§ 34. Класифікація хімічних реакцій (Григорович)

ПРИГАДАЙТЕ

Про які типи хімічних реакцій ви дізналися в 7–9-х класах? Чим вони відрізняються?

У 7–9 класах вивчають реакції сполучення, розкладу, заміщення та обміну. Також реакції поділяють на оборотні й необоротні, екзотермічні й ендотермічні, окисно-відновні та процеси без зміни ступенів окиснення.

Ці типи відрізняються за такими ознаками:

1) За числом і складом реагентів та продуктів:

сполучення ( $A + B \to C$ ): із кількох речовин утворюється одна нова речовина;
розкладу ( $A \to B + C$ ): з однієї речовини утворюється кілька нових;
заміщення ( $A + BC \to AC + B$ ): атоми простої речовини заміщують атоми одного з елементів у складній речовині;
обміну ( $AB + CD \to AD + CB$ ): дві складні речовини обмінюються своїми складовими частинами.

2) За напрямком перебігу: оборотні процеси за однакових умов відбуваються одночасно в прямому та зворотному напрямках ( $⇄$ ), а необоротні йдуть лише в одному напрямку до повного витрачання реагентів.

3) За тепловим ефектом: екзотермічні реакції супроводжуються виділенням теплоти, а ендотермічні — її поглинанням.

4) За зміною ступенів окиснення: в окисно-відновних процесах елементи змінюють ступені окиснення, а в реакціях без зміни ступенів окиснення вони залишаються сталими.

ДОСЛІДЖУЄМО, МОДЕЛЮЄМО, ПРОЄКТУЄМО

Запропонуйте спосіб класифікації хімічних реакцій. Які критерії слід брати до уваги? Чи всі реакції можна класифікувати за обраними вами ознаками та критеріями?

Хімічні реакції класифікують за чотирма основними науковими критеріями:

зміна кількості та хімічного складу реагентів і продуктів (сполучення, розклад, заміщення, обмін);
тепловий ефект процесу (екзотермічні та ендотермічні);
можливість перебігу у зворотному напрямку (оборотні та необоротні);
зміна ступенів окиснення елементів (окисно-відновні та без зміни ступенів окиснення).

Кожну хімічну реакцію можна одночасно охарактеризувати за всіма чотирма ознаками, оскільки будь-яке перетворення має певний тепловий ефект, напрямок і супроводжується або не супроводжується переходом електронів. Проте не всі реакції (зокрема складні реакції горіння органічних речовин чи внутрішньомолекулярні перегрупування) вкладаються в класичні чотири схеми числа реагентів і продуктів.

ПОМІРКУЙТЕ

Чи можна будь-яку реакцію класифікувати за наведеним вище принципом? Чому? Аргументуйте свою думку відповідними прикладами.

Ні, не будь-яку реакцію можна однозначно класифікувати за простою схемою зміни числа й складу реагентів (сполучення, розклад, заміщення, обмін).

Багато перетворень мають складніший механізм або супроводжуються утворенням трьох і більше продуктів:

1) Горіння вуглеводнів, наприклад метану:
$C H_{4} + 2 O_{2} t C O_{2} + 2 H_{2} O$
У реакцію вступають складна й проста речовини, а утворюються дві складні, що не відповідає схемі заміщення чи обміну.

2) Взаємодія карбонатів із сильними кислотами:
$CaC O_{3} + 2HN O_{3} \to Ca (N O_{3})_{2} + C O_{2} ↑ + H_{2} O$
За своєю суттю це реакція обміну, але через розпад утвореної карбонатної кислоти утворюється три продукти замість двох.

3) Реакції ізомеризації в органічній хімії:
$C H_{3} - C H_{2} - C H_{2} - C H_{3} t, AlC l_{3} C H_{3} - CH (C H_{3}) - C H_{3}$
З однієї речовини утворюється одна речовина з іншим порядком сполучення атомів, тому вона не є ані розкладом, ані сполученням.

Наведіть приклади оборотних реакцій із-поміж природних процесів, хімічних реакцій, що відбуваються в побуті або які використовують на виробництві.

Приклади оборотних реакцій:

У природі:
- розчинення вуглекислого газу у водоймах і його зворотне виділення в атмосферу:
  $C O_{2} + H_{2} O ⇄ H_{2} C O_{3}$
- дисоціація молекул води на йони:
  $H_{2} O ⇄ H^{+} + O H^{-}$
У побуті:
- розчинення вуглекислого газу в газованій воді під тиском та його вихід у вигляді бульбашок після відкриття пляшки;
- утворення накипу в чайнику під час нагрівання води та його розчинення під дією кислот:
  $Ca (HC O_{3})_{2} ⇄ CaC O_{3} ↓ + C O_{2} ↑ + H_{2} O$
На виробництві:
- синтез амоніаку з водню та азоту:
  $N_{2} + 3 H_{2} ⇄ 2N H_{3}$
- окиснення сульфур(IV) оксиду до сульфур(VI) оксиду під час добування сульфатної кислоти:
  $2 S O_{2} + O_{2} ⇄ 2 S O_{3}$

За визначеннями оборотних процесів і екзо- й ендотермічних реакцій зробіть припущення, якими за тепловим ефектом будуть пряма й оборотна реакції. Обґрунтуйте свою думку.

Якщо пряма реакція є екзотермічною, то зворотна реакція обов’язково є ендотермічною, і навпаки.

Це випливає із закону збереження енергії: кількість енергії, яка виділяється під час утворення хімічних зв’язків у прямій реакції, точно дорівнює кількості енергії, яку необхідно затратити для їхнього руйнування у зворотній реакції. Значення теплового ефекту залишається тим самим за величиною, але змінює знак на протилежний.

ПРИГАДАЙТЕ

За матеріалом підручника хімії 8-го класу пригадайте: що означає поняття «ступінь окиснення»; які ступені окиснення можуть виявляти хімічні елементи; алгоритм визначення ступенів окиснення хімічних елементів у сполуках.

Ступінь окиснення — це умовний цілочисловий заряд атома в сполуці, обчислений із припущення, що всі полярні ковалентні зв’язки повністю мають йонний характер.

Хімічні елементи можуть виявляти позитивний, негативний або нульовий ступінь окиснення.

Алгоритм визначення ступенів окиснення:

1) У простих речовинах ступінь окиснення елементів завжди дорівнює 0 ( $O 0_{2}, Fe 0, H 0_{2}$ ).

2) Флуор у всіх сполуках має ступінь окиснення $- 1$ .

3) Оксиген у більшості речовин має ступінь окиснення $- 2$ (винятки: у пероксидах $- 1$ , у сполуці $O F_{2}$ ступінь окиснення становить $+ 2$ ).

4) Гідроген у сполуках із неметалами має ступінь окиснення $+ 1$ , а в гідридах металів — $- 1$ .

5) Метали завжди мають лише позитивний ступінь окиснення, що часто дорівнює номеру їхньої групи для головних підгруп.

6) Алгебраїчна сума ступенів окиснення всіх атомів у нейтральній молекулі завжди дорівнює нулю. Для знаходження невідомого ступеня окиснення складають рівняння відносно нуля.

РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ

396. За зображеннями хімічних процесів запишіть рівняння відповідних реакцій і класифікуйте їх за класифікаційними ознаками.

А) Горіння сірки в кисні:
$S + O_{2} t S O_{2}$

за числом і складом: реакція сполучення;
за тепловим ефектом: екзотермічна;
за оборотністю: необоротна;
за зміною ступенів окиснення: окисно-відновна ( $S 0 \to S + 4$ , $O 0_{2} \to 2 O - 2$ ).

Б) Взаємодія кислотного оксиду з водою (утворення кислоти, яка змінює колір універсального індикатора на червоний):
$P_{2} O_{5} + 3 H_{2} O \to 2 H_{3} P O_{4}$ (або $S O_{2} + H_{2} O ⇄ H_{2} S O_{3}$ )

за числом і складом: реакція сполучення;
за тепловим ефектом: екзотермічна;
за оборотністю: необоротна (у випадку нагрівання з утворенням $H_{3} P O_{4}$ ) або оборотна (для $H_{2} S O_{3}$ );
за зміною ступенів окиснення: без зміни ступенів окиснення.

В) Горіння фосфору (або магнію) в кисні:
$4 P + 5 O_{2} t 2 P_{2} O_{5}$ (для магнію: $2 Mg + O_{2} t 2 MgO$ )

за числом і складом: реакція сполучення;
за тепловим ефектом: екзотермічна;
за оборотністю: необоротна;
за зміною ступенів окиснення: окисно-відновна ( $P 0 \to P + 5$ , $O 0_{2} \to 2 O - 2$ ).

Г) Взаємодія натрію з водою за наявності фенолфталеїну:
$2 Na + 2 H_{2} O \to 2 NaOH + H_{2} ↑$

за числом і складом: реакція заміщення;
за тепловим ефектом: екзотермічна;
за оборотністю: необоротна;
за зміною ступенів окиснення: окисно-відновна ( $Na 0 \to Na + 1$ , $2 H + 1 \to H_{2} 0$ ).

Д) Взаємодія заліза з розчином купрум(II) сульфату:
$Fe + CuS O_{4} \to FeS O_{4} + Cu ↓$

за числом і складом: реакція заміщення;
за тепловим ефектом: екзотермічна;
за оборотністю: необоротна;
за зміною ступенів окиснення: окисно-відновна ( $Fe 0 \to Fe + 2$ , $Cu + 2 \to Cu 0$ ).

Е) Одержання водню в апараті Кіппа (дія хлоридної кислоти на цинк):
$Zn + 2HCl \to ZnC l_{2} + H_{2} ↑$

за числом і складом: реакція заміщення;
за тепловим ефектом: екзотермічна;
за оборотністю: необоротна;
за зміною ступенів окиснення: окисно-відновна ( $Zn 0 \to Zn + 2$ , $2 H + 1 \to H_{2} 0$ ).

Ж) Послідовні процеси окиснення та відновлення міді:

1) Окиснення міді киснем під час нагрівання:
$2 Cu + O_{2} t 2 CuO$
Реакція сполучення, екзотермічна, необоротна, окисно-відновна.

2) Відновлення купрум(II) оксиду воднем:
$CuO + H_{2} t Cu + H_{2} O$
Реакція заміщення, екзотермічна (відбувається за нагрівання), необоротна, окисно-відновна.

РОЗУМІННЯ ЯВИЩ ПРИРОДИ (РОБОТА В ГРУПАХ)

397. Чи можна вважати реакцію окиснення глюкози, яка відбувається під час дихання аеробних організмів, та процес фотосинтезу оборотними реакціями? Аргументуйте свою думку.

Ні, ці процеси не є оборотними реакціями.

Оборотна реакція за однакових умов відбувається одночасно у двох протилежних напрямках у межах однієї системи. Фотосинтез і клітинне дихання — це зовсім різні багатостадійні біохімічні процеси. Вони перебігають у різних органелах клітини (хлоропластах і мітохондріях), каталізуються різними комплексами ферментів і мають різні проміжні стадії. Фотосинтез відбувається лише за наявності світлової енергії, а дихання здійснюється безперервно і вивільняє енергію у вигляді молекул АТФ та тепла.

398. Наведіть по одному прикладу: а) ендотермічної реакції розкладу; б) реакції сполучення між газами; в) окисно-відновної реакції розкладу; г) екзотермічної реакції між твердою та газуватою речовинами; д) окисно-відновної реакції заміщення між твердою та рідкою речовинами.

а) Ендотермічна реакція розкладу:
$CaC O_{3} t CaO + C O_{2} ↑$
б) Реакція сполучення між газами:
$N H_{3} + HCl \to N H_{4} Cl$
в) Окисно-відновна реакція розкладу:
$2 KMn O_{4} t K_{2} Mn O_{4} + Mn O_{2} + O_{2} ↑$
г) Екзотермічна реакція між твердою та газуватою речовинами:
$2 Mg + O_{2} t 2MgO$
д) Окисно-відновна реакція заміщення між твердою речовиною та розчином:
$Zn + 2HCl \to ZnC l_{2} + H_{2} ↑$

399. Чи можна однозначно класифікувати за числом і складом реактантів такі хімічні реакції: а) взаємодія крейди (кальцій карбонату) з розчином нітратної кислоти; б) горіння вуглецю; в) горіння метану? Обґрунтуйте свою думку.

а) Взаємодія крейди з розчином нітратної кислоти:
$CaC O_{3} + 2HN O_{3} \to Ca (N O_{3})_{2} + C O_{2} ↑ + H_{2} O$
За суттю перетворення це реакція обміну, оскільки дві складні сполуки обмінюються своїми складовими частинами. Проте карбонатна кислота $H_{2} C O_{3}$ відразу розкладається на воду та газ, через що утворюється три речовини, і схема дещо відхиляється від класичної $AB + CD \to AD + CB$ .
б) Горіння вуглецю:
$C + O_{2} t C O_{2}$
Цю реакцію можна однозначно класифікувати як реакцію сполучення, тому що з двох простих речовин утворюється одна нова складна сполука за схемою $A + B \to C$ .
в) Горіння метану:
$C H_{4} + 2 O_{2} t C O_{2} + 2 H_{2} O$
Цю реакцію неможливо однозначно класифікувати за чотирма класичними типами, бо в реакцію вступають одна складна й одна проста речовини, а утворюються дві складні сполуки.

400. Запишіть рівняння реакцій, що відповідають наведеним схемам:
• а) $А розкладання Б сполучення В заміщення Г обмін Д$ ;
• б) $А заміщення Б сполучення В нейтралізація Г розкладання Д$ .

а) Схема з утворенням сполук Гідрогену та Цинку:

1) Розкладання: $2 H_{2} O електроліз 2 H_{2} ↑ + O_{2} ↑$ (речовина Б — $H_{2}$ )

2) Сполучення: $H_{2} + C l_{2} h ν 2HCl$ (речовина В — $HCl$ )

3) Заміщення: $Zn + 2HCl \to ZnC l_{2} + H_{2} ↑$ (речовина Г — $ZnC l_{2}$ )

4) Обмін: $ZnC l_{2} + 2NaOH \to Zn (OH)_{2} ↓ + 2NaCl$ (речовина Д — $Zn (OH)_{2}$ )

б) Схема зі сполуками Карбону та Кальцію:

1) Заміщення: $C + 2CuO t 2Cu + C O_{2} ↑$ (речовина Б — $C O_{2}$ )

2) Сполучення: $C O_{2} + H_{2} O ⇄ H_{2} C O_{3}$ (речовина В — $H_{2} C O_{3}$ )

3) Нейтралізація: $H_{2} C O_{3} + Ca (OH)_{2} \to CaC O_{3} ↓ + 2 H_{2} O$ (речовина Г — $CaC O_{3}$ )

4) Розкладання: $CaC O_{3} t CaO + C O_{2} ↑$ (речовина Д — $CaO$ )

401. Наведіть по одному прикладу рівнянь реакцій, що відтворюють такі способи одержання солей: а) солі безоксигенової кислоти реакцією сполучення; б) солі оксигеновмісної кислоти реакцією сполучення; в) реакція заміщення з кислотою; г) реакція заміщення із сіллю; д) реакція обміну з кислотним оксидом; е) реакція обміну з осно́вним оксидом; ж) реакція обміну з нерозчинною сіллю; и) реакція обміну з нерозчинним гідроксидом; к) реакція обміну з розчинною сіллю; л) реакція обміну з нерозчинною кислотою.

Рівняння реакцій одержання солей:

а) $2 Na + C l_{2} t 2 NaCl$
б) $CaO + C O_{2} \to CaC O_{3}$
в) $Zn + 2HCl \to ZnC l_{2} + H_{2} ↑$
г) $Fe + CuS O_{4} \to FeS O_{4} + Cu ↓$
д) $Ca (OH)_{2} + C O_{2} \to CaC O_{3} ↓ + H_{2} O$
е) $CuO + H_{2} S O_{4} \to CuS O_{4} + H_{2} O$
ж) $CaC O_{3} + 2HCl \to CaC l_{2} + C O_{2} ↑ + H_{2} O$
и) $Cu (OH)_{2} + H_{2} S O_{4} \to CuS O_{4} + 2 H_{2} O$
к) $AgN O_{3} + NaCl \to AgCl ↓ + NaN O_{3}$
л) $H_{2} Si O_{3} + 2NaOH \to N a_{2} Si O_{3} + 2 H_{2} O$

402. Запишіть рівняння реакцій одержання кислот: а) взаємодією двох оксидів; б) взаємодією кислоти й солі; в) взаємодією двох простих речовин (із наступним розчиненням продукту реакції у воді).

а) Взаємодія кислотного оксиду з водою:
$S O_{3} + H_{2} O \to H_{2} S O_{4}$
б) Витіснення слабкої силікатної кислоти з розчину її солі сильною кислотою:
$N a_{2} Si O_{3} + 2HCl \to H_{2} Si O_{3} ↓ + 2NaCl$
в) Синтез хлороводню з простих речовин та його наступне розчинення у воді:

1) $H_{2} + C l_{2} h ν 2HCl ↑$

2) Розчинення газуватого хлороводню у воді дає хлоридну кислоту $HCl (р - н)$ .

403. Запишіть рівняння реакції одержання плюмбум(2+) сульфіду: а) реакцією сполучення; б) реакцією заміщення; в) реакцією обміну.

а) Реакція сполучення простих речовин під час нагрівання:
$Pb + S t PbS$
б) Реакція заміщення за високої температури:
$Pb + H_{2} S t PbS + H_{2} ↑$
в) Реакція йонного обміну в розчині:
$Pb (N O_{3})_{2} + N a_{2} S \to PbS ↓ + 2NaN O_{3}$

404. Запишіть рівняння реакції одержання купрум(2+) сульфату: а) реакцією сполучення; б) реакцією заміщення; в) реакцією обміну.

а) Реакція сполучення між основним і кислотним оксидами:
$CuO + S O_{3} \to CuS O_{4}$
б) Реакція заміщення активнішим металом менш активного з розчину його солі:
$Cu + A g_{2} S O_{4} \to CuS O_{4} + 2Ag ↓$
в) Реакція обміну між нерозчинним оксидом і сульфатною кислотою:
$CuO + H_{2} S O_{4} \to CuS O_{4} + H_{2} O$

§ 34. Класифікація хімічних реакцій (Григорович)

Теги статті:

До уроку