5.1.1. Определение понятий: химическая система и химическая реакция

Химическая система – это совокупность частиц и существующих между ними взаимодействий. Система является изолированной (замкнутой), если между ней и прилегающими системами отсутствует обмен как веществами, так и энергией.

Химическая реакция — это превращение одних веществ (реагентов) в другие, отличающиеся по химическому составу или строению (продукты реакции).

5.1.2. Признаки химических реакций

Химическое превращение от физического всегда можно отличить по наличию одного или нескольких признаков:

• изменение цвета;

• выпадение осадка;

• выделение газа;

• образование слабодиссоциированных веществ (например, воды);

• выделение энергии (тепловой или световой).

5.1.3. Типы классификаций химических реакций

Химические реакции можно классифицировать по различным признакам.

• •По изменению состава реагентов и продуктов различают:

реакции соединения – из нескольких веществ более простого строения образуется одно – более сложного строения, например:

SO3 + H2O = H2SO4;

реакции разложения – одно сложное вещество разлагается на несколько веществ более простого строения, например:

реакции замещения – реагируют простое и сложное вещества, в ходе реакции атомы простого вещества замещают часть атомов в сложном веществе, например:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑ ;

реакции обмена – два сложных вещества обмениваются своими составными частями, например:

NaOH + HCl = NaCl + H2O.

• По изменению степеней окисления атомов элементов, входящих в состав реагентов, различают:

окислительно-восстановительные реакции (ОВР), протекающие с изменением степеней окисления атомов элементов, входящих в состав окислителя и восстановителя, например:

реакции, протекающие без изменения степеней окисления, например:

H2SO4 + Сa(OH)2 = CaSO4 + 2H2O.

• По тепловому эффекту реакции различают:

экзотермические реакции – идут с выделением теплоты, например:

эндотермические реакции – идут с поглощением теплоты, например:

• По участию катализатора различают:

каталитические реакции – протекают с участием катализатора, например:

некаталитические реакции – протекают без участия катализатора, например:

• По направлению протекания реакций различают:

обратимые реакции – в зависимости от условий могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении, например:

СО₂ + H₂О ⇆ H₂СО₃;

необратимые реакции – протекают только в прямом направлении, завершаются полным превращением реагентов в продукты, например:

Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + Н₂О + CO₂↑.

• По агрегатному состоянию участвующих в реакции веществ различают:

гомогенные реакции, в которых реагирующие частицы не отделены друг от друга какими-либо граничными поверхностями, а составляют единое целое, например:

2СО + О₂ = 2СО₂;

гетерогенные реакции, в которых реагирующие вещества разделены граничными поверхностями, например:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑.

5.2.1. Характеристика окислительно-восстановительных реакций

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) — это реакции, в которых происходит изменение степеней окисления атомов элементов.

В ОВР происходит переход электронов от одних атомов к другим, одновременно протекают два противоположных процесса: окисление и восстановление.

Окисление — процесс отдачи электронов.

Элемент, отдающий электроны — восстановитель.

Восстановление — процесс принятия электронов.

Элемент, принимающий электроны — окислитель.

Все химические реакции по признаку изменения степеней окисления участвующих в них атомов можно разделить на два типа:

• ОВР (протекающие с изменением степеней окисления)

• не ОВР.

Степень окисления – условный заряд атома в молекуле, рассчитанный, исходя из предположения, что в молекуле существуют только ионные связи.

П р а в и л а д л я о п р е д е л е н и я с т е п е н е й о к и с л е н и я

• Степень окисления атомов простых веществ равна нулю.

• Сумма степеней окисления атомов в сложном веществе (в молекуле) равна нулю.

• Степень окисления атомов щелочных металлов +1.

• Степень окисления атомов щелочно-земельных металлов +2.

• Степень окисления атомов бора, алюминия +3.

• Степень окисления атомов водорода +1 (в гидридах щелочных и щелочно-земельных металлов –1).

• Степень окисления атомов кислорода –2 (в пероксидах –1).

• Любая ОВР представляет собой совокупность процессов отдачи и присоединения электронов.

Процесс отдачи электронов называют окислением. Частицы (атомы, молекулы или ионы), отдающие электроны, называют восстановителями. В результате окисления степень окисления восстановителя увеличивается. Восстановителями могут быть частицы в низшей или промежуточной степенях окисления. Важнейшими восстановителями являются: все металлы в виде простых веществ, особенно активные; C, CO, NH₃, PH₃, CH₄, SiH₄, H₂S и сульфиды, галогеноводороды и галогениды металлов, гидриды металлов, нитриды и фосфиды металлов.

Процесс присоединения электронов называют восстановлением. Частицы, принимающие электроны, называют окислителями. В результате восстановления степень окисления окислителя уменьшается. Окислителями могут быть частицы в высшей или промежуточной степенях окисления. Важнейшие окислители: простые вещества-неметаллы, обладающие высокой электроотрицательностью (F₂, Cl₂, O₂), перманганат калия, хроматы и дихроматы, азотная кислота и нитраты, концентрированная серная кислота, хлорная кислота и перхлораты.

Вещества, содержащие частицы в промежуточной степени окисления, могут выступать как в роли окислителей, так и в роли восстановителей, т.е. проявляют окислительно-восстановительную двойственность. Это сернистая кислота и сульфиты, хлорноватистая кислота и гипохлориты, пероксиды и др.

5.2.2. Основные типы ОВР (межмолекулярные, внутримолекулярные, диспропорционирование)

Различают три типа окислительно-восстановительных реакций.

• Межмолекулярные ОВР – окислитель и восстановитель входят в состав различных веществ, например:

Внутримолекулярные ОВР – окислитель и восстановитель входят в состав одного вещества. Это могут быть разные элементы, например:

или один химический элемент в разных степенях окисления, например:

Диспропорционирование (самоокисление-самовосстановление) – окислителем и восстановителем является один и тот же элемент, находящийся в промежуточной степени окисления, например:

ОВР имеют огромное значение, поскольку большинство реакций, протекающих в природе, относятся к этому типу (процесс фотосинтеза, горение). Кроме того, ОВР активно используются человеком в его практической деятельности (восстановление металлов, синтез аммиака):

5.2.3. Методы составления уравнений ОВР (электронный и электронно-ионный баланс)

Для составления уравнений ОВР можно использовать метод электронного баланса (электронных схем) или метод электронно-ионного баланса.