Одна из основных задач химии – получение веществ с заранее заданными свойствами. Процесс получения нужного вещества, как правило, включает в себя несколько превращений, которые на химическом языке называются реакциями. Научные основы умения управлять химическими процессами закладывались в работах Вант-Гоффа, Гульберга и Вааге, Гиббса, Гельмгольца, Ломоносова, Лавуазье, Гесса, Фарадея и многих других.
Созданное трудами этих исследователей учение о химическом процессе позволяет ответить на три основных вопроса:
1. Может ли интересующая нас реакция протекать самопроизвольно, и если да, то при каких условиях?
2. Каков механизм этой реакции, будет ли она идти с измеримой скоростью и как будут влиять условия на ее скорость?
3. Можно ли провести реакцию до конца, т.е. до полного исчезновения, по крайней мере, одного из исходных веществ?
Разумеется, разрабатывая технологию получения того или иного вещества, приходится искать ответы на массу других вопросов, и учение о химическом процессе позволяет сделать это с минимальными затратами сил и средств.
Типы химических реакций – это разновидности реакций, сгруппированных по каким-то признакам.
Обычно реакции классифицируют по числу исходных веществ и продуктов реакции. При этом различают 4 типа реакций.
Реакции соединения – это реакции, в которых из двух исходных веществ образуется один продукт реакции.
Реакции разложения – реакции, в которых из одного вещества образуется несколько новых веществ.
Реакции замещения – реакции, в которых атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. В результате образуются два новых вещества – сложное и простое.
Реакции обмена – реакции, в которых из двух сложных веществ при обмене их составными частями получается два новых сложных вещества. Можно сказать, что первые элементы реагирующих веществ меняются местами в химических формулах.
В основе любой химической реакции лежит разрыв одних и образование других химических связей. Иногда это появление новых связей, иногда лишь перераспределение существующих, что хорошо видно на примере реакций молекулярных соединений. В реакции
Вместо одной связи I – I и трех связей Cl – Cl образуется шесть связей I – Cl. В то же время в реакции
и характер связей, и их число сохраняется.
При переходе от реакций превращения молекул к реакциям, в которых участвуют твердые фазы, особенно ионные или атомные кристаллы, изменение числа связей становится далеко не так очевидно, однако в ходе реакции оно имеет место быть.
Именно поэтому при классификации химических реакций используют не число и характер меняющихся связей, а другие более формальные, но зато и более доступные для количественного определения характеристики: термодинамические (по изменению энтропии, энтальпии, энергии Гиббса, по обратимости), кинетические (по порядку реакции, молекулярности, механизму), специфические (реакции нейтрализации, гидролиза, этерификации, серебряного зеркала и т.д.).
По признаку числа фаз реакции делятся на гомогенные и гетерогенные (табл. 1).
Гомогенными называются такие реакции, все участники которых – и исходные вещества, и продукты реакции – находятся в одной фазе.
Гетерогенными называются такие реакции, участники которых распределены между разными фазами.
Иными словами, гомогенные реакции будут между веществами, находящимися в одинаковом агрегатном состоянии, причем продукты реакции тоже должны быть в том же агрегатном состоянии, что и реагенты (исходники), а гетерогенные протекают на границе раздела среды между веществами, находящимися в разных агрегатных состояниях.
Примерами гомогенных реакций могут служить:
Символ (водн) обозначает неопределенное, но большое количество воды как растворителя, т.е. реакция взаимодействия гидроксида натрия с уксусной кислотой протекает в водном растворе. Слово «эфир» над знаком стрелки говорит о том, что реакция протекает в эфирном растворе.
Примерами гетерогенных реакций, в которых участвуют твердые фазы, растворы и газы, могут служить:
Стрелки указывают на выделение новой фазы из раствора – появление осадка или образование газа.
Еще один признак, по которому делятся химические реакции, связан с их энергетическим эффектом. Любая химическая реакция сопровождается некоторым изменением энергии, которое чаще всего проявляется в выделении или поглощении теплоты Q. По характеру энергетического эффекта химические реакции делятся на экзотермические, т.е. протекающие с выделением теплоты (энергии), и эндотермические, т.е. протекающие с поглощением теплоты (энергии). Например, все реакции горения – экзотермические:
Реакции разложения в большинстве своем эндотермические:
Хотя известны случаи, когда разложение вещества сопровождается выделением энергии:
Экзотермически разлагаются взрывчатые вещества.
Из закона сохранения энергии следует, и это очень важно понять, что любая реакция, протекающая слева направо с выделением энергии, в обратном направлении протекает с ее поглощением, и наоборот.
Разумеется, расмотренные признаки не связаны между собой и гомогенная реакция может быть как экзо-, так и эндотермической.
Следующий признак, по которому все реакции делятся на обменные и окислительно-восстановительные реакции (ОВР), связан с перемещением электронов от одного атома (или какой-либо частицы) к другому.
Окислительно-восстановительные реакции(ОВР) – реакции, с перераспределением химических связей сопровождающиеся изменением электронного состояния атомов, молекул, ионов, участвующих в реакции. Во многих случаях оно является результатом передачи электронов от одних реагирующих частиц другим:
Реакции, сопровождающиеся переносом электронов от одной частицы к другой, называются окислительно-восстановительными.
Передача электрона может быть и неполной – меняется лишь полярность связей. Например, в реакции
Вместо малополярных связей С – Н появляются сильно полярные связи Н – Cl.
Для удобства описания окислительно-восстановительных реакций в химии используется понятие степени окисления.
Степень окисления – положительное или отрицательное число, которое по определенным правилам может быть приписано любому элементу в любом соединении и формально представляет собой гипотетический заряд на атоме этого элемента при допущении, что все гетероатомные химические связи чисто ионные.
Следует еще раз подчеркнуть формальность понятия степень окисления. Если элементы близки по электроотрицательности, часто бывает трудно определить, который из них должен иметь положительную, а который отрицательную степень окисления.