней окисления химических элементов, образующих вещества

1) Реакции, идущие с изменением степеней окисления, или ОВР:

∙ 2| N⁺⁵ + 3e^– → N⁺² (процесс восстановления, элемент – окислитель),

∙ 3| Cu⁰ – 2e^– → Cu⁺² (процесс окисления, элемент – восстановитель),

8HNO₃ + 3Cu → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.

В органической химии:

C₂H₄ + 2KMnO₄ + 2H₂O → CH₂OH–CH₂OH + 2MnO₂ + 2KOH

2) Реакции, идущие без изменения степеней окисления химических элементов:

Li₂O + H₂O → 2LiOH,
HCOOH + CH₃OH → HCOOCH₃ + H₂O

III. По тепловому эффекту

1) Экзотермические реакции протекают с выделением энергии:

С + О₂ → СО₂ + Q,
СH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + Q

2) Эндотермические реакции протекают с поглощением энергии:

СaCO₃ → CaO + CO₂ - Q

C₁₂H₂₆ → C₆H₁₄ + C₆H₁₂ - Q

IV. По агрегатному состоянию реагирующих веществ

1) Гетерогенные реакции – реакции, в ходе которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в разных агрегатных состояниях:

Fe(тв) + CuSO₄(р-р) → Cu(тв) + FeSO₄(р-р),
CaC₂(тв) + 2H₂O(ж) → Ca(OH)₂(р-р) + C₂H₂(г)

2) Гомогенные реакции – реакции, в ходе которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в одном агрегатном состоянии:

H₂(г) + Cl₂(г) → 2HCl(г),
2C₂H₂(г) + 5O₂(г) → 4CO₂(г) + 2H₂O(г)

V. По участию катализатора

1) Некаталитические реакции, идущие без участия катализатора:

2Н₂ + О₂ → 2Н₂О, С₂Н₄ + 3О₂ → 2СО₂ + 2Н₂О

2) Каталитические реакции, идущие с участием катализаторов:

MnO₂

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂

VI. По направлению

1) Необратимые реакции протекают в данных условиях только в одном направлении:

С₂Н₄ + 3О₂ → 2СО₂ + 2Н₂О

2) Обратимые реакции в данных условиях протекают одновременно в двух противоположных направлениях: N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃

VII. По механизму протекания

1) Радикальный механизм.

А: В → А· + ·В

Происходит гомолитический (равноценный) разрыв связи. При гемолитическом разрыве пара электронов, образующая связь, делится таким образом, что каждая из образующихся частиц получает по одному электрону. При этом образуются радикалы – незаряженные частицы с неспаренными электрономи. Радикалы – очень реакционноспособные частицы, реакции с их участием происходят в газовой фазе с большой скоростью и часто со взрывом.

Радикальные реакции идут между образующимися в ходе реакции радикалами и молекулами:

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂

hυ

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl +HCl

Примеры: реакции горения органических и неорганических веществ, синтез воды, аммиака, реакции галогенирования и нитрования алканов, изомеризация и ароматизация алканов, каталитическое окисление алканов, полимеризация алкенов, винилхлорида и др.

2) Ионный механизм.

А: В →: А^- + В⁺

Происходит гетеролитический (неравноценный) разрыв связи, при этом оба электрона связи остают­ся с одной из ранее связанных частиц. Образуются заряженные частиц (катионы и анионы).

Ионные реакции идут в растворах между уже имеющимися или образующимися в ходе реакции ионами.

Например, в неорганической химии – это взаимодействие электролитов в растворе, в органической химии – это реакции присоединения к алкенам, окисление и дегидрирование спиртов, замещение спиртовой группы и другие реакции, характеризующие свойства альдегидов и карбоновых кислот.

VIII. По виду энергии, инициирующей реакцию:

1) Фотохимические реакции происходят при воздействии квантов света. Например, синтез хлороводорода, взаимодействие метана с хлором, получение озона в природе, процессы фотосинтеза и др.

2) Радиационные реакции инициируются излучениями больших энергий (рентгеновскими лучами, γ -лучами).

3) Электрохимические реакции инициирует электрический ток, например, при электролизе.

4) Термохимические реакции инициируются тепловой энергией. К ним относятся все эндотермические реакции и множество экзотермических, для инициации которых необходима теплота.