"Химия", Габриелян О.С.
Химические реакции классифицируют по составу реагентов и продуктов, обратимости, изменению степеней окисления и числу фаз. Такая классификация помогает предсказать, какие вещества образуются и как записать превращение. Скорость реакции показывает, насколько быстро исчезают реагенты или появляются продукты. Она зависит от условий, в частности от концентрации, температуры, площади соприкосновения веществ и присутствия катализатора.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Классификация химических реакций — распределение реакций по группам в зависимости от числа и состава реагентов и продуктов, обратимости и изменения степеней окисления. Реагенты — исходные вещества, продукты — вещества, образовавшиеся в результате реакции. Классификация помогает не просто назвать превращение, но и понять, чем оно отличается от других реакций.
Скорость химической реакции — изменение количества реагирующего вещества или продукта за единицу времени. На практике её часто оценивают по изменению концентрации: концентрация показывает, сколько вещества содержится в определённом объёме. Если за одинаковое время концентрация меняется сильнее, реакция идёт быстрее.
Гомогенная реакция — реакция, реагенты которой находятся в одной фазе, например все являются газами или входят в один раствор. Фаза — однородная часть системы с одинаковыми свойствами. В гомогенной реакции взаимодействие возможно во всём объёме этой фазы, а не только в одном месте.
Гетерогенная реакция — реакция между веществами в разных фазах, например твёрдым веществом и раствором. Их соприкосновение происходит на границе раздела фаз, поэтому взаимодействие идёт именно там. Это объясняет, почему увеличение площади поверхности твёрдого реагента может ускорить реакцию.
Чтобы определить тип реакции по числу и составу веществ, сравните левую и правую части уравнения. Если из нескольких реагентов образуется один продукт, это реакция соединения; если одно исходное вещество распадается на несколько продуктов — разложения. В реакции замещения простое вещество вытесняет элемент из сложного, а при обмене два сложных вещества меняются составными частями. Например, Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ — замещение: цинк вытесняет водород из кислоты.
Обратимость показывает, может ли реакция идти не только от реагентов к продуктам, но и в обратном направлении. Для обратимой реакции ставят двойную стрелку ⇄, а для необратимой — одну стрелку →. Необратимая реакция в данных условиях практически идёт только в указанную сторону, например если газ улетучивается или образуется осадок. По одной лишь записи стрелки определяют обозначенный тип реакции, а не её скорость.
Степень окисления — условный заряд атома в веществе; её изменение помогает проследить перенос электронов. Если хотя бы у одного элемента степень окисления стала другой, реакция является окислительно-восстановительной (ОВР). Если степени окисления всех элементов сохранились, реакцию относят к реакциям без изменения степеней окисления. Поэтому классификация по составу и по степеням окисления отвечает на разные вопросы.
Частицы реагируют, когда сталкиваются, но не каждое столкновение приводит к превращению: для этого оно должно быть эффективным. Скорость связана с тем, сколько таких столкновений происходит за единицу времени. В гомогенной системе реагенты распределены в одной фазе и могут взаимодействовать по всему её объёму. В гетерогенной системе реакция ограничена границей соприкосновения фаз, поэтому важны размер поверхности и качество контакта.
При увеличении концентрации в том же объёме становится больше частиц реагента, и столкновения происходят чаще. Нагревание повышает скорость движения частиц и долю столкновений, способных привести к реакции. Увеличение площади поверхности твёрдого вещества — например, его измельчение — даёт больше места для контакта с другим реагентом. Катализатор изменяет скорость реакции, участвуя в её ходе, но сам не расходуется.
| Признак классификации | Виды реакций | Как распознать | Пример |
|---|---|---|---|
| Число и состав реагентов и продуктов | Соединения, разложения, замещения, обмена | Сравнить число веществ и определить, простые они или сложные | 2Mg + O₂ → 2MgO — соединение |
| Обратимость | Обратимые и необратимые | Посмотреть на стрелку в уравнении: ⇄ или → | N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ |
| Изменение степеней окисления | Окислительно-восстановительные и без изменения степеней окисления | Сравнить степени окисления элементов до и после реакции | Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ — ОВР |
| Число фаз, в которых находятся реагенты | Гомогенные и гетерогенные | Установить, в одной или разных фазах находятся реагенты | CaCO₃(тв.) + 2HCl(р-р) → CaCl₂ + CO₂ + H₂O — гетерогенная |
Пользуйтесь таблицей как последовательностью проверок: сначала изучите состав уравнения, затем направление стрелки, степени окисления и агрегатные состояния веществ. Один пример может получить несколько характеристик, потому что признаки классификации независимы. Состояние вещества в записи уравнения помогает определить, сколько фаз участвует в реакции.
Определите тип реакции по числу и составу реагентов и продуктов: 2Mg + O₂ → 2MgO. Здесь слева записаны два реагента — магний и кислород, а справа один продукт — оксид магния. Нужно классифицировать превращение именно по числу исходных и полученных веществ. Коэффициенты показывают соотношение частиц, но не меняют число видов веществ.
Посчитайте, сколько разных веществ вступает в реакцию: Mg и O₂, то есть два. Магний и кислород — простые вещества, каждое состоит из атомов одного элемента. Это помогает проверить состав исходных веществ.
Определите, сколько продуктов образуется: справа находится только MgO. Из нескольких реагентов получается одно сложное вещество. Такой признак соответствует реакции соединения.
Ответ: реакция соединения.
Классифицируйте реакцию Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ по числу и составу веществ и по изменению степеней окисления. Сначала выясним, какое превращение произошло между веществами, затем проверим степени окисления цинка и водорода. Такой порядок не позволяет спутать классификацию по составу с классификацией по электронным изменениям. Хлорид-ионы при этом переходят из кислоты в соль.
Слева есть простое вещество Zn и сложное вещество HCl. Справа образуются сложное вещество ZnCl₂ и простое вещество H₂. Цинк вытеснил водород из кислоты, значит, это реакция замещения.
В простом веществе Zn степень окисления равна 0, а в ZnCl₂ цинк имеет степень окисления +2. В HCl водород имеет +1, а в простом веществе H₂ — 0. Изменились степени окисления двух элементов, следовательно, реакция является окислительно-восстановительной.
Ответ: реакция замещения и окислительно-восстановительная реакция.
В двух сосудах карбонат кальция реагирует с соляной кислотой: в одном сосуде используют порошок, в другом — кусок карбоната. Определите, где реакция идёт быстрее и как её ускорить. Карбонат кальция — твёрдое вещество, а кислота находится в растворе, поэтому реагенты принадлежат разным фазам. Значит, взаимодействие возможно на поверхности твёрдого вещества, соприкасающейся с раствором.
Сравните площадь контакта: у порошка множество мелких частиц, а у цельного куска открыта только внешняя поверхность. При одинаковой массе суммарная поверхность порошка больше. Поэтому раствор кислоты может одновременно контактировать с большей площадью карбоната.
На большей площади за одно и то же время происходит больше столкновений частиц кислоты с поверхностью твёрдого вещества. Число эффективных столкновений возрастает, а значит, повышается скорость реакции. Для ускорения реакции кусок карбоната нужно измельчить.
Ответ: быстрее реагирует порошок; способ ускорения — измельчение карбоната кальция, увеличивающее площадь соприкосновения фаз.
Ошибка: считать, что реакция соединения обязательно идёт только между простыми веществами. Так думают, потому что многие знакомые примеры, например образование оксида из металла и кислорода, начинаются с простых веществ. Но тип определяет число реагентов и продуктов: из нескольких веществ образуется одно, и реагенты не обязаны быть простыми. Проверьте себя, посчитав вещества по обе стороны уравнения.
Ошибка: путать замещение и обмен. В обоих случаях в уравнении вещества меняются, поэтому различие легко упустить. При замещении простое вещество вытесняет элемент из сложного, а при обмене два сложных вещества обмениваются составными частями. Проверьте, есть ли среди реагентов простое вещество.
Ошибка: считать скорость реакции её продолжительностью. Продолжительность показывает, сколько времени занял процесс целиком, а скорость — насколько сильно изменилось количество или концентрация за единицу времени. При прочих равных более быстрая реакция заканчивается раньше, но это не определение скорости. Для проверки сопоставьте изменение концентрации с затраченным временем.
Ошибка: считать катализатор реагентом, который расходуется. Катализатор участвует в ходе реакции, поэтому его присутствие в механизме может создать такое впечатление. Однако он изменяет скорость, но сам не расходуется в реакции. Проверьте, является ли вещество исходным компонентом, который превращается в продукт, или катализатором, сохраняющимся после процесса.
Чтобы уверенно классифицировать реакцию, нужно уметь составлять и уравнивать химические уравнения, различать простые и сложные вещества и определять степени окисления. Эти навыки позволяют анализировать состав и электронные изменения, а не угадывать тип реакции по внешнему виду записи. Представления о скорости и факторах, влияющих на неё, понадобятся при изучении химического равновесия и катализа. Они также объясняют, как выбирают условия промышленных способов получения веществ.
Может ли одна химическая реакция относиться сразу к нескольким типам?
Да. Реакцию можно одновременно описать по разным признакам: например, назвать реакцией замещения, окислительно-восстановительной и гетерогенной. Эти характеристики не противоречат друг другу, потому что отвечают на разные вопросы.
Как по уравнению реакции понять, является ли она реакцией замещения или обмена?
При замещении простое вещество реагирует со сложным, и атомы простого вещества вытесняют один из элементов сложного. При обмене реагируют два сложных вещества и обмениваются составными частями. Посмотрите, сколько веществ стоит слева и какие из них простые или сложные.
Почему повышение температуры обычно ускоряет химическую реакцию?
При нагревании частицы движутся быстрее и чаще сталкиваются. Кроме того, больше столкновений оказывается эффективными — такими, которые приводят к образованию продуктов.
Почему порошок реагирует быстрее, чем кусок того же вещества?
У порошка больше общая площадь поверхности, соприкасающейся с другим реагентом. Поэтому за одинаковое время больше частиц может столкнуться и вступить в реакцию.
Чем катализатор отличается от реагента?
Реагент расходуется при химическом превращении, а катализатор изменяет скорость реакции и сам в ходе неё не расходуется. Он не становится продуктом реакции.
§ 38. Классификация химических реакций. Скорость химической реакции
