Типы и классификация химических реакций
Химические реакции классифицируют по нескольким признакам. Основная школьная классификация — по числу и составу веществ: реакции соединения (A + B → AB), разложения (AB → A + B), замещения (A + BC → AC + B) и обмена (AB + CD → AD + CB). Кроме того, реакции делят на экзо- и эндотермические, обратимые и необратимые, окислительно-восстановительные и идущие без изменения степеней окисления, каталитические и некаталитические, гомогенные и гетерогенные. Одну и ту же реакцию можно охарактеризовать по каждому из этих признаков.
Классификация химических реакций
| Признак классификации | Типы реакций |
|---|---|
| Число и состав исходных веществ и продуктов | соединения, разложения, замещения, обмена |
| Тепловой эффект | экзотермические (теплота выделяется) и эндотермические (поглощается) |
| Направление | необратимые и обратимые |
| Изменение степеней окисления | окислительно-восстановительные и без изменения степеней окисления |
| Участие катализатора | каталитические и некаталитические |
| Агрегатное состояние (фаза) веществ | гомогенные и гетерогенные |
Первую классификацию проходят в 8 классе, остальные — в 9 и 11 классе.
Реакции соединения
Реакция соединения — реакция, в которой из двух или нескольких веществ образуется одно, более сложное. Общая схема: A + B → AB.
- горение магния: 2Mg + O₂ → 2MgO;
- гашение извести: CaO + H₂O → Ca(OH)₂;
- получение серной кислоты из оксида серы(VI): SO₃ + H₂O → H₂SO₄;
- «дым без огня» — аммиак и хлороводород дают белый дым хлорида аммония: NH₃ + HCl → NH₄Cl.
Соединяться могут простые вещества (металл с неметаллом, два неметалла) и сложные — оксиды с водой, основный оксид с кислотным. Большинство реакций соединения экзотермические. Исключение — образование оксида азота(II) из азота и кислорода: оно идёт с поглощением теплоты, при электрическом разряде.
Реакции соединения из справочника
Реакции разложения
Реакция разложения — реакция, в которой из одного сложного вещества образуются два или несколько новых. Схема: AB → A + B.
- обжиг известняка: CaCO₃ → CaO + CO₂↑;
- разложение пероксида водорода на катализаторе: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑;
- разложение гидроксида меди(II) при нагревании: Cu(OH)₂ → CuO + H₂O;
- получение кислорода из перманганата калия: 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑.
Большинству реакций разложения нужна энергия: нагревание, электрический ток или свет. Но есть и исключения — пероксид водорода разлагается с выделением теплоты. В лаборатории можно прокалить голубой Cu(OH)₂ до чёрного CuO и разложить пероксид водорода, а кислород проверить тлеющей лучиной.
Реакции разложения из справочника
- H₂CO₃ → CO₂↑ + H₂OРазложения
- 2Ag₂O → 4Ag + O₂↑РазложенияОВРt°
- 2HgO → 2Hg + O₂↑РазложенияОВРt°
- MgCO₃ → MgO + CO₂↑Разложенияt°
- 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂↑ + H₂OРазложенияВ природе и бытуt°
- Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂OРазложенияВ природе и бытуt°
- Cu(OH)₂ → CuO + H₂OРазложенияt°
- 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂OРазложенияt°
Реакции замещения
Реакция замещения — реакция между простым и сложным веществом, в которой атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном. Схема: A + BC → AC + B.
- металл вытесняет водород из кислоты: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑;
- более активный металл вытесняет менее активный из раствора соли: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu;
- активный металл вытесняет водород из воды: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑;
- более активный галоген вытесняет менее активный: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂;
- водород восстанавливает медь из оксида: H₂ + CuO → Cu + H₂O.
Пойдёт ли замещение с металлом, подсказывает ряд активности металлов: металлы левее водорода вытесняют его из кислот, а металл вытесняет из раствора соли металлы, стоящие правее него. Натрий, калий и кальций в растворе реагируют с водой, а не с солью. Проверьте сами: железо в растворе медного купороса покрывается красной медью, а цинк в кислоте выделяет водород.
Реакции замещения из справочника
Реакции обмена
Реакция обмена — реакция, в которой два сложных вещества обмениваются своими составными частями. Схема: AB + CD → AD + CB.
- нейтрализация — кислота и щёлочь дают соль и воду: 2NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2H₂O;
- две соли дают осадок: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃;
- соль и щёлочь дают нерастворимое основание: CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄;
- кислота вытесняет из соли слабую кислоту, которая распадается на газ и воду: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂↑ + H₂O.
Реакции обмена в растворах идут до конца, только если образуется осадок, газ или малодиссоциирующее вещество, например вода. Если все продукты растворимы, реакции нет: растворы NaCl и KNO₃ при сливании просто смешиваются — подробнее в разделе «Ионные уравнения».
Реакции обмена из справочника
- NaOH + HCl → NaCl + H₂OОбменаНейтрализация
- 2NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2H₂OОбменаНейтрализация
- AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃ОбменаКачественная
- BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaClОбменаКачественная
- CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄ОбменаКачественная
- FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3NaClОбменаКачественная
- Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂↑ + H₂OОбменаКачественная
- CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂OОбменаКачественная
Экзотермические и эндотермические реакции
Экзотермические реакции идут с выделением теплоты: горение, нейтрализация, взаимодействие натрия с водой. Эндотермические — с поглощением: разложение известняка, образование оксида азота(II) N₂ + O₂ ⇄ 2NO при электрическом разряде. В термохимических уравнениях указывают количество теплоты, например C + O₂ → CO₂ + 394 кДж. Расчёты — на странице «Тепловой эффект реакции».
Обратимые и необратимые реакции
Необратимые реакции идут в одном направлении практически до конца: продукт уходит из раствора в виде газа или осадка либо образуется вода. В уравнении ставят стрелку →. Обратимые реакции одновременно идут в прямом и обратном направлении, в уравнении — знак ⇄: 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃, CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. В обратимой реакции со временем наступает химическое равновесие: скорости прямой и обратной реакции становятся равны.
Окислительно-восстановительные реакции
Если атомы меняют степени окисления, это окислительно-восстановительная реакция (ОВР). В Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu цинк отдаёт электроны (Zn⁰ → Zn⁺²), а медь их принимает (Cu⁺² → Cu⁰).
Связь с четырьмя типами такая: замещение — всегда ОВР, обмен — никогда. Реакции соединения и разложения бывают и теми, и другими: если в них участвует простое вещество, это почти всегда ОВР (исключение — превращение кислорода в озон). Окислитель, восстановитель и электронный баланс разобраны на странице «Окислительно-восстановительные реакции».
Каталитические и некаталитические реакции
Катализатор ускоряет реакцию, а сам к её концу остаётся в неизменном количестве. Каталитические реакции — разложение пероксида водорода на MnO₂, получение кислорода из бертолетовой соли 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂↑ кат. MnO₂, t°, окисление SO₂ до SO₃ на оксиде ванадия(V), синтез аммиака на железе. Биологические катализаторы — ферменты: они ускоряют брожение, пищеварение, дыхание клеток. Реакции, которым катализатор не нужен, — некаталитические: горение магния, нейтрализация.
Гомогенные и гетерогенные реакции
Гомогенные реакции идут в одной фазе — в смеси газов или в растворе: 2NO + O₂ → 2NO₂, нейтрализация NaOH соляной кислотой. Гетерогенные идут на границе фаз — твёрдого вещества с жидкостью или газом: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O (мрамор в кислоте), горение угля, ржавление железа. Скорость гетерогенной реакции растёт при измельчении: порошок цинка растворяется в кислоте быстрее гранулы. Подробнее — на странице «Скорость химической реакции».
Как определить тип химической реакции
- Посчитайте вещества: одно сложное → несколько — разложение; несколько → одно — соединение.
- Слева простое и сложное вещество, справа новое простое и новое сложное — замещение.
- Два сложных вещества обменялись составными частями — обмен.
- Расставьте степени окисления: если какие-то изменились — ОВР.
- Посмотрите на знак (→ или ⇄), условия (t°, кат.) и агрегатные состояния веществ.
Пример полной характеристики: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑ — реакция замещения, экзотермическая, необратимая (водород уходит из раствора), окислительно-восстановительная, некаталитическая, гетерогенная (твёрдый цинк и раствор кислоты).
Реакции, которые не укладываются в четыре типа
Четыре типа описывают не все реакции. Горение сложных веществ — CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O: из двух веществ получаются два новых, но это не обмен, ведь кислород — простое вещество. Растворение меди в азотной кислоте Cu + 4HNO₃ (конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O — не замещение: водород не вытесняется, а кислота служит и окислителем, и средой. Так же ведут себя другие ОВР с участием среды — металлы с концентрированной серной кислотой, перманганат калия с кислотами, алюминий и цинк со щёлочью и водой. Отдельная группа — комплексообразование: гидроксид меди(II) растворяется в нашатырном спирте, давая ярко-синий раствор.
Их характеризуют по остальным признакам: горение метана — экзотермическая необратимая ОВР. В справочнике такие реакции собраны в группу «Другого типа».
Реакции другого типа из справочника
- CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂OДругого типаОрганическаяГорениеОВРВ природе и бытуt°
- 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂OДругого типаОВРГорениеt°
- Cu + 4HNO₃ (конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂OДругого типаОВР
- Cu + 2H₂SO₄ (конц.) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂OДругого типаОВРt°
- 2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂↑ + 8H₂OДругого типаОВР
- 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑Другого типаОВРАмфотерность
- Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂Другого типаОВРПроизводствоt°
- Cu(OH)₂ + 4NH₃·H₂O → [Cu(NH₃)₄](OH)₂ + 4H₂OДругого типаКачественная
Проведите опыт онлайн
Эти опыты есть в виртуальной лаборатории: запустите прямо здесь или откройте на весь экран.
Оксид меди(II) из гидроксида
Голубой осадок Cu(OH)₂ при нагревании на спиртовке чернеет — образуется CuO.
Получение кислорода
Пероксид водорода с катализатором MnO₂: кислород зажигает тлеющую лучину.
Получение водорода
Металл в кислоте, сбор газа над водой в пробирку и проба горящей лучиной — хлопок.
Железо и медный купорос
Железо в растворе медного купороса покрывается красной медью.
Нейтрализация
Щёлочь с фенолфталеином титруют кислотой, пока малиновая окраска не исчезнет.
Ионы меди(II)
Щёлочь к раствору медного купороса — голубой осадок гидроксида меди(II).
Читайте также
- Химические реакции: типы, признаки, примеры
- Признаки химических реакций
- Окислительно-восстановительные реакции (ОВР)
- Тепловой эффект реакции
- Химическое равновесие
- Скорость химической реакции
- Химия 8 класс: все темы кратко, опыты и практические работы онлайн
- Химия 9 класс: реакции, диссоциация, ОВР — уроки и опыты онлайн
Частые вопросы
Какие типы химических реакций бывают?
По числу и составу веществ — соединения, разложения, замещения и обмена. По тепловому эффекту — экзо- и эндотермические, по направлению — обратимые и необратимые, по изменению степеней окисления — ОВР и реакции без изменения степеней окисления, а также каталитические и некаталитические, гомогенные и гетерогенные.
Как отличить реакцию замещения от реакции обмена?
В замещении участвует простое вещество: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. В обмене оба исходных вещества сложные, и они меняются составными частями: AgNO₃ + NaCl → AgCl + NaNO₃. Замещение всегда окислительно-восстановительное, обмен — нет.
Может ли реакция разложения быть экзотермической?
Да. Большинству реакций разложения нужен нагрев, но пероксид водорода и дихромат аммония разлагаются с выделением теплоты — второй опыт известен как «химический вулкан».
Все ли реакции обмена идут до конца?
Нет. Реакция ионного обмена идёт, только если образуется осадок, газ или слабый электролит, например вода. Если все продукты растворимы и остаются в виде ионов, реакция не идёт.
К какому типу относится реакция горения?
Горение простого вещества — реакция соединения: 2Mg + O₂ → 2MgO. Горение сложного вещества, например метана, не относится ни к одному из четырёх типов. Любое горение — экзотермическая окислительно-восстановительная реакция.