Хімічні реакції та їхня класифікація

 

Хімічна реакція – процес перетворення одних речо-вин на інші, супроводжується такими ознаками:

Умови виникнення та проходження хімічних реакцій:

- виділення газу; - утворення або розчинення осаду; - виділення або поглинання тепла; - випромінювання світла; - зміна забарвлення; - поява електричної енергії; - поява або зникнення запаху.

А)надходження реагентів до зони реакції; Б)постійне підтримування умов проходження реакції: - досягнення певної площі стикання між реагуючими речовинами; - Надходження енергії для початку реакції; - Підтримання потрібної температури для реакції; - Підтримання потрібного тиску; - для каталітичних реакцій - наявність каталізатора; - відведення продуктів реакцій; - перемішування вихідних речовин та ін.

 

Вчені запропонували таку класифікацію хімічних реакцій:

 

1. За числом та складом вихідних та утворених речовин.

1.1. Реакції сполучення – це реакції, під час яких з кількох простих або складних речовин утворюється одна складна речовина. Наприклад:

Na + Cl2 → NaCl (Розстав коефіцієнти та вкажи їхню суму ___)

 

СаО + СО2 → СаСО3 (Розстав коефіцієнти та вкажи їхню суму ___)

 

1.2. Реакції розкладу – група реакцій, під час яких з однієї складної речовини утворюється кілька простих або складних речовин. Наприклад:

Cu(OH)2 → CuO + H2O - Q (Розстав коефіцієнти та вкажи їхню суму ___)

 

HgO → Hg + O2 - Q (Розстав коефіцієнти та вкажи їхню суму ___)

 

1.3. Реакції заміщення - реакції між простою та складною речовиною, в результаті яких утворюється нова проста та нова складна речовина. Наприклад:

 

Mg + HCl → MgCl2 + H2 ↑ (Розстав коефіцієнти та вкажи їхню суму ___)

 

В органічній хімії реакції заміщення - це реакції, під час яких атоми простих речовин або групи атомів

займають місце певного атома в органічній речовині, і при цьому утворюються дві складні речовини

 

С2Н6 + Cl2 →C2H₅Cl+ HCl (Розстав коефіцієнти та вкажи їхню суму ___)

 

1.4. Реакції обміну – група реакцій, які відбуваються між двома складними речовинами, і в результаті реакції утворюються дві нові складні речовини.

 

CuCl2 + KOH → Cu(OH)2 ↓ + KCl (Розстав коефіцієнти та вкажи їхню суму ___)

 

1. За тепловим ефектом

Екзотермічні – група реакцій, під час яких виділяється певна кількість тепла. Наприклад, всі реакції горіння.   СН4 + О2 → СО2 + Н2 О + Q; тобто ∆ Н = - 802,6 кДж

Ендотермічні - група реакцій, під час яких поглинається певна кількість тепла. Наприклад, всі реакції розкладу. N2О4 → NО2 - Q, тобто ∆ Н = 58,1 кДж

 

1. За напрямом протікання реакції

3.1. Необоротні - група реакцій, які йдуть в одному напрямку до повного витрачання однієї з реагуючих речовин.

 

Zn + HBr → ZnBr2 + H2 ↑ (Розстав коефіцієнти та вкажи їхню суму ___)

 

3.2. Оборотні – це група реакцій, які за вказаних умов здатні протікати в двох протилежних напрямках. Наприклад:

 

N2 г. + H2 г. ↔ NH3 г. + Q

1. За зміною ступенів окиснення

4.1. Окисно-відновні – група реакцій, під час яких відбувається перехід валентних електронів від одного елемента до іншого, тобто змінюється ступінь окиснення елементів до та після реакції. Наприклад:

 

Ва° + О2° → Ва ⁺² О ^-2 (Розстав коефіцієнти та вкажи їхню суму ___)

 

4.2. Реакції без зміни ступенів окиснення - група реакцій, під час яких не відбувається перехід валентних електронів від одного елемента до іншого, тобто не змінюється ступінь окиснення елементів до та після реакції. Наприклад:

+2 - + -2 + +2 -2 + + -

ZnCl2 + Na O H → Zn(OH)2 ↓ + NaCl (Розстав коефіцієнти та вкажи їхню суму ___)

 

1. За участю каталізатора

Каталітичні – група реакцій, які відбуваються лише за участі каталізатора. Наприклад:   Pt-Pd С2Н6 → С2Н4 + H2

Некаталітичні – група реакцій, які проходять без участі каталізатора. Наприклад:   С + О2 → СО2 ↑

 

6. За агрегатним станом вихідних речовин та продуктів реакції

6.1. Гомогенні – група реакцій, в яких беруть участь та утворюють продукти в однаковому агрегатному стані. Наприклад:

 

Н2 газ + Сl 2 газ → HCl газ (Розстав коефіцієнти та вкажи їхню суму ___)

 

6.2. Гетерогенні – група реакцій, в яких беруть участь та утворюються речовини, які перебувають в різних агрегатних станах. Наприклад:

Са тв. + Н2О рідк. → Са(ОН)2 тв. + Н2 ↑ газ (Розстав коефіцієнти та вкажи їхню суму ___)

 

1. Залежно від реагентів:

7.1. Сульфування – реакція органічних сполук з конц.сульфатною кислотою шляхом заміщення.

7.2. Галогенування - реакція органічних сполук з галогенами (Hal – F2, Cl2, Br2, J2) шляхом заміщення.

7.3. Гідрогалогенування – реакція приєднання галогеноводнів (НHal – НF, НCl, НBr, НJ..

7.4. Нітрування - реакція органічних сполук з конц.нітратною кислотою шляхом заміщення.

7.5. Гідроліз – реакція речовин з водою.

7.6. Гідрування(гідрогенізація) - реакція приєднання водню.

7.7. Гідратація - реакція приєднання води.

7.8. Де гідрогалогенування - реакція відщеплення галогеноводнів (НHal – НF, НCl, НBr, НJ.

7.9. Дегідрування – реакція відщеплення водню.

7.10. Дегідратація – реакція відщеплення води.

7.11. Полімеризація – реакція утворення полімерів з мономерів без побічних низькомолекулярних продуктів.

7.12. Поліконденсація – реакція утворення полімерів з мономерів, під час якої утворюються низькомолекулярні побічні продукти (вода, амоніак, хлороводень та ін.)

Охарактеризуємо певну реакцію з позицій класифікації. Наприклад: N2 газ + 3H2 газ ↔ 2 NH3 газ + Q

Швидкість хімічних реакцій. Каталіз та каталізатори

 

Хімічна реакція це процес перетворення одних речовин на інші, а будь-який процес характеризується швидкістю. Різні реакції можуть проходити з різною швидкістю: вибух відбувається миттєво, а окиснення золота – тисячоліття.

Наука, яка вивчає швидкість хімічних реакцій – хімічна кінетика.

Швидкість гомогенної реакції, яка відбувається в замкненому об’ємі, це фізична величина, яка визначається зміною концентрації реагуючих речовин за одиницю часу.

Швидкість гетерогенної реакції визначається кількістю молей речовини, які вступили в реакцію або утворились в результаті реакції за одиницю часу на одиниці поверхні.

 

На швидкість реакції впливають такі фактори:

- Природа реагуючих речовин, тобто сполуки з йонним та ковалентним полярним зв’язком у водних розчинах дисоційовані, тому взаємодіють між собою дуже швидко. Швидкість реакцій речовин з неполярним зв’язком залежить від будови атома.

- Площа поверхні стикання реагуючих речовин(ступінь подрібнення речовин), тобто чим більша ця величина, тим більша швидкість реакції; тому перед проведенням реакцій тверді(кристалічні) речовини подрібнюють, рідкі перетворюють на пару;

- Наявність каталізатора або інгібітору в реакційній системі;

- Характер середовища в якому перебігають реакції(для реакцій в розчинах);

- Інтенсивність та характер освітлення реагуючої суміші;

- Температура. Швидкість реакцій при підвищенні температури зростає у відповідності з емпіричним правилом Вант-Гоффа, яке виражається рівнянням:

T кінц. – t поч..

υ кінц. р-ції -----------------

------------ = γ ¹⁰

υ поч.р-ції

 

Таким чином, підвищення температури на кожні 10 °С призводить до зростання швидкості більшості хімічних реакцій у 2- 4 рази.

- Концентрація реагуючих речовин – чим більша кількість молекул реагуючих речовин знаходяться в одиниці об’єму, тим більший шанс зіткнення з ними, отже, тим швидше пройде реакція. Базуючись на експериментальних даних у 1867 році норвезькі вчені К.Гульдберг та П. Вааге сформулювали закон діючих мас:

«швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин з врахуванням стехіометричних коефіцієнтів хімічної реакції, якщо реакція відбувається в результаті попарних зіткнень молекул».

Запишемо рівняння хімічної реакції в умовному вигляді

 

х А + уВ → р С

 

тоді швидкість даної хімічної реакції відповідно до закону Гульдберга - Вааге можна виразити таким чином:

 

де υ р-ції - швидкість реакції;

к - коефіцієнт пропорційності, розраховується експериментально;

[ A ], [ В ] – концентрації вихідних речовин, моль/л, піднесені до відповідного степеня – стехіометричного коефіцієнта;

х, у, р – стехіометричні коефіцієнти у рівнянні реакції

 

Каталіз та каталізатори

 

Каталізатори – це речовини, які певним чином змінюють швидкість реакції, але не входять до складу продуктів реакції.

Речовини, які прискорюють реакцію(позитивний каталіз) – каталізатори.

Речовини, які сповільнюють реакцію(негативний каталіз) – інгібітори.

Існує кілька гіпотез механізму процесу каталізу. Найбільш поширена така: каталізатор утворює з вихідною речовиною А активний комплекс АК, який знижує поріг активації молекул речовини А, і тому АК реагує набагато швидше з речовиною В, ніж чиста речовина А, і при цьому каталізатор вивільняється

А + К → АК

АК + В → АВ + К

Існує така класифікація каталізаторів:

1. За діапазоном дії:

1.1. Специфічні – каталізують невелику групу реакцій або лише одну реакцію(наприклад, ферменти в живих системах).

1.2. Універсальні – група каталізаторів, які здатні каталізувати велику групу різноманітних реакцій, наприклад, платина Pt.

1. За агрегатним станом:

2.1. Гомогенні – група каталізаторів, які перебувають в однаковому агрегатному стані з вихідними речовинами та продуктами реакцій.

2.2. Гетерогенні - група каталізаторів, які перебувають в різному агрегатному стані відносно вихідних речовин та продуктів реакцій.

В процесі використання каталізатор старіє, руйнується внаслідок наявності специфічних речовин, які пригнічують або зменшують його активність – так званих «каталітичних отрут».

Каталіз має величезне практичне значення:

- Широко застосовується у живих організмах – ферменти каталізують всі біохімічні реакції, які відбуваються в організмах рослин, тварин та людини;

- Каталізатори застосовують при виробництві амоніаку, сульфатної та нітратної кислоти в органічному синтезі.