Что нужно знать до
Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.
Коротко о главном
Химические реакции делят на типы по разным признакам: по числу и составу веществ, по тепловому эффекту, по агрегатному состоянию, по обратимости, по участию катализатора и по изменению степеней окисления. Одну реакцию можно описать сразу по всем признакам.
Это замещение, экзотермическая, гетерогенная, необратимая, некаталитическая и окислительно-восстановительная реакция.
Подробное объяснение
Библиотекарь может расставить книги по авторам, по жанрам или по году издания — и каждая расстановка по-своему удобна. С химическими реакциями так же: признаков классификации несколько, и каждый отвечает на свой вопрос о реакции.
По числу и составу веществ
- Соединение: из двух или нескольких веществ получается одно сложное. \(\mathrm{CaO} + \mathrm{CO_2} \rightarrow \mathrm{CaCO_3}\).
- Разложение: из одного сложного вещества — два или больше. \(2\mathrm{KNO_3} \xrightarrow{t} 2\mathrm{KNO_2} + \mathrm{O_2}\uparrow\).
- Замещение: атомы простого вещества занимают место атомов элемента в сложном. \(\mathrm{Mg} + \mathrm{CuCl_2} \rightarrow \mathrm{MgCl_2} + \mathrm{Cu}\).
- Обмен: два сложных вещества обмениваются составными частями. \(\mathrm{AgNO_3} + \mathrm{NaCl} \rightarrow \mathrm{AgCl}\downarrow + \mathrm{NaNO_3}\).
Реакция кислоты со щёлочью, в которой получаются соль и вода, — нейтрализация, частный случай обмена. Реакцию, по которой узнают вещество (по осадку, газу, цвету), называют качественной: например, ионы \(\mathrm{Ba^{2+}}\) обнаруживают по белому осадку \(\mathrm{BaSO_4}\).
По тепловому эффекту
Экзотермические реакции выделяют теплоту (горение газа на плите), эндотермические — поглощают (разложение известняка в печи). Количество теплоты называют тепловым эффектом \(Q\) и измеряют в кДж или кДж/моль. У экзотермических \(Q > 0\), у эндотермических \(Q < 0\). Уравнение с указанным тепловым эффектом — термохимическое:
Число относится к тем количествам веществ, которые стоят в уравнении: здесь — к 1 моль углерода. Если веществ вдвое больше, теплоты тоже вдвое больше.
По агрегатному состоянию
Фаза — однородная часть системы, отделённая от других границей. В гомогенных реакциях все реагенты в одной фазе: смесь газов или раствор. В гетерогенных реагенты в разных фазах, и реакция идёт на границе: кусочек цинка в кислоте, уголь в кислороде.
По обратимости
Необратимые реакции идут до конца в одну сторону: сгоревшую серу обратно в серу и кислород не разложить. Обратимые при одних и тех же условиях идут в обе стороны, их записывают со знаком \(\rightleftarrows\).
По катализатору
Катализатор ускоряет реакцию, но сам не расходуется. Реакции с ним — каталитические, без него — некаталитические. Если катализатор — белок-фермент живой клетки, реакцию называют ферментативной.
По изменению степеней окисления
Если у каких-то элементов меняется степень окисления, это окислительно-восстановительная реакция (ОВР). Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается, восстановитель отдаёт электроны и окисляется. Подсказка: реакции с участием простых веществ почти всегда ОВР, а реакции обмена — никогда.
Как решать задачи
- Определите тип по составу: посчитайте исходные вещества и продукты, отметьте простые и сложные.
- Расставьте степени окисления — если они меняются, это ОВР; найдите окислитель и восстановитель.
- Посмотрите на агрегатные состояния реагентов: одна фаза или разные.
- Для расчёта по термохимическому уравнению найдите \(n = m/M\) или \(n = V/V_m\) (\(V_m = 22{,}4\) л/моль при н. у.).
- Составьте пропорцию: коэффициент вещества в уравнении — тепловой эффект, найденное \(n\) — искомая теплота.
Разобранные примеры
Определяем тип реакций
Определите тип каждой реакции по числу и составу веществ:
- \(\mathrm{N_2} + 3\mathrm{H_2} \rightarrow 2\mathrm{NH_3}\); 2) \(\mathrm{Fe(OH)_2} \xrightarrow{t} \mathrm{FeO} + \mathrm{H_2O}\); 3) \(\mathrm{CuO} + 2\mathrm{HNO_3} \rightarrow \mathrm{Cu(NO_3)_2} + \mathrm{H_2O}\).
-
Из двух простых веществ — одно сложное: соединение.
-
Из одного сложного — два новых: разложение.
-
Оба исходных вещества сложные, медь и водород меняются местами: обмен. Это не замещение — простых веществ в реакции нет.
Расчёт по термохимическому уравнению
Водород горит по уравнению \(2\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{H_2O} + 572\) кДж. Сколько теплоты выделится при сгорании 8 г водорода?
- \(m(\mathrm{H_2}) = 8\) г
- \(Q\)
\(M(\mathrm{H_2}) = 2\) г/моль, \(n(\mathrm{H_2}) = \dfrac{8}{2} = 4\) моль.
По уравнению 2 моль водорода дают 572 кДж. Пропорция: 2 моль — 572 кДж, 4 моль — \(x\) кДж.
Описываем реакцию по всем признакам
Магниевую стружку опустили в соляную кислоту: \(\mathrm{Mg} + 2\mathrm{HCl} \rightarrow \mathrm{MgCl_2} + \mathrm{H_2}\uparrow\), пробирка нагрелась. Охарактеризуйте реакцию по всем признакам и составьте электронный баланс.
По составу: простое вещество Mg вытесняет водород из кислоты — замещение. Пробирка нагрелась — реакция экзотермическая. Магний твёрдый, кислота — раствор: реакция гетерогенная. Продукты обратно в магний и кислоту не превращаются — необратимая. Катализатор не нужен — некаталитическая.
Степени окисления меняются, это ОВР:
Число отданных и принятых электронов одинаково (по 2), коэффициенты в уравнении верны.
Типичные ошибки
Реакцию \(\mathrm{CuO} + \mathrm{H_2SO_4} \rightarrow \mathrm{CuSO_4} + \mathrm{H_2O}\) называют замещением: «медь заместила водород». Но в замещении обязательно участвует простое вещество, а здесь оба реагента сложные.
Сначала посмотрите, есть ли среди реагентов простое вещество. Есть, и оно вытесняет элемент из сложного, — замещение. Оба реагента сложные и обмениваются частями — обмен.
В уравнении \(2\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{H_2O} + 572\) кДж считают, что 572 кДж выделяет 1 моль водорода. На самом деле это теплота для 2 моль, и ответ получается вдвое больше верного.
Тепловой эффект относится к числу моль, равному коэффициенту. Пропорцию составляйте именно с коэффициентом: 2 моль H₂ — 572 кДж.
Рассуждают по названию: «окислитель окисляется». Получается наоборот.
Окислитель забирает электроны у другого вещества и сам при этом восстанавливается: его степень окисления понижается. Восстановитель отдаёт электроны и окисляется: степень окисления растёт.
Проверь себя
Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.
-
Какая из реакций относится к реакциям обмена?
Показать ответ
Ответ: В) $\mathrm{KOH} + \mathrm{HNO_3} \rightarrow \mathrm{KNO_3} + \mathrm{H_2O}$
В реакции нейтрализации два сложных вещества обмениваются составными частями — это частный случай реакции обмена.
-
Какие реакции являются окислительно-восстановительными?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) $\mathrm{Fe} + \mathrm{CuSO_4} \rightarrow \mathrm{FeSO_4} + \mathrm{Cu}$; В) $2\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{H_2O}$
В первой и третьей реакциях участвуют простые вещества, и степени окисления железа, меди, водорода и кислорода меняются; в реакциях обмена степени окисления не меняются.
-
Каков знак теплового эффекта эндотермической реакции?
Показать ответ
Ответ: Б) Q < 0
Эндотермическая реакция поглощает теплоту, поэтому её тепловой эффект отрицателен. Катализатор тепловой эффект не меняет.
-
По уравнению \(2\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{H_2O} + 572\) кДж определите, сколько килоджоулей выделяется при образовании 1 моль воды.
Показать ответ
Ответ: 286
572 кДж приходится на 2 моль воды, на 1 моль — вдвое меньше, \(572 / 2 = 286\) кДж.
-
Как называют реакцию, которую ускоряет белковый катализатор, например каталаза?
Показать ответ
Ответ: В) Ферментативная
Белковые биологические катализаторы — ферменты, а реакции с их участием называют ферментативными.
Результат:
Задачи для тренировки
От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.
К какому типу по числу и составу веществ относится реакция \(2\mathrm{Al(OH)_3} \xrightarrow{t} \mathrm{Al_2O_3} + 3\mathrm{H_2O}\)?
Подсказка
Посчитайте, сколько веществ вступает в реакцию и сколько образуется.
Решение
Из одного сложного вещества — гидроксида алюминия — получаются два новых, оксид алюминия и вода. Это признак реакции разложения.
Ответ
Термохимическое уравнение: \(\mathrm{CaCO_3} \rightarrow \mathrm{CaO} + \mathrm{CO_2} - 180\) кДж. Экзотермическая это реакция или эндотермическая?
Подсказка
Посмотрите на знак перед числом килоджоулей.
Решение
Знак «минус» перед тепловым эффектом означает, что теплота поглощается, \(Q < 0\). Такие реакции называют эндотермическими. Известняк действительно приходится долго прокаливать в печи.
Ответ
При горении серы \(\mathrm{S} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{SO_2} + 297\) кДж. Сколько теплоты выделится при сгорании 16 г серы?
Подсказка
Найдите количество вещества серы, \(n = m/M\).
Решение
- \(m(\mathrm{S}) = 16\) г
- \(Q_1 = 297\) кДж на 1 моль S
- \(Q\)
\(M(\mathrm{S}) = 32\) г/моль, \(n(\mathrm{S}) = \dfrac{16}{32} = 0{,}5\) моль.
По уравнению 1 моль серы даёт 297 кДж, значит \(Q = 0{,}5 \cdot 297 = 148{,}5\) кДж.
Ответ
Горение метана: \(\mathrm{CH_4} + 2\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2} + 2\mathrm{H_2O} + 880\) кДж. Сколько теплоты выделится при сгорании 11,2 л метана (н. у.)?
Подсказка
При н. у. 1 моль газа занимает 22,4 л.
Решение
- \(V(\mathrm{CH_4}) = 11{,}2\) л
- \(V_m = 22{,}4\) л/моль
- \(Q\)
\(n(\mathrm{CH_4}) = \dfrac{11{,}2}{22{,}4} = 0{,}5\) моль.
В уравнении перед метаном коэффициент 1, на 1 моль приходится 880 кДж, поэтому \(Q = 0{,}5 \cdot 880 = 440\) кДж.
Ответ
Окисление меди: \(2\mathrm{Cu} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{CuO} + 311\) кДж. Выделилось 62,2 кДж теплоты. Какая масса меди вступила в реакцию?
Подсказка
311 кДж выделяется при реакции 2 моль меди, а не 1 моль.
Решение
- \(Q = 62{,}2\) кДж; по уравнению 2 моль Cu дают 311 кДж
- \(m(\mathrm{Cu})\)
Составим пропорцию: 2 моль Cu — 311 кДж, \(x\) моль Cu — 62,2 кДж.
\(x = \dfrac{2 \cdot 62{,}2}{311} = 0{,}4\) моль.
\(m(\mathrm{Cu}) = n \cdot M = 0{,}4 \cdot 64 = 25{,}6\) г.
Ответ
Хлорную воду прилили к раствору иодида калия: \(\mathrm{Cl_2} + 2\mathrm{KI} \rightarrow 2\mathrm{KCl} + \mathrm{I_2}\). Определите тип реакции по составу, укажите окислитель и восстановитель.
Подсказка
Расставьте степени окисления хлора и иода до и после реакции.
Решение
Простое вещество \(\mathrm{Cl_2}\) вытесняет иод из сложного вещества — это реакция замещения.
Степени окисления меняются: \(\mathrm{\overset{0}{Cl}} \rightarrow \mathrm{\overset{-1}{Cl}}\) (хлор принимает электроны), \(\mathrm{\overset{-1}{I}} \rightarrow \mathrm{\overset{0}{I}}\) (иод отдаёт электроны). Значит, это ОВР: \(\mathrm{Cl_2}\) — окислитель, он восстанавливается; \(\mathrm{KI}\) (иодид-ион) — восстановитель, он окисляется.
Ответ
Для родителя
Как объяснить за 5 минут. Возьмите ложку соды и немного уксуса: смесь шипит — это обмен, газ \(\mathrm{CO_2}\) уходит, обратно ничего не вернёшь (реакция необратимая). Зажгите спичку — горение выделяет тепло, это экзотермическая реакция. Предложите ребёнку для каждой реакции ответить на шесть вопросов по схеме: сколько веществ, выделяется ли тепло, одна ли фаза, обратима ли, нужен ли катализатор, меняются ли степени окисления. Вопросы для проверки понимания: 1) Чем реакция замещения отличается от обмена? 2) Почему горение — экзотермическая реакция? 3) Кто принимает электроны — окислитель или восстановитель? На что обратить внимание. Типы по разным признакам не исключают друг друга: одна реакция одновременно может быть замещением, экзотермической и ОВР. Проверьте, что в расчётах ребёнок учитывает коэффициенты уравнения.