Reakcja chemiczna

Reakcji chemicznej jest przemiana materii w którym substancje chemiczne , które składają się w podobny sposób są modyfikowane. Spożywane gatunki nazywane są reagentami ; gatunki powstałe podczas reakcji nazywane są produktami . Od czasu pracy Lavoisiera (1777) naukowcy wiedzieli, że reakcja chemiczna zachodzi bez mierzalnej zmiany masy : „Nic nie jest stracone, nic nie jest tworzone, wszystko jest przekształcane” , co odzwierciedla zachowanie masy .

Reakcje chemiczne powodują zmianę chemicznej natury materii. Przekształcenia czysto fizycznych, takich jak zmiany stanu ( topnienie , zestalanie , odparowanie , wrzenie , etc. ), zużycie, erozja i pęknięcia , są wyłączone . Reakcja może wyzwolić energię (zwykle w postaci ciepła , ale także światła ), jest wówczas reakcją egzotermiczną . Może wymagać wkładu energii w postaci ciepła (dlatego „produkuje zimno”) lub światła, jest wówczas reakcją endotermiczną . Ogólnie reakcja może mieć miejsce tylko wtedy, gdy zostaną spełnione określone warunki (obecność wszystkich odczynników, temperatura, ciśnienie, warunki świetlne). Niektóre reakcje wymagają lub są ułatwione przez obecność substancji chemicznej zwanej katalizatorem , która nie jest zużywana w reakcji. Klasycznie reakcje chemiczne obejmują zmiany, które dotyczą ruchu elektronów , tworzenia i zrywania wiązań chemicznych. Jednak ogólna koncepcja reakcji chemicznej, w szczególności pojęcie równania chemicznego, ma również zastosowanie do elementarnych przemian cząstek i reakcji jądrowych. W chemii organicznej różne reakcje chemiczne są łączone w syntezie chemicznej w celu uzyskania pożądanego produktu. W biochemii szereg reakcji chemicznych katalizowanych przez enzymy tworzy szlaki metaboliczne, przez które w komórce zachodzą zwykle niemożliwe syntezy i rozpady.

Widzenie mikroskopowe (na poziomie atomowym)

Materia składa się z atomów zgrupowanych w związkach chemicznych , podczas reakcji chemicznej związki wymieniają swoje atomy; w ten sposób zmienia się natura związków. Reakcje chemiczne dotyczą tylko zmian wiązań między atomami ( wiązania kowalencyjne , jonowe , metaliczne ).

Aby przedstawić zjawiska zachodzące podczas reakcji chemicznej, piszemy równanie chemiczne .

Reakcja chemiczna i energia

Przemiany zachodzące podczas reakcji chemicznej powodują na ogół spadek energii całkowitej. Rzeczywiście, w cząsteczce lub krysztale „zahaczenie” atomów między nimi wymaga energii, zwanej energią wiązania . Kiedy zrywasz wiązanie, „rozbijasz” cząsteczkę lub kryształ, „rozpraszając” jego atomy. Konieczne jest wtedy dostarczenie energii. Kiedy atomy się rekombinują, uwalniają energię, tworząc nowe wiązania. Pod koniec reakcji energia zmagazynowana w wiązaniach produktów reakcji jest niższa niż energia zmagazynowana w wiązaniach reagentów.

Podczas reakcji następuje etap, w którym stare więzi są zrywane, a nowe jeszcze nie powstają. Jest to stan, w którym energia układu jest wysoka, stan przejściowy, który stanowi realną barierę reakcji. Zapoczątkowanie reakcji polega po prostu na przekroczeniu tej bariery energetycznej, zwanej energią aktywacji .

Jeśli weźmiemy pod uwagę reakcję zachodzącą w temperaturze T i przy stałym ciśnieniu, czyli serię reakcji przeprowadzanych na świeżym powietrzu pod ciśnieniem atmosferycznym, to energia układu reakcyjnego mierzona jest funkcją entalpii H Różnica entalpii związana za pomocą równania reakcji, zwanego entalpią reakcji , można określić zmianę energii układu po reakcji. Najczęściej wyraża się to poprzez wymianę ciepła z otoczeniem zewnętrznym. $\ Delta_ \ mathrm {r} \ mathrm {H}$

Badaniem energetycznego aspektu reakcji chemicznych jest termochemia .

Stan układu chemicznego charakteryzuje się:

wielkości fizyczne temperatura i ciśnienie;
tworzące go związki chemiczne, jak również ich stan skupienia (ciało stałe (a), płyn (l), gaz (g), rozpuszczony (aq)) oraz ilość materii.

Szybkość reakcji

Badanie energii układu ( termochemia ) pozwala dowiedzieć się, czy reakcja może zajść, czy nie, jaką energię początkową trzeba dostarczyć, aby przekroczyć barierę. Ale jest jeszcze jeden ważny parametr: szybkość reakcji .

Szybkość reakcji jest miarą zmiany w czasie stężeń i / lub ciśnień substancji biorących udział w tej reakcji. Analiza szybkości reakcji jest ważna w wielu zastosowaniach, takich jak inżynieria chemiczna lub badanie równowag chemicznych .

Szybkość reakcji zależy od:

stężenie z reagentów : stężeniu większym zwiększa prawdopodobieństwo zderzenia pomiędzy cząsteczkami , a tym samym zwiększa szybkość reakcji;
powierzchnia dostępna do kontaktu między cząsteczkami, zwłaszcza ciała stałego w układach heterogenicznych. Większa powierzchnia powoduje większą szybkość reakcji;
ciśnienie , które poprzez zwiększenie, zmniejszenie objętości, a tym samym odległość między cząsteczkami. Zwiększa to częstotliwość zderzeń cząsteczek;
energii aktywacji , która jest zdefiniowana jako ilość energii potrzebnej do reakcji na początku i na które mają być utrzymane spontanicznie;
temperatury , która przez rosnące aktywuje reakcję zwiększając energię cząstek i tworzenie nowych kolizji na jednostkę czasu;
brak lub obecność katalizatora, który modyfikuje mechanizm reakcji, co z kolei zwiększa szybkość reakcji, obniżając wymaganą energię aktywacji. Podczas reakcji katalizator nie ulega zniszczeniu;
w przypadku niektórych reakcji obecność promieniowania elektromagnetycznego , zwłaszcza promieniowania ultrafioletowego , jest konieczna do zerwania wiązań, aby rozpocząć reakcję.

Należy pamiętać, że niektóre reakcje nie zależą od stężenia odczynników.

Reakcja chemiczna w laboratorium

W laboratorium przeprowadzenie reakcji chemicznej polega na:

Przygotuj reakcję i oblicz ilości;
Przeprowadź reakcję w żądanej temperaturze;
W razie potrzeby zneutralizować środowisko reakcyjne ;
Potraktuj surową reakcję ;
Oczyścić mieszaninę, aby uzyskać, jeśli to możliwe, żądany związek.

Przykłady

Niektóre z najczęstszych reakcji chemicznych obejmują:

oddech The fermentacja mlekowego i fermentacji alkoholowej, które umożliwiają organizacjom w celu wytworzenia energii ;
wydzielanie produktów przez organy (łzy, pot, ślina, sok żołądkowy, hormony , itd. ), działanie tych wydzielin;
spalania (w szczególności w silnikach spalinowych i kotłów), na ogień ;
gotowanie żywności, oparzenia;
korozję materiału (na przykład rdza);
fotosynteza chlorofil pozwala rośliny regeneruje tlen powietrza przez odzyskanie ditlenku węgla ;
rozpuszczanie metali przez kwas;
ujawnienie srebrnych fotografii ;
produkcja energii elektrycznej w bateriach, magazynowanie i uwalnianie energii elektrycznej w bateriach i akumulatorach;
produkcja metali z rud ( metalurgia );
produkcja benzyny, olejów i tworzyw sztucznych z ropy naftowej ;
produkcja środków czystości: mydło (reakcja zmydlania), wybielacz , kwas solny , soda kaustyczna , amoniak ;
produkcja nawozów , pestycydów , produktów fitosanitarnych ;
produkcja narkotyków ;
winiarstwo, przetwórstwo alkoholi → kwas etanowy (ocet);
alkomat „na zielono”;
zanieczyszczenie ozonem przez zanieczyszczenia powietrza;
niszczenie ozonu przez chlorofluorowęglowodory (CFC) (czynniki chłodnicze itp.).

Klasyfikacja

Istnieje bardzo wiele różnych reakcji chemicznych, ale możemy zidentyfikować ich „rodziny”. Niektóre z głównych rodzin przedstawiono poniżej, ale ta lista nie jest wyczerpująca , a reakcja chemiczna może jednocześnie należeć do kilku z tych rodzin.

reakcja kwasowo-zasadowa polegająca na przeniesieniu protonu H + z kwasu (który oddaje H + ) do zasady (wychwytuje H + )

NH 4 + (aq) + HO - (aq) → NH 3 (g) + H 2 O (l)

reakcja utleniania-redukcji , podczas której obserwuje się przeniesienie jednego lub więcej elektronów ze środka redukującego do utleniacza:

Fe (s) + Cu 2+ (aq) → Fe 2+ (aq) + Cu (s)

spalanie , szczególny przypadek reakcji utleniania-redukcji, podczas której paliwo reaguje z utleniaczem (zwykle tlenem ) ze znacznym wydzielaniem ciepła ( reakcja silnie egzotermiczna ).

CH 4 + 2 O 2→ CO 2+ 2 H 2 O ( całkowite spalanie z metanu )
H 2 + F 2 → 2HF (wybuchowe spalanie diwodoru w difluorku )

Reakcja organicznych z udziałem związków organicznych ( cząsteczki mające co najmniej jeden atom z atomem węgla (C), związany z atomem wodoru (H)); reakcje organiczne można sklasyfikować według mechanizmu (reakcja addycji , podstawienia , eliminacji , redoks , przegrupowania itp.) lub według grupy funkcyjnej (reakcje alkoholi , kwasów karboksylowych , ketonów itp.)
całkowita synteza związku chemicznego z prostych ciał :

N 2 + 3 H 2 → 2 NH 3

rozkład chemiczny, w którym związek zostaje podzielony na prostsze gatunki; Rozkłady można sklasyfikować ze względu na charakter zjawiska, które je powoduje: elektroliza , termoliza , piroliza , radioliza ...

2 H 2 O → 2 H 2 + O 2

izomeryzacja , w której związek chemiczny ulega zmianie strukturalnej bez zmiany wzoru cząsteczkowego

	$\ rightleftharpoons$
Glc-6-P		Fru-6-P
Izomeryzacja glukozo-6-fosforanu do fruktozo-6-fosforanu

reakcja rodnikowa, w której co najmniej jeden z produktów pośrednich reakcji jest rodnikiem .

Zobacz też

Powiązane artykuły