Химия - Учебное пособие (Монич Т.П.) - Глава: 5.4. свойства макросистем. химические реакции онлайн

Химия - Учебное пособие (Монич Т.П.)

5.4. свойства макросистем. химические реакции

В химических реакциях макросистема обменивается энергией, изменяет геометрическую конфигурацию, состав и структуру атомов и молекул.

Подпись: Химическая реакция (химическое взаимодействие) - это превращение одних веществ в другие, обусловленное изменением строения и состава атомов и молекул.

Классификация химических реакций

Остановимся на широко распространенной классификации химических реакций по числу и характеру реагирующих и образующихся веществ, выделяющей 4 типа реакций: соединения, разложения, замещения и обмена.

В реакциях соединения из двух или большего числа веществ образуется одно вещество, а в реакциях разложения из одного вещества образуется несколько веществ:

Реакция соединения

2Hg(ж) + O2(г) ⇄ 2HgO(т)

Реакция разложения

В реакциях замещения атомы или молекулы простого вещества замещают часть атомов сложного вещества.

В реакциях обмена осуществляется обмен сложных веществ составными частями:

Реакция замещения

Zn(т) + CuSO4(р-р) ® ZnSO4(р-р) + Cu(т)

Реакция обмена

СuSO4 (p-р) + NaOH(р-р) ® Сu(OH)2(тв) + Na2SO4(р-р)

В органической химии многообразие реакций соединения можно рассмотреть на примере реакций присоединения к непредельным углеводородам (алкенам):

СН2=СН2 + Н2 ® СН3–СН3 (гидрирование этилена)

СН2=СН2 + Н2О ® СН3–СН2ОН (гидратация этилена)

Реакции отщепления (разложение) органических соединений:

СН3–СН3 ® СН2=СН2 + Н2 (дегидрирование этана)

СН3–СН2ОН ® СН2=СН2 + Н2О (дегидратация этанола)

Примером реакций замещения в органической химии являются реакции хлорирования предельных углеводородов:

СН4 + Cl2 ® CH3Cl + HCl

CH3Cl + Cl2 ® CH2Cl2 + HCl и т. д.

Реагирующие вещества (реагенты) могут находиться в разных фазах. Поверхность, разделяющая участников реакции, может оказывать сильное влияние на скорость химического превращения. Поэтому классификация химических реакций может осуществляться по фазовому состоянию реагентов. В этом случае все реакции делятся на гомогенные и гетерогенные. В гомогенных реакциях реагенты находятся в одной фазе:

NaOH(р-р) + HCl(р-р) ® NaCl(р-р) + H2O(ж)

N2(г) + O2(г) ® 2NO(г)

В гетерогенных реакциях реагенты находятся в разных фазах:

СаО(т) + Н2О(ж) ® Са(ОН)2(т)

СаО(т) + СО2(г) ® СаСО3(т)

Если классифицировать химические реакции по изменению степени окисления элементов, образующих вещества, то все реакции можно разделить на идущие с изменением и без изменения степени окисления элементов. Без изменения степени окисления идут, например, обменные реакции осаждения:

AgNO3(р-р) + KI(р-р) ® AgI(т)¯ + KNO3(р-р)

Химические реакции, в которых изменяется степень окисления элементов, называют окислительно-восстановительными. К ним относятся реакции горения, процессы коррозии, реакции фотосинтеза в клетках растений, электролиз, реакции, идущие в гальванических элементах и многие другие процессы.

Горение угля:

С(т) + О2(г) = СО2(г)

Коррозия железа:

4Fe(т) + 3O2(г) = 2Fe2O3(т)

Фотосинтез глюкозы в клетке растения:

6СО2(г) + 6Н2О(ж) = С6Н12О6(т) + 6О2(г)

Электролиз расплава хлорида натрия:

2NaCl(ж) = 2Na(ж) + Сl2(г)

катод: 2Na+(ж) + 2e- = 2Na(ж)

анод: 2Cl-(ж) = Cl2(г) + 2e-

Реакции, протекающие в гальваническом элементе, составленного из медного и цинкового электродов, погруженных в растворы их солей:

Zn(т) + CuSO4(р-р) = ZnSO4(р-р) + Cu(т)

катод: Cu2+(р-р) + 2e- = Cu(т)

анод: Zn(т) = Zn2+(р-р) + 2e-

Окислительно-восстановительные реакции по фазовому состоянию могут быть гетерогенными и гомогенными, а по изменению числа реагирующих и образующихся веществ могут быть реакциями соединения, разложения и замещения.

В органической химии, как правило, реакции классифицируют по типу разрыва химических связей, выделяя гомолитические (радикальные), гетеролитические (ионные) и молекулярные (без участия радикалов или ионов, когда разрыв и образование связей происходит синхронно или согласованно) реакции.

Химические реакции

Гомолитические Гетеролитические Молекулярные

А-В А В

А-В ® А× + В× А-В ® А+ + В- С-D С D

Вопросы для проверки знаний

В чем различие между реакциями соединения и разложения?

Какие реакции называют реакциями замещения и обмена?

В чем различие между гомогенными и гетерогенными реакциями?

Можно ли назвать реакции соединения, разложения, обмена и замещения окислительно-восстановительными?

Как классифицируют химические реакции по типу разрыва химической связи?

Упражнения

Классифицируйте реакцию С(т) + О2(г) = СО2(г): а) по числу и характеру реагирующих и образующихся веществ; б) по фазовому состоянию реагентов; в) по изменению степени окисления; г) по типу разрыва химических связей.

Докажите, что реакция Zn(т) + CuSO4(р-р) = ZnSO4(р-р) + Cu(т) является гетерогенной.

Докажите, что горение метана является гомолитической реакцией.

**Гомолитические реакции органических соединений

В гомолитических реакциях принимают участие радикалы (атомы или молекулы), то есть частицы, имеющие неспаренные электроны. Появление радикалов связано с распариванием электронов ковалентной связи. Происходит симметричный разрыв ковалентной связи:

Н3С : Н ® Н3С× + ×Н

радикалы

С6Н5(СН3)2С : Н ® С6Н5(СН3)2С× + ×Н

радикалы

В обобщенном виде гомолитическая диссоциация ковалентной связи в органическом соединении записывается следующим образом:

R : R’ ® R× + ×R’

где R×и R’-свободные радикалы.

Обратный процесс - соединение свободных радикалов:

R× + ×R’ ® R : R

Для описания механизма любой конкретной реакции необходим большой объем информации.

Под механизмом в узком смысле этого слова подразумевается последовательность элементарных химических реакций превращения реагентов в продукты реакции. Подавляющее большинство неорганических и органических реакций являются сложными. В отличие от элементарной химической реакции, которая идет в один акт, в одно действие, сложная химическая реакция включает несколько элементарных химических реакций.

Галогенирование алканов является типичным примером радикальной реакции замещения. Это один из способов получения галогенпроизводных углеводородов в промышленности. Радикальное замещение происходит в несколько элементарных стадий. Начальной стадией является процесс инициирования радикальной реакции, ответственный за появление радикалов. Затем идут элементарные реакции образования продуктов реакции при участии радикалов. Следует также учитывать реакции обрыва цепи, т. е. соединения радикалов.

Инициирование радикальной реакции:

Инициирование - химическая реакция, приводящая к появлению свободных радикалов. Например, при хлорировании алканов появление свободных радикалов хлора вызывается разрывом связи в молекуле хлора:

Сl : Cl ® Cl× + ×Cl

2. Стадия продолжения цепи:

На этой стадии происходит образование продуктов реакции в результате непрерывно повторяющихся реакций радикального замещения:

R : H + Cl× ® R× + HCl

R× + Сl : Cl ® R : Cl + ×Cl×

3. Обрыв цепи:

Гибель свободных радикалов, участвующих в стадии продолжения цепи, осуществляется в результате соединения радикальных частиц:

Cl× + ×Cl ® Сl : Cl

R× + ×R ® R : R

R× + ×Cl ® R : Cl

Механизм вышеуказанного радикального замещения реализуется в реакциях фотохимического хлорирования метана и этана. Ниже представлены стехиометрические уравнения сложных реакций образования хлористого метила и хлористого этила:

СН4 + Сl2 ® CH3Cl + HCl

C2H6 + Cl2 ® C2H5Cl + HCl

Реакции окисления углеводородов также относятся к реакциям радикального замещения. Они осуществляются при взаимодействии органического соединения с кислородом. В качестве инициатора используются соли металлов переменной валентности.

По механизму радикального присоединения идут реакции радикальной полимеризации и присоединения различных реагентов (галогенов, галогеноводородов и др.) к двойной и тройной связи органических соединений.

Вопросы для проверки знаний

Какие частицы называют радикалами?

В чем сущность инициирования радикальной реакции?

На какой стадии радикальной реакции образуются продукты реакции?

Какой процесс рассматривают как обрыв радикальной цепи?

Почему радикальные реакции с участием алкенов и алкинов относят к реакциям радикального присоединения?

К какому типу радикальных реакций (присоединения, замещения) относят реакции радикальной полимеризации?

Упражнения

Напишите последовательность элементарных реакций образования хлористого метила при фотохимическом хлорировании метана

Напишите последовательность элементарных реакций хлорирования этилена.

Напишите последовательность элементарных реакций полимеризации этилена.

**Гетеролитические реакции органических соединений

В гетеролитических реакциях принимают участие ионы и молекулы, содержащие на одном из атомов неподеленную электронную пару или вакантную орбиталь. Появление ионов связано с несимметричным разрывом ковалентной связи и образованием одновременно отрицательно и положительно заряженных частиц:

N : E = N:- + E+

или конкретно:

(СН3)3С : Cl = (СН3)3С+ + : Cl-

Реагенты, участвующие в гетеролитических реакциях, называются нуклеофилами и электрофилами. Нуклеофил (N:-) - частица, имеющая неподеленную электронную пару. Нуклеофил «любит» положительно заряженные частицы. К нуклеофилам относятся отрицательно заряженные частицы, такие, как бромид-ион Br-, хлорид-ион Cl-, гидроксид-ион НО-, алкоксид-ион RO- и многие другие анионы. К нуклеофилам также относятся незаряженные молекулы, имеющие неподеленную электронную пару, например, (СН3)3N:, (СН3)3Р: и др.

Электрофил (Е+) - частица, характеризующаяся наличием вакантной орбитали. Электрофил «любит» отрицательно заряженные ионы. К электрофилам относятся карбкатионы типа (СН3)3С+, бромид- и хлорид-ионы Br+, Cl+, ион Н3О+, нитрозил-ион NO2+ и многие другие катионы. К электрофилам относятся соединения, содержащие вакантную орбиталь, например (СН3)3Al , (СН3)3Ga .

Гетеролитические реакции органических соединений подразделяются на реакции электрофильного замещения и присоединения и нуклеофильного замещения и присоединения. Приведем пример одной из них.

Алкилирование бензола пропиленом является реакцией электрофильного замещения. В качестве катализатора используется AlCl3 или другие галогениды металлов и кислоты. Электрофильное замещение осуществляется в три стадии.

Образование электрофила (E+):

СН3-СН=СН2 + НСl +AlCl3 ® СН3-С+Н-СН3×AlCl4-

(Е+)

Образование комплекса электрофил-бензол:

С6Н6 + СН3-С+Н-СН3×AlCl4- ® С6Н6 СН(СН3)2×AlCl4-

Распад комплекса и образование продуктов реакции:

С6Н6 СН(СН3)2×AlCl4- ® С6Н5С(СН3)2 + НСl + AlCl3

изопропилбензол

Эти реакции используется в промышленности для получения изопропилбензола (кумола), который в свою очередь является исходным продуктом в производстве фенола и ацетона.

По механизму электрофильного присоединения идет взаимодействие алкенов с галогенами, галогеноводородами и водой в присутствии кислот. Реакции нуклеофильного присоединения характерны для альдегидов и кетонов.

Молекулярные реакции

В молекулярных реакциях происходит согласованное перераспределение связей. Связи рвутся и образуются одновременно. Так происходит, например, перегруппировка пероксида кремния (триметил-триметилсилилпероксисилана):