Классификация химических реакций. Закон сохранения массы

Цели урока

• Классифицировать химические реакции по всем основным признакам
• Формулировать закон сохранения массы и применять его при уравнивании реакций
• Использовать закон сохранения массы в расчётных задачах

Зачем это нужно на ЕГЭ

Задание 17 проверяет знание классификации реакций: по числу реагентов и продуктов, по обратимости, по тепловому эффекту, по участию катализатора, по изменению степени окисления, по фазовому составу. Правильная классификация — основа для понимания всех дальнейших тем: скорости реакции, равновесия, ОВР, ионного обмена. Закон сохранения массы — фундамент любой расчётной задачи.

Теория

Закон сохранения массы веществ

Сформулирован М.В. Ломоносовым (1748) и экспериментально подтверждён А. Лавуазье (1789): масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

Современная трактовка: атомы в ходе реакции не исчезают и не возникают — меняются только связи между ними. Число атомов каждого элемента до и после реакции одинаково.

Практические следствия:

1. Химические уравнения обязательно уравниваются — число атомов каждого элемента слева и справа от стрелки должно совпадать
2. Можно находить массу неизвестного реагента или продукта, если известны массы всех остальных
3. Стехиометрические расчёты в задачах ЕГЭ базируются на этом законе

Классификация реакций

1. По числу и составу реагентов и продуктов

Соединение: из нескольких веществ образуется одно.

$$2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO$$ $$CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$$ $$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$$

Разложение: из одного вещества образуется несколько.

$$2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2$$ $$CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$$ $$2KMnO_4 \rightarrow K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2$$

Замещение: простое вещество вытесняет элемент из сложного.

$$Zn + CuSO_4 \rightarrow ZnSO_4 + Cu$$ $$Fe + H_2SO_4(\text{разб.}) \rightarrow FeSO_4 + H_2$$ $$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2$$

Обмен: два сложных вещества обмениваются составными частями.

$$NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O$$ $$BaCl_2 + Na_2SO_4 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NaCl$$ $$Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$$

2. По изменению степени окисления

Окислительно-восстановительные (ОВР): степени окисления элементов изменяются.

• $2Mg^0 + O_2^0 \rightarrow 2Mg^{+2}O^{-2}$ (Mg окисляется, O восстанавливается)
• Все реакции замещения — ОВР
• Реакции соединения и разложения — могут быть ОВР, а могут и не быть

Не ОВР: степени окисления не изменяются.

• $CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$
• $NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O$
• Все реакции обмена — не ОВР

3. По тепловому эффекту

Экзотермические (с выделением тепла, $\Delta H < 0$): горение, нейтрализация, большинство реакций соединения.

$$C + O_2 \rightarrow CO_2 + 393,5\ \text{кДж}$$

Эндотермические (с поглощением тепла, $\Delta H > 0$): разложение, электролиз.

$$CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2 - 178\ \text{кДж}$$

4. По обратимости

Необратимые: протекают до конца (до полного расходования одного из реагентов). Признаки необратимости:

• Образование осадка: $BaCl_2 + Na_2SO_4 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NaCl$
• Выделение газа: $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$
• Образование слабого электролита (воды): $NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O$
• Сильное экзотермическое действие: горение

Обратимые: протекают одновременно в прямом и обратном направлениях, достигая состояния равновесия. Обозначаются двойной стрелкой ($\rightleftharpoons$).

$$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$$ $$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$$

5. По фазовому составу (гомогенные и гетерогенные)

Гомогенные: все реагенты и продукты находятся в одной фазе.

• $H_2(\text{г}) + Cl_2(\text{г}) \rightarrow 2HCl(\text{г})$ — все газы

Гетерогенные: реагенты находятся в разных фазах.

• $Zn(\text{тв}) + H_2SO_4(\text{р-р}) \rightarrow ZnSO_4(\text{р-р}) + H_2(\text{г})$ — твёрдое + раствор
• $CaCO_3(\text{тв}) \rightarrow CaO(\text{тв}) + CO_2(\text{г})$

6. По использованию катализатора

Каталитические: идут в присутствии катализатора.

• $2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2$ ($MnO_2$ — катализатор)
• $N_2 + 3H_2 \xrightarrow{Fe,\ t,\ p} 2NH_3$

Некаталитические: протекают без катализатора.

• $CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2$

Уравнивание реакций

Алгоритм расстановки коэффициентов:

1. Запишите формулы реагентов и продуктов
2. Подсчитайте число атомов каждого элемента слева и справа
3. Начните уравнивание с элемента, входящего в наибольшее число формул, или с металла
4. Кислород и водород обычно уравнивают в последнюю очередь
5. Проверьте, что число атомов каждого элемента слева и справа совпадает

Примеры

Пример 1. Классификация реакции

Задача: Охарактеризуйте реакцию:

$$2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow$$

Решение:

• По числу и составу: замещение (простое Al вытесняет H из $HCl$)
• По изменению СО: ОВР ($Al^0 \rightarrow Al^{+3}$, $H^{+1} \rightarrow H_2^0$)
• По тепловому эффекту: экзотермическая (выделяется тепло)
• По обратимости: необратимая (выделяется газ)
• По фазовому составу: гетерогенная (твёрдый Al + раствор $HCl$)
• По катализатору: некаталитическая

Пример 2. Закон сохранения массы

Задача: При взаимодействии 5,6 г железа с избытком серной кислоты выделилось 0,2 г водорода. Какова масса образовавшегося сульфата железа(II)?

Решение:

$$Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2$$

Нужна масса $H_2SO_4$: $n(Fe) = 5,6/56 = 0,1$ моль → $n(H_2SO_4) = 0,1$ моль → $m(H_2SO_4) = 0,1 \cdot 98 = 9,8$ г. По закону сохранения:

$$m(Fe) + m(H_2SO_4) = m(FeSO_4) + m(H_2)$$ $$5,6 + 9,8 = m(FeSO_4) + 0,2 \quad \Rightarrow \quad m(FeSO_4) = 15,2\ \text{г}$$

Вопросы для самопроверки

1. Приведите пример реакции соединения, которая является ОВР, и реакции соединения, которая не является ОВР.
2. К какому типу (по числу и составу) относится реакция $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$? Это ОВР?
3. Почему все реакции обмена — не ОВР? Почему все реакции замещения — ОВР?
4. Приведите три признака необратимости реакций ионного обмена.
5. При полном разложении 10 г карбоната кальция образовалось 5,6 г оксида кальция. Какова масса выделившегося $CO_2$?

Краткий конспект

• Закон сохранения массы: $m(\text{реагентов}) = m(\text{продуктов})$; число атомов не меняется
• По составу: соединение, разложение, замещение, обмен
• По СО: ОВР (СО меняются) и не ОВР (не меняются)
• По тепловому эффекту: экзо- (тепло выделяется) и эндо- (поглощается)
• По обратимости: обратимые ($\rightleftharpoons$, равновесие) и необратимые ($\downarrow$, $\uparrow$, $H_2O$)
• По фазам: гомогенные (одна фаза) и гетерогенные (разные фазы)
• По катализатору: каталитические и некаталитические

Что изучать дальше

Отсюда расходятся несколько направлений: урок 10 «Скорость химических реакций» и урок 11 «Тепловые эффекты химических реакций. Термохимия» углубляют количественные аспекты. Урок 12 «Химическое равновесие» развивает тему обратимости. Урок 17 «Электролитическая диссоциация» открывает мир ионных реакций. Урок 20 «Реакции ионного обмена» покажет условия необратимости подробнее.