Класифікація хімічних реакцій
~15 хв · 9 розділів · 10 тестових запитань
Розрізняєш чотири типи реакцій за складом речовин (сполучення, розкладу, заміщення, обміну), визначаєш окисно-відновні процеси за зміною ступенів окиснення, класифікуєш реакції за тепловим ефектом і напрямом перебігу та даєш повну характеристику будь-якої реакції за рівнянням.
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
Тип реакції | ОВР чи ні? | Чому? |
|---|---|---|
Заміщення | Завжди ОВР | Проста речовина змінює ступінь окиснення, переходячи в складну, а елемент зі складної — у просту |
Обміну | Ніколи не ОВР | Ступені окиснення всіх елементів не змінюються |
Сполучення | ОВР, якщо є проста речовина | Наприклад, S + O₂ → SO₂ — ОВР; CaO + CO₂ → CaCO₃ — ні |
Розкладу | ОВР, якщо утворюється проста речовина | Наприклад, 2HgO → 2Hg + O₂ — ОВР; Cu(OH)₂ → CuO + H₂O — ні |
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
Тип за кількістю й складом речовин: сполучення, розкладу, заміщення чи обміну (або поза цими типами).
Зміна ступенів окиснення: окисно-відновна чи ні.
Тепловий ефект: екзотермічна чи ендотермічна.
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:
У реакції 1 ліворуч одна складна речовина, праворуч — дві. Це розклад (Б).
У реакції 2 проста речовина Mg заміщує Гідроген у HCl. Це заміщення (В).
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.
Чому Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ не є реакцією заміщення, адже утворюється проста речовина?
Для заміщення потрібна проста речовина серед реагентів — саме вона заміщує атом у складній речовині. У цій реакції обидва реагенти складні (Fe₂O₃ і CO), тому це не заміщення. Реакції, де дві складні речовини дають просту й складну, не належать до жодного з чотирьох основних типів.
Чи може реакція сполучення бути не окисно-відновною?
Так, може. Якщо в реакції сполучення беруть участь лише складні речовини, ступені окиснення елементів часто не змінюються. Наприклад, CaO + CO₂ → CaCO₃ або CaO + H₂O → Ca(OH)₂ — це сполучення без зміни ступенів окиснення. Якщо ж у сполученні бере участь проста речовина (S + O₂ → SO₂), то ступені окиснення змінюються — це ОВР.
Чим оборотна реакція відрізняється від реакції, яку можна провести у зворотному напрямку за інших умов?
Оборотна реакція за тих самих умов (температура, тиск, концентрація) одночасно відбувається в прямому й зворотному напрямках, і в системі встановлюється хімічна рівновага. Наприклад, N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ за певних умов іде в обидва боки. А от CaCO₃ → CaO + CO₂ у відкритій посудині необоротна, хоча в закритій посудині за інших умов може стати оборотною. Оборотність — це властивість реакції за даних конкретних умов, а не принципова можливість провести її в інший бік.
Нейтралізація — це окремий тип реакції чи реакція обміну?
Нейтралізація — це окремий випадок реакції обміну. У ній кислота й основа обмінюються йонами, утворюючи сіль і воду: NaOH + HCl → NaCl + H₂O. За схемою AB + CD → AD + CB це типовий обмін. Окрема назва «нейтралізація» підкреслює, що серед продуктів є вода, але за класифікацією це обмін.
Якщо реакцію треба нагрівати, вона обов'язково ендотермічна?
Ні, не обов'язково. Нагрівання може бути потрібне лише для початку реакції (подолання енергії активації), а сама реакція може виділяти багато теплоти. Наприклад, горіння вугілля C + O₂ → CO₂ починається після підпалювання, але є екзотермічним. Ендотермічні реакції потребують постійного підведення теплоти протягом усього перебігу, а не лише на старті.
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.