Типы химических реакций

Разложение хлората калия записывается просто: 2KClO3 = 2KCl + 3O2, и идёт оно с катализатором, оксидом марганца(IV). Спросите, к какому типу это относится, и верными окажутся сразу четыре ответа: реакция разложения, окислительно-восстановительная (ОВР), каталитическая, необратимая. Хлор в ней принимает электроны, кислород отдаёт, и поэтому ОВР. Ученик же, выучивший классификацию как список из четырёх названий, видит одну клетку и выбирает одну.

Классификация реакций устроена как набор независимых вопросов к одному и тому же уравнению. Ошибки в этой теме возникают из-за того, что вопрос не расслышан: спросили про изменение степеней окисления, а ответили про число веществ, или наоборот. Формулы здесь простые, зато требуется внимание к формулировке, и на нём теряют баллы те, кто знает химию.

Один вопрос за раз

К любому уравнению можно задать несколько вопросов, и ответы на них не зависят друг от друга:

• по числу и составу веществ: соединение, разложение, замещение или обмен
• меняются ли степени окисления: если да, реакция окислительно-восстановительная
• выделяется ли теплота: экзотермическая или эндотермическая
• идёт ли обратная реакция в тех же условиях: обратимая или необратимая
• в какой фазе находятся вещества и нужен ли катализатор: гомогенная или гетерогенная, каталитическая или нет

Вопрос «выберите реакции, которые одновременно...» сводится к пересечению двух из этих вопросов, и самый частый срыв там — искать пересечение по названию, не считая степени окисления.

Вот как выглядит такое задание: из четырёх уравнений, CaO + H2O = Ca(OH)2, 2Na + Cl2 = 2NaCl, SO3 + H2O = H2SO4 и 2SO2 + O2 = 2SO3, нужно выбрать соединения, которые ещё и окислительно-восстановительные. Все четыре — соединения. Степени окисления меняются во втором (натрий 0 → +1, хлор 0 → −1) и в четвёртом (сера +4 → +6, кислород 0 → −2), в первом и третьем остаются прежними. Ответ: второе и четвёртое.

Последний пункт стоит расшифровать. Реакцию называют гомогенной, если все участники находятся в одной фазе: H2 + Cl2 = 2HCl идёт между газами. Если фазы разные, она гетерогенная: Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2, твёрдый цинк и раствор кислоты. Второй признак — катализатор, вещество, которое ускоряет реакцию и по её окончании остаётся в прежнем количестве. Его формулу пишут над знаком равенства или в скобках рядом с условиями, но в расчёт он не входит, и среди коэффициентов его нет.

Разберите по этим вопросам реакцию Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2. Простое вещество цинк вытесняет водород, значит, замещение. Цинк меняет степень окисления с 0 на +2, водород с +1 на 0, значит, окислительно-восстановительная. Твёрдый металл и раствор кислоты: гетерогенная. Теплота выделяется, поэтому экзотермическая. Обратно хлорид цинка с водородом в тех же условиях не реагирует, реакция необратимая. Пять ответов на одно уравнение, и каждый получен отдельным взглядом на него.

Замещение или обмен: спросить про простое вещество

Различить эти два типа можно одним вопросом: есть ли среди участников простое вещество. Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu — простое вещество цинк вытесняет медь, это замещение. CuSO4 + BaCl2 = BaSO4 + CuCl2 — все четыре вещества сложные, части меняются местами, это обмен. Из определений вытекает полезное следствие: замещение всегда окислительно-восстановительное (простое вещество по ходу реакции меняет степень окисления), а реакции обмена окислительно-восстановительными не бывают, потому что степени окисления в них остаются прежними. Ученик, помнящий это, не станет расставлять электронный баланс в обмене и не забудет его в замещении.

С соединением и разложением такого правила нет. CaO + H2O = Ca(OH)2 — соединение без изменения степеней окисления, а 2Na + Cl2 = 2NaCl — тоже соединение, но окислительно-восстановительное. Разложение карбоната кальция CaCO3 = CaO + CO2 идёт без изменения степеней окисления, а разложение перманганата 2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2 — окислительно-восстановительное, внутримолекулярное. По названию типа вывод о степенях окисления делать нельзя, их считают отдельно (об этом отдельная статья).

Горение метана и органика: где четыре типа не работают

В четыре типа укладываются не все реакции, и ученик, привыкший, что подходит обязательно один, начинает подгонять. CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O: исходных веществ два, продуктов два, но простое вещество не вытесняет ничего из сложного, и продукты не получены обменом частями. Так же не подходит 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O. Верный ответ в таких заданиях: окислительно-восстановительная реакция, в классификации по числу веществ ни к одному из четырёх типов не относящаяся. Подвох сидит в формулировке «выберите реакции замещения», где горение попасть в ответ не должно.

Вторая область, где четыре типа перестают помогать, начинается в десятом классе. В органике реакции делят по другим признакам: присоединение, замещение, отщепление, изомеризация, и слово «замещение» значит там другое. Реакция CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl на свету по неорганическому определению замещением не является: простое вещество хлор вступает, но среди продуктов простого нет. В органике это классическое замещение, потому что один атом водорода в молекуле заменён атомом хлора. Ученик, перенёсший неорганическое правило, называет её обменом и теряет балл. Определение замещения приходится привязывать к разделу: в неорганике нужно простое вещество среди участников и среди продуктов, в органике хватает замены атома или группы в молекуле. Как это выглядит на разных классах углеводородов, показано в статье об углеводородах.

Знак теплоты и расчёт по термохимическому уравнению

Термохимическое уравнение 2H2 + O2 = 2H2O + 572 кДж записывает тепловой эффект рядом с уравнением, и он относится к тем количествам, которые стоят в уравнении: к двум молям водорода, одному молю кислорода и двум молям воды. В школьной записи экзотермической реакции соответствует знак плюс при Q; в вузовском курсе тот же эффект записывают с ΔH и знаком минус, и противоположные соглашения путают.

Число 572 привязано ещё и к агрегатному состоянию: оно получено для жидкой воды, а если вода образуется паром, теплоты выделяется меньше, потому что часть уходит на испарение. В условиях состояние обычно обозначено буквами у формул, и переписывать уравнение, теряя эти буквы, не стоит: из-за них потом трудно понять, о каком из двух чисел идёт речь.

Обратные по знаку случаи — эндотермические реакции, которые идут, пока подводится теплота. Разложение известняка CaCO3 = CaO + CO2 остановится, если перестать нагревать печь, а вот горение водорода, однажды начавшись, греет само себя. В условии признак даётся числом или словами, а по виду уравнения его не определить.

Пусть надо найти, сколько теплоты выделится при сгорании 1 г водорода. Количество вещества водорода 1 / 2 = 0,5 моль. Двум молям соответствует 572 кДж, значит, 0,5 моль даёт 572 · 0,5 / 2 = 143 кДж. Типичная ошибка: умножить 572 на 0,5 и получить 286, как будто 572 кДж дано на один моль. Обратная задача решается тем же способом. Если выделилось 143 кДж, то количество водорода 143 · 2 / 572 = 0,5 моль, а масса 0,5 · 2 = 1 г. Подобный счёт разбирается в статье о расчётах по уравнению: теплота здесь работает как ещё один продукт реакции, и её количество определяется коэффициентами.

Откуда берётся забывание

В большинстве учебников четыре типа реакций вводятся в восьмом классе, сразу после уравнений и коэффициентов, и на первых же уроках к ним добавляются тепловой эффект и обратимость. Окислительно-восстановительные реакции приходят в девятом, и вместе с ними электролитическая диссоциация: ионный обмен объясняется через неё (статья об ионных уравнениях). Скорость реакции, равновесие и катализ откладываются до одиннадцатого.

Девятый класс перегружен: окислительно-восстановительные реакции, диссоциация, металлы и неметаллы идут одна за другой, и классификацию восьмого класса учитель считает пройденной. Если в девятом ученик начал путать замещение и обмен, причина лежит на год раньше, и возвращаться надо к восьмому классу, а не нажимать на девятый. Классификация забывается потому, что учат её как словарь: четыре слова, к каждому по уравнению, считать нечего. К экзамену выясняется, что признаки нужны внутри других заданий. Во второй части (что туда входит) надо уметь определить реакцию как окислительно-восстановительную прежде, чем писать баланс, а про обмен решить, пойдёт ли он в растворе до конца. Как эта классификация стоит в кодификаторе и к какому заданию относится, сверяйте по документам года: структура экзамена даёт общий план.

Как учить

Готовая таблица классификации, по-моему, не нужна: из интернета она читается за минуту и не запоминается вообще. Рабочий вариант проще. Берите двадцать уравнений из учебника, к каждому записывайте ответы на все вопросы списка и сверяйте с ключом. Через несколько страниц рука сама проверяет степени окисления, прежде чем называть реакцию. Реакции между классами веществ, на которых это видно лучше всего, собраны в статье о классах неорганических веществ; для реакций в растворе нужна ещё статья о растворах, где разобраны концентрации. Обзор того, как эта тема связана с остальными, — в статье о школьной химии.

Тренировке помогает, если в один набор попадают уравнения всех типов подряд, а не по типам. Когда все пятнадцать реакций обмена идут рядом, их называют по привычке, не глядя, и ошибки обнаруживаются позже, на контрольной, когда уравнения разных типов перемешаны. Одно сомнительное уравнение в наборе полезнее десяти типичных: горение метана, разложение перманганата, нейтрализация и реакция меди с концентрированной азотной кислотой за вечер учат больше, чем страница одинаковых задач.

Если классификация не запоминается и после такой тренировки, лучше показать репетитору две-три страницы с вашими ответами: по ним видно, на каком вопросе вы расходитесь с ключом. Чаще всего это вопрос про степени окисления: их считают в уме и ошибаются, а на бумаге они выписываются над каждым элементом, и расхождение заметно сразу.

Начать поиск:

• репетиторы по химии
• репетиторы по химии для подготовки к ЕГЭ
• пробное занятие по химии

Вопросы и ответы

Почему в одних заданиях знак равенства, а в других две стрелки? Две противоположные стрелки означают обратимость: реакция идёт в обе стороны, и вещества сосуществуют. В синтезе аммиака N2 + 3H2 = 2NH3 и окислении оксида серы 2SO2 + O2 = 2SO3 стоят именно они. Обратимость узнают по условию и по тому, какие вещества названы, а не по виду уравнения.

Как быстрее всего понять, что реакция окислительно-восстановительная? Посмотреть, есть ли среди веществ простое. Если есть, степени окисления почти наверняка меняются: простое вещество с нулевой степенью окисления в продукте превращается в соединение или наоборот. Исключения вроде превращения кислорода в озон встречаются редко. Если простых веществ нет, считайте степени окисления у каждого элемента, потому что обмен окислительно-восстановительным не бывает, зато разложение или соединение сложных веществ может оказаться любым.

Горение — это реакция соединения? Горение простого вещества в кислороде, например 2Mg + O2 = 2MgO, — соединение. Горение сложного вещества, как у метана, ни в один из четырёх типов не укладывается.