Хими?ческая реа?кция
? превращение одного или нескольких исходных
веществ
(реагентов) в другие вещества (продукты), при котором ядра
атомов
не меняются, при этом происходит перераспределение
электронов
и
ядер
, и образуются новые химические вещества. В отличие от
ядерных реакций
, при химических реакциях не изменяется общее число ядер атомов и
изотопный
состав
химических элементов
.
Химические реакции происходят при смешении или физическом контакте реагентов самопроизвольно, при нагревании, участии
катализаторов
(
катализ
), действии
света
(
фотохимические реакции
),
электрического тока
(
электродные процессы
),
ионизирующих излучений
(радиационно-химические реакции), механического воздействия (
механохимические реакции
), в низкотемпературной
плазме
(
плазмохимические реакции
) и т. п. Взаимодействие молекул между собой происходит по цепному маршруту:
ассоциация ? электронная
изомеризация
?
диссоциация
, в котором активными частицами являются
радикалы
,
ионы
,
координационно-ненасыщенные соединения
.
Скорость химической реакции
определяется концентрацией активных частиц и разницей между
энергиями связи
разрываемой и образуемой.
Химические процессы, протекающие в веществе, отличаются и от физических процессов, и от ядерных превращений. В физических процессах каждое из участвующих веществ сохраняет неизменным свой состав (хотя вещества могут образовывать
смеси
), но могут изменять внешнюю форму или
агрегатное состояние
.
В химических процессах (химических реакциях) получаются новые вещества с отличными от реагентов свойствами, но никогда не образуются атомы новых
элементов
, так как ядра остаются прежними, а все изменения происходят в электронной оболочке.
В ядерных реакциях происходят изменения в
атомных
ядрах всех участвующих элементов, что приводит к образованию атомов новых элементов.
Существует большое количество признаков, по которым можно классифицировать химические реакции.
а) между реагентами
Гомогенная химическая реакция ?
химическая реакция, протекающая в пределах одной
фазы
. (
реагенты
находятся в одной фазе)
Гетерогенная химическая реакция ?
химическая реакция, протекающая на границе раздела фаз. (
реагенты
в разных фазах, например маслянистое вещество с водой; твёрдый реагент с жидким реагентом и т.д.)
В многостадийной химической реакции некоторые стадии могут быть гомогенными, а другие ? гетерогенными. Такие реакции называются
гомогенно-гетерогенными
[1]
.
б) между реагентами и продуктами
В зависимости от числа фаз, которые образуют исходные вещества и продукты реакции, химические процессы могут быть
гомофазными
(исходные вещества и продукты находятся в пределах одной фазы) и
гетерофазными
(исходные вещества и продукты образуют несколько фаз).
Гомо- и гетерофазность
реакции не связана с тем, является ли реакция
гомо
- или
гетерогенной
[2]
. Поэтому можно выделить четыре типа процессов:
- Гомогенные гомофазные реакции
. В реакциях такого типа реакционная смесь является гомогенной, а реагенты и продукты принадлежат одной и той же фазе. Примером таких реакций могут служить реакции ионного обмена, например, нейтрализация раствора кислоты раствором щёлочи:
- Гетерогенные гомофазные реакции
. Компоненты находятся в пределах одной фазы, однако реакция протекает на границе раздела фаз, например, на поверхности катализатора. Примером может быть гидрирование этилена на никелевом катализаторе:
- Гомогенные гетерофазные реакции
. Реагенты и продукты в такой реакции существуют в пределах нескольких фаз, однако реакция протекает в одной фазе. Так может проходить окисление углеводородов в жидкой фазе газообразным кислородом.
- Гетерогенные гетерофазные реакции
. В этом случае реагенты находятся в разном фазовом состоянии, продукты реакции также могут находиться в любом фазовом состоянии. Реакционный процесс протекает на границе раздела фаз. Примером может служить реакция солей угольной кислоты (карбонатов) с кислотами Бренстеда:
- Если в процессе реакции происходит изменение степеней окисления реагентов, то такие реакции называются
окислительно-восстановительными реакциями
: атомы одного элемента (окислителя) восстанавливаются, то есть присоединяют электроны и понижают свою степень окисления, а атомы другого элемента (восстановителя) окисляются, то есть отдают электроны и повышают свою
степень окисления
. Частным случаем окислительно-восстановительных реакций являются реакции конпропорционирования, в которых окислителем и восстановителем являются атомы одного и того же элемента, находящиеся в разных степенях окисления.
Пример окислительно-восстановительной реакции ?
горение
водорода
(восстановитель) в
кислороде
(окислитель) с образованием
воды
:
Пример реакции
конпропорционирования
? реакция разложения нитрата аммония при нагревании. Окислителем в данном случае выступает азот (+5) нитрогруппы, а восстановителем ? азот (-3) катиона аммония:
- Не относятся к окислительно-восстановительным реакции, в которых не происходит изменения степеней окисления атомов, например:
Все химические реакции сопровождаются выделением или поглощением энергии. При
разрыве химических связей в реагентах выделяется энергия
, которая в основном идёт на образование новых химических связей. В некоторых реакциях энергии этих процессов близки, и в таком случае общий тепловой эффект реакции приближается к нулю.
В остальных случаях можно выделить:
- экзотермические реакции
, которые идут с выделением тепла, (положительный тепловой эффект) например, указанное выше горение водорода
- эндотермические реакции
в ходе которых тепло поглощается (отрицательный тепловой эффект) из окружающей среды.
Тепловой эффект реакции (энтальпию реакции, Δ
r
H), часто имеющий очень важное значение, можно вычислить по
закону Гесса
, если известны
энтальпии образования
реагентов и продуктов. Когда сумма энтальпий продуктов меньше суммы энтальпий реагентов (Δ
r
H < 0) наблюдается выделение тепла, в противном случае (Δ
r
H > 0) ? поглощение.
Химические реакции всегда сопровождаются физическими эффектами: поглощением или выделением
энергии
, изменением окраски реакционной смеси и др. Именно по этим физическим эффектам часто судят о протекании химических реакций.
- Реакция соединения
? химическая реакция, в результате которой из двух или большего числа исходных веществ образуется только одно новое. В такие реакции могут вступать как простые, так и сложные вещества.
Пример:
- Реакция разложения
? химическая реакция, в результате которой из одного вещества образуется несколько новых веществ. В реакции данного типа вступают только сложные соединения, а их продуктами могут быть как сложные, так и простые вещества.
Пример:
- Реакция замещения
? химическая реакция, в результате которой атомы одного элемента, входящие в состав простого вещества, замещают атомы другого элемента в его сложном соединении. Как следует из определения, в таких реакциях одно из исходных веществ должно быть простым, а другое сложным.
Пример:
- Реакции обмена
? реакция, в результате которой два сложных вещества обмениваются своими составными частями. К таким реакциям относится в том числе реакция нейтрализации.
Пример:
- Необратимыми
называют химические реакции, протекающие лишь в одном направлении (≪слева направо
≫), в результате чего исходные вещества превращаются в продукты реакции. О таких химических процессах говорят, что они протекают ≪до конца≫. К ним относят реакции горения, а также реакции, сопровождающиеся образованием малорастворимых или газообразных веществ.
- Обратимыми
называются химические реакции, протекающие одновременно в двух противоположных направлениях (≪слева направо≫ и ≪справа налево≫
). В уравнениях таких реакций знак равенства заменяется двумя противоположно направленными стрелками. Среди двух одновременно протекающих реакций различают прямую (протекает ≪слева направо≫) и обратную (протекает ≪справа налево≫). Поскольку в ходе обратимой реакции исходные вещества одновременно и расходуются, и образуются, они не полностью превращаются в продукты реакции. Поэтому об обратимых реакциях говорят, что они протекают ≪не до конца≫. В результате всегда образуется смесь исходных веществ и продуктов взаимодействия.
- Каталитическими
называют реакции, протекающие в присутствии катализаторов. В уравнениях таких реакций химическую формулу катализатора указывают над знаком равенства или обратимости, иногда вместе с обозначением условий протекания (температура t, давление p). К реакциям данного типа относятся многие реакции разложения и соединения.
- Некаталитическими
называются многие реакции, протекающие в отсутствие катализаторов. Это, например, реакции обмена и замещения.
Самопроизвольность показывает на способность протекания химических реакций как при нормальных условиях (T = 298 K, P = 101325 Па или 1 атм), так и при различных значениях температуры и давления. Критерием самопроизвольности протекания химических реакций служит
свободная энергия Гиббса
ΔG. Энергия Гиббса представляет собой разность двух разнонаправленных термодинамических критериев ?
энтальпийного
ΔH (который стремится к уменьшению энтальпии) и
энтропийного
? TΔS (который стремится к увеличению энтропии):
Исходя из данного критерия, химические реакции делятся на:
- Самопроизвольные или
экзергонические
, когда величина энергии Гиббса отрицательна, то есть ΔG < 0
- Несамопроизвольные или
эндергонические
, когда величина энергии Гиббса положительна, то есть ΔG > 0
- Равновесные
, когда величина энергии Гиббса равна нулю, то есть ΔG = 0
С помощью химических реакций можно получать практически любые вещества, которые в природе находятся в ограниченных количествах, например, азотные удобрения, либо вообще не встречаются по каким-либо причинам, например сульфаниламиды и другие синтетические лекарственные препараты,
полиэтилен
и другие
пластмассы
.
Химия
позволяет
синтезировать
новые, неизвестные природе вещества, необходимые для
жизнедеятельности
человека
.
- Эмануэль Н. М., Кнорре Д. Г.
Курс химической кинетики. ? 4-е изд., переработанное и дополненное. ?
М.
: Высшая школа, 1984. ? 463 с.
- Химия: Справ. изд./ В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.: Пер. с нем. ? М.: Химия, 1989.
- Басоло Ф., Пирсон Р.
Механизмы неорганических реакций. ?
М.
: Мир, 1971. ? 591 с.
- Воронин А. И., Ошеров В. И., Динамика молекулярных реакций. М.: Наука, 1990. ? 421с.
- Воробьев А. Х.,
Лекции по теории элементарного акта химических реакций в конденсированной фазе.
МГУ, 2000.
- Ганкин В. Ю., Ганкин Ю. В., Как образуется химическая связь и протекают химические реакции. М.: Граница, 2007.-319 с.
- Никитин Е. Е., Теория элементарных атомно-молекулярных процессов в газах. М., Химия, 1970.
- Салем Л.
Электроны в химических реакциях.
М.: Мир, 1985. 299 c.
- Тоуб М.
Механизмы неорганических реакций. ?
М.
: Мир, 1975. ? 275 с.
- Глесстон С., Лейдлер К., Эйринг Г. Теория абсолютных скоростей реакций. М.: ГИИЛ, 1948. ? 584 с.
- Уманский С. Я. Теория элементарных химических реакций. Интеллект, 2009. ? 408с.
- Степанов Н. Ф.
≪Сложный мир элементарных актов химических реакций≫
(недоступная ссылка)
Соросовский образовательный журнал, 1996, № 11, с. 30-36.
- Степанов Н. Ф.
≪Потенциальные поверхности и химические реакции≫
(недоступная ссылка)
Соросовский образовательный журнал, 1996, № 10, с. 33-41.\