Тепловой эффект, обратимость, катализ, фазы, механизм

Кроме состава участников и степеней окисления, реакцию характеризуют энергетика, обратимость, участие катализатора, агрегатное состояние веществ и механизм. Каждый признак позже станет отдельной темой курса: тепловой эффект — термохимия, обратимость — химическое равновесие, катализ — скорость реакции. Здесь — их общий обзор.

Тепловой эффект

Реакции, идущие с выделением теплоты, — это экзотермические реакции: \(Q > 0\), изменение энтальпии \(\Delta H < 0\). Это горение, нейтрализация, большинство реакций соединения, взаимодействие активных металлов с водой и кислотами. Реакции с поглощением теплоты — эндотермические реакции (\(Q < 0\), \(\Delta H > 0\)): большинство реакций разложения, а также некоторые реакции соединения, идущие при высокой температуре:

\[ \ce{CaCO3 ->[t^\circ] CaO + CO2} - Q; \qquad \ce{N2 + O2 <=> 2NO} - Q; \qquad \ce{C + CO2 -> 2CO} - Q; \qquad \ce{C + H2O(g) -> CO + H2} - Q \]

Обратимость

Обратимые реакции одновременно идут в двух направлениях и приходят к равновесию (\(\rightleftharpoons\)): синтез аммиака, окисление \(\ce{SO2}\), этерификация, гидролиз солей. Необратимые реакции идут практически до конца в одном направлении. В растворах это реакции, где образуется осадок, газ или слабый электролит (вода); необратимы и горение, и разложение взрывчатых веществ:

\[ \ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}; \qquad \ce{AgNO3 + NaCl -> AgCl v + NaNO3}; \qquad \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O} \]

Катализ

Катализатор — вещество, которое ускоряет реакцию, но в итоге не расходуется. Реакции с его участием называют каталитическими. Многие промышленные процессы каталитические:

\[ \ce{2SO2 + O2 <=>[V2O5, t^\circ] 2SO3}; \qquad \ce{N2 + 3H2 <=>[Fe, t^\circ, p] 2NH3}; \qquad \ce{2H2O2 ->[MnO2] 2H2O + O2 ^} \]

Если катализатор и реагенты находятся в одной фазе, катализ гомогенный (\(\ce{NO}\) при окислении \(\ce{SO2}\) в старом нитрозном способе), если в разных — гетерогенный (твёрдый \(\ce{V2O5}\), \(\ce{Pt}\), \(\ce{Ni}\) и газы). Биологические катализаторы — ферменты.

Агрегатное состояние

Гомогенные реакции идут в одной фазе — в газовой смеси или в растворе: \(\ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}\), \(\ce{NaOH + HCl}\) в растворе. Гетерогенные — на границе разных фаз: металл с раствором кислоты, горение угля, обжиг пирита. Для гетерогенных реакций важна площадь соприкосновения фаз.

Механизм

В органической химии реакции различают и по механизму — радикальные и ионные (подробно — в разделе 3). Хлорирование метана на свету — радикальное замещение, присоединение бромоводорода к этилену — электрофильное присоединение, нитрование бензола — электрофильное замещение.