Реакции органических веществ можно формально разделить на четыре основных типа: замещения, присоединения, отщепления (элиминирования) и перегруппировки (изомеризации) . Очевидно, что все многообразие реакций органических соединений невозможно свести к предложенной классификации (например, реакции горения). Однако такая классификация поможет установить аналогии с уже знакомыми вам реакциями, протекающими между неорганическими веществами.
Как правило, основное органическое соединение, участвующее в реакции, называют субстратом , а другой компонент реакции условно рассматривают как реагент .
Реакции замещения
Реакции замещения - это реакции, в результате которых осуществляется замена одного атома или группы атомов в исходной молекуле (субстрате) на другие атомы или группы атомов.
В реакции замещения вступают предельные и ароматические соединения, такие как алканы, циклоалканы или арены. Приведем примеры таких реакций.
Под действием света атомы водорода в молекуле метана способны замещаться на атомы галогена, например, на атомы хлора:
Другим примером замещения водорода на галоген является превращение бензола в бромбензол:
Уравнение этой реакции может быть записано иначе:
При этой форме записи реагенты, катализатор, условия проведения реакции записывают над стрелкой, а неорганические продукты реакции - под ней.
В результате реакций замещения у органических веществ образуются не простое и сложное вещества, как в неорганической химии, а два сложных вещества.
Реакции присоединения
Реакции присоединения - это реакции, в результате которых две или более молекул реагирующих веществ соединяются в одну.
В реакции присоединения вступают ненасыщенные соединения, такие как алкены или алкины. В зависимости от того, какая молекула выступает в качестве реагента, различают гидрирование (или восстановление), галогенирование, гидрогалогенирование, гидратацию и другие реакции присоединения. Каждая из них требует определенных условий.
1.Гидрирование - реакция присоединения молекулы водорода по кратной связи:
2. Гидрогалогенирование - реакция присоединения галогенводорода (гидрохлорирование):
3. Галогенирование - реакция присоединения галогена:
4.Полимеризация - особый тип реакций присоединения, в ходе которых молекулы вещества с небольшой молекулярной массой соединяются друг с другом с образованием молекул вещества с очень высокой молекулярной массой - макромолекул.
Реакции полимеризации - это процессы соединения множества молекул низкомолекулярного вещества (мономера) в крупные молекулы (макромолекулы) полимера.
Примером реакции полимеризации может служить получение полиэтилена из этилена (этена) под действием ультрафиолетового излучения и радикального инициатора полимеразации R.
Наиболее характерная для органических соединений ковалентная связь образуется при перекрывании атомных орбиталей и образовании общих электронных пар. В результате этого образуется общая для двух атомов орбиталь, на которой находится общая электронная пара. При разрыве связи судьба этих общих электронов может быть разной.
Типы реакционноспособных частиц
Орбиталь с неспаренным электроном, принадлежащая одному атому, может перекрываться с орбиталью другого атома, на которой также находится неспаренный электрон. При этом происходит образование ковалентной связи по обменному механизму:
Обменный механизм образования ковалентной связи реализуется в том случае, если общая электронная пара образуется из неспаренных электронов, принадлежащих разным атомам.
Процессом, противоположным образованию ковалентной связи по обменному механизму, является разрыв связи, при котором к каждому атому отходит по одному электрону (). В результате этого образуются две незаряженные частицы, имеющие неспаренные электроны:
Такие частицы называются свободными радикалами.
Свободные радикалы - атомы или группы атомов, имеющие неспаренные электроны.
Свободнорадикальные реакции - это реакции, которые протекают под действием и при участии свободных радикалов.
В курсе неорганической химии это реакции взаимодействия водорода с кислородом, галогенами, реакции горения. Реакции этого типа отличаются высокой скоростью, выделением большого количества тепла.
Ковалентная связь может образоваться и по донорно-акцепторному механизму. Одна из орбиталей атома (или аниона), на которой находится неподеленная электронная пара, перекрывается с незаполненной орбиталью другого атома (или катиона), имеющего незаполненную орбиталь, при этом формируется ковалентная связь, например:
Разрыв ковалентной связи приводит к образованию положительно и отрицательно заряженных частиц (); так как в данном случае оба электрона из общей электронной пары остаются при одном из атомов, у другого атома получается незаполненная орбиталь:
Рассмотрим электролитическую диссоциацию кислот:
Можно легко догадаться, что частица, имеющая неподеленную электронную пару R: — , т. е. отрицательно заряженный ион, будет притягиваться к положительно заряженным атомам или к атомам, на которых существует по крайней мере частичный или эффективный положительный заряд.
Частицы с неподеленными электронными парами называют нуклеофильными агентами
(nucleus
- «ядро», положительно заряженная часть атома), т. е. «друзьями» ядра, положительного заряда.
Нуклеофилы (Nu ) - анионы или молекулы, имеющие неподеленную пару электронов, взаимодействующие с участками молекул, на которых сосредоточен эффективный положительный заряд.
Примеры нуклеофилов: Сl — (хлорид-ион), ОН — (гидроксид-анион), СН 3 O — (метоксид-анион), СН 3 СОО — (ацетат-анион).
Частицы, имеющие незаполненную орбиталь, напротив, будут стремиться заполнить ее и, следовательно, будут притягиваться к участкам молекул, на которых присутствует повышенная электронная плотность, отрицательный заряд, неподеленная электронная пара. Они являются электрофилами, «друзьями» электрона, отрицательного заряда или частиц с повышенной электронной плотностью.
Электрофилы - катионы или молекулы, имеющие незаполненную электронную орбиталь, стремящиеся к заполнению ее электронами, так как это приводит к более выгодной электронной конфигурации атома.
Электрофилом с незаполненной орбиталью является не любая частица. Так, например, катионы щелочных металлов имеют конфигурацию инертных газов и не стремятся к приобретению электронов, так как имеют низкое сродство к электрону.
Из этого можно сделать вывод, что несмотря на наличие у них незаполненной орбитали, подобные частицы не будут являться электрофилами.
Основные механизмы протекания реакций
Выделено три основных типа реагирующих частиц - свободные радикалы, электрофилы, нуклеофилы - и три соответствующих им типа механизма реакций:
- свободнорадикальные;
- электрофильные;
- нулеофильные.
Кроме классификации реакций по типу реагирующих частиц, в органической химии различают четыре вида реакций по принципу изменения состава молекул: присоединения, замещения, отщепления, или элиминирования (от англ. to eliminate - удалять, отщеплять) и перегруппировки. Так как присоединение и замещение могут происходить под действием всех трех типов реакционноспособных частиц, можно выделить несколько основных механизмов протекания реакций.
Кроме того, рассмотрим реакции отщепления, или элиминирования, которые идут под воздействием нуклеофильных частиц - оснований.
6. Элиминирование:
Отличительной чертой алкенов (непредельных углеводородов) является способность вступать в реакции присоединения. Большинство этих реакций протекает по механизму электрофильного присоединения.
Гидрогалогенирование (присоединение галоген водорода):
При присоединении галогенводорода к алкену водород присоединяется к более гидрированному атому углерода, т. е. атому, при котором находится больше атомов водорода, а галоген - к менее гидрированному .
Лекция: Классификация химических реакций в неорганической и органической химии
Виды химических реакций в неорганической химии
А) Классификация по количеству начальных веществ:
Разложение – вследствие данной реакции, из одного имеющегося сложного вещества, образуются два или несколько простых, а так же сложных веществ.
Пример: 2Н 2 O 2 → 2Н 2 O + O 2Соединение – это такая реакция, при которой из двух и более простых, а также сложных веществ, образуется одно, но более сложное.
Пример: 4Al+3O 2 → 2Al 2 O 3
Замещение – это определенная химическая реакция, которая проходит между некоторыми простыми, а так же сложными веществами. Атомы простого вещества, в данной реакции, замещаются на атомы одного из элементов, находящегося в сложном веществе.Пример: 2КI + Cl2 → 2КCl + I 2
Обмен – это такая реакция, при которой два сложных по строению вещества обмениваются своими частями.Пример: HCl + KNO 2 → KCl + HNO 2
Б) Классификация по тепловому эффекту:
Экзотермические реакции – это определенные химические реакции, при которых происходит выделение тепла.Примеры:
S +O 2 → SO 2 + Q
2C 2 H 6 + 7O 2 → 4CO 2 +6H 2 O + Q
Эндотермические реакции
– это определенные химические реакции, при которых происходит поглощение тепла. Как правило, это реакции разложения.
Примеры:
CaCO 3 → CaO + CO 2 – Q
2KClO 3 → 2KCl + 3O 2 – Q
Теплота, которая выделяется или поглощается в результате химической реакции, называется тепловым эффектом.
Химические уравнения, в которых указан тепловой эффект реакции, называют термохимическими .
В) Классификация по обратимости:
Обратимые реакции – это реакции, которые протекают при одинаковых условиях во взаимопротивоположных направлениях.Пример: 3H 2 + N 2 ⇌ 2NH 3
Необратимые реакции – это реакции, которые протекают только в одном направлении, а так же завершающиеся полным расходом всех исходных веществ. При этих реакциях выделяе тся газ, осадок, вода.Пример: 2KClO 3 → 2KCl + 3O 2
Г) Классификация по изменению степени окисления:
Окислительно - восстановительные реакции – в процессе данных реакций происходит изменение степени окисления.Пример: Сu + 4HNO 3 → Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O.
Не окислительно - восстановительные – реакции без изменения степени окисления.Пример: HNO 3 + KOH → KNO 3 + H 2 O.
Д) Классификация по фазе:
Гомогенные реакции – реакции, протекающие в одной фазе, когда исходные вещества и продукты реакции имеют одно агрегатное состояние.Пример: Н 2 (газ) + Cl 2 (газ) → 2HCL
Гетерогенные реакции – реакции, протекающие на поверхности раздела фаз, при которых продукты реакции и исходные вещества имеют разное агрегатное состояние.Пример: CuO+ H 2 → Cu+H 2 O
Классификация по использованию катализатора:
Катализатор – вещество, которое ускоряет реакцию. Каталитическая реакция протекает в присутствии катализатора, некаталитическая – без катализатора.
Пример:
2H 2 0 2 MnO 2
→
2H 2 O + O 2 катализатор MnO 2
Взаимодействие щелочи с кислотой протекает без катализатора.
Пример:
КOH + HCl →
КCl + H 2 O
Ингибиторы – вещества, замедляющие реакцию.
Катализаторы и ингибиторы сами в ходе реакции не расходуются.
Виды химических реакций в органической химии
Замещение – это реакция, в процессе которой происходит замена одного атома/группы атомов, в исходной молекуле, на иные атомы/группы атомов.
Пример: СН 4 + Сl 2 → СН 3 Сl + НСl
Присоединение – это реакции, при которых несколько молекул вещества соединяются в одну. К реакциям присоединения относятся:
- Гидрирование – реакция, в процессе которой происходит присоединение водорода по кратной связи.
Пример: СН 3 -СН = СН 2 (пропен) + Н 2 → СН 3 -СН 2 -СН 3 (пропан)
Гидрогалогенирование – реакция, присоединяющая галогенводород.
Пример:
СН 2 = СН 2 (этен) + НСl → СН 3 -СН 2 -Сl (хлорэтан)
Алкины реагируют с галогеноводородами (хлороводородом, бромоводородом) так же, как и алкены. Присоединение в химической реакции проходит в 2 стадии, и определяется правилом Марковникова:
При присоединении протонных кислот и воды к несимметричным алкенам и алкинам атом водорода присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода.
Механизм данной химической реакции. Образующийся в 1 - ой, быстрой стадии, p- комплекс во 2 - ой медленной стадии постепенно превращается в s-комплекс - карбокатион. В 3 - ей стадии происходит стабилизация карбокатиона – то есть взаимодействие с анионом брома:
И1, И2 - карбокатионы. П1, П2 - бромиды.
Галогенирование – реакция, при которой присоединяется галоген. Галогенированием так же, называют все процессы, в результате которых в органические соединения вводятся атомы галогена. Данное понятие употребляется в "широком смысле". В соответствии с данным понятием, различают следующие химические реакции на основе галогенирования: фторирование, хлорирование, бромирование, йодирование.
Галогенсодержащие органические производные считаются важнейшими соединениями, которые применяются как в органическом синтезе, так и в качестве целевых продуктов. Галогенпроизводные углеводородов, считаются исходными продуктами в большом количестве реакций нуклеофильного замещения. Что касается практического использования соединений, содержащих галоген, то они применяются в виде растворителей, например хлорсодержащие соединения, холодильных агентов - хлорфторпроизводные, фреоны, пестицидов, фармацевтических препаратов, пластификаторов, мономеров для получения пластмасс.
Гидратация – реакции присоединения молекулы воды по кратной связи.
Полимеризация – это особый вид реакции, при которой молекулы вещества, имеющие относительную невеликую молекулярную массу, присоединяются друг к другу, впоследствии образовывая молекулы вещества с высокой молекулярной массой.
| | |
Существуют разные системы классификации органических реакций, которые основаны на различных признаках. Среди них можно выделить классификации:
- по конечному результату реакции , то есть изменению в структуре субстрата;
- по механизму протекания реакции , то есть по типу разрыва связей и типу реагентов.
Взаимодействующие в органической реакции вещества подразделяют на реагент и субстрат . При этом считается, что реагент атакует субстрат.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Реагент - вещество, действующее на объект - субстрат - и вызывающее в нем изменение химической связи. Реагенты делятся на радикальные, электрофильные и нуклеофильные.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Субстратом , как правило, считают молекулу, которая предоставляет атом углерода для новой связи.
КЛАССИФИКАЦИЯ РЕАКЦИЙ ПО КОНЕЧНОМУ РЕЗУЛЬТАТУ (ИЗМЕНЕНИЮ В СТРУКТУРЕ СУБСТРАТА)
В органической химии различают четыре вида реакций по конечному результату и изменению в структуре субстрата: присоединения, замещения, отщепления, или элиминирования (от англ. to eliminate - удалять, отщеплять), и перегруппировки (изомеризации ). Такая классификация аналогична классификации реакций в неорганической химии по числу исходных реагентов и образующихся веществ, с изменением или без изменения состава. Классификация по конечному результату основана на формальных признаках, так как стехиометрическое уравнение, как правило, не отражает механизм реакции. Сравним типы реакций в неорганической и органической химии.
Тип реакции в неорганической химии | Пример | Тип реакции в органической химии | Разновидность и пример Реакции |
|---|---|---|---|
1. Соединение | C l 2 + H 2 = 2 H C l | Присоединение по кратным связям | Гидрирование |
Гидрогалогенирование
|
|||
Галогенирование
|
|||
Гидратация
|
|||
2. Разложение | 2
H
2
O
=
2
H
2
+
O
2
| Элиминирование | Дегидрирование
|
Дегидрогалогенирование
|
|||
Дегалогенирование
|
|||
Дегидратация
|
|||
3. Замещение | Z n + 2 H C l = ZnCl2+H2 | Замещение |
|
4. Обмен (частный случай - нейтрализация) | H 2 S O 4 + 2 N a O H =N a 2 S O 4 + 2 H2 O | частный случай - этерификация |
|
5.Аллотропизация | графит⇔ алмаз P красн. ⇔ P бел. Pкрасн.⇔P бел. S ромб. ⇔ S пласт. Sромб.⇔Sпласт. | Изомеризация | Изомеризация алканов
|
п) без замены их другими.
В зависимости от того, какие атомы отщепляются - соседние C –C или изолированные двумя-тремя или более атомами углерода –C –C–C–C –, –C –C–C–C–C –, могут образовываться соединения с кратными связям и или циклические соединения . Отщепление галогеноводородов из алкилгалогенидов либо воды из спиртов происходит по правилу Зайцева.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Правило Зайцева : атом водорода Н отщепляется от наименее гидрогенизированного атома углерода.
Например, отщепление молекулы бромоводорода происходит от соседних атомов в присутствии щелочи, при этом образуется бромид натрия и вода.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Перегруппировка - химическая реакция, в результате которой происходит изменение взаимного расположения атомов в молекуле, перемещение кратных связей или изменение их кратности.
Перегруппировка может осуществляться с сохранением атомного состава молекулы (изомеризация) или с его изменением.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Изомеризация - частный случай реакции перегруппировки, приводящая к превращению химического соединения в изомер путем структурного изменения углеродного скелета.
Перегруппировка тоже может осуществляться по гомолитическому или гетеролитическому механизму. Молекулярные перегруппировки могут классифицироваться по разным признакам, например по насыщенности систем, по природе мигрирующей группы, по стереоспецифичности и др. Многие реакции перегруппировки имеют специфические названия - перегруппировка Кляйзена, перегруппировка Бекмана и др.
Реакции изомеризации широко используются в промышленных процессах, например при переработке нефти для повышения октанового числа бензина. Примером изомеризации является превращение н -октана в изооктан:
КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ПО ТИПУ РЕАГЕНТА
РАЗРЫВ СВЯЗИ
Разрыв связи в органических соединениях может гомолитическим и гетеролитическим.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Гомолитический разрыв связи - это такой разрыв, в результате которого каждый атом получает неспаренный электрон и образуются две частицы, имеющие сходное электронное строение - свободные радикалы .
Гомолитический разрыв характерен для неполярных или слабополярных связей, например C–C, Cl–Cl, C–H, и требует большого количества энергии.
Образующиеся радикалы, имеющие неспаренный электрон, обладают высокой реакционной способностью, поэтому химические процессы, протекающие с участием таких частиц, часто носят «цепной» характер, их трудно контролировать, а в результате реакции получается набор продуктов замещения. Так, при хлорировании метана продуктами замещения являются хлорметан C H 3 C l CH3Cl , дихлорметан C H 2 C l 2 CH2Cl2 , хлороформ C H C l 3 CHCl3 и четыреххлористый углерод C C l 4 CCl4 . Реакции с участием свободных радикалов протекают по обменному механизму образования химических связей.
Образующиеся в ходе такого разрыва связи радикалы обуславливают радикальный механизм протекания реакции. Радикальные реакции обычно протекают при повышенных температурах или при излучении (например, свет).
В силу своей высокой реакционной способности свободные радикалы могут оказывать негативное воздействие на организм человека, разрушая клеточные мембраны, воздействуя на ДНК и вызывая преждевременное старение. Эти процессы связаны, в первую очередь, с пероксидным окислением липидов, то есть разрушением структуры полиненасыщенных кислот, образующих жир внутри клеточной мембраны.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Гетеролитический разрыв связи - это такой разрыв, при котором электронная пара остается у более электроотрицательного атома и образуются две заряженные частицы - ионы: катион (положительный) и анион (отрицательный).
В химических реакциях эти частицы выполняют функции «нуклеофилов » («фил» - от гр. любить ) и «электрофилов », образуя химическую связь с партнером по реакции по донорно-акцепторному механизму. Частицы-нуклеофилы предоставляют электронную пару для образования новой связи. Другими словами,
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Нуклеофил - электроноизбыточный химический реагент, способный взаимодействовать с электронодефицитными соединениями.
Примерами нуклеофилов являются любые анионы (C l − , I − , N O − 3 Cl−,I−,NO3− и др.), а также соединения, имеющие неподеленную электронную пару (N H 3 , H 2 O NH3,H2O ).
Таким образом, при разрыве связи могут образоваться радикалы или нуклеофилы и электрофилы. Исходя из этого выделяют три механизма протекания органических реакций.
МЕХАНИЗМЫ ПРОТЕКАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Свободно-радикальный механизм : реакцию начинают свободные радикалы, образующиеся при гомолитическом разрыве связи в молекуле.
Наиболее типичный вариант - образование радикалов хлора или брома при УФ-облучении.
1. Свободно-радикальное замещение
метан бромметан
Инициирование цепи
Рост цепи
Обрыв цепи
2. Свободно-радикальное присоединение
этен полиэтилен
Электрофильный механизм : реакцию начинают частицы-электрофилы, получающие положительный заряд в результате гетеролитического разрыва связи. Все электрофилы - кислоты Льюиса.
Такие частицы активно образуются под действием кислот Льюиса , которые усиливают положительный заряд частицы. Чаще других используются A l C l 3 , F e C l 3 , F e B r 3 , Z n C l 2 AlCl3,FeCl3,FeBr3,ZnCl2 , выполняющие функции катализатора.
Местом атаки частицы-электрофила являются те участки молекулы, которые имеют повышенную электронную плотность, т. е. кратная связь и бензольное кольцо.
Общий вид реакций электрофильного замещения можно выразить уравнением:
1. Электрофильное замещение
бензол бромбензол
2. Электрофильное присоединение
пропен 2-бромпропан
пропин 1,2-дихлорпропен
Присоединение к несимметричным непредельным углеводородам происходит в соответствии с правилом Марковникова.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Правило Марковникова: присоединение к несимметричным алкенам молекул сложных веществ с условной формулой НХ (где Х - это атом галогена или гидроксильная группа ОН–) атом водорода присоединяется к наиболее гидрогенизированному (содержащему больше всего атомов водорода) атому углерода при двойной связи, а Х - к наименее гидрогенизированному.
Например, присоединение хлороводорода HCl к молекуле пропена C H 3 – C H = C H 2 CH3–CH=CH2 .
Реакция протекает по механизму электрофильного присоединения. За счет электронодонорного влияния C H 3 CH3 -группы электронная плотность в молекуле субстрата смещена к центральному атому углерода (индуктивный эффект), а затем по системе двойных связей - к концевому атому углерода C H 2 CH2 -группы (мезомерный эффект). Таким образом, избыточный отрицательный заряд локализован именно на этом атоме. Поэтому атаку начинает протон водорода H + H+ , являющийся электрофильной частицей. Образуется положительно заряженный карбеновый ион [ C H 3 – C H − C H 3 ] + + , к которому присоединяется анион хлора C l − Cl− .
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Исключения из правила Марковникова: реакция присоединения протекает против правила Марковникова, если в реакцию вступают соединения, у которых атом углерода, соседний с атомом углерода двойной связи, оттягивает на себя частично электронную плотность, то есть при наличии заместителей, проявляющих значительный электроноакцепторный эффект (– C C l 3 , – C N , – C O O H (–CCl3,–CN,–COOH и др.).
Нуклеофильный механизм : реакцию начинают частицы-нуклеофилы, имеющие отрицательный заряд, образовавшиеся в результате гетеролитического разрыва связи. Все нуклеофилы - основания Льюиса .
В нуклеофильных реакциях реагент (нуклеофил) имеет на одном из атомов свободную пару электронов и является нейтральной молекулой или анионом (H a l – , O H – , R O − , R S – , R C O O – , R – , C N – , H 2 O , R O H , N H 3 , R N H 2 Hal–,OH–,RO−,RS–,RCOO–,R–,CN–,H2O,ROH,NH3,RNH2 и др.).
Нуклеофил атакует в субстрате атом с наименьшей электронной плотностью (т. е. с частичным или полным положительным зарядом). Первой стадией реакции нуклеофильного замещения является ионизация субстрата с образованием карбкатиона. При этом новая связь образуется за счет электронной пары нуклеофила, а старая претерпевает гетеролитический разрыв с последующим отщеплением катиона. Примером нуклеофильной реакции может служить нуклеофильное замещение (символ S N SN ) у насыщенного атома углерода, например щелочной гидролиз бромпроизводных.
1. Нуклеофильное замещение
2. Нуклеофильное присоединение
этаналь циангидрин
источник http://foxford.ru/wiki/himiya
Классификация химических реакций в неорганической и органической химии
Химические реакции, или химические явления, — это процессы, в результате которых из одних веществ образуются другие, отличающиеся от них по составу и (или) строению.
При химических реакциях обязательно происходит изменение веществ, при котором рвутся старые и образуются новые связи между атомами.
Химические реакции следует отличать от ядерных реакций. В результате химической реакции общее число атомов каждого химического элемента и его изотопный состав не меняются. Иное дело ядерные реакции — процессы превращения атомных ядер в результате их взаимодействия с другими ядрами или элементарными частицами, например, превращение алюминия в магний:
$↙{13}↖{27}{Al}+ {}↙{1}↖{1}{H}={}↙{12}↖{24}{Mg}+{}↙{2}↖{4}{He}$
Классификация химических реакций многопланова, т.е. в ее основу могут быть положены различные признаки. Но под любой из таких признаков могут быть отнесены реакции как между неорганическими, так и между органическими веществами.
Рассмотрим классификацию химических реакций по различным признакам.
Классификация химических реакций по числу и составу реагирующих веществ. Реакции, идущие без изменения состава вещества
В неорганической химии к таким реакциям можно отнести процессы получения аллотропных модификаций одного химического элемента, например:
$С_{(графит)}⇄С_{(алмаз)}$
$S_{(ромбическая)}⇄S_{(моноклинная)}$
$Р_{(белый)}⇄Р_{(красный)}$
$Sn_{(белое олово)}⇄Sn_{(серое олово)}$
$3О_{2(кислород)}⇄2О_{3(озон)}$.
В органической химии к этому типу реакций могут быть отнесены реакции изомеризации, которые идут без изменения не только качественного, но и количественного состава молекул веществ, например:
1. Изомеризация алканов .
Реакция изомеризации алканов имеет большое практическое значение, т.к. углеводороды изостроения обладают меньшей способностью к детонации.
2. Изомеризация алкенов .
3. Изомеризация алкинов (реакция А. Е. Фаворского).
4. Изомеризация галогеналканов (А. Е. Фаворский).
5. Изомеризация цианата аммония при нагревании.
Впервые мочевина была синтезирована Ф. Велером в 1882 г. изомеризацией цианата аммония при нагревании.
Реакции, идущие с изменением состава вещества
Можно выделить четыре типа таких реакций: соединения, разложения, замещения и обмена.
1. Реакции соединения — это такие реакции, при которых из двух и более веществ образуется одно сложное вещество.
В неорганической химии все многообразие реакций соединения можно рассмотреть на примере реакций получения серной кислоты из серы:
1) получение оксида серы (IV):
$S+O_2=SO_2$ — из двух простых веществ образуется одно сложное;
2) получение оксида серы (VI):
$2SO_2+O_2{⇄}↖{t,p,кат.}2SO_3$ - из простого и сложного веществ образуется одно сложное;
3) получение серной кислоты:
$SO_3+H_2O=H_2SO_4$ — из двух сложных веществ образуется одно сложное.
Примером реакции соединения, при которой одно сложное вещество образуется из более чем двух исходных, может служить заключительная стадия получения азотной кислоты:
$4NO_2+O_2+2H_2O=4HNO_3$.
В органической химии реакции соединения принято называть реакциями присоединения. Все многообразие таких реакций можно рассмотреть на примере блока реакций, характеризующих свойства непредельных веществ, например этилена:
1) реакция гидрирования — присоединение водорода:
$CH_2{=}↙{этен}CH_2+H_2{→}↖{Ni,t°}CH_3{-}↙{этан}CH_3;$
2) реакция гидратации — присоединение воды:
$CH_2{=}↙{этен}CH_2+H_2O{→}↖{H_3PO_4,t°}{C_2H_5OH}↙{этанол};$
3) реакция полимеризации:
${nCH_2=CH_2}↙{этилен}{→}↖{p,кат.,t°}{(-CH_2-CH_2-)_n}↙{полиэтилен}$
2. Реакции разложения — это такие реакции, при которых из одного сложного вещества образуется несколько новых веществ.
В неорганической химии все многообразие таких реакций можно рассмотреть на примере блока реакций получения кислорода лабораторными способами:
1) разложение оксида ртути (II):
$2HgO{→}↖{t°}2Hg+O_2$ — из одного сложного вещества образуются два простых;
2) разложение нитрата калия:
$2KNO_3{→}↖{t°}2KNO_2+O_2$ — из одного сложного вещества образуются одно простое и одно сложное;
3) разложение перманганата калия:
$2KMnO_4{→}↖{t°}K_2MnO_4+MnO_2+O_2$ — из одного сложного вещества образуются два сложных и одно простое, т.е. три новых вещества.
В органической химии реакции разложения можно рассмотреть на примере блока реакций получения этилена в лаборатории и промышленности:
1) реакция дегидратации (отщепления воды) этанола:
$C_2H_5OH{→}↖{H_2SO_4,t°}CH_2=CH_2+H_2O;$
2) реакция дегидрирования (отщепления водорода) этана:
$CH_3—CH_3{→}↖{Cr_2O_3,500°C}CH_2=CH_2+H_2;$
3) реакция крекинга (расщепления) пропана:
$CH_3-CH_2CH_3{→}↖{t°}CH_2=CH_2+CH_4.$
3. Реакции замещения — это такие реакции, в результате которых атомы простого вещества замещают атомы какого-либо элемента в сложном веществе.
В неорганической химии примером таких процессов может служить блок реакций, характеризующих свойства, например, металлов:
1) взаимодействие щелочных и щелочноземельных металлов с водой:
$2Na+2H_2O=2NaOH+H_2$
2) взаимодействие металлов с кислотами в растворе:
$Zn+2HCl=ZnCl_2+H_2$;
3) взаимодействие металлов с солями в растворе:
$Fe+CuSO_4=FeSO_4+Cu;$
4) металлотермия:
$2Al+Cr_2O_3{→}↖{t°}Al_2O_3+2Cr$.
Предметом изучения органической химии являются не простые вещества, а только соединения. Поэтому как пример реакции замещения приведем наиболее характерное свойство предельных соединений, в частности метана, — способность его атомов водорода замещаться на атомы галогена:
$CH_4+Cl_2{→}↖{hν}{CH_3Cl}↙{хлорметан}+HCl$,
$CH_3Cl+Cl_2→{CH_2Cl_2}↙{дихлорметан}+HCl$,
$CH_2Cl_2+Cl_2→{CHCl_3}↙{трихлорметан}+HCl$,
$CHCl_3+Cl_2→{CCl_4}↙{тетрахлорметан}+HCl$.
Другой пример — бромирование ароматического соединения (бензола, толуола, анилина):
Обратим внимание на особенность реакций замещения у органических веществ: в результате таких реакций образуются не простое и сложное вещества, как в неорганической химии, а два сложных вещества.
В органической химии к реакциям замещения относят и некоторые реакции между двумя сложными веществами, например, нитрование бензола:
$C_6H_6+{HNO_3}↙{бензол}{→}↖{H_2SO_4(конц.),t°}{C_6H_5NO_2}↙{нитробензол}+H_2O$
Она формально является реакцией обмена. То, что это реакция замещения, становится понятным только при рассмотрении ее механизма.
4. Реакции обмена — это такие реакции, при которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями.
Эти реакции характеризуют свойства электролитов и в растворах протекают по правилу Бертолле, т.е. только в том случае, если в результате образуется осадок, газ или малодиссоциирующее вещество (например, $Н_2О$).
В неорганической химии это может быть блок реакций, характеризующих, например, свойства щелочей:
1) реакция нейтрализации, идущая с образованием соли и воды:
$NaOH+HNO_3=NaNO_3+H_2O$
или в ионном виде:
$OH^{-}+H^{+}=H_2O$;
2) реакция между щелочью и солью, идущая с образованием газа:
$2NH_4Cl+Ca(OH)_2=CaCl_2+2NH_3+2H_2O$
или в ионном виде:
$NH_4^{+}+OH^{-}=NH_3+H_2O$;
3) реакция между щелочью и солью, идущая с образованием осадка:
$CuSO_4+2KOH=Cu(OH)_2↓+K_2SO_4$
или в ионном виде:
$Cu^{2+}+2OH^{-}=Cu(OH)_2↓$
В органической химии можно рассмотреть блок реакций, характеризующих, например, свойства уксусной кислоты:
1) реакция, идущая с образованием слабого электролита — $H_2O$:
$CH_3COOH+NaOH⇄NaCH_3COO+H_2O$
$CH_3COOH+OH^{-}⇄CH_3COO^{-}+H_2O$;
2) реакция, идущая с образованием газа:
$2CH_3COOH+CaCO_3=2CH_3COO^{-}+Ca^{2+}+CO_2+H_2O$;
3) реакция, идущая с образованием осадка:
$2CH_3COOH+K_2SiO_3=2KCH_3COO+H_2SiO_3↓$
$2CH_3COOH+SiO_3^{−}=2CH_3COO^{−}+H_2SiO_3↓$.
Классификация химических реакций по изменению степеней окисления химических элементов, образующих вещества
Реакции, идущие с изменением степеней окисления элементов, или окислительно-восстановительные реакции.
К ним относится множество реакций, в том числе все реакции замещения, а также те реакции соединения и разложения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество, например:
1.${Mg}↖{0}+{2H}↖{+1}+SO_4^{-2}={Mg}↖{+2}SO_4+{H_2}↖{0}$
${{Mg}↖{0}-2{e}↖{-}}↙{восстановитель}{→}↖{окисление}{Mg}↖{+2}$
${{2H}↖{+1}+2{e}↖{-}}↙{окислитель}{→}↖{восстановление}{H_2}↖{0}$
2.${2Mg}↖{0}+{O_2}↖{0}={2Mg}↖{+2}{O}↖{-2}$
${{Mg}↖{0}-2{e}↖{-}}↙{восстановитель}{→}↖{окисление}{Mg}↖{+2}|4|2$
${{O_2}↖{0}+4{e}↖{-}}↙{окислитель}{→}↖{восстановление}{2O}↖{-2}|2|1$
Как вы помните, сложные окислительно-восстановительные реакции составляются с помощью метода электронного баланса:
${2Fe}↖{0}+6H_2{S}↖{+6}O_{4(k)}={Fe_2}↖{+3}(SO_4)_3+3{S}↖{+4}O_2+6H_2O$
${{Fe}↖{0}-3{e}↖{-}}↙{восстановитель}{→}↖{окисление}{Fe}↖{+3}|2$
${{S}↖{+6}+2{e}↖{-}}↙{окислитель}{→}↖{восстановление}{S}↖{+4}|3$
В органической химии ярким примером окислительно-восстановительных реакций могут служить свойства альдегидов:
1. Альдегиды восстанавливаются в соответствующие спирты:
${CH_3-{C}↖{+1} {}↖{O↖{-2}}↙{H↖{+1}}+{H_2}↖{0}}↙{\text"уксусный альдегид"}{→}↖{Ni,t°}{CH_3-{C}↖{-1}{H_2}↖{+1}{O}↖{-2}{H}↖{+1}}↙{\text"этиловый спирт"}$
${{C}↖{+1}+2{e}↖{-}}↙{окислитель}{→}↖{восстановление}{C}↖{-1}|1$
${{H_2}↖{0}-2{e}↖{-}}↙{восстановитель}{→}↖{окисление}2{H}↖{+1}|1$
2. Альдегиды окисляются в соответствующие кислоты:
${CH_3-{C}↖{+1} {}↖{O↖{-2}}↙{H↖{+1}}+{Ag_2}↖{+1}{O}↖{-2}}↙{\text"уксусный альдегид"}{→}↖{t°}{CH_3-{Ag}↖{0}{C}↖{+3}{O}↖{-2}{OH}↖{-2+1}+2{Ag}↖{0}↓}↙{\text"этиловый спирт"}$
${{C}↖{+1}-2{e}↖{-}}↙{восстановитель}{→}↖{окисление}{C}↖{+3}|1$
${2{Ag}↖{+1}+2{e}↖{-}}↙{окислитель}{→}↖{восстановление}2{Ag}↖{0}|1$
Реакции, идущие без изменения степеней окисления химических элементов.
К ним, например, относятся все реакции ионного обмена, а также:
- многие реакции соединения:
$Li_2O+H_2O=2LiOH;$
- многие реакции разложения:
$2Fe(OH)_3{→}↖{t°}Fe_2O_3+3H_2O;$
- реакции этерификации:
$HCOOH+CH_3OH⇄HCOOCH_3+H_2O$.
Классификация химических реакций по тепловому эффекту
По тепловому эффекту реакции делят на экзотермические и эндотермические.
Экзотермические реакции.
Эти реакции протекают с выделением энергии.
К ним относятся почти все реакции соединения. Редкое исключение составляют эндотермические реакции синтеза оксида азота (II) из азота и кислорода и реакция газообразного водорода с твердым иодом:
$N_2+O_2=2NO - Q$,
$H_{2(г)}+I{2(т)}=2HI - Q$.
Экзотермические реакции, которые протекают с выделением света, относят к реакциям горения, например:
$4P+5O_2=2P_2O_5+Q,$
$CH_4+2O_2=CO_2+2H_2O+Q$.
Гидрирование этилена — пример экзотермической реакции:
$CH_2=CH_2+H_2{→}↖{Pt}CH_3-CH_3+Q$
Она идет при комнатной температуре.
Эндотермические реакции
Эти реакции протекают с поглощением энергии.
Очевидно, что к ним относятся почти все реакции разложения, например:
а) обжиг известняка:
$CaCO_3{→}↖{t°}CaO+CO_2-Q;$
б) крекинг бутана:
Количество выделенной или поглощенной в результате реакции энергии называют тепловым эффектом реакции , а уравнение химической реакции с указанием этого эффекта называют термохимическим уравнением , например:
$H_{2(г)}+Cl_{2(г)}=2HCl_{(г)}+92.3 кДж,$
$N_{2(г)}+О_{2(г)}=2NO_{(г)} - 90.4 кДж$.
Классификация химических реакций по агрегатному состоянию реагирующих веществ (фазовому составу)
Гетерогенные реакции.
Это реакции, в которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в разных агрегатных состояниях (в разных фазах):
$2Al_{(т)}+3CuCl_{2(р-р)}=3Cu_{(т)}+2AlCl_{3(р-р)}$,
$СаС_{2(т)}+2Н_2О_{(ж)}=С_2Н_2+Са(ОН)_{2(р-р)}$.
Гомогенные реакции.
Это реакции, в которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в одном агрегатном состоянии (в одной фазе):
Классификация химических реакций по участию катализатора
Некаталитические реакции.
Некаталитические реакции идут без участия катализатора:
$2HgO{→}↖{t°}2Hg+O_2$,
$C_2H_4+3O_2{→}↖{t°}2CO_2+2H_2O$.
Каталитические реакции.
Каталитические реакции идут с участием катализатора:
$2KClO_3{→}↖{MnO_2,t°}2KCl+3O_2,$
${C_2H_5OH}↙{этанол}{→}↖{H_2SO-4,t°}{CH_2=CH_2}↙{этен}+H_2O$
Так как все биологические реакции, протекающие в клетках живых организмов, идут с участием особых биологических катализаторов белковой природы — ферментов, все они относятся к каталитическим или, точнее, ферментативным.
Следует отметить, что более $70%$ химических производств используют катализаторы.
Классификация химических реакций по направлению
Необратимые реакции.
Необратимые реакции протекают в данных условиях только в од ном направлении.
К ним можно отнести все реакции обмена, сопровождающиеся образованием осадка, газа или малодиссоциирующего вещества (воды), и все реакции горения.
Обратимые реакции.
Обратимые реакции в данных условиях протекают одновременно в двух противоположных направлениях.
Таких реакций подавляющее большинство.
В органической химии признак обратимости отражают названия-антонимы процессов:
- гедрирование - дегидрирование;
- гидратация - дегидратация;
- полимеризация - деполимеризация.
Обратимы все реакции этерификации (противоположный процесс, как вы знаете, носит название гидролиза) и гидролиза белков, сложных эфиров, углеводов, полинуклеотидов. Обратимость лежит в основе важнейшего процесса в живом организме — обмена веществ.
