Реакции, идущие с изменением степеней окисления элементов, или окислительно-восстановительные реакции

В неорганической химии к ним относится множество реакций, в том числе все реакции замещения, а также те реакции соединения и разложения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество, например:

1. Mg⁰ + H⁺₂SO₄ = Mg⁺²SO₄ + H₂↑

2. 2Mg⁰ + O⁰₂ = Mg⁺²O^-2

Сложные окислительно-восстановительные реакции составляются с помощью метода электронного баланса.

2KMn⁺⁷O₄ + 16HCl^- = 2KCl^- + 2Mn⁺²Cl^-₂ + 5Cl⁰₂↑ + 8H₂O

В органической химии ярким примером окислительно-восстановительных реакций могут служить свойства альдегидов.

1. Они восстанавливаются в соответствующие спирты:

Альдекиды окисляются в соответствующие кислоты:

2. Реакции, идущие без изменения степеней окисления химических элементов.

К ним, например, относятся все реакции ионного обмена, а также многие реакции соединения, многие реакции разложения, реакции этерификации:

НСООН + CH₃OH = НСООСН₃+ H₂O

метановая (муравьиная) кислота + метиловый спирт → метиловый эфир муравьиной кислоты

По тепловому эффекту реакции делят на экзотермические и эндотермические.

1. Экзотермические реакции протекают с выделением энергии.

К ним относятся почти все реакции соединения.

2 Mg + O₂ = 2 MgO + Q

CH₄ + 2O₂ = CO₂+ 2 H₂O + Q

Редкое исключение составляют эндотермические реакции синтеза оксида азота(II) из азота и кислорода и реакция газообразного водорода с твердым иодом.

Экзотермические реакции, которые протекают с выделением света, относят к реакциям горения.

Гидрирование этилена - пример экзотермической реакции. Она идет при комнатной температуре: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃+ Q

2. Эндотермические реакции протекают с поглощением энергии.

Очевидно, что к ним будут относиться почти все реакции разложения, например:

1. Обжиг известняка:

CaCO3 = CaO +CO2 - Q

2. Крекинг бутана

CH₃-CH₂-CH₂-CH₃→ CH₃-CH₃ + CH₂=CH₂- Q

бутан → этан + этен

Количество выделенной или поглощенной в результате реакции энергии называют тепловым эффектом реакции, а уравнение химической реакции с указанием этого эффекта называют термохимическим уравнением:

Н_2(г) + С_12(г) = 2НС_1(г) + 92,3 кДж

N_2(г) + O_2(г) = 2NO(г) - 90,4 кДж

Следующее основание классификации по агрегатному состоянию реагирующих веществ различают:

1. Гетерогенные реакции - реакции, в которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в разных агрегатных состояниях (в разных фазах).

· гетерогенные реакции - протекают на границе раздела двух веществ, находящихся в разных фазах (твердой-газообразной; жидкой-газообразной, твердой-жидкой; жидкой-жидкой; твердой-твердой):

o CaCO₃(т) = CaO(т)+CO₂(г)

o FeO(т)+CO(г) = Fe(г)+CO₂(т)

o Zn(т)+H₂SO₄(ж) = H₂(г)+ZnSO₄(ж)

2. Гомогенные реакции - реакции, в которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в одном агрегатном состоянии (в одной фазе).

· гомогенные реакции - протекают в однородной среде, например, в газообразной или жидкой среде:
С (г) + O₂ (г) = CO₂(г)
KOH(ж) +HCl(ж) = H₂O(ж) +KCl(ж)

Гомогенные и гетерогенные реакции, в свою очередь, подразделяются на простые (в системе протекает только одна реакция, как правило, необратимая) и сложные (в системе протекает одновременно несколько простых реакций).

Виды простых химических реакций:

· Мономолекулярные реакции: в таких реакциях участвует только один вид молекул исходного вещества:
I₂ ↔ 2I

· Бимолекулярные реакции: состоят из одной стадии, в каждом акте участвуют две частицы:
H₂+I₂ = 2HI

· Тримолекулярные реакции: принимают участие в акте одновременно три частицы:
2NO+H₂ = N₂O+H₂O

По участию катализатора различают:

1. Некаталитические реакции, идущие без участия катализатора.

2НСl+ Na₂CO₃→ 2 NaCl + CO₂+ H₂O

2. Каталитические реакции, идущие с участием катализатора. Так как все биохимические реакции, протекающие в клетках живых организмов, идут с участием особых биологических катализаторов белковой природы - ферментов, все они относятся к каталитическим или, точнее, ферментативным. Следует отметить, что более 70% химических производств используют катализаторы.

· CO + H₂O = CO₂ + H₂ (катализатор FeO)

По направлению различают:

1. Необратимые реакции протекают в данных условиях только в одном направлении. К ним можно отнести все реакции обмена, сопровождающиеся образованием осадка, газа или малодиссоциирующего вещества (воды) и все реакции горения.

CaCO₃ = CaO + CO₂

2НСl+ Na₂CO₃→ 2 NaCl + CO₂+ H₂O
N_{2 (}_г₎ + 3H_{2 (}_г₎ ↔ 2NH_{3 (}_г₎

2. Обратимые реакции в данных условиях протекают одновременно в двух противоположных направлениях. Таких реакций подавляющее большинство.

N_{2 (г)} + 3H_{2 (г)} ↔ 2NH_{3 (г)}

В органической химии признак обратимости отражают названия - антонимы процессов:

• гидрирование - дегидрирование,

CH₂=CH₂ + Н₂ ↔ СН₃-СН₃

этен → этан

• гидратация - дегидратация,

CH₂=CH₂ + Н₂O ↔ CH₃- CH₂ OH

этен → этанол

• полимеризация - деполимеризация.

nCH₂=CH₂ ↔ [- CH₂- CH₂-]_n

этен (этилен) → полиэтилен

Обратимы все реакции этерификации (противоположный процесс, как вы знаете, носит название гидролиза) и гидролиза белков, сложных эфиров, углеводов, полинуклеотидов. Обратимость этих процессов лежит в основе важнейшего свойства живого организма - обмена веществ.

По механизму протекания реакции подразделяются на:

1. Радикальные реакции идут между образующимися в ходе реакции радикалами и молекулами.

Как вы уже знаете, при всех реакциях происходит разрыв старых и образование новых химических связей. Способ разрыва связи в молекулах исходного вещества определяет механизм (путь) реакции. Если вещество образовано за счет ковалентной связи, то могут быть два способа разрыва этой связи: гемолитический и гетеролитический. Например, для молекул Сl₂, СН₄ и т. д. реализуется гемолитический разрыв связей, он приведет к образованию частиц с неспаренными электронами, то есть свободных радикалов.

Радикалы чаще всего образуются, когда разрываются связи, при которых общие электронные пары распределены между атомами примерно одинаково (неполярная ковалентная связь), однако многие полярные связи также могут разрываться подобным же образом, в частности тогда, когда реакция проходит в газовой фазе и под действием света, как, например, в случае рассмотренных выше процессов - взаимодействия С₁₂ и СН₄^-. Радикалы очень реакционноспособны, так как стремятся завершить свой электронный слой, забрав электрон у другого атома или молекулы. Например, когда радикал хлора сталкивается с молекулой водорода, то он вызывает разрыв общей электронной пары, связывающей атомы водорода, и образует ковалентную связь с одним из атомов водорода. Второй атом водорода, став радикалом, образует общую электронную пару с неспаренным электроном атома хлора из разрушающейся молекулы Сl₂, в результате чего возникает радикал хлора, который атакует новую молекулу водорода и т. д

Реакции, представляющие собой цепь последовательных превращений, называют цепными реакциями. За разработку теории цепных реакций два выдающихся химика - наш соотечественник Н. Н. Семенов и англичанин С. А. Хиншелвуд были удостоены Нобелевской премии.
Аналогично протекает и реакция замещения между хлором и метаном:

По радикальному механизму протекают большинство реакций горения органических и неорганических веществ, синтез воды, аммиака, полимеризация этилена, винилхлорида и др.

2. Типичные ионные реакции - это взаимодействие между электролитами в растворе. Ионы образуются не только при диссоциации электролитов в растворах, но и под действием электрических разрядов, нагревания или излучений. γ-Лучи, например, превращают молекулы воды и метана в молекулярные ионы.

По другому ионному механизму происходят реакции присоединения к алкенам галогеноводородов, водорода, галогенов, окисление и дегидратация спиртов, замещение спиртового гидроксила на галоген; реакции, характеризующие свойства альдегидов и кислот. Ионы в этом случае образуются при гетеролитическом разрыве ковалентных полярных связей.

Классификация по виду энергии, инициирующей реакцию:

1. Фотохимические реакции. Их инициирует световая энергия. Кроме рассмотренных выше фотохимических процессов синтеза НСl или реакции метана с хлором, к ним можно отнести получение озона в тропосфере как вторичного загрязнителя атмосферы. В роли первичного в этом случае выступает оксид азота(IV), который под действием света образует радикалы кислорода. Эти радикалы взаимодействуют с молекулами кислорода, в результате чего получается озон.

Образование озона идет все время, пока достаточно света, так как NO может взаимодействовать с молекулами кислорода с образованием того же NO₂. Накопление озона и других вторичных загрязнителей атмосферы может привести к появлению фотохимического смога.

К этому виду реакций принадлежит и важнейший процесс, протекающий в растительных клетках, - фотосинтез, название которого говорит само за себя.

2. Радиационные реакции. Они инициируются излучениями большой энергии - рентгеновскими лучами, ядерными излучениями (γ-лучами, а-частицами - Не²⁺ и др.). С помощью радиационных реакций проводят очень быструю радиополимеризацию, радиолиз (радиационное разложение) и т. д.

Например, вместо двухстадийного получения фенола из бензола его можно получать взаимодействием бензола с водой под действием радиационных излучений. При этом из молекул воды образуются радикалы [•OН] и [•H•], с которыми и реагирует бензол с образованием фенола: С₆Н₆+ 2[ОН] → С₆Н₅ОН + Н₂O

Вулканизация каучука может быть проведена без серы с использованием радиовулканизации, и полученная резина будет ничуть не хуже традиционной.

3. Электрохимические реакции. Их инициирует электрический ток. Помимо хорошо известных вам реакций электролиза укажем также реакции электросинтеза, например, реакции промышленного получения неорганических окислителей

4. Термохимические реакции. Их инициирует тепловая энергия. К ним относятся все эндотермические реакции и множество экзотермических реакций, для начала которых необходима первоначальная подача теплоты, то есть инициирование процесса.

Рассмотренная выше классификация химических реакций отражена на схеме.

Классификация химических реакций, как и все другие классификации, условна. Ученые договорились разделить реакции на определенные типы по выделенным ими признакам. Но большинство химических превращений можно отнести к разным типам.

Например, составим характеристику процесса синтеза аммиака:

N_{2 (г)} + 3H_{2 (г)} ↔ 2NH_{3 (г)} - это реакция соединения, окислительно-восстановительная, экзотермическая, обратимая, каталитическая, гомогенная.