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.
| | |
Разделение химических реакций на органические и неорганические является довольно условным. К типичным органическим реакциям относят те, в которых участвует хотя бы одно органическое соединение, которое в ходе реакции изменяет свою молекулярную структуру. Поэтому реакции, в которых молекула органического соединения выступает в качестве растворителя или лиганда, к типичным органическим реакциям не относятся.
Органические реакции, так же, как и неорганические, могут быть классифицированы по общим признакам на реакции переноса:
– единичного электрона (окислительно-восстановительные);
– электронных пар (реакции комплексообразования);
– протона (кислотно-основные реакции);
– атомных групп без изменения числа связей (реакции замещения и перегруппировки);
– атомных групп с изменением числа связей (реакции присоединения, элиминирования, разложения).
Вместе с тем, многообразие и своеобразие органических реакций приводит к необходимости их классификации и по другим признакам:
– изменению числа частиц в ходе реакции;
– характеру разрыва связей;
– электронной природе реагентов;
– механизму элементарных стадий;
– типу активирования;
– частным признакам;
– молекулярности реакций.
1) По изменению числа частиц в ходе реакции (или по типу превращения субстрата) различают реакции замещения, присоединения, элиминирования (отщепления), разложения и перегруппировки.
В случае реакций замещения один атом (или группа атомов) в молекуле субстрата замещается другим атомом (или группой атомов), в результате чего образуется новое соединение:
СН 3 – СН 3 + С1 2 СН 3 – СН 2 С1 + НC1
этан хлор хлорэтан хлороводород
СН 3 – СН 2 С1 + NaOH (водный р-р) СН 3 – СН 2 ОН + NaC1
хлорэтан гидроксид натрия этанол хлорид натрия
В символе механизма реакции замещения обозначаются латинской буквой S (от англ. «substitution» – замещение).
При протекании реакций присоединения из двух (или нескольких) молекул образуется одно новое вещество. При этом реагент присоединяется по кратной связи (С= С, С С, С= О, С N) молекулы субстрата:
CH 2 = CH 2 + HBr → CH 2 Br – СH 3
этилен бромоводород бромэтан
С учетом символики механизма процессов реакции присоединения обозначаются буквой A или сочетанием Ad (от англ. «addition» – присоединение).
В результате реакции элиминирования (отщепления) от субстрата отщепляется молекула (или частица) и образуется новое органическое вещество, содержащее кратную связь:
СН 3 – СН 2 ОН СН 2 = СН 2 + Н 2 О
этанол этилен вода
В символе механизма реакции замещения обозначаются буквой E (от англ. «elimination» – элиминирование, отщепление).
Реакции разложения протекают, как правило, с разрывом связей углерод – углерод (С– С) и приводят к образованию из одного органическоговещества двух или более веществ более простого строения:
СН 3
–
СН(ОН) –
СООН
СН 3 –
СНО + HCООН
молочная кислота ацетальдегид муравьиная кислота
Перегруппировка – реакция, в ходе которой структура субстрата меняется с образованием продукта, который является изомерным исходному, то есть без изменения молекулярной формулы. Этот тип превращения обозначают латинской буквой R (от английского «rearrangement» – перегруппировка).
Например, 1-хлорпропан перегруппировывается в изомерное соединение 2-хлорпропан в присутствии хлорида алюминия, выступающего в качестве катализатора.
СН 3 – СН 2 – СН 2 – С1 СН 3 – СНС1 – СН 3
1-хлорпропан 2-хлорпропан
2) По характеру разрыва связей различают гомолитические (радикальные), гетеролитические (ионные) и синхронные реакции.
Ковалентная связь между атомами может быть разорвана таким образом, что электронная пара связи делится между двумя атомами, образующиеся частицы получают по одному электрону и становятся свободными радикалами – говорят, что происходит гомолитическое расщепление. Новая связь при этом образуется за счёт электронов реагента и субстрата.
Радикальные реакции особенно распространены в превращениях алканов (хлорирование, нитрование и др.).
При гетеролитическом способе разрыва связи общая электронная пара передаётся одному из атомов, образовавшиеся частицы становятся ионами, обладают целочисленным электрическим зарядом и подчиняются законам электростатического притяжения и отталкивания.
Гетеролитические реакции по электронной природе реагентов подразделяются на электрофильные (например, присоединение по кратным связям в алкенах или замещение водорода в ароматических соединениях) и нуклеофильные (например, гидролиз галогенпроизводных или взаимодействие спиртов с галогеноводородами).
Каков механизм реакции – радикальный или ионный, можно установить, изучив экспериментальные условия, благоприятствующие течению реакции.
Так, радикальные реакции, сопровождающиеся гомолитическим разрывом связи:
– ускоряются при облучении h, в условиях высоких температур реакции в присутствии веществ, легко разлагающихся с образованием свободных радикалов (например, перекиси);
– замедляются в присутствии веществ, легко реагирующих со свободными радикалами (гидрохинон, дифениламин);
– обычно проходят в неполярных растворителях или газовой фазе;
– часто являются автокаталитическими и характеризуются наличием индукционного периода.
Ионные реакции, сопровождающиеся гетеролитическим разрывом связи:
– ускоряются в присутствии кислот или оснований и не подвержены влиянию света или свободных радикалов;
– не подвержены влиянию акцепторов свободных радикалов;
– на скорость и направление реакции влияет природа растворителя;
– редко идут в газовой фазе.
Синхронные
реакции протекают без промежуточного
образования ионов и радикалов: разрыв
старых и образование новых связей
происходят синхронно (одновременно).
Примером синхронной реакции является
д
иеновый
синтез – реакция Дильса-Альдера.
Обратите внимание, особая стрелка, которую применяют для обозначения гомолитического разрыва ковалентной связи, означает перемещение одного электрона.
3) В зависимости от электронной природы реагентов реакции подразделяют на нуклеофильные, электрофильные и свободнорадикальные.
Свободные
радикалы – это
электронейтральные частицы, имеющие
неспаренные электроны, например: Cl ,
NO 2 ,
.
В символе механизма реакции радикальные реакции обозначаются нижним индексом R.
Нуклеофильные реагенты – это одно- или многоатомные анионы или электронейтральные молекулы, имеющие центры с повышенным частичным отрицательным зарядом. К ним относятся такие анионы и нейтральные молекулы, как HO – , RO – , Cl – , Br – , RCOO – , CN – , R – , NH 3 , C 2 H 5 OH и т.д.
В символе механизма реакции радикальные реакции обозначаются нижним индексом N.
Электрофильные реагенты – это катионы, простые или сложные молекулы, которые сами по себе или же в присутствии катализатора обладают повышенным сродством к электронной паре или отрицательно заряженным центрам молекул. К ним относятся катионы H + , Cl + , + NO 2 , + SO 3 H, R + и молекулы со свободными орбиталями: AlCl 3 , ZnCl 2 и т.п.
В символе механизма электрофильные реакции обозначаются нижним индексом E.
Нуклеофилы представляют собой доноры электронов, а электрофилы – их акцепторы.
Электрофильные и нуклеофильные реакции можно рассматривать как кислотно-основные; в основе такого подхода лежит теория обобщённых кислот и оснований (кислоты Льюиса – это акцептор электронной пары, основание Льюиса – донор электронной пары).
Однако следует различать понятия электрофильности и кислотности, так же как нуклеофильности и основности, ибо они не идентичны. Например, основность отражает сродство к протону, а нуклеофильность оценивается чаще всего как сродство к атому углерода:
ОН – + Н + Н 2 О гидроксид-ион как основание
ОН – + СН 3 + СН 3 ОН гидроксид-ион как нуклеофил
4) В зависимости от механизма элементарных стадий реакции органических соединений могут быть самыми различными: нуклеофильное замещение S N , электрофильное замещение S E , свободнорадикальное замещение S R , парное отщепление, или элиминирование Е, нуклеофильное или электрофильное присоединение Ad E и Ad N и т. д.
5) По типу активирования реакции подразделяют на каталитические, некаталитические и фотохимические.
Каталитическими называют реакции, протекание которых требует присутствия катализатора. Если в качестве катализатора выступает кислота, речь идёт о кислотном катализе. К кислотно-катализируемым относят, например, реакции этерификации с образованием сложных эфиров, дегидратации спиртов с образованием непредельных соединений и т.д.
Если катализатором является основание, то говорят об основном катализе (как показано ниже, это характерно для метанолиза триацилглицеринов).
Некаталитическими являются реакции, которые не требуют присутствия катализатора. Они ускоряются только при повышении температуры, поэтому их иногда называют термическими, хотя этот термин не используется широко. Исходными реагентами в этих реакциях служат высокополярные или заряженные частицы. Это могут быть, например, реакции гидролиза, кислотно-основные взаимодействия.
Фотохимические реакции активируются облучением (фотонами, h); эти реакции не протекают в темноте даже при значительном нагревании. Эффективность процесса облучения измеряется квантовым выходом, который определяется как число прореагировавших молекул реагента на один поглощённый квант света. Некоторые реакции характеризуются квантовым выходом меньше единицы, для других, например для цепных реакций галогенирования алканов, этот выход может достигать 10 6 .
6) По частным признакам классификация реакций чрезвычайно разнообразна: гидратация и дегидратация, гидрирование и дегидрирование, нитрование, сульфирование, галогенирование, ацилирование, алкилирование, карбоксилирование и декарбоксилирование, енолизация, замыкание и размыкание циклов, изомеризация, окислительная деструкция, пиролиз, полимеризация, конденсация и др.
7) Молекулярность органической реакции определяют по числу молекул, в которых происходит реальное изменение ковалентных связей на самой медленной стадии реакции, определяющей её скорость. Различают следующие виды реакций:
– мономолекулярные – в лимитирующей стадии участвует одна молекула;
– бимолекулярные – таких молекул две и т.д.
Молекулярности выше трех, как правило, не бывает. Исключение составляют топохимические (твердофазные) реакции.
Молекулярность отражают в символе механизма реакции, добавляя соответствующую цифру, например: S N 2 – замещение нуклеофильное бимолекулярное, S E 1 – замещение электрофильное мономолекулярное; Е1 – элиминирование мономолекулярное и т.д.
Рассмотрим несколько примеров.
Пример 1 . Атомы водорода в алканах могут быть замещены на атомы галогенов:
СН 4 + С1 2 СН 3 С1 + НC1
Реакция идет по цепному радикальному механизму (атакующая частица – радикал хлора C1 ). Значит по электронной природе реагентов это реакция свободнорадикальная; по изменению числа частиц – реакция замещения; по характеру разрыва связи – гомолитическая реакция; тип активирования – фотохимический или термический; по частным признакам – галогенирование; механизм реакции – S R .
Пример 2 . Атомы водорода в алканах могут быть замещены на нитрогруппу. Эта реакция носит название реакции нитрования и идет по схеме:
R– H + HО– NО 2 R– NО 2 + Н 2 О
Реакция нитрования в алканах также идет по цепному радикальному механизму. Значит по электронной природе реагентов это реакция свободнорадикальная; по изменению числа частиц – реакция замещения; по характеру разрыва связи – гомолитическая; тип активирования – термический; по частным признакам – нитрование; по механизму – S R .
Пример 3 . Алкены легко присоединяют по двойной связи галогеноводород:
CH 3 – CH = CH 2 + HBr → CH 3 – CHBr – СH 3 .
Реакция может идти по механизму электрофильного присоединения, а значит, по электронной природе реагентов – реакция электрофильная (атакующая частица - Н +); по изменению числа частиц – реакция присоединения; по характеру разрыва связи – гетеролитическая; по частным признакам – гидрогалогенирование; по механизму – Ad E .
Эта же реакция в присутствии перекисей может идти по радикальному механизму, тогда по электронной природе реагентов – реакция будет радикальной (атакующая частица – Br ); по изменению числа частиц – реакция присоединения; по характеру разрыва связи – гомолитическая; по частным признакам – гидрогалогенирование; по механизму – Ad R .
Пример 4 . Реакция щелочного гидролиза алкилгалогенидов протекает по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения.
СН 3 СН 2 I + NaОН СН 3 СН 2 ОН + NaI
Значит, по электронной природе реагентов – реакция нуклеофильная (атакующая частица – ОН –); по изменению числа частиц – реакция замещения; по характеру разрыва связи – гетеролитическая, по частным признакам – гидролиз; по механизму – S N 2.
Пример 5 . При взаимодействии алкилгалогенидов со спиртовыми растворами щелочей образуются алкены.
СН 3 СН 2 СН 2 Br
[СН 3 СН 2 С + Н 2 ]
СН 3 СН=
СН 2
+ H +
Это объясняется тем, что образующийся карбкатион стабилизируется не присоединением иона гидроксила, концентрация которого в спирте незначительна, а отщеплением протона от соседнего атома углерода. Реакция по изменению числа частиц – отщепление; по характеру разрыва связи – гетеролитическая; по частным признакам – дегидрогалогенирование; по механизму – элиминирование Е.
Контрольные вопросы
1. Перечислите признаки, по которым классифицируют органические реакции.
2. Как можно классифицировать следующие реакции:
– сульфирование толуола;
– взаимодействие этанола и серной кислоты с образованием этилена;
– бромирование пропена;
– синтез маргарина из растительного масла.
Из-за огромного разнообразия органических веществ (более 27 миллионов) реакции между ними происходят также разнообразно. Если добавить еще реакции с представителями неорганической химии (оксиды, соли, кислоты и т.д.), то голова вообще может пойти кругом и уследить за всем многообразием действительно невозможно. Огромное количество реакций носят именной характер, в честь ученых, которые их открыли. Поэтому в данной публикации будут приведены те основные принципы реакционной способности органических веществ, которые известны науке на данный момент.
Химические свойства атомов и молекул, выражающиеся в их способности вступать во взаимодействие друг с другом, обусловлены состоянием имеющихся в них электронов. В более простых случаях главную роль в химическом взаимодействии играют валентные электроны внешних оболочек реагирующих атомов.
Химические реакции в первом приближении можно охарактеризовать как процессы, при которых происходит перераспределение электронов внешних оболочек. Направление реакции существенно зависит от распределения электронов в реагирующих молекулах. Совокупность факторов, управляющих распределением электронной плотности и возможностью образования новой, более стабильной системы, обладающей минимальной потенциальной энергией, в конечном счете обусловливает протекание химической реакции, является ее движущей силой .
С точки зрения производства одной из самых значимых реакций будет реакция горения. Она применяется в энергетике, уничтожении токсичных отходов и т.д. Взгляд научного мира притягивают реакции превращения одних органических соединений в другие. В молекуле органического вещества всегда найдется участок органической цепи, способный на реакцию. Такие атомы называются реакционными центрами. Так как органические вещества зачастую имеют несколько реакционных центров, которые имеют различную активность, то и реакций происходит несколько, с разными скоростями и разными конечными продуктами. Самая быстрая реакция называется главной, остальные – побочными. В связи с этим можно даже регулировать реакции, которые происходят, для получения необходимых конечных продуктов. Это делают с помощью катализаторов, которые уже давно являются не только ускорителями процессов, но и их регуляторами.
Известно огромное число различных превращений органических соединений, с помощью которых химики могут получать практически любые вещества заданного строения. Ориентироваться во множестве органических реакций помогает их классификация. В этом разделе излагается основа классификации превращений органических веществ.
Все реакции в органической химии классифицируются следующим образом:
По характеру превращения субстрата
Исходные соединения в органических реакциях называют реагентами , а образующиеся соединения — продуктами . В этом уравнении R-X и Y -реагенты, a R-Y и X — продукты. Для удобства один из реагентов принято называть субстратом , а другой — атакующим реагентом .
Группу X в субстрате R-X принято называть уходящей
группой, а группу Y — вступающей
группой. Как правило, субстрат имеет более сложное
строение, атакующий реагент часто имеет неорганическую
природу. Например, в реакции метана с хлором
метан является субстратом, а хлор — атакующим реагентом.
Символами над стрелкой (под стрелкой) обозначают условия , требуемые для проведения реакции; в этой реакции такими условиями являются УФ-облучение и нагревание.
Реакции замещения обозначают латинской буквой S (от англ., «substitution» — замещение).
Реакции замещения атома водорода часто называют по вступающей функциональной группе. Эту реакцию называют, например, реакцией хлорирования (Н → Сl, т. е. атом водорода замещается на атом хлора).
Другим примером реакции замещения водорода можно назвать реакцию нитрования
бензола
(Η → NO 2 ,т.е атом водорода замещается на нитрогруппу).
Замещению могут подвергаться не только атомы водорода, но и различные функциональные группы, ранее введенные в молекулы углеводородов. Например, замещение Сl → ОН:
Здесь, Сl — уходящая группа, ОН — вступающая группа.
Например, изомеризация 1-хлорпропана в 2-хлорпропан наблюдается в присутствии хлорида алюминия:
По типу активирования
Некаталитическими являются реакции, которые не требуют присутствия катализатора. Эти реакции ускоряются только при повышении температуры, и их иногда называют термическими. Такой способ активирования обозначают значком t° .
К некаталитическим реакциям можно отнести некоторые уже рассмотренные реакции, такие как нитрование бензола и гидробромирование этилена. Исходными реагентами в этих реакциях служат высокополярные или заряженные частицы.
Каталитическими называют реакции, протекание которых требует присутствия катализатора. Если в качестве катализатора выступает кислота, речь идет о кислотном катализе. К кислотно-катализируемым относят, например, реакции дегидратации изопропанола в присутствии серной кислоты и изомеризации хлорпропана. Если в качестве катализатора выступает основание, речь идет об основном катализе.
Фотохимические реакции — реакции, которые активируют облучением; такой способ активирования обозначают hν . К числу фотохимически активируемых реакций относится реакция хлорирования метана. Фотохимически активируют также и реакцию димеризации этилена:
Важно отметить, что эта реакция не протекает в темноте даже при значительном нагревании.
По характеру разрыва связей
- Радикальные реакции
Радикальные реакции сопровождаются гомолитическим разрывом связей и образованием радикалов — нейтральных частиц, содержащих один или несколько неспаренных электронов.
Радикальные реакции особенно распространены в превращениях алканов. Например, в реакции хлорирования метана
атом хлора выступает в роли радикального реагента , а реакция в целом протекает как реакция радикального замещения и обозначается S R .
- Ионные реакции
Ионные реакции протекают с участием ионов и, как правило, сопровождаются гетеролитическим разрывом связей в субстрате.
Заряженную частицу, имеющую вакантную р-орбиталь на атоме углерода, называют карбкатионом .
Заряженную частицу, содержащую неподеленную электронную пару (НЭП) на атоме углерода, называют карбанионом .
Ионные реакции чаще других встречаются среди превращений органических соединений. Простейшим примером гетеролитического разрыва ковалентной связи может служить реакция диссоциации карбоновой кислоты .
К ионной реакции относится выше рассмотренная реакция гидролиза хлорметана :
В этой реакции реагент, имеющий отрицательный заряд, отдает свою пару электронов для образования связи с субстратом. Аналогичная реакция протекает при действии аммиака на этилбромид.
В этой реакции атакующим реагентом является нейтральная молекула аммиака, которая отдает свою электронную пару для образования связи с субстратом. Реагенты, которые в ходе реакции отдают свою электронную пару для образования связи с субстратом, называют нуклеофильными реагентами , или нуклеофилами .
Нуклеофилами могут быть, как правило, отрицательно заряженные ионы: гидроксид-ион OH — , алкоксид-ион OR — , алкилтио-ион RS — , алкилкарбокси-ион RCOO — , галоген-ион Hal — , цианид-ион CN — , гидрид-ион H —
Реакция гидробромирования этилена также начинается с присоединения положительно заряженной частицы — протона — за счет пары π-электронов субстрата.
Положительно заряженные реагенты, которые в ходе реакции принимают электронную пару для образования ковалентной связи с субстратом, называют электрофильными реагентами , или электрофилами .
Электрофилами могут быть :а) положительные ионы: H + , Br + , NO 2 + , R + и др.
б) нейтральные молекулы, имеющие полярные связи, а, следовательно, атомы, несущие частичный положительный заряд и способные образовывать связь за счет пары электронов субстрата.
Определение характера реагента — радикальный, нуклеофильный и электрофильный — позволяет уточнить классификацию органических реакций по типу превращения субстрата .
Реакции замещения, в которых уходящая группа в субстрате замещается под действием нуклеофильных реагентов, называют реакциями нуклеофильного замещения . Реакции гидролиза хлорметана и аммиака с этилбромидом являются таковыми и обозначаются как реакции S N -типа .
Реакции замещения, протекающие с участием электрофильных реагентов, называют реакциями электрофильного замещения и обозначают S E . К такой реакции можно отнести нитрование бензола .
Таким образом, классификацию органических реакций по типу превращения субстрата, а также обозначения этих реакций, можно представить в виде таблицы.
| Реагент | Тип превращения | Обозначение |
| Радикал | Submit Rating
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.
Загрузка...
