Класифікація хімічних реакцій

Більшість неорганічних реакцій можна віднести до одного з чотирьох основних типів за кількістю й складом реагентів і продуктів, зокрема за тим, чи беруть участь прості речовини. Це сполучення, розкладу, заміщення й обміну. Крім них існують реакції, які не вписуються в жоден із цих чотирьох типів, — їх теж треба вміти впізнавати.

Реакція сполучення

З двох або кількох речовин утворюється одна складна речовина. Схема: A + B + … → C. Реагенти можуть бути як простими, так і складними речовинами.

• 2H₂ + O₂ → 2H₂O — водень і кисень (обидва прості) утворюють воду

• CaO + CO₂ → CaCO₃ — кальцій оксид і карбон(IV) оксид (обидва складні) утворюють кальцій карбонат

• CaO + H₂O → Ca(OH)₂ — гасіння вапна, складні речовини дають кальцій гідроксид

• 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃ — промисловий спосіб добування нітратної кислоти

Реакція розкладу

З однієї складної речовини утворюються дві або більше речовин. Схема: A → B + C + … . Для перебігу часто потрібне нагрівання або каталізатор.

• CaCO₃ → CaO + CO₂ (нагрівання) — термічний розклад вапняку

• Cu(OH)₂ → CuO + H₂O (нагрівання) — розклад купрум(II) гідроксиду

• 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ (каталізатор MnO₂) — розклад гідроген пероксиду

Реакція заміщення

Проста речовина заміщує атоми одного з елементів у складній речовині. Схема: A + BC → AC + B. Завжди беруть участь проста й складна речовини, а продуктами є інша проста й інша складна речовини.

• Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑ — цинк заміщує Гідроген у хлоридній кислоті

• Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu — залізо витісняє мідь із купрум(II) сульфату

• CuO + H₂ → Cu + H₂O — водень відновлює мідь із купрум(II) оксиду

• 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ — натрій витісняє водень із води

• Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂ — хлор заміщує бром у калій броміді

Реакція обміну

Дві складні речовини обмінюються своїми складовими частинами. Схема: AB + CD → AD + CB. Усі реагенти й продукти — складні речовини.

• BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl — утворюється білий осад барій сульфату

• CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O — купрум(II) оксид реагує з сульфатною кислотою

• NaOH + HCl → NaCl + H₂O — нейтралізація, окремий випадок обміну

Реакції поза чотирма типами

Не кожна реакція вкладається в схему сполучення — розкладу — заміщення — обміну. Наприклад:

• Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ — дві складні речовини дають просту й складну; це не заміщення, бо серед реагентів немає простої речовини

• CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O — проста й складна речовини дають дві складні; це не заміщення, бо не утворюється нова проста речовина

Увага: сама присутність простої речовини в рівнянні ще не робить реакцію заміщенням. 2H₂ + O₂ → 2H₂O — сполучення (обидві прості речовини зливаються в одну складну). 2HgO → 2Hg + O₂ — розкладу (з однієї складної утворюються дві прості). 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂ — теж розкладу.

Друга важлива ознака класифікації — чи змінюються ступені окиснення елементів під час реакції. За цією ознакою всі реакції поділяють на окисно-відновні (ОВР) і ті, що відбуваються без зміни ступенів окиснення.

Окисно-відновні реакції

В окисно-відновних реакціях ступені окиснення хоча б одного елемента змінюються. Наприклад, у реакції Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ ступінь окиснення Цинку змінюється від 0 до +2, а Гідрогену — від +1 до 0. Це означає, що відбулося окиснення (Zn втратив електрони) і відновлення (H⁺ приєднав електрони).

Інші приклади окисно-відновних реакцій:

• S + O₂ → SO₂ — Сульфур 0 → +4, Оксиген 0 → −2

• 2HgO → 2Hg + O₂ — Меркурій +2 → 0, Оксиген −2 → 0

• NH₄NO₃ → N₂O + 2H₂O — Нітроген −3 → +1 і +5 → +1 (обидва атоми Нітрогену змінюють ступінь)

Реакції без зміни ступенів окиснення

У таких реакціях ступені окиснення всіх елементів залишаються незмінними. Наприклад:

• BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl — усі ступені окиснення ті самі: Ba⁺², Cl⁻¹, Na⁺¹, S⁺⁶, O⁻²

• CaO + CO₂ → CaCO₃ — Ca⁺², O⁻², C⁺⁴ залишаються без змін

• CaO + H₂O → Ca(OH)₂ — ступені окиснення Ca, O, H не змінюються

• Cu(OH)₂ → CuO + H₂O — Cu⁺², O⁻², H⁺¹ залишаються незмінними

Підказки для швидкого визначення

Виняток: перетворення алотропних модифікацій, наприклад 3O₂ → 2O₃ (озон із кисню), — це хімічна реакція, але не окисно-відновна, бо ступінь окиснення Оксигену 0 з обох боків рівняння.

Окисник і відновник у цих реакціях — тема наступного уроку. Поки що достатньо вміти визначати, чи є реакція окисно-відновною, за зміною ступенів окиснення.

Третя ознака — тепловий ефект, четверта — напрям перебігу. Ці дві характеристики не залежать від типу реакції за складом речовин і визначаються окремо.

Тепловий ефект: екзотермічні й ендотермічні реакції

За тепловим ефектом реакції поділяють на:

• Екзотермічні — з виділенням теплоти. Більшість реакцій горіння, нейтралізації, сполучення металів із неметалами — екзотермічні. Приклади: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (горіння метану), NaOH + HCl → NaCl + H₂O (нейтралізація), CaO + H₂O → Ca(OH)₂ (гасіння вапна).

• Ендотермічні — з поглинанням теплоти. Для їх перебігу потрібне постійне підведення теплоти. Приклади: CaCO₃ → CaO + CO₂ (випалювання вапняку), N₂ + O₂ → 2NO (утворення нітроген(II) оксиду за високої температури).

Знак ΔH (ентальпії) й термохімічні рівняння — окрема тема наступного уроку. Програма НМТ (тема 1.2) вимагає не лише розрізняти екзо- та ендотермічні реакції, а й розуміти тепловий ефект реакції та записувати термохімічні рівняння. Запам'ятай уже зараз: ΔH < 0 — теплота виділяється (екзотермічна реакція), ΔH > 0 — поглинається (ендотермічна).

Напрям перебігу: оборотні й необоротні реакції

Необоротні реакції відбуваються до кінця в одному напрямку. Ознаки необоротності:

• утворюється осад — BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl

• виділяється газ, що виходить із реакційної суміші — Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑

• утворюється вода (малодисоційована речовина) — NaOH + HCl → NaCl + H₂O

• горіння — CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

Оборотні реакції за тих самих умов одночасно відбуваються в прямому й зворотному напрямках. У рівнянні це позначають знаком ⇄ замість →.

• N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ — синтез амоніаку

• 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ — окиснення сульфур(IV) оксиду

• H₂ + I₂ ⇄ 2HI — утворення гідроген йодиду

Одна й та сама реакція може бути необоротною в одних умовах і оборотною в інших. Наприклад, CaCO₃ → CaO + CO₂ у відкритій посудині необоротна, бо CO₂ виходить зі сфери реакції. У закритій посудині встановлюється рівновага: CaCO₃ ⇄ CaO + CO₂. Зміщення цієї рівноваги розглянуто в уроці про принцип Ле Шательє.

Повна характеристика хімічної реакції об'єднує всі чотири ознаки. Кожну з них визначають окремо, за рівнянням реакції або описом умов.

План характеристики

1. Тип за кількістю й складом речовин: сполучення, розкладу, заміщення чи обміну (або поза цими типами).

2. Зміна ступенів окиснення: окисно-відновна чи ні.

3. Тепловий ефект: екзотермічна чи ендотермічна.

4. Напрям перебігу: оборотна чи необоротна.

Приклади повної характеристики

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑

• заміщення

• окисно-відновна (Zn⁰ → Zn⁺², H⁺¹ → H⁰)

• екзотермічна

• необоротна (водень виходить)

CaCO₃ → CaO + CO₂

• розкладу

• не окисно-відновна (Ca⁺², C⁺⁴, O⁻² не змінюються)

• ендотермічна

• у відкритій посудині необоротна

N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃

• сполучення

• окисно-відновна

• екзотермічна

• оборотна (знак ⇄)

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

• обміну (нейтралізація)

• не окисно-відновна

• екзотермічна

• необоротна (утворюється вода)

Завдання «яка ознака не стосується реакції?»

У таких завданнях тобі дають рівняння реакції й чотири варіанти ознак. Три з них — правильні характеристики, а одна — хибна. Щоб знайти її, перевір кожен варіант окремо:

• Визнач тип реакції за складом речовин.

• Перевір, чи змінюються ступені окиснення.

• Оціни тепловий ефект (за описом або знанням типових реакцій).

• Подивись на знак у рівнянні (→ чи ⇄) та на умови.

• Відкинь варіант, який суперечить рівнянню.

Наприклад, для реакції 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ (ΔH < 0) правильними ознаками будуть: окисно-відновна, екзотермічна, оборотна. Ознака «реакція розкладу» не стосується — це сполучення.

Розгляньмо типові завдання НМТ, які перевіряють уміння класифікувати хімічні реакції.

Приклад 1. Логічні пари: рівняння — тип реакції

Установіть відповідність між рівнянням реакції (1–3) і типом, до якого вона належить (А–Д).

1 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O

2 Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂

3 K₂CO₃ + CaCl₂ → CaCO₃↓ + 2KCl

А сполучення, Б розкладу, В заміщення, Г обміну, Д нейтралізації

Розв'язання:

1. У реакції 1 ліворуч одна складна речовина, праворуч — дві. Це розклад (Б).

2. У реакції 2 проста речовина Mg заміщує Гідроген у HCl. Це заміщення (В).

3. У реакції 3 дві складні речовини обмінюються йонами: K₂CO₃ + CaCl₂ → CaCO₃ + 2KCl. Це обмін (Г).

Відповідь: 1Б, 2В, 3Г.

Пастка: у реакції 2 є кислота HCl, тому деякі учні помилково називають її обміном. Однак магній — проста речовина, він заміщує Гідроген, а не обмінюється з ним.

Приклад 2. Яка ознака НЕ стосується реакції?

Яка ознака НЕ стосується реакції 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃; ΔH < 0?

• А реакція розкладу

• Б окисно-відновна

• В екзотермічна

• Г оборотна

Розв'язання:

Перевіряємо кожну ознаку. 2SO₂ + O₂ → 2SO₃ — з двох речовин утворюється одна, це сполучення, а не розклад. Ступені окиснення змінюються (S⁺⁴ → S⁺⁶, O⁰ → O⁻²) — реакція окисно-відновна. ΔH < 0 означає, що теплота виділяється, — екзотермічна. Знак ⇄ указує на оборотність.

Відповідь: А (реакція розкладу).

Інші три варіанти — правильні характеристики цієї реакції.

Приклад 3. Укажіть рівняння реакції заміщення

Укажіть рівняння реакції заміщення:

• А 2H₂ + O₂ → 2H₂O

• Б CuO + H₂ → Cu + H₂O

• В Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

• Г 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂

Розв'язання:

Заміщення — проста речовина заміщує атом у складній, утворюючи нову просту й нову складну речовини.

• А — 2H₂ + O₂ → 2H₂O: прості речовини є, але вони сполучаються в одну складну. Це сполучення.

• Б — CuO + H₂ → Cu + H₂O: простий водень заміщує Купрум в оксиді, утворюючи просту мідь і воду. Це заміщення.

• В — Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂: обидва реагенти складні, простої речовини немає. Це не заміщення.

• Г — 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂: з однієї складної речовини утворюються дві. Це розклад.

Відповідь: Б.

Приклад 4. Окисно-відновна реакція розкладу

Яка реакція є окисно-відновною реакцією розкладу?

• А CaCO₃ → CaO + CO₂

• Б 2HgO → 2Hg + O₂

• В 2Na + Cl₂ → 2NaCl

• Г Zn + CuCl₂ → ZnCl₂ + Cu

Розв'язання:

Шукаємо реакцію, яка одночасно є розкладом (одна речовина → кілька) і окисно-відновною (змінюються ступені окиснення).

• А — розклад, але ступені окиснення Ca⁺², C⁺⁴, O⁻² не змінюються. Не ОВР.

• Б — розклад (2HgO → 2Hg + O₂), ступені окиснення змінюються: Hg⁺² → Hg⁰, O⁻² → O⁰. ОВР.

• В — ОВР, але це сполучення, а не розклад.

• Г — ОВР, але це заміщення, а не розклад.

Відповідь: Б.

• Називають заміщенням будь-яку реакцію з простою речовиною. Це найпоширеніша помилка. 2H₂ + O₂ → 2H₂O — сполучення (обидві прості речовини утворюють одну складну). 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂ — розкладу (з однієї складної утворюються дві, серед яких є проста). Заміщення — це коли проста речовина заміщує атом у складній, а не просто бере участь у реакції.

• Відносять Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ до заміщення. Хоча продуктами є проста речовина (Fe) і складна (CO₂), серед реагентів немає простої речовини — обидва реагенти складні. Це не заміщення, а реакція, що не належить до жодного з чотирьох основних типів.

• Шукають окисник і відновник у реакціях обміну. У реакціях обміну, зокрема в нейтралізації (NaOH + HCl → NaCl + H₂O), ступені окиснення не змінюються, тому там немає ні окисника, ні відновника.

• Вважають будь-яку реакцію розкладу ендотермічною. Більшість реакцій розкладу справді потребують нагрівання, але не всі. Наприклад, 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ — реакція розкладу, яка виділяє теплоту (екзотермічна). Каталізатор MnO₂ лише прискорює її.

• Вважають реакцію, яку треба підпалити чи нагріти для початку, ендотермічною. Горіння вугілля починається після підпалювання (енергія активації), але сама реакція C + O₂ → CO₂ виділяє багато теплоти — вона екзотермічна. Енергія активації й тепловий ефект — різні поняття.

• Називають алотропне перетворення 3O₂ → 2O₃ окисно-відновним. Хімічна реакція відбулася (змінилася речовина), але ступінь окиснення Оксигену 0 з обох боків рівняння. Тому це не окисно-відновна реакція.

За програмою НМТ з хімії (тема 1.2) ти маєш уміти розрізняти реакції за:

• кількістю реагентів і продуктів (сполучення, розкладу, обміну, заміщення);

• зміною ступенів окиснення (окисно-відновні / без зміни ступенів окиснення);

• тепловим ефектом (екзотермічні / ендотермічні);

• напрямом перебігу (оборотні / необоротні).

Формати завдань

Вибір однієї відповіді з чотирьох (завдання № 1–18, 0 або 1 бал). Тобі можуть запропонувати:

• вибрати рівняння реакції певного типу (наприклад, «укажіть рівняння реакції заміщення»);

• вибрати ознаку, яка не стосується поданої реакції (наприклад, «яка ознака НЕ стосується реакції 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃?»).

Логічні пари 1–3 → А–Д (завдання № 19–20, 0–3 бали, по 1 балу за кожну правильну пару). З цієї теми можливе, наприклад, завдання на відповідність «рівняння — тип реакції». Дві букви серед варіантів А–Д зайві.

Стратегія виконання

У завданнях на логічні пари спершу встановлюй очевидні відповідності:

• Розклад — ліворуч одна речовина, праворуч дві чи більше.

• Обмін — дві складні речовини з обох боків рівняння.

• Заміщення — проста речовина ліворуч, інша проста речовина праворуч.

• Сполучення — кілька речовин ліворуч, одна праворуч.

• Сумнівну пару визначай виключенням.

• Чотири типи за складом речовин: сполучення (кілька речовин → одна), розкладу (одна → кілька), заміщення (проста + складна → інша проста + інша складна), обміну (дві складні → дві складні).

• Проста речовина в рівнянні ще не означає заміщення. 2H₂ + O₂ → 2H₂O — сполучення, 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂ — розкладу.

• Заміщення — завжди окисно-відновна реакція, обмін — ніколи. Сполучення й розкладу — ОВР, якщо беруть участь або утворюються прості речовини.

• Екзотермічна — теплота виділяється, ендотермічна — поглинається. Не плутай енергію активації з тепловим ефектом.

• Оборотні реакції позначають знаком ⇄. Необоротні йдуть до кінця: утворюється осад, газ, що виходить, або вода.

• Повна характеристика — за всіма ознаками, кожна окремо. Тип за складом, зміна ступенів окиснення, тепловий ефект, оборотність.