Учебник для 11 класса

Естествознание

§ 15. Химические реакции и их классификация

1. Объясните, какие явления называются химическими и чем они отличаются от физических.
2. Предложите признаки, по которым можно классифицировать химические реакции.

Классификация химических реакций по разным признакам. Химия как часть естествознания изучает не только свойства веществ, но и их превращения, стремится использовать такие процессы для получения соединений с новыми, полезными для человека свойствами.

В основу классификации химических реакций могут быть положены самые разные признаки.

Имеются достаточно большие группы реакций, одни из которых не сопровождаются изменением состава вещества, а другие протекают с изменением состава вещества. Последняя группа химических реакций тоже делится по различным признакам: изменению числа, состава реагентов и продуктов реакции; выделению или поглощению теплоты; изменению степеней окисления атомов, образующих вещества, направлению процесса; использованию катализатора; агрегатному состоянию веществ. Рассмотрим все эти группы.

Реакции без изменения состава вещества. В неорганической химии к реакциям, в ходе которых не происходит изменения состава вещества, можно отнести процессы взаимопревращения различных аллотропных модификаций одного химического элемента.

Очень интересно, а в настоящее время и практически значимо, например, превращение одной аллотропной модификации углерода (графита) в другую (алмаз):

С (графит) С (алмаз).

Как вы уже знаете, обе аллотропные модификации углерода — и алмаз, и графит — имеют атомную кристаллическую решётку, но разной геометрии: у алмаза она объёмная тетраэдрическая, а у графита — плоскостная.

В 1954 г. учёные из лаборатории знаменитой американской фирмы «Дженерал электрик» получили чёрные кристаллики искусственных алмазов массой 0,05 г при экстремальных условиях — давлении в 100 000 атм и температуре +2600 °С. Такие алмазы стоили в сотни раз дороже природных. Но уже в течение последующих десяти лет были разработаны технологии, позволяющие получить в одной камере за несколько минут 20 и более граммов алмазов. Современное производство искусственных алмазов основано на их получении из графита не только при сверхвысоких, но и при низких давлениях. Такие алмазы сравнительно дёшевы и используются преимущественно в технических целях — в металлургии и машиностроении, радиоэлектронике и приборостроении, геологоразведке и горной промышленности.

В истории химии яркий след оставила аллотропия фосфора. Процесс взаимопревращений его наиболее известных модификаций можно выразить схематически следующим образом:

Р (белый) Р (красный).

Фосфор красный имеет атомную кристаллическую решётку, а фосфор белый — молекулярную и соответственно формулу Р₄.

Исторически первым был получен белый фосфор. В 1669 г. немецкий алхимик Х. Брант (ок. 1630 — ок. 1710), пытаясь прокаливанием сухого остатка мочи получить так называемый философский камень, получил светящиеся белые кристаллики вещества. Он назвал вещество фосфором, что в переводе с греческого означает «светоносный» (рис. 66). А красный фосфор впервые был получен в 1847 г. в Швейцарии австрийским химиком А. Шрёттером (1802—1875) при нагревании белого фосфора при +500 °С в атмосфере угарного газа в запаянной стеклянной ампуле.

Рис. 66. Дж. Райт. Ал химик, открывающий фосфор. 1771

Ещё один пример. Покорители Южного полюса из экспедиции Р. Скотта не учли взаимопревращения аллотропных модификаций олова:

Sn (белое) Sn (серое).

Белое олово — это мягкий пластичный металл, с которым мы чаще всего и сталкиваемся. Однако при понижении температуры оно может превращаться в серое олово — порошок со всеми свойствами неметаллов. Этот процесс катализируется самим серым оловом: достаточно появиться всего лишь одной его пылинке, как процесс уже невозможно остановить: изделие из белого блестящего металла рассыпается, превращаясь в серый невзрачный порошок. Учёные образно назвали это явление «оловянной чумой». Именно она и стала причиной гибели экспедиции Р. Скотта, пытавшегося в 1912 г. покорить Южный полюс. Дело в том, что железные канистры для хранения продуктов и керосина были запаяны оловом. На сильном морозе оловянный припой рассыпался, и экспедиция осталась без топлива. В органической химии реакции подобного типа относят к реакциям изомеризации.

Реакции соединения. Все типы реакций, о которых будет рассказано далее, сопровождаются изменением числа, состава реагентов и продуктов реакции. Начнём их изучение с реакции соединения.

Многообразие реакции соединения можно продемонстрировать на примере трёх этапов получения серной кислоты из серы:

а) оксида серы (IV):

S + O₂ = SO₂ (из двух простых веществ — одно сложное);

б) оксид серы (VI):

2SO₂ + O₂ 2SO₃ (из простого и сложного веществ — одно сложное);

в) серная кислота:

SO₃ + Н₂O = H₂SO₄ (из двух сложных веществ — новое сложное).

Мы выбрали этот пример не только потому, что он максимально иллюстрирует палитру реакций соединения, но и потому, что продукт этих реакций — серная кислота, по образному выражению Д. И. Менделеева, является «хлебом химической промышленности» (рис. 67).

Рис. 67. Применение серной кислоты

Реакции разложения. Это следующий тип реакций, в ходе которых меняется число, состав реагентов и продуктов реакции.

Всё многообразие таких реакций можно рассмотреть на вариантах получения кислорода лабораторными способами:

а) разложение оксида ртути (II):

2Hg₂O 2Hg + O₂ (именно этим способом Дж. Пристли (1733— 1804) в 1774 г. впервые получил кислород);

б) разложение пероксида водорода:

2H₂O₂ = 2H₂O + O₂;

в) разложение перманганата калия:

2KMnO₄ K₂MnO₄ + МпО₂ + O₂.

Реакции замещения. Эти реакции протекают между простыми и сложными веществами.

Примером таких процессов могут служить реакции, характеризующие, например, свойства металлов:

а) взаимодействие щелочных и щёлочноземельных металлов с водой:

2Na + 2Н₂О = 2NaOH + H₂;

б) взаимодействие металлов с кислотами в растворе:

Zn + 2НСl = ZnCl₂ + Н₂;

в) взаимодействие металлов с солями в растворе:

Fе + CuSO₄ = Си + FeSO₄;

г) металлотермия, т. е. вытеснение более активными металлами менее активных из их оксидов:

2Аl + Fе₂O₃ = Al₂O₃ + 2Fe.

Реакции обмена. И наконец, последний тип реакций из рассматриваемой группы. Реакции обмена протекают между двумя сложными веществами.

Если реакции обмена протекают в растворе, то они возможны только в том случае, когда в результате образуется осадок, газ или мало-диссоциирующее вещество (например, вода):

а) красивый золотисто-жёлтый осадок иодида свинца образуется в результате реакции обмена между растворами иодида натрия и нитрата свинца:

2NaI + Pb(NO₃)₂ = PbI₂↓ + 2NaNO₃;

б) образование газа можно заметить, если в раствор соляной кислоты прилить раствор карбоната металла:

Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + CO₂↑ + H₂O;

в) раствор обесцветится, так как произойдёт не просто реакция обмена, а реакция нейтрализации, если к раствору щёлочи добавить несколько капель фенолфталеина (окраска станет малиновой), а затем прилить кислоты до исчезновения цвета:

КОН + HNO₃ = KNO₃ + H₂O.

Экзотермические и эндотермические реакции. Следующая группа химических реакций, протекающих с изменением состава вещества, объединена по признаку выделения и поглощения теплоты, но в неё входят и некоторые типы реакций из предыдущей группы.

Как правило, почти все реакции соединения протекают с выделением теплоты.

Частным случаем экзотермических реакций являются реакции горения:

2Mg + О₂ = 2MgO + Q.

За небольшим исключением почти все реакции разложения являются эндотермическими. Например, обжиг известняка — эндотермическая реакция:

СаСО₃ СаО + CO₂ - Q.

Закрепим уже рассмотренные классификации химических реакций, для чего охарактеризуем реакцию синтеза оксида серы (IV):

Эта реакция:

• соединения (из двух веществ образуется одно);
• окислительно-восстановительная (атомы элементов изменили степени окисления);
• обратимая (может протекать в двух противоположных направлениях);
• каталитическая (происходит в присутствии катализатора);
• экзотермическая (происходит с выделением энергии);
• гомогенная (все вещества — газы).

В следующем параграфе речь пойдёт о скорости химических реакций, которая зависит от многих факторов, в том числе и от условий протекания реакций: температуры, присутствия катализатора.

Теперь вы знаете

• чем отличается химическая реакция от физического явления
• классификацию химических реакций по разным признакам

Теперь вы можете

• сравнить свойства и строение аллотропных модификаций фосфора, углерода, олова
• перечислить химические реакции, которые происходят с изменением числа, состава реагентов и продуктов реакции
• на примере синтеза аммиака показать многообразие химических реакций

Выполните задания

1. Из курса химии основной школы вспомните и назовите признаки и условия протекания химических реакций, проиллюстрируйте ответ примерами.
2. Объясните аллотропию и причины этого явления.
3. Докажите относительность деления простых веществ на металлы и неметаллы на примере олова.
4. Сформулируйте, в чём суть реакций соединения, разложения, замещения, обмена, экзотермических и эндотермических реакций.
5. Запишите уравнения реакций замещения, иллюстрирующих свойства металлов, исходя из их положения в ряду напряжений; перечислите, какие особенности взаимодействия металлов с растворами кислот и солей имеют щелочные металлы.
6. Проанализируйте реакции соединения и разложения, найдите, что общего у них с экзотермическими и эндотермическими реакциями.

Темы для рефератов

1. Фосфор — белый, красный, жёлтый, чёрный.
2. Химия и алхимия.
3. Горение: химические и физические характеристики.
4. Реакция нейтрализации и её применение в медицине, фармакологии, биологии.