Классификация химических реакций в неорганической и органической химии

Общие понятия

Процесс преобразования одних веществ в другие, при этом отличающихся от исходных по своему составу и свойствам называется химической реакцией.
Это явление сопровождается разрывом старых и образованием новых связей между атомными частицами.

Многообразие взаимодействий требует от химиков их классифицирования по следующим признакам (см. Табл. 1)

Таблица 1

Классифицирующие признаки химических реакций

I. Систематизация реакций в химии неорганических веществ. Примеры

1. В процессе окисления-восстановления меняется степень окисления химических элементов: 

   Al⁰ + S⁰ → Al₂⁺³S₃^-2

   В этом примере к атому серы присоединяются два электрона – это полуреакция восстановления. Окислительная степень её сменилась с 0 до -2.

   Сера здесь – окислитель (акцептор электронов). 

   Атом алюминия, отдав 3 электрона, изменил степень окисления с 0 до +3 и стал восстановителем (донором электронов). Это окислительная полуреакция.

   Обе полуреакции составляют единый окислительно-восстановительный процесс.



2. При проведении реакции соединения несколько реагентов образуют только один продукт: 

   4NO₂ +O₂ +2H₂O=4HNO₃



3. Разложение наоборот продуцирует из одного химического реагента два или несколько других:

   CaCO₃ = CaO + CO₂



4. Взаимодействие простого и сложного вещества, которое ведёт к образованию других простых и сложных веществ, называется реакцией замещения:

   Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu



5. В обменной реакции участвующие в ней реагенты меняются своими структурными частями:

   2NaOH + CuCl₂ = 2NaCl + Cu(OH)₂ 

   Частным случаем этого процесса является нейтрализация между собой кислот и оснований:

   KOH + HCl = KCl + H₂O



6. Классифицирующий признак «направление реакции» разделяет их на необратимые и обратимые. Если в ходе необратимой процесс идёт только в одном направлении до получения конечных продуктов, то в обратимой реакции он протекает в прямом и противоположном направлениях: 

   3H₂ + N₂ ⇆ 2NH₃ – обратимая реакция,

   Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂O + CO₂↑ – необратимая реакция



7. Преобразование веществ обязательно сопровождается разрывом связей в молекулах и созданием новых.

   Если этот разрыв сопровождается образованием радикалов, что присуще молекулам с неполярными и малополярными ковалентными связями, то этот процесс — гомолитическая реакция: 

   Cl₂ ^свет→ Cl∙ + ∙Cl 

   Каждая частица хлора, обладая неспаренным электроном, превращается в радикал. Реакции, связанные с разрывом сильнополярных связей и образованием заряженных частиц – ионов, являются гетеролитическими:

   HBr ⇆H+ +Br^–



8. Любое химическое превращение – это энергетический процесс. Поэтому ещё один показатель химического реагирования – тепловой эффект.

   Реакции, идущие с выделением тепловой энергии, называются экзотермическими. Практически все реакции соединения – экзотермические.

   Если им ещё сопутствует световое излучение, то такая реакция носит название горение.

   C + O₂ = CO₂ + Q, где Q – тепловой эффект.

   Взаимодействие веществ с поглощением тепла эндотермическая реакция. К такому типу относятся реакции разложения:

   CaCO₃ → CaO + CO₂ – Q 

   Для сведения. Уравнения, демонстрирующие тепловой эффект (Q), носят название термохимические.



9. Группа гомогенных и гетерогенных реагирований определяется фазным (агрегатным) состоянием веществ. 

   В гомогенных – все исходные и полученные в ходе реакции вещества существуют в одной фазе. Например, в растворах, в газообразной среде:

   NaOH(р-р) + HCl(р-р) = NaCl + H₂O

   2CO + O₂ = 2CO₂

   Если реагенты и полученные продукты находятся в разных фазовых состояниях, то речь идёт о гетерогенном взаимодействии:

   СаС₂(т)+2Н₂О(ж) = С₂Н₂↑+Са(ОН)₂(р-р).




10. Большая группа реакций определяется участием в них особых веществ – катализаторов, т.е. соединений – ускорителей реакции.

    Каталитические реакции идут только с их участием: 

    2H₂0₂^MnO₂→ 2H₂O + O₂ (катализатор MnO₂)

    Некаталитические реакции в присутствии катализаторов не нуждаются:

    КOH + HCl → КCl + H₂O 

    Для сведения. Существуют также вещества, которые замедляют химические реакции – ингибиторы. В ходе реакций ни катализаторы, ни ингибиторы не расходуются и не изменяются.

II. Систематизация реакций в органической химии. Примеры 

В классификации реакций органической химии есть много аналогичного неорганической химии, но есть и своеобразие.

Основные типы взаимодействий органических веществ

• замещение,
• присоединение,
• элиминирование (отщепление),
• изомеризация и перегруппировка, - окисление,
• конденсация и поликонденсация, - разложение

1. В реакциях замещения в исходных молекулах происходит замена одного или группы атомов, прикрепленных к углеродному скелету на другие атомы. В таких превращениях чаще всего участвуют насыщенные и ароматические углеводороды. 

   Например, реакция спиртов с галогеноводородными кислотами:

   C₂H₅OH + HBr = C₂H₅Br + H₂O

2. Реакции присоединения различают по типу присоединяемого вещества, например (такие реакции происходят, когда есть двойные и тройные связи):

   Гидрирование — с присоединением водорода: 

   СН₃—СН = СН₂ (пропен) + Н₂ → СН₃—СН₂—СН₃ (пропан)

   Гидрогалогенирование — с присоединением галогеноводорода: 

   СН₂ = СН₂(этен) + НСl → СН₃—СН₂—Сl (хлорэтан)

3. Реакция отщепления (элиминирования) сопровождается потерей атомов, причем получается новое вещество с одной или несколькими кратными связями. В названиях этих реакций присутствует приставка де-:

   Дегидрирование – отрыв молекулы водорода:

   

   Дегидратация – отрыв молекулы воды: 

   

4. Изомеризация и перегруппировка сопровождаются внутримолекулярной перестройкой, связанной с перемещением атомов в молекуле без изменения её формулы:

   

5. При окислении благодаря действию окислителя повышается степень окисления углерода с отдачей электрона:

   

6. Суть конденсации – взаимодействие группы органических веществ, при котором образуются новые C — C связи и низкомолекулярное соединения (например, вода):

   НО—CH₃—CH—OH + HO—CH₃—CH—OH → НО—СH₂—СH₂—O—СH₂—СH₂— OH + H₂O

   При поликонденсации составные части (функциональные группы) образующегося полимера различаются с исходным мономером.

   Например, реакция получения лавсана: 

   

7. Реакция разложения, как и в неорганической химии заключается в преобразование сложного соединения на несколько более простых веществ:

Все основные подходы к классификации сведены в Таблицу 2.

Заключение

Как и многие иные научные систематизации, приведенная в статье классификация реакций в определённом смысле условна. Химики договорились разложить химические превращения по классам на основе наиболее объективных признаков.

Но на деле всё сложнее. Многим реакциям соответствуют самые разные отличительные признаки.

Например, синтез аммиака (NH₃) характеризуется признаками реакции окислительно- восстановительной, экзотермической, обратимой, соединения, гетерогенной, каталитической, идущей со снижением давления в реакционной среде.

Всё это надо учитывать в технологическом регламенте. Конкретный химический процесс всегда многогранен и качественно многообразен.

Смотри также:

• Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения
• Скорость химической реакции, ее зависимость от различных факторов
• Обратимые и необратимые химические реакции. Химическое равновесие. Смещение химического равновесия под действием различных факторов
• Электролитическая диссоциация электролитов в водных растворах. Сильные и слабые электролиты
• Реакции ионного обмена
• Гидролиз солей. Среда водных растворов: кислая, нейтральная, щелочная
• Реакции окислительно-восстановительные. Коррозия металлов и способы защиты от нее
• Электролиз расплавов и растворов (солей, щелочей, кислот)
• Ионный (правило В.В. Марковникова) и радикальный механизмы реакций в органической химии