№17. Классификация химических реакций: тип, теплота, обратимость, ОВР
Задание №17 проверяет умение описывать одну и ту же реакцию сразу по нескольким признакам: по числу и составу реагентов, по тепловому эффекту, по обратимости, по изменению степеней окисления, по фазовому составу и по участию катализатора. Ошибка обычно в подмене признака: например, любую реакцию с выделением теплоты называют реакцией соединения.
Классифицировать реакцию — значит описать её сразу по нескольким независимым признакам. Это как паспорт: одна и та же реакция может быть одновременно соединением, экзотермической, обратимой и окислительно-восстановительной. В задании перечисляют два-три признака, и под них нужно подобрать реакцию, а значит проверять надо каждый признак отдельно, а не искать вариант по одному знакомому слову.
| Признак классификации | Варианты | Как определить | Пример |
|---|---|---|---|
| Число и состав реагентов и продуктов | соединение, разложение, замещение, обмен | из нескольких веществ одно — соединение; из одного несколько — разложение; простое вещество вытесняет элемент из сложного — замещение; два сложных обмениваются частями — обмен | 2H2O → (t) 2H2 + O2 — разложение, Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2 — замещение |
| Тепловой эффект | экзотермическая, эндотермическая | теплота выделяется или поглощается | CaO + H2O → Ca(OH)2 — экзо, N2 + O2 → 2NO — эндо |
| Обратимость | обратимая, необратимая | в записи стоит знак ⇄ — обратимая, идёт до конца из-за осадка, газа или воды — необратимая | N2 + 3H2 ⇄ 2NH3 — обратимая, BaCl2 + H2SO4 → BaSO4 (осадок) + 2HCl — необратимая |
| Изменение степеней окисления | окислительно-восстановительная, не ОВР | сравни степени окисления: изменились хотя бы у двух элементов — это ОВР | 2Na + Cl2 → 2NaCl — ОВР, NaOH + HCl → NaCl + H2O — не ОВР |
| Фазовый состав | гомогенная, гетерогенная | все реагенты в одной фазе — гомогенная, есть твёрдая фаза или граница раздела — гетерогенная | Cu(OH)2 (тв.) + 2HNO3 (р-р) — гетерогенная, NaOH (р-р) + HCl (р-р) — гомогенная |
| Участие катализатора | каталитическая, некаталитическая | над стрелкой указан катализатор | N2 + 3H2 ⇄ 2NH3 (kat.) — каталитическая |
Разберём самый частый случай — реакцию обмена. Обмен идёт между двумя сложными веществами, которые обмениваются своими частями: AB + CD → AD + CB. Обмен никогда не бывает окислительно-восстановительной реакцией, потому что степени окисления атомов не меняются. Если при этом встречаются кислота и основание, реакцию называют нейтрализацией: NaOH + HCl → NaCl + H2O. Реакции соединения чаще всего экзотермичны, как CaO + H2O, но не всегда: N2 + O2 → 2NO идёт с поглощением теплоты. Реакции разложения обычно эндотермичны и требуют нагревания: CaCO3 → (t) CaO + CO2.
CaO + H2O → Ca(OH)2 (соединение, экзо) · 2H2O → (t) 2H2 + O2 (разложение, эндо, ОВР)
Отдельно запомни реакции, которые в задании называют по имени. Нейтрализация — взаимодействие кислоты с основанием или основным оксидом с образованием соли и воды. Этерификация — взаимодействие кислоты со спиртом с образованием сложного эфира и воды. Гидролиз — разложение вещества водой: гидролизуются сложные эфиры, соли, галогеналканы, белки. Изомеризация — превращение, при котором состав не меняется, а строение меняется: н-гексан → изогексан на катализаторе. Отщепление воды от спирта называют дегидратацией, а присоединение водорода по кратной связи — гидрированием, и это всегда ОВР.
| Название реакции | Что происходит | Пример |
|---|---|---|
| нейтрализация | кислота и основание дают соль и воду | H2SO4 + 2KOH → K2SO4 + 2H2O |
| этерификация | кислота и спирт дают сложный эфир и воду | CH3COOH + C2H5OH ⇄ (H2SO4) CH3COOC2H5 + H2O |
| гидролиз | вещество разлагается водой | C2H5ONa + H2O → C2H5OH + NaOH |
| изомеризация | состав сохраняется, строение меняется | н-гексан → (AlCl3) изогексан |
| дегидратация | от молекулы отщепляется вода | C2H5OH → (H2SO4, 170 °C) C2H4 + H2O |
| гидрирование | присоединяется водород по кратной связи | CH2=CH2 + H2 → (kat.) C2H6 |
Про окислительно-восстановительные реакции помни простое правило: если среди реагентов есть простое вещество или простое вещество появилось в продуктах, реакция скорее всего ОВР. Все реакции замещения с участием простых веществ, все реакции соединения простых веществ и все реакции разложения с выделением простого вещества относятся к ОВР. А вот обмен, нейтрализация, этерификация и изомеризация к ОВР не относятся, потому что степени окисления атомов в них не меняются.
- Шаг 1. Прочитай формулировку и выпиши требуемые признаки: тип по составу, тепловой эффект, обратимость, ОВР, катализ, гомогенность.
- Шаг 2. Для каждой реакции определи тип по числу и составу веществ: соединение, разложение, замещение или обмен. Это базовый признак, от него зависят остальные.
- Шаг 3. Проверь степени окисления: если хотя бы один элемент их меняет, реакция окислительно-восстановительная; если нет — это обмен или кислотно-основное взаимодействие.
- Шаг 4. Посмотри на условия в записи: катализатор, температура, свет, раствор или сплавление. Наличие катализатора делает реакцию каталитической.
- Шаг 5. Оцени фазовый состав: если среди реагентов есть твёрдое нерастворимое вещество — реакция гетерогенная, если всё в растворе или в газе — гомогенная.
- Шаг 6. Сопоставь все признаки с вариантами и расставь цифры: вариант подходит, только если совпали все перечисленные признаки сразу.
Типичные ошибки. 1) Считают, что любая реакция с выделением теплоты — это соединение: тепловой эффект и тип по составу веществ независимы. 2) Называют обмен окислительно-восстановительной реакцией: в обмене степени окисления не меняются никогда. 3) Определяют обратимость на глаз: надёжный признак один — знак ⇄ в записи уравнения, а не температура или катализатор. 4) Путают гидрирование с гидратацией: гидрирование — присоединение водорода и всегда ОВР, гидратация — присоединение воды. 5) Считают нейтрализацией любую реакцию с кислотой: нейтрализация — только взаимодействие кислоты с основанием или основным оксидом. 6) Забывают про твёрдые реагенты: нерастворимый гидроксид меди(II) делает реакцию с кислотой гетерогенной, хотя кислота взята раствором.
Проверь себя
- Может ли реакция обмена быть окислительно-восстановительной и почему?
- Как по записи уравнения понять, обратима реакция или нет?
- Почему реакцию оксида бария с водой считают гетерогенной, хотя оба вещества прореагировали полностью?
- Чем этерификация отличается от нейтрализации, если в обеих реакциях получается вода?
- Какие признаки нужно проверить, чтобы уверенно утверждать, что реакция является ОВР?
Показательные решения
- Условие: подобрать вещества к трём типам реакций — окислительно-восстановительная и экзотермическая; обмена и гетерогенная; соединения и гетерогенная. Варианты: азот и кислород, силан и кислород, оксид бария и вода, гидроксид меди(II) и азотная кислота.
- А) Нужна ОВР и при этом экзотермическая реакция. Силан самовоспламеняется на воздухе: SiH4 + 2O2 → SiO2 + 2H2O, это ОВР с сильным выделением теплоты, значит вариант 2.
- Реакция азота с кислородом N2 + O2 → 2NO тоже относится к ОВР, но идёт с поглощением теплоты и в жёстких условиях, поэтому по второму признаку не подходит.
- Б) Нужна реакция обмена и гетерогенная. Cu(OH)2 — нерастворимое твёрдое вещество, а азотная кислота взята раствором: Cu(OH)2 + 2HNO3 → Cu(NO3)2 + 2H2O. Это обмен между сложными веществами без изменения степеней окисления, фазы разные — вариант 4.
- В) Нужна реакция соединения и гетерогенная. BaO (тв.) + H2O (ж.) → Ba(OH)2: из двух веществ получилось одно, значит это соединение, а твёрдый оксид и вода — разные фазы, значит реакция гетерогенная, вариант 3.
- Ответ: 243.
Ответ: 243
Официальное решение из банка ФИПИ
Установим соответствие. А) Окислительно-восстановительная экзотермическая реакция — взаимодействие силана и кислорода (2). Б) Гетерогенная реакция обмена — взаимодействие гидроксида меди(II) и азотной кислоты (4). В) Гетерогенная реакция соединения — взаимодействие оксида бария и воды (3). Ответ: 243.
- Условие: соотнести три реакции (дегидратация пропанола, гидрирование этилена, превращение н-гексана в изогексан) с типами: изомеризации и каталитическая; окислительно-восстановительная и соединения; разложения и обратимая; разложения и необратимая.
- А) Дегидратация пропанола: C3H7OH ⇄ C3H6 + H2O. Из одного вещества получилось два, значит это разложение, а знак обратимости указывает на обратимый процесс. Подходит вариант 3.
- Б) Гидрирование этилена: CH2=CH2 + H2 → C2H6. Из двух веществ получилось одно — соединение, а водород меняет степень окисления с 0 на +1, значит это окислительно-восстановительная реакция, вариант 2.
- В) Превращение н-гексана в изогексан: состав молекулы не меняется, меняется только строение, а процесс идёт на катализаторе, значит это каталитическая изомеризация, вариант 1.
- Проверяем, что вариант 4 (разложение и необратимая) не подходит никому: дегидратация обратима, а остальные реакции вообще не разложение.
- Ответ: 321.
Ответ: 321
Официальное решение из банка ФИПИ
Установим соответствие. А) Дегидратация пропанола — обратимая реакция разложения (3). Б) Гидрирование этилена — окислительно-восстановительная реакция соединения (2). В) Превращение н-гексана в изогексан — каталитическая реакция изомеризации (1). Ответ: 321.
- Условие: соотнести типы (ОВР; реакция с разрывом связи C-O; реакция с разрывом связи O-H) с реакциями: изопропанол и PCl5; фенол и бромная вода; о-крезол и гидроксид калия; гидроксид железа(III) и соляная кислота.
- А) Нужна ОВР. Фенол с бромной водой даёт 2,4,6-трибромфенол, бром при этом меняет степень окисления с 0 на −1, значит подходит вариант 2.
- Реакция Fe(OH)3 с соляной кислотой — обмен: степени окисления железа, хлора и водорода не меняются, поэтому вариант 4 не подходит.
- Б) Разрыв связи C-O означает, что от молекулы уходит вся гидроксогруппа. Так спирт реагирует с пентахлоридом фосфора: CH3-CH(OH)-CH3 + PCl5 → CH3-CHCl-CH3 + POCl3 + HCl. Хлор встал на место группы OH — вариант 1.
- В) Разрыв связи O-H означает, что отрывается только водород. Крезол, как и фенол, проявляет кислотные свойства и реагирует со щёлочью: с гидроксидом калия образуется соль, а водород уходит от атома кислорода — вариант 3.
- Ответ: 213.
Ответ: 213
Официальное решение из банка ФИПИ
Установим соответствие. А) Окислительно-восстановительная реакция — взаимодействие фенола с бромной водой (2). Б) Реакция с разрывом связи C − O — взаимодействие изопропанола с пентахлоридом фосфора (1). В) Реакция с разрывом связи O − H — взаимодействие о-крезола с гидроксидом калия (3). Ответ: 213.