Химическая реакция

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Химические реакции»)
Перейти к: навигация, поиск

Хими́ческая реа́кция — превращение одного или нескольких исходных веществ (реагентов) в другие вещества, при которых ядра атомов не меняются, при этом происходит перераспределение электронов и ядер, и образуются новые химические вещества. В отличие от ядерных реакций, при химических реакциях не изменяется общее число ядер атомов и изотопный состав химических элементов.

Химические реакции происходят при смешении или физическом контакте реагентов самопроизвольно, при нагревании, участии катализаторов (катализ), действии света (фотохимические реакции), электрического тока (электродные процессы), ионизирующих излучений (радиационно-химические реакции), механического воздействия (механохимические реакции), в низкотемпературной плазме (плазмохимические реакции) и т. п. Взаимодействие молекул между собой происходит по цепному маршруту: ассоциация — электронная изомеризациядиссоциация, в котором активными частицами являются радикалы, ионы, координационно-ненасыщенные соединения. Скорость химической реакции определяется концентрацией активных частиц и разницей между энергиями связи разрываемой и образуемой.

Химические процессы, протекающие в веществе, отличаются и от физических процессов, и от ядерных превращений. В физических процессах каждое из участвующих веществ сохраняет неизменным свой состав (хотя вещества могут образовывать смеси), но могут изменять внешнюю форму или агрегатное состояние.

В химических процессах (химических реакциях) получаются новые вещества с отличными от реагентов свойствами, но никогда не образуются атомы новых элементов. В атомах же участвующих в реакции элементов обязательно происходят видоизменения электронной оболочки.

В ядерных реакциях происходят изменения в атомных ядрах всех участвующих элементов, что приводит к образованию атомов новых элементов.

Классификация[править | править вики-текст]

Существует большое количество признаков, по которым можно классифицировать химические реакции.

1.По наличию границы раздела фаз все химические реакции подразделяются на гомогенные и гетерогенные[править | править вики-текст]

Химическая реакция, протекающая в пределах одной фазы, называется гомогенной химической реакцией. Химическая реакция, протекающая на границе раздела фаз, называется гетерогенной химической реакцией. В многостадийной химической реакции некоторые стадии могут быть гомогенными, а другие — гетерогенными. Такие реакции называются гомогенно-гетерогенными[1].

В зависимости числа фаз, которые образуют исходные вещества и продукты реакции, химические процессы могут быть гомофазными (исходные вещества и продукты находятся в пределах одной фазы) и гетерофазными (исходные вещества и продукты образуют несколько фаз). Гомо- и гетерофазность реакции не связана с тем, является ли реакция гомо- или гетерогенной[2]. Поэтому можно выделить четыре типа процессов:

  • Гомогенные реакции (гомофазные). В реакциях такого типа реакционная смесь является гомогенной, а реагенты и продукты принадлежат одной и той же фазе. Примером таких реакций могут служить реакции ионного обмена, например, нейтрализация раствора кислоты раствором щёлочи:
\mathrm{NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O}
  • Гетерогенные гомофазные реакции. Компоненты находятся в пределах одной фазы, однако реакция протекает на границе раздела фаз, например, на поверхности катализатора. Примером может быть гидрирование этилена на никелевом катализаторе:
\mathrm{C_2H_4 + H_2 \rightarrow C_2H_6}
  • Гомогенные гетерофазные реакции. Реагенты и продукты в такой реакции существуют в пределах нескольких фаз, однако реакция протекает в одной фазе. Так может проходить окисление углеводородов в жидкой фазе газообразным кислородом.
  • Гетерогенные гетерофазные реакции. В этом случае реагенты находятся в разном фазовом состоянии, продукты реакции также могут находиться в любом фазовом состоянии. Реакционный процесс протекает на границе раздела фаз. Примером может служить реакция солей угольной кислоты (карбонатов) с кислотами Бренстеда:
\mathrm{MgCO_3 + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + CO_2 \uparrow + H_2O}

2.По изменению степеней окисления реагентов[править | править вики-текст]

В данном случае различают

  • Окислительно-восстановительные реакции, в которых атомы одного элемента (окислителя) восстанавливаются, то есть понижают свою степень окисления, а атомы другого элемента (восстановителя) окисляются, то есть повышают свою степень окисления. Частным случаем окислительно-восстановительных реакций являются реакции конпропорционирования, в которых окислителем и восстановителем являются атомы одного и того же элемента, находящиеся в разных степенях окисления.

Пример окислительно-восстановительной реакции — горение водорода (восстановитель) в кислороде (окислитель) с образованием воды:

\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}

Пример реакции конпропорционирования — реакция разложения нитрата аммония при нагревании. Окислителем в данном случае выступает азот (+5) нитрогруппы, а восстановителем — азот (-3) катиона аммония:

\mathrm{NH_4NO_3 \rightarrow N_2O \uparrow + 2H_2O \qquad (< 250 {}^{\circ} C)}

Не относятся к окислительно-восстановительным реакции, в которых не происходит изменения степеней окисления атомов, например:

\mathrm{BaCl_2 + Na_2SO_4 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2NaCl}

3.По тепловому эффекту реакции[править | править вики-текст]

Все химические реакции сопровождаются выделением или поглощением энергии. При разрыве химических связей в реагентах выделяется энергия, которая в основном идёт на образование новых химических связей. В некоторых реакциях энергии этих процессов близки, и в таком случае общий тепловой эффект реакции приближается к нулю. В остальных случаях можно выделить:

Тепловой эффект реакции (энтальпию реакции, ΔrH), часто имеющий очень важное значение, можно вычислить по закону Гесса, если известны энтальпии образования реагентов и продуктов. Когда сумма энтальпий продуктов меньше суммы энтальпий реагентов (ΔrH < 0) наблюдается выделение тепла, в противном случае (ΔrH > 0) — поглощение.

4.По типу превращений реагирующих частиц[править | править вики-текст]

  • соединения: \mathsf{2 Cu + O_2 \longrightarrow 2 CuO}
  • разложения: \mathsf{2 HgO \longrightarrow 2 Hg + O_2 \uparrow}
  • замещения: \mathsf{Fe + CuSO_4 \longrightarrow FeSO_4 + Cu}
  • обмена (в т.ч. тип реакции-нейтрализация): \mathsf{NaOH + HCl \longrightarrow NaCl + H_2O}

Химические реакции всегда сопровождаются физическими эффектами: поглощением или выделением энергии, изменением окраски реакционной смеси и др. Именно по этим физическим эффектам часто судят о протекании химических реакций.

Реакция соединения-химическая реакция, в результате которой из двух или большего числа исходных веществ образуется только одно новое.В такие реакции могут вступать как простые, так и сложные вещества.

Реакция разложения-химическая реакция, в результате которой из одного вещества образуется несколько новых веществ. В реакции данного типа вступают только сложные соединения, а их продуктами могут быть как сложные, так и простые вещества

Реакция замещения-химическая реакция,в результате которой атомы одного элемента, входящие в состав простого вещества, замещают атомы другого элемента в его сложном соединении. Как следует из определения, в таких реакциях одно из исходных веществ должно быть простым, а другое сложным.

Реакции обмена- реакция, в результате которой два сложных вещества обмениваются своими составными частями

5.По признаку направления протекания химические реакции делятся на необратимые и обратимые

Необратимыми называют химические реакции, протекающие лишь в одном направлении("слева направо"), в результате чего исходные вещества превращаются в продукты реакции. О таких химических процессах говорят, что они протекают "до конца".К ним относят реакции горения, а также реакции, сопровождающиеся образованием малорастворимых или газообразных веществ Обратимыми называются химические реакции, протекающие одновременно в двух противоположных направлениях("слева направо" и "справа налево").В уравнениях таких реакций знак равенства заменяется двумя противоположно направленными стрелками.Среди двух одновременно протекающих реакций различают прямую(протекает "слева направо") и обратную(протекает "справа налево").Поскольку в ходе обратимой реакции исходные вещества одновременно и расходуются и образуются, они не полностью превращаются в продукты реакции.Поэтому об обратимых реакциях говорят, что они протекают "не до конца". В результате всегда образуется смесь исходных веществ и продуктов взаимодействия.

6. По признаку участия катализаторов химические реакции делятся на каталитические и некаталитические

Каталитическими называют реакции, протекающие в присутствии катализаторов.В уравнениях таких реакций химическую формулу катализатора указывают над знаком равенства или обратимости, иногда вместе с обозначением условий протекания(температура t, давление p).К реакциям данного типа относятся многие реакции разложения и соединения.

Некаталитическими называются многие реакции, протекающие в отсутствие катализаторов.Это, например, реакции обмена и замещения.

Применение[править | править вики-текст]

С помощью химических реакций можно получать практически любые вещества, которые в природе находятся в ограниченных количествах, например, азотные удобрения, либо вообще не встречаются по каким-либо причинам, например сульфаниламиды и другие синтетические лекарственные препараты, полиэтилен и другие пластмассы. Химия позволяет синтезировать новые, неизвестные природе вещества, необходимые для жизнедеятельности человека. Вместе с тем, неумелое или безответственное химическое воздействие на окружающую среду и на протекающие природные процессы может привести к нарушению установившихся естественных химических циклов, что делает актуальной экологическую проблему (загрязнение окружающей среды) и усложняет задачу рационального использования природных ресурсов и сохранения естественной среды обитания на Земле.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Эмануэль Н. М., Кнорре Д. Г. Курс химической кинетики. — 4-е изд., переработанное и дополненное. — М.: Высшая школа, 1984. — 463 с.
  • Химия: Справ. изд./ В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.: Пер. с нем. — М.: Химия, 1989.
  • Басоло Ф., Пирсон Р. Механизмы неорганических реакций. — М.: Мир, 1971. — 591 с.
  • Воронин А. И., Ошеров В. И., Динамика молекулярных реакций. М.: Наука, 1990. — 421с.
  • Воробьев А. Х., Лекции по теории элементарного акта химических реакций в конденсированной фазе. МГУ, 2000.
  • Ганкин В. Ю., Ганкин Ю. В., Как образуется химическая связь и протекают химические реакции. М.: Граница, 2007.-319 с.
  • Никитин Е. Е., Теория элементарных атомно-молекулярных процессов в газах. М., Химия, 1970.
  • Салем Л. Электроны в химических реакциях. М.: Мир, 1985. 299 c.
  • Тоуб М. Механизмы неорганических реакций. — М.: Мир, 1975. — 275 с.
  • Глесстон С., Лейдлер К., Эйринг Г. Теория абсолютных скоростей реакций. М.: ГИИЛ, 1948. — 584 с.
  • Уманский С. Я. Теория элементарных химических реакций. Интеллект, 2009. — 408с.
  • Степанов Н. Ф. «Сложный мир элементарных актов химических реакций» Соросовский образовательный журнал, 1996, № 11, с. 30-36.
  • Степанов Н. Ф. «Потенциальные поверхности и химические реакции» Соросовский образовательный журнал, 1996, № 10, с. 33-41.\

Ссылки[править | править вики-текст]


Иконка портала Химический портал — мир химии, веществ и превращений на страницах Википедии.