Цели урока. Обобщить представление о химической реакции как о процессе превращения одного или нескольких исход­ных веществ-реактивов в отличающиеся от них по химиче­скому составу или строению вещества - продукты ре­акции. Рассмотреть некоторые из многочисленных класси­фикаций химических реакций по различным признакам. Показать применимость таких классификаций для неорга­нических и органических реакций. Раскрыть относитель­ный характер различных типов химических реакций и взаимосвязь различных классификаций химических про­цессов.

Понятие о химических реакциях, их классификация по различным признакам в сравнении для неорганических и органических веществ

Химическая реакция - это такое изменение веществ, при котором разрываются ста­рые и образуются новые химические связи между частицами («томами, ионами), из которых построены вещества (слайд 2).

Химические реакции классифицируются:
1. По числу и составу реагентов и продуктов (слайд 3)
а) разложения (слайд 4)
Реакции разложения в органической химии, в отличие от реакций разложения в неорганической химии, имеют свою специфику. Их можно рассматривать как процессы, обратные присоединению, поскольку в результате ча­ще всего образуются кратные связи или циклы.
б) соединения (слайд 5)
Для того чтобы вступить в реакцию присоединения, органическая молекула должна иметь кратную связь (или цикл), эта молекула будет главной (субстрат). Молекула попроще (часто неорганическое вещество, реагент) присоединяется по месту разрыва кратной связи или раскрытия цикла.
в) замещения (слайд 6)
Их отличительный признак - взаимодействие простого вещества со сложным. Такие реакции есть и в органической химии.
Однако понятие «замещение» в органике шире, чем в неорганической химии. Если в молекуле исходного вещества какой-либо атом или функциональная группа заменяются на другой атом или группу, это тоже реакции замещения, хотя с точки зрения неорганической химии процесс выглядит как реакция обмена.
г) обмена (в том числе и нейтрализации) (слайд 7)
Рекомендуется провести в форме лабораторной работы согласно уравнений реакций, предложенных в презентации

2. По тепловому эффекту (слайд 8)
а) эндотермические
б) экзотермические (в том числе и реакции горения)
В презентации предложены реакции из неорганической и органической химии Реакции соединения будут реак­циями экзотермическими, а реакции разложения - эндотер­мическими (относительность этого вывода подчеркнет редкое исключение - реакция азота с кислородом - эндотермиче­ская:
N 2 + 0 2 -> 2 NO - Q

3. По использованию катализатора (слайд 9)
б) некаталитические

4. По направлению (слайд 10)
а) каталитические (в том числе и ферментативные)
б) некаталитические

5. По фазе (слайд 11)
а) гомогенные
б) гетерогенные

6. По изменению степени окисления элементов, образующих реагенты и продукты (слайд 12)
а) окислительно-восстановительные
б) без изменения степени окисления
К окислительно-восстановительным в неорганической химии относятся все реакции замещения и те реакции разло­жения и соединения, в которых участвует хотя бы одно прос­тое вещество. В более обобщенном варианте (уже с учетом и органической химии): все реакции с участием простых ве­ществ. И наоборот, к реакциям, идущим без изменения степе­ней окисления элементов, образующих реагенты и продукты реакции, относятся все реакции обмена.

Закрепление изученной темы (слайд13-21).

Итог урока.

Цели урока. Дать понятие о карбоновых кислотах и их классификации в сравнении с минеральными кислотами. Рассмотреть основы международной и тривиальной номенклатуры и изомерию этого типа органических соединений. Разобрать строение карбоксильной группы и спрогнозировать химическое поведение карбоновых кислот. Рассмотреть общие свойства карбоновых кислот в сравнение со свойствами минеральных кислот. Дать понятие об особенных свойствах карбоновых кислот (реакции по радикалу и образование функциональных производных). Познакомить учащихся с наиболее характерными представителями карбоновых кислот и показать их значение в природе и в жизни человека.

Карбоновые кислоты - класс органических соединений, молекулы которого содержат карбоксильную группу - COOH. Состав предельных одноосновных карбоновых кислот соответствует общей формуле (Слайд 2)

Карбоновые кислоты классифицируются:
По числу карбоксильных групп карбоновые кислоты делятся на (Слайд 3):

• монокарбоновые или одноосновные (уксусная кислота)
• дикарбоновые или двухосновные (щавелевая кислота)

В зависимости от строения углеводородного радикала, с которым связана карбоксильная группа, карбоновые кислоты делятся на:

• алифатические (уксусная или акриловая)
• алициклические (циклогексанкарбоновая)
• ароматические (бензойная, фталевая)

Примеры кислот (Слайд 4)

Изомерия и строение карбоновых кислот
1.Изомерия углеродной цепи (Слайд 5)
2. Изомерия положения кратной связи, например:
СН 2 = СН – СН 2 – СООН Бутен-3-овая кислота (винилуксусная кислота)
СН 3 – СН = СН – СООН Бутен-2-овая кислота (кротоновая кислота)

3. Цис-, транс-изомерия, например:

Строение (Слайд 6)
Карбоксильная группа СООН состоит из карбонильной группы С=О и гидроксильной группы ОН.
В группе СО атом углерода несет частичный положительный заряд и притягивает к себе электронную пару атома кислорода в группе ОН. При этом электронная плотность на атоме кислорода уменьшается, и связь О-Н ослабляется:

В свою очередь, группа ОН "гасит" положительный заряд на группе СО.

Физические и химические свойства карбоновых кислот
Низшие карбоновые кислоты - жидкости с острым запахом, хорошо растворимые в воде. С повышением относительной молекулярной массы растворимость кислот в воде уменьшается, а температура кипения повышается. Высшие кислоты, начиная с пеларгоновой

С 8 Н 17 СООН - твердые вещества, без запаха, нерастворимые в воде.
Наиболее важные химические свойства, характерные для большинства карбоновых кислот (Слайд 7,8):
1) Взаимодействие с активными металлами:
2 CH 3 COOH + Mg(CH 3 COO)2 Mg + H 2

2) Взаимодействие с оксидами металлов:
2СН 3 СООН + СаО(СН 3 СОО) 2 Са + Н 2 О

3)Взаимодействие с основаниями:
CH 3 COOH + NaOHCH 3 COONa + H 2 O

4) Взаимодействие с солями:
CH 3 COOH + NaHCO 3 CH 3 COONa + СО 2 + Н 2 О

5) Взаимодействие со спиртами (реакция этерификации):
CH 3 COOH + СН 3 СН 2 ОНCH 3 COOСН 2 СН 3 + H 2 O

6) Взаимодействие с аммиаком:
CH 3 COOH + NH 3 CH 3 COONH 4
При нагревании аммонийных солей карбоновых кислот образуются их амиды:
CH 3 COONH 4 CH 3 CONH 2 + H 2 O
7) Под действием SOC l2 карбоновые кислоты превращаются в соответствующие хлорангидриды.
CH 3 COOH + SOC l2 CH 3 COCl + HCl + SO 2

4. Межклассовая изомерия: например: С 4 Н 8 О 2
СН 3 – СН 2 – СО – О – СН з метиловый эфир пропановой кислоты
СН 3 – СО – О – CH 2 – СН 3 этиловый эфир этановой кислоты
С3Н 7 – СООН бутановая кислота

(Слайд 9,10)
1. Окисление альдегидов и первичных спиртов - общий способ получения карбоновых кислот:

2. Другой общий способ - гидролиз галогензамещенных углеводородов, содержащих три атома галогена у одного атома углерода:

3 NaCl
3. Взаимодействие реактива Гриньяра с СО2:

4. Гидролиз сложных эфиров:

5. Гидролиз ангидридов кислот:

Способы получения карбоновых кислот
Для отдельных кислот существуют специфические способы получения(Слайд 11):
Для получения бензойной кислоты можно использовать окисление монозамещенных гомологов бензола кислым раствором перманганата калия:

Уксусную кислоту получают в промышленных масштабах каталитическим окислением бутана кислородом воздуха:

Муравьиную кислоту получают нагреванием оксида углерода (II) с порошкообразным гидроксидом натрия под давлением и обработкой полученного формиата натрия сильной кислотой:

Применение карбоновых кислот (Слайд 12)

Закрепление изученной темы (слайд13-14).

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Классификация химических реакций

Химические реакции – химические 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. Признаки химических реакций: Выделяется газ Выпадет осадок 3) Происходит изменение окраски веществ Выделяется или поглощается тепло, свет

Химические реакции в неорганической химии

Химические реакции в неорганической химии

Химические реакции в неорганической химии 1. По изменению степеней окисления химических элементов: Окислительно-восстановительные реакции: Окислительно-восстановительные реакции – это реакции, идущие с изменением степеней окисления элементов. Межмолекулярная - это реакция, идущая с изменением степени окисления атомов в разных молекулах. -2 +4 0 2H 2 S + H 2 SO 3 → 3S + 3H 2 O +2 -1 +2.5 -2 2Na 2 S 2 O 3 + H 2 O 2 → Na 2 S 4 O 6 + 2NaOH

Химические реакции в неорганической химии 1. По изменению степеней окисления химических элементов, образующих вещества: Окислительно-восстановительные реакции: 2. Внутримолекулярная - это реакция, идущая с изменением степени окисления разных атомов в одной молекуле. -3 +5 t 0 +3 (NH4) 2 Cr 2 O 7 → N 2 + Cr 2 O 3 +4H 2 O Диспропорционирования - это реакция, идущая с одновременным увеличением и уменьшением степени окисления атомов одного и того же элемента. +1 +5 -1 3NaClO → NaClO 3 + 2NaCl

2 .1. Реакции, идущие без изменения состава веществ В неорганической химии к таким реакциям можно отнести процессы получения аллотропных модификаций одного химического элемента, например: С (графит) С (алмаз) 3О 2 (кислород) 2О 3 (озон) Sn (белое олово) Sn (серое олово) S (ромбическая) S (пластическая) P (красный) P (белый) Химические реакции в неорганической химии 2. По числу и составу реагирующих веществ:

Химические реакции в неорганической химии 2. По числу и составу реагирующих веществ: 2.2. Реакции, идущие с изменением состава вещества Реакции соединения – это реакции, при которых из двух и более веществ образуется одно сложное вещество. В неорганической химии все многообразие реакции соединения можно рассмотреть на примере реакции получения серной кислоты из серы: а) получение оксида серы(IV): S + O 2  SO 2 - из двух простых веществ образуется одно сложное, б) получение оксида серы(VI) : 2 SO 2 + O 2 2SO 3 - из простого и сложного веществ образуется одно сложное, в) получение серной кислоты: SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 - из двух сложных веществ образуется одно сложное.

Химические реакции в неорганической химии 2. По числу и составу реагирующих веществ: 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 блоке реакций получения кислорода лабораторными способами: а) разложение оксида ртути(II) : 2HgO  t 2Hg + O 2  - из одного сложного вещества образуются два простых. б) разложение нитрата калия: 2KNO 3  t 2KNO 2 + O 2  - из одного сложного вещества образуются одно простое и одно сложное. в) разложение перманганата калия: 2 KMnO 4 → t K 2 MnO 4 + MnO 2 +O 2 - из одного сложного вещества образуются два сложных и одно простое.

Химические реакции в неорганической химии 2. По числу и составу реагирующих веществ: 3. Реакции замещения – это такие реакции, в результате которых атомы простого вещества замещают атомы какого-нибудь элемента в сложном веществе. В неорганической химии примером таких процессов может служить блок реакций, характеризующих свойства металлов: а) взаимодействие щелочных или щелочноземельных металлов с водой: 2 Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2  Ca + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2  б) взаимодействие металлов с кислотами в растворе: Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2  в) взаимодействие металлов с солями в растворе: Fe + Cu SO 4 = FeSO 4 + Cu г) металлотермия: 2Al + Cr 2 O 3  t Al 2 O 3 + 2Cr

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, то есть только в том случае, если в результате образуется осадок, газ или малодиссоциирующее вещество (например, Н 2 О). В неорганической это может быть блок реакций, характеризующих свойства щелочей: а) реакция нейтрализации, идущая с образованием соли и воды: NaOH + HNO 3 = NaNO 3 + H 2 O или в ионном виде: ОН - + Н + = Н 2 О б) реакция между щелочью и солью, идущая с образованием газа: 2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 = CaCl 2 + 2NH 3  + 2 H 2 O в) реакция между щелочью и солью, идущая с образованием осадка: Си SO 4 + 2KOH = Cu(OH) 2  + K 2 SO 4 Химические реакции в неорганической химии 2. По числу и составу реагирующих веществ:

Химические реакции в неорганической химии 3. По тепловому эффекту: 3.1. Экзотермические реакции: Экзотермические реакции – это реакции, протекающие с выделением энергии во внешнюю среду. К ним относятся почти все реакции соединения. Экзотермические реакции, которые протекают с выделением света, относят к реакциям горения, например: 4Р + 5О 2 = 2Р 2 О 5 + Q 3.2. Эндотермические реакции: Эндотермические реакции – это реакции, протекающие с поглощением энергии во внешнюю среду. К ним относятся почти все реакции разложения, например: Обжиг известняка: СаСО 3  t CaO + CO 2  - Q

Химические реакции в неорганической химии 4. Обратимость процесса: 4.1. Необратимые реакции: Необратимые реакции протекают в данных условиях только в одном направлении. К таким реакциям можно отнести все реакции обмена, сопровождающиеся образованием осадка, газа или малодиссоциирующего вещества (воды) и все реакции горения: S + O 2  SO 2 ; 4 P + 5O 2  2P 2 O 5 ; Си SO 4 + 2KOH  Cu(OH) 2  + K 2 SO 4 4.2. Обратимые реакции: Обратимые реакции в данных условиях протекают одновременно в двух противоположных направлениях. Таких реакций подавляющее большинство. Например: 2 SO 2 + O 2 2SO 3 N 2 +3H 2 2NH 3

Катализаторы – это вещества, участвующие в химической реакции и изменяющие ее скорость или направление, но по окончании реакции остающиеся неизменными качественно и количественно. 5.1. Некаталитические реакции: Некаталитические реакции – это реакции, идущие без участия катализатора: 2HgO  t 2Hg + O 2  2Al + 6HCl  t 2AlCl 3 + 3H 2  5.2.Каталитические реакции: Каталитические реакции – это реакции, идущие с участием катализатора: t,MnO 2 2KClO 3 → 2KCl + 3O 2  P,t CO + NaOH  H-CO-ONa Химические реакции в неорганической химии 5 . Участие катализатора

Химические реакции в неорганической химии 6 . Наличие поверхности раздела фаз 6.1. Гетерогенные реакции: Гетерогенные реакции – это реакции, в которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в разных агрегатных состояниях (в разных фазах): FeO(т) + СО(г)  Fe(т) + СО 2 (г) + Q 2 Al(т) + 3С u С l 2 (р-р) = 3С u(т) + 2AlCl 3 (р-р) CaC 2 (т) + 2H 2 O (ж) = C 2 H 2  + Ca(OH) 2 (р-р) 6.2. Гомогенные реакции: Гомогенные реакции – это реакции, в которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в одном агрегатном состоянии (в одной фазе): 2С 2 Н 6 (г) + 7О 2 (г)  4СО 2 (г) + 6Н 2 О(г) 2 SO 2 (г) + O 2 (г) = 2SO 3 (г) +Q H 2 (г) + F 2 (г) = 2HF(г)

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.

Соединение – 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

Пример: 2КI + Cl2 → 2КCl + I 2

Пример: HCl + KNO 2 → KCl + HNO 2

Б) Классификация по тепловому эффекту:

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:

Пример: 3H 2 + N 2 ⇌ 2NH 3

Г) Классификация по изменению степени окисления:

Пример: Сu + 4HNO 3 → Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O.

Пример: HNO 3 + KOH → KNO 3 + H 2 O.

Д) Классификация по фазе:

Пример: Н 2 (газ) + Cl 2 (газ) → 2HCL

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

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.

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.

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.

Химические реакции следует отличать от ядерных реакций. В результате химических реакций 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:

27 13 Аl + 1 1 Н = 24 12 Мg + 4 2 Не

Классификация химических реакций многопланова, то есть 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.

I. По числу и составу реагирующих веществ

Реакции, идущие без изменения состава веществ.

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)
3O 2 (кислород) ↔ 2O 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, так как углеводороды изостроения обладают меньшей способностью к детонации.

2. Изомеризация алкенов.

3. Изомеризация алкинов (реакция А. Е. Фаворского).

CH 3 - CH 2 - С= - СН ↔ СН 3 - С= - С- СН 3

этилацетилен диметнлацетилен

4. Изомеризация галогеналканов (А. Е. Фаворский, 1907 г.).

5. Изомеризация цианита аммония при нагревании.

Впервые мочевина была синтезирована Ф. Велером в 1828 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, например, на примере реакций получения серной кислоты из серы:

1. Получение оксида серы (IV):

S + O 2 = SO - из двух простых веществ образуется одно сложное.

2. Получение оксида серы (VI):

SO 2 + 0 2 → 2SO 3 - из простого и сложного веществ образуется одно сложное.

3. Получение серной кислоты:

SO 3 + Н 2 O = Н 2 SO 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:

4NО 2 + O 2 + 2Н 2 O = 4НNO 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 - присоединения водорода:

CH 2 =CH 2 + Н 2 → Н 3 -СН 3

этен → этан

2. Реакция гидратации - присоединения воды.

3. Реакция полимеризации.

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 блоке реакций получения кислорода лабораторными способами:

1. Разложение оксида ртути(II) - из одного сложного вещества образуются два простых.

2. Разложение нитрата калия - из одного сложного вещества образуются одно простое и одно сложное.

3. Разложение перманганата калия - из одного сложного вещества образуются два сложных и одно простое, то есть три новых вещества.

В органической химии реакции разложения можно рассмотреть на блоке реакций получения этилена в лаборатории и в промышленности:

1. Реакция дегидратации (отщепления воды) этанола:

С 2 H 5 OH → CH 2 =CH 2 + H 2 O

2. Реакция дегидрирования (отщепление водорода) этана:

CH 3 -CH 3 → CH 2 =CH 2 + H 2

или СН 3 -СН 3 → 2С + ЗН 2

3. Реакция крекинга (расщепления) пропана:

CH 3 -СН 2 -СН 3 → СН 2 =СН 2 + СН 4

3. Реакции замещения - это такие реакции, в результате которых атомы простого вещества замещают атомы какого-нибудь элемента в сложном веществе.

В неорганической химии примером таких процессов может служить блок реакций, характеризующих свойства, например, металлов:

1. Взаимодействие щелочных или щелочноземельных металлов с водой:

2Na + 2Н 2 O = 2NаОН + Н 2

2. Взаимодействие металлов с кислотами в растворе:

Zn + 2НСl = ZnСl 2 + Н 2

3. Взаимодействие металлов с солями в растворе:

Fе + СuSO 4 = FеSO 4 + Сu

4. Металлотермия:

2Аl + Сr 2 O 3 → Аl 2 O 3 + 2Сr

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. Другой пример - бромирование ароматического соединения (бензола, толуола, анилина).

С 6 Н 6 + Вr 2 → С 6 Н 5 Вr + НВr

бензол → бромбензол

Обратим внимание на особенность реакции замещения у органических веществ: в результате таких реакций образуются не простое и сложное вещество, 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. 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, то есть только в том случае, если в результате образуется осадок, газ или малодиссоциирующее вещество (например, Н 2 O).

В неорганической химии это может быть блок реакций, характеризующих, например, свойства щелочей:

1. Реакция нейтрализации, идущая с образованием соли и воды.

2. Реакция между щелочью и солью, идущая с образованием газа.

3. Реакция между щелочью и солью, идущая с образованием осадка:

СuSO 4 + 2КОН = Сu(ОН) 2 + К 2 SO 4

или в ионном виде:

Сu 2+ + 2OН - = Сu(ОН) 2

В органической химии можно рассмотреть блок реакций, характеризующих, например, свойства уксусной кислоты:

1. Реакция, идущая с образованием слабого электролита - Н 2 O:

СН 3 СООН + NаОН → Nа(СН3СОО) + Н 2 O

2. Реакция, идущая с образованием газа:

2СН 3 СООН + СаСO 3 → 2СН 3 СОО + Са 2+ + СO 2 + Н 2 O

3. Реакция, идущая с образованием осадка:

2СН 3 СООН + К 2 SO 3 → 2К(СН 3 СОО) + Н 2 SO 3

2СН 3 СООН +SiO → 2СН 3 СОО + Н 2 SiO 3

II. По изменению степеней окисления химических элементов, образующих вещества

По этому признаку различают следующие реакции:

1. 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 + H + 2 SO 4 = Mg +2 SO 4 + H 2

2. 2Mg 0 + O 0 2 = Mg +2 O -2

Сложные окислительно-восстановительные реакции составляются с помощью метода электронного баланса.

2KMn +7 O 4 + 16HCl - = 2KCl - + 2Mn +2 Cl - 2 + 5Cl 0 2 + 8H 2 O

В органической химии ярким примером окислительно-восстановительных реакций могут служить свойства альдегидов.

1. Они восстанавливаются в соответствующие спирты:

Альдекиды окисляются в соответствующие кислоты:

2. Реакции, идущие без изменения степеней окисления химических элементов.

К ним, например, относятся все реакции ионного обмена, а также многие реакции соединения, многие реакции разложения, реакции этерификации:

НСООН + CHgOH = НСООСН 3 + H 2 O

III. По тепловому эффекту

По тепловому эффекту реакции делят на экзотермические и эндотермические.

1. Экзотермические 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.

Экзотермические реакции, которые протекают с выделением света, относят к реакциям горения. Гидрирование этилена - пример экзотермической реакции. Она идет при комнатной температуре.

2. Эндотермические реакции протекают с поглощением энергии.

Очевидно, что к ним будут относиться почти все реакции разложения, например:

1. Обжиг известняка

2. 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:

Н 2(г) + С 12(г) = 2НС 1(г) + 92,3 кДж

N 2(г) + O 2(г) = 2NO(г) - 90,4 кДж

IV. По агрегатному состоянию реагирующих веществ (фазовому составу)

По агрегатному состоянию реагирующих веществ различают:

1. Гетерогенные реакции - реакции, в которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в разных агрегатных состояниях (в разных фазах).

2. Гомогенные реакции - реакции, в которых реагирующие вещества и продукты реакции находятся в одном агрегатном состоянии (в одной фазе).

V. По участию катализатора

По участию катализатора различают:

1. Некаталитические реакции, идущие без участия катализатора.

2. Каталитические реакции, идущие с участием катализатора. Так как все биохимические 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.

VI. По направлению

По направлению различают:

1. Необратимые реакции протекают в данных условиях только в одном направлении. К ним можно отнести все реакции обмена, сопровождающиеся образованием осадка, газа или малодиссоциирующего вещества (воды) и все реакции горения.

2. Обратимые реакции в данных условиях протекают одновременно в двух противоположных направлениях. Таких реакций подавляющее большинство.

В органической химии признак обратимости отражают названия - антонимы процессов:

Гидрирование - 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 этих процессов лежит в основе важнейшего свойства живого организма - обмена веществ.

VII. По механизму протекания различают:

1. Радикальные реакции идут между образующимися в ходе реакции радикалами и молекулами.

Как вы уже знаете, при всех реакциях происходит разрыв старых и образование новых химических связей. Способ разрыва связи в молекулах исходного вещества определяет механизм (путь) реакции. Если вещество образовано за счет ковалентной связи, то могут быть два способа разрыва этой связи: гемолитический и гетеролитический. Например, для молекул Сl 2 , СН 4 и т. д. реализуется гемолитический разрыв связей, он приведет к образованию частиц с неспаренными электронами, то есть свободных радикалов.

Радикалы чаще всего образуются, когда разрываются связи, при которых общие электронные пары распределены между атомами примерно одинаково (неполярная ковалентная связь), однако многие полярные связи также могут разрываться подобным же образом, в частности тогда, когда реакция проходит в газовой фазе и под действием света, как, например, в случае рассмотренных выше процессов - взаимодействия С 12 и СН 4 - . Радикалы очень реакционноспособны, так как стремятся завершить свой электронный слой, забрав электрон у другого атома или молекулы. Например, когда радикал хлора сталкивается с молекулой водорода, то он вызывает разрыв общей электронной пары, связывающей атомы водорода, и образует ковалентную связь с одним из атомов водорода. Второй атом водорода, став радикалом, образует общую электронную пару с неспаренным электроном атома хлора из разрушающейся молекулы Сl 2 , в результате чего возникает радикал хлора, который атакует новую молекулу водорода и т. д

Реакции, представляющие собой цепь последовательных превращений, называют цепными реакциями. За разработку теории цепных реакций два выдающихся химика - наш соотечественник Н. Н. Семенов и англичанин С. А. Хиншелвуд были удостоены Нобелевской премии.
Аналогично протекает и реакция замещения между хлором и метаном:

По радикальному механизму протекают большинство реакций горения органических и неорганических веществ, синтез воды, аммиака, полимеризация этилена, винилхлорида и др.

2. Ионные реакции идут между уже имеющимися или образующимися в ходе реакции ионами.

Типичные ионные реакции - это взаимодействие между электролитами в растворе. Ионы образуются не только при диссоциации электролитов в растворах, но и под действием электрических разрядов, нагревания или излучений. γ-Лучи, например, превращают молекулы воды и метана в молекулярные ионы.

По другому ионному механизму происходят реакции присоединения к алкенам галогеноводородов, водорода, галогенов, окисление и дегидратация спиртов, замещение спиртового гидроксила на галоген; реакции, характеризующие свойства альдегидов и кислот. Ионы в этом случае образуются при гетеролитическом разрыве ковалентных полярных связей.

VIII. По виду энергии,

инициирующей реакцию, различают:

1. Фотохимические реакции. Их инициирует световая энергия. Кроме рассмотренных выше фотохимических процессов синтеза НСl или реакции метана с хлором, к ним можно отнести получение озона в тропосфере как вторичного загрязнителя атмосферы. В роли первичного в этом случае выступает оксид азота(IV), который под действием света образует радикалы кислорода. Эти радикалы взаимодействуют с молекулами кислорода, в результате чего получается озон.

Образование озона идет все время, пока достаточно света, так как NO может взаимодействовать с молекулами кислорода с образованием того же NO 2 . Накопление озона и других вторичных загрязнителей атмосферы может привести к появлению фотохимического смога.

К этому виду реакций принадлежит и важнейший процесс, протекающий в растительных клетках, - фотосинтез, название которого говорит само за себя.

2. Радиационные реакции. Они инициируются излучениями большой энергии - рентгеновскими лучами, ядерными излучениями (γ-лучами, а-частицами - Не 2+ и др.). С помощью радиационных реакций проводят очень быструю радиополимеризацию, радиолиз (радиационное разложение) и т. д.

Например, вместо двухстадийного получения фенола из бензола его можно получать взаимодействием бензола с водой под действием радиационных излучений. При этом из молекул воды образуются радикалы [ OН] и [ H ], с которыми и реагирует бензол с образованием фенола:

С 6 Н 6 + 2[ОН] → С 6 Н 5 ОН + Н 2 O

Вулканизация каучука может быть проведена без серы с использованием радиовулканизации, и полученная резина будет ничуть не хуже традиционной.

3. Электрохимические реакции. Их инициирует электрический ток. Помимо хорошо известных вам реакций электролиза укажем также реакции электросинтеза, например, реакции промышленного получения неорганических окислителей

4. Термохимические реакции. Их инициирует тепловая энергия. К ним относятся все эндотермические реакции и множество экзотермических реакций, для начала которых необходима первоначальная подача теплоты, то есть инициирование процесса.

Рассмотренная выше классификация химических реакций отражена на схеме.

Классификация химических реакций, как и все другие классификации, условна. Ученые договорились разделить реакции на определенные типы по выделенным ими признакам. Но большинство химических превращений можно отнести к разным типам. Например, составим характеристику процесса синтеза аммиака.

Это реакция соединения, окислительно-восстановительная, экзотермическая, обратимая, каталитическая, гетерогенная (точнее, гетерогенно-каталитическая), протекающая с уменьшением давления в системе. Для успешного управления процессом необходимо учитывать все приведенные сведения. Конкретная химическая реакция всегда многокачественна, ее характеризуют разные признаки.

При протекании химических реакций происходит разрыв одних и возникновение других связей. Химические реакции условно делят на органические и неорганические. Органическими реакциям принято считать реакции, в которых, по крайней мере, одно из реагирующих веществ является органическим соединением, изменяющим свою молекулярную структуру в процессе реакции. Отличием органических реакций от неорганических является то, что, как правило, в них участвуют молекулы. Скорость таких реакции низка, а выход продукта обычно составляет всего лишь 50-80 %. Для повышения скорости реакции применяют катализаторы, повышают температуру или давление. Далее рассмотрим типы химических реакций в органической химии.

Классификация по характеру химических превращений

• Реакции замещения
• Реакции присоединения
• Реакция изомеризации и перегруппировка
• Реакции окисления
• Реакции разложения

Реакции замещения

В ходе реакций замещения один атом или группа атомов в начальной молекуле замещается на иные атомы или группы атомов, образуя новую молекулу. Как правило, такие реакции характерны для насыщенных и ароматических углеводородов, например:

Реакции присоединения

При протекании реакций присоединения из двух или более молекул веществ образуется одна молекула нового соединения. Такие реакции характерны для ненасыщенных соединений. Различают реакции гидрирования (восстановления), галогенирования, гидрогалогенирования, гидратации, полимеризации и т.п:

1. Гидрирование – присоединение молекулы водорода:

Реакция элиминирования (отщепления)

В результате реакций отщепления органические молекулы теряют атомы или группы атомов, и образуется новое вещество, содержащее одну или несколько кратных связей. К реакциям элиминирования относятся реакции дегидрирования , дегидратации , дегидрогалогенирования и т.п.:

Реакции изомеризации и перегруппировка

В ходе таких реакций происходит внутримолекулярная перестройка, т.е. переход атомов или групп атомов с одного участка молекулы в другое без изменения молекулярной формулы вещества, участвующего в реакции, например:

Реакции окисления

В результате воздействия окисляющего реагента происходит повышение степени окисления углерода в органическом атоме, молекуле или ионе процесс за счет отдачи электронов, вследствие чего образуется новое соединение:

Реакции конденсации и поликонденсации

Заключаются во взаимодействии нескольких (двух и более) органических соединений с образованием новых С-С связей и низкомолекулярного соединения:

Поликонденсация – образование молекулы полимера из мономеров, содержащих функциональные группы с выделением низкомолекулярного соединения. В отличие от реакции полимеризации, в результате которых образуется полимер, имеющий состав, аналогичный мономеру, в результате реакций поликонденсации состав образованного полимера отличается от его мономера:

Реакции разложения

Это процесс расщепления сложного органического соединения на менее сложные или простые вещества:

С 18 H 38 → С 9 H 18 + С 9 H 20

Классификация химических реакций по механизмам

Протекание реакций с разрывом ковалентных связей в органических соединениях возможно по двум механизмам (т.е. пути, приводящему к разрыву старой связи и образованию новой) – гетеролитическому (ионному) и гомолитическому (радикальному).

Гетеролитический (ионный) механизм

В реакциях, протекающих по гетеролитическому механизму образуются промежуточные частицы ионного типа с заряженным атомом углерода. Частицы, несущие положительный заряд называются карбкатионы, отрицательный – карбанионы. При этом происходит не разрыв общей электронной пары, а ее переход к одному из атомов, с образованием иона:

Склонность к гетеролитическому разрыву проявляют сильно полярные, например Н–O, С–О и легко поляризуемые, например С–Вr, С–I связи.

Реакции, протекающие по гетеролитическому механизму делят на нуклеофильные и электрофильные реакции. Реагент, располагающий электронной парой для образования связи называют нуклеофильным или электронодонорным. Например, HO — ,RO — , Cl — , RCOO — , CN — , R — , NH 2 , H 2 O, NH 3 , C 2 H 5 OH, алкены, арены.

Реагент, имеющий незаполненную электронную оболочку и способные присоединить пару электронов в процессе образования новой связи.называют электрофильным реагентам относятся следующие катионы: Н + , R 3 C + , AlCl 3 , ZnCl 2 , SO 3 , BF 3 , R-Cl, R 2 C=O

Реакции нуклеофильного замещения

Характерны для алкил- и арилгалогенидов:

Реакции нуклеофильного присоединения

Реакции электрофильного замещения

Реакции электрофильного присоединения

Гомолитический (радикальный механизм)

В реакциях, протекающих по гомолитическому (радикальному) механизму на первой стадии происходит разрыв ковалентной связи с образованием радикалов. Далее образовавшийся свободный радикал выступает в качестве атакующего реагента. Разрыв связи по радикальному механизму свойственен для неполярных или малополярных ковалентных связей (С–С, N–N, С–Н).

Различают реакции радикального замещения и радикального присоединения

Реакции радикального замещения

Характерны для алканов

Реакции радикального присоединения

Характерны для алкенов и алкинов

Таким образом, мы рассмотрели основные типы химических реакций в органической химии