Įrodyta, kad chemija šiandien yra plačiausiai naudojamas mokslas , ir daugumai pramonės šakų reikalingi tokie procesai, kad būtų galima pagaminti visus produktus, kurių visuomenė reikalauja palaikydama šiuolaikinį gyvenimo būdą; net tokie paprasti dalykai kaip cukraus įdėjimas į kavą patenka į žinomus cheminių reakcijų tipus.
Norint pagaminti daugelį produktų, jei ne visus, turi vykti cheminė reakcija, nesvarbu, ar tai būtų raktas, valymo priemonė, padanga ar daugelis kitų. Gamtoje esančios skirtingos medžiagos nuolat sąveikauja tarpusavyje : degtuko uždegimas, vaistų tirpinimas vandenyje, maisto gaminimas ar net kvėpavimas yra kasdieniai šių procesų pavyzdžiai.
Šiame turinyje išsamiai paaiškinama, kas yra cheminės reakcijos, kokie veiksniai įtakoja jų greitį, žinomiausi reakcijų tipai, kaip jas vaizduoja lygtys ir kodėl jos tokios svarbios tiek pramonėje, tiek kasdieniame gyvenime.
Kas yra cheminė reakcija?
Cheminės reakcijos (dar vadinamos cheminiais pokyčiais arba cheminiais reiškiniais) yra termodinaminiai materijos virsmo procesai . Kai vyksta reakcija, dvi ar daugiau medžiagų, vadinamų reagentais , yra giliai transformuojamos ir susidaro viena ar daugiau naujų medžiagų, vadinamų produktais.
Cheminės reakcijos metu vyksta atomų ir molekulių reorganizacija : kai kurie cheminiai ryšiai nutrūksta ir susidaro nauji. Šis reorganizavimas gali apimti sistemos energijos sugėrimą arba išskyrimą (šilumos, šviesos, elektros ir kt. pavidalu). Skirtingai nuo fizikinių pokyčių, kurie keičia tik materijos būseną ar formą, cheminiai pokyčiai keičia medžiagų molekulinę struktūrą ir sudėtį .
Šie procesai gamtoje gali vykti savaime (be žmogaus įsikišimo), pavyzdžiui, metalų korozijos ar augalų fotosintezės metu, arba jie gali vykti laboratorijose ir pramoninėje aplinkoje kontroliuojamomis temperatūros, slėgio ar koncentracijos sąlygomis. Šie procesai taip pat yra veikiami klimato pokyčių ir nuo jų priklausomi , nes temperatūros ar slėgio pokyčiai gali pakeisti tiek molekulinę struktūrą, tiek jungtis, taigi ir reakcijos rezultatą.
Cheminės reakcijos charakteristikos
Nors yra tūkstančiai skirtingų reakcijų, dauguma jų turi keletą pagrindinių savybių , kurios leidžia mums geriau suprasti, kaip medžiaga elgiasi reaguojant.
- Gilus materijos virsmasCheminės reakcijos metu, medžiagų vidinė struktūrakad galiausiai būtų gauti kitokie junginiai nei pradiniai, turintys naujų savybių (kvapo, spalvos, tirpumo, reaktyvumo ir kt.).
- Masės išsaugojimasPagal materijos tvermės dėsnį, Bendra reagentų masė yra lygi bendrai produktų maseiAtomai neišnyksta ir nesusidaro, jie tik keičia vietą ir sudaro skirtingas molekules.
- Ryšio reorganizavimasReagentų molekules sudarantys atomai vis dar yra produktuose, bet kitaip susivienijęKitaip tariant, keičiasi cheminiai ryšiai, o ne patys atomai.
- Energijos mainaiKiekviena cheminė reakcija apima energijos poslinkisKai kurie išskiria energiją (pavyzdžiui, degimas), o kiti ją sugeria (pavyzdžiui, daugelis skaidymosi reakcijų). Ši energija gali pasireikšti kaip šiluma, šviesa, elektra arba mechaninis darbas.
- Kiekybinis matavimasReakcijos vyksta pagal fiksuotas reagentų ir produktų kiekių proporcijas. Šių proporcijų kiekybinis tyrimas yra žinomas kaip estekviometrijair leidžia apskaičiuoti, kiek produkto bus gauta iš tam tikro reagentų kiekio.
- Valdomas greitis. reakcijos greitis Jis gali labai skirtis priklausomai nuo reakcijos ir gali būti pagreitintas arba sulėtintas keičiant temperatūrą, koncentraciją, slėgį arba pridedant katalizatorių ar inhibitorių.
- Grįžtamumas arba negrįžtamumasKai kurios reakcijos yra grįžtamasis (produktus galima vėl paversti reagentais), o kiti praktiškai negrįžtamas (Suformavus produktus, jie normaliomis sąlygomis negrįžta į pradinę būseną).
Kaip vaizduojama cheminė reakcija?
Cheminės reakcijos vaizduojamos cheminėmis lygtimis – simbolinėmis išraiškomis, kuriose rašomos reagentų ir produktų formulės, atskirtos rodykle. Reagentai pateikiami kairėje, produktai – dešinėje , o rodyklė tarp jų rodo reakcijos kryptį.
Apskritai tai galima pavaizduoti taip:
aA + bB → cC + dD
- a ir b Jie yra reagentai.
- C ir D Tai yra produktai.
- a, b, c, d yra stechiometriniai koeficientaiskaičiai, rodantys, kiek kiekvienos medžiagos molekulių arba molių dalyvauja reakcijoje.
Balansuojant cheminę lygtį, tikslas yra turėti vienodą kiekvieno elemento atomų skaičių abiejose rodyklės pusėse, taip įvykdant masės tvermės dėsnį. Viena rodyklė rodo iš esmės negrįžtamą reakciją , o dvi rodyklės, nukreiptos priešingomis kryptimis (⇌), – grįžtamą reakciją.
Cheminėse lygtyse naudojami simboliai
Siekiant geriau apibūdinti, kas vyksta reakcijos metu, cheminėse lygtyse naudojami įvairūs pagalbiniai simboliai , nurodantys medžiagų fizinę būseną, šilumos ar šviesos buvimą ir kitas svarbias detales.
- (S): kietos būsenos medžiaga.
- (l): medžiaga skystoje būsenoje.
- (G): medžiaga dujinėje būsenoje.
- (čia)vandenyje ištirpinta medžiaga (vandeninis tirpalas).
- Δ apie rodyklę: rodo, kad reakcijai reikalinga šilumos tiekimas.
- hv apie rodyklę: reakcijai reikia šviesa įvykti.
- kaip apie rodyklę: a buvimas katalizatorius kuris pagreitina reakciją nesuvartojant.
- ↑: rodo, kad a dujos kas palieka sistemą.
- ↓: rodo susidarymą kietos nuosėdos kuris atsiskiria nuo tirpalo.
Fizinių ir cheminių pokyčių skirtumas
Ne kiekvienas materijos pokytis yra susijęs su chemine reakcija. Svarbu atskirti fizinius ir cheminius pokyčius , kad suprastume, kada susidaro naujos medžiagos, o kada keičiasi tik išorinės sąlygos.
Fizikiniai pokyčiai yra tie, kurie pakeičia tokias savybes kaip forma, dydis, agregatinė būsena, spalva ar tankis , tačiau nekeičia medžiagos cheminės sudėties. Vanduo, kuris iš ledo virsta skysčiu arba garais, visais atvejais išlieka vandeniu (H₂O ) .
Kita vertus, cheminiai pokyčiai keičia medžiagų pobūdį . Ryšiai tarp atomų nutrūksta ir susidaro, todėl proceso pabaigoje atsiranda naujų junginių. Pavyzdžiui, jei vanduo (H₂O) reaguoja su kaliu (K), gaunami kalio hidroksidas (KOH) ir vandenilis (H₂) – medžiagos , kurios skiriasi nuo pradinių.
Abiem atvejais bendra sistemos masė išlieka, tačiau tik cheminių pokyčių metu mes tinkamai kalbame apie chemines reakcijas , nes jos apima vidinę atomų transformaciją ir pertvarkymą.
Veiksniai, turintys įtakos cheminėms reakcijoms
Prieš nagrinėjant skirtingus reakcijų tipus, būtina suprasti veiksnius , kurie įtakoja procesą . Be šio supratimo reakcijos gali būti atliktos neteisingai arba visiškai nepavykti. Pagrindiniai veiksniai, darantys įtaką reakcijos procesui, yra šie:
Temperatūra
Tai reikšmingas ir įtakingas cheminių reakcijų veiksnys: kuo aukštesnė temperatūra, tuo daugiau kinetinės energijos turi molekulės ir tuo greičiau jos juda. Dėl to susidūrimai tarp jų tampa dažnesni ir efektyvesni , todėl padidėja reakcijos greitis. Ir atvirkščiai, jei temperatūra žema, reakcijos laikas gerokai sutrumpėja.
Koncentracija
Kai medžiagų koncentracijos yra didesnės , reakcijos greitis žymiai padidėja, nes tūrio vienete yra daugiau reaktyviųjų dalelių , o susidūrimų tikimybė yra didesnė. Šis koncentracijos ir greičio ryšys yra labai svarbus pramoniniuose procesuose ir vaistų formuliavime.
Slėgis
Slėgį galima apibūdinti kaip dujų tankį cheminės reakcijos metu. Todėl, jei tokiuose mišiniuose šis lygis padidėja, molekulių jungimosi greitis bus daug didesnis. Reakcijose, kuriose dalyvauja dujinės medžiagos, slėgio padidėjimas prilygsta didesnei efektyviai dujų koncentracijai, o tai pagreitina procesą. Tačiau skysčiuose ir kietose medžiagose slėgio pokyčiai paprastai turi daug mažesnį poveikį.
Reakcijos pobūdis
Visos medžiagos skiriasi tiek savo forma, tiek sudėtimi, todėl reakcijos pobūdis , taigi ir jos greitis, keisis priklausomai nuo maišomų elementų tipo. Kieta medžiaga nereaguoja taip greitai kaip dujos, nes kietosios medžiagos turi kompaktiškesnes molekules, o dujos – labiau išsklaidytas. Be to, kai kurios medžiagos iš prigimties yra reaktyvesnės nei kitos (pavyzdžiui, natris reaguoja daug greičiau nei geležis).
Užsakymas mišinyje
Medžiagų pridėjimo prie reakcijų tvarka turi įtakos jų vietinei koncentracijai ir maišymosi greičiui. Kai kuriuose pramoniniuose ir farmacijos procesuose labai svarbu reagentus pridėti tikslia seka, kad būtų išvengta nepageidaujamų šalutinių reakcijų arba optimizuotas išeiga.
Mišrus
Svarbu pažymėti, kad naudojamo maišymo tipas reikšmingai paveiks reakcijos greitį, priklausomai nuo to, ar reakcija yra homogeninė (visi reagentai toje pačioje fazėje), ar heterogeninė (reagentai skirtingose fazėse, pavyzdžiui, kieta medžiaga skystyje). Tinkamas maišymas padidina medžiagų sąlyčio paviršiaus plotą ir skatina medžiagų bei energijos mainus.
Katalizatorius ir inhibitoriai
Katalizatoriai yra alternatyvus medžiagų reakcijos kelias , kuriam užbaigti reikia mažiau energijos. Todėl katalizatoriaus buvimas reakcijos procese jį pagreitina . Katalizatoriai procese nesunaudojami ir gali būti naudojami pakartotinai. Ir atvirkščiai, inhibitoriai sumažina reakcijos greitį, trikdydami vieną ar kelis cheminio proceso etapus.
Cheminių reakcijų tipai
Kaip gerai žinoma, chemija yra labai svarbi pramonės sektoriaus , taigi ir visuomenės, plėtrai, nes šie du sritys yra neatsiejamai susijusios. Taip yra todėl, kad įmonės siekia patenkinti žmonių poreikius kurdamos produktus, kurie juos spręstų. Norint atlikti šią sudėtingą užduotį, būtina panaudoti įvairias chemines reakcijas, kurios bus aprašytos toliau.
Chemines reakcijas galima klasifikuoti įvairiais būdais. Viena iš labiausiai paplitusių klasifikacijų yra pagrįsta atomų persitvarkymu tarp reagentų ir produktų arba energijos ar dalelių mainų tipu, vykstančiu proceso metu.
Endoterminė reakcija
Šio tipo cheminės reakcijos metu sistema sugeria energiją iš aplinkos (šilumos, šviesos ar elektros), kad įvyktų reakcija. Kad šios reakcijos vyktų, sistema turi gauti energijos iš išorinio šaltinio. Tipiškas pavyzdys yra kai kurių junginių, pavyzdžiui, kalcio karbonato, terminis skilimas kaitinant.
Egzoterminė reakcija
Šiuo atveju reakcijos į aplinką išskiria energiją , dažniausiai šilumos, o kartais ir šviesos pavidalu. Ši energija išsiskiria todėl, kad produktai yra žemesnės energijos būsenoje nei reagentai. Įprasti pavyzdžiai: degalų degimas arba stiprios rūgšties ir reaktyviojo metalo reakcija.
Pridėjimo arba sintezės reakcija
Šios reakcijos pavadinimas gali lengvai ją apibrėžti: pridėjimo (arba sintezės) reakcijos yra tokios, kai dvi ar daugiau medžiagų susijungia ir sudaro vieną, sudėtingesnį junginį. Pavyzdžiui, azotas reaguoja su vandeniliu ir sudaro amoniaką.
Skilimo reakcija
Skilimo metu junginys skyla į dvi ar daugiau paprastesnių medžiagų – tai priešingybė sintezei. Pavyzdys yra vandens elektrolizė, kurios metu susidaro vandenilis ir deguonis.
Pakeitimo arba pakeitimo reakcija
Vieno išstūmimo reakcijose vienas elementas junginyje pakeičia kitą , susidarant naujam elementui ir naujam junginiui. Tai atsitinka, kai reaktyvesnis elementas junginyje pakeičia mažiau reaktyvų elementą.
Dvigubo pakeitimo reakcija
Šio tipo reakcijos metu du junginiai apsikeičia jonais arba grupėmis vienas su kitu, susidarant dviem naujiems junginiams. Šiai kategorijai priklauso daugelis rūgščių-šarmų neutralizavimo reakcijų.
Joninė reakcija
Joninių junginių sąlytis su tirpikliu, ypač vandeniu, sukelia joninę disociaciją . Gauti jonai gali persigrupuoti ir sudaryti nuosėdas, generuoti dujas arba likti tirpale, priklausomai nuo esančių rūšių.
Degimo reakcija
Šio tipo reakcija yra labai energinga ir išskiria šilumą bei šviesą; dėl išsiskiriančio didelio energijos kiekio ji netgi gali sukelti gaisrą. Tai greito oksidavimosi rūšis , kai degi medžiaga reaguoja su deguonimi, paprastai išskirdama pagrindinius produktus – anglies dioksidą ir vandenį.
Neutralizacija arba rūgščių-šarmų reakcija
Neutralizavimo reakcijos apima rūgščių ir bazių derinį , dėl kurio paprastai susidaro druska ir vanduo. Klasikinis pavyzdys yra druskos rūgšties reakcija su natrio hidroksidu, kurios metu susidaro natrio chloridas ir vanduo.
Redokso reakcija (oksidacija-redukcija)
Taip pat žinomos kaip oksidacijos-redukcijos reakcijos, šios reakcijos apima vieną junginį, kuris praranda elektronus (oksiduojasi) , o kitą – gauna (redukuojasi) . Visada vyksta elektronų perdavimas tarp reagentų ir keičiasi dalyvaujančių junginių oksidacijos laipsnis.
Branduolinė reakcija
Branduolinės reakcijos veikia atomo branduolį , ne tik elektronų apvalkalą, ir išskiria daug daugiau energijos nei įprastos cheminės reakcijos. Jos gali apimti sintezę (lengvųjų branduolių susijungimą) arba dalijimąsi (sunkiųjų branduolių skilimą) ir kelti labai specifinę riziką bei pritaikymą energetikoje ir medicinoje.
Tai tik keletas labiausiai paplitusių cheminių reakcijų tipų , kasdien naudojamų ne tik versle, bet ir prekyboje bei visuomenėje, nors jų yra daug daugiau. Jų svarba tampa aiški, kai įsivaizduojate gyvenimą be prieigos prie produktų, kuriuos chemija teikia visuomenei.
Cheminės reakcijos greitis
Cheminėms reakcijoms įvykti reikia tam tikro laiko , kuris priklauso nuo reagentų pobūdžio ir aplinkos, kurioje vyksta reakcija . Kai kurios reakcijos vyksta praktiškai akimirksniu, o kitos gali užtrukti metus.
Reakcijos greitis apibrėžiamas kaip produkto kiekis, atsirandantis per laiko vienetą, arba reagento kiekis, išnykstantis per laiko vienetą. Šis parametras yra esminis tiek norint suprasti gamtos reiškinius, tiek kuriant saugius ir efektyvius pramoninius procesus.
Cheminių reakcijų greitį paprastai lemia šie veiksniai:
- temperatūros kilimasAukšta temperatūra linkusi padidinti cheminių reakcijų greitį, nes ji padidina molekulių energiją ir efektyvių susidūrimų dažnį.
- padidėjęs slėgisDidėjant slėgiui, reakcijos paprastai pagreitėja, ypač kai jose dalyvauja... dujų, jautrių slėgio pokyčiamsSkysčių ir kietų medžiagų atveju slėgio pokyčiai paprastai nesukelia reikšmingų svyravimų.
- Agregacijos būsenaKietosios medžiagos paprastai reaguoja lėčiau nei skysčiai ar dujos, nes jų molekulės yra labiau supakuota ir jie yra mažiau judrūs. Tačiau greitis taip pat priklausys nuo kiekvienos medžiagos vidinio reaktyvumo.
- Katalizatorių naudojimasŠios medžiagos yra naudojamos padidinti cheminių reakcijų greitį nesuvartojant proceso metu. Taip pat yra medžiagų, vadinamų inhibitoriaikurie sukelia priešingą poveikį ir sumažina greitį.
- Šviesos energija (šviesa)Kai kurios cheminės reakcijos pagreitėja, kai į jas šviečia šviesa, nes fotonai suteikia energijos, reikalingos tam tikriems ryšiams nutraukti.
- Reagentų koncentracijaDauguma cheminių reakcijų vyksta greičiau, jei jos turi didelė jo reagentų koncentracijanes padidina susidūrimų tarp reaktyviųjų dalelių skaičių.
Cheminių reakcijų svarba
Cheminės reakcijos yra esminės norint egzistuoti ir suprasti pasaulį tokį, kokį jį žinome. Pokyčiai, kuriuos materija patiria natūraliomis ar žmogaus sukurtomis sąlygomis (ir kurie dažnai sukuria vertingas medžiagas), yra tik vienas iš to pavyzdžių.
Didžiausias cheminių reakcijų svarbos įrodymas yra pati gyvybė visomis jos formomis. Visų rūšių gyvų būtybių egzistavimas įmanomas tik dėl materijos gebėjimo reaguoti ir keistis energija su aplinka per medžiagų apykaitos kelius, tai yra, cheminių reakcijų sekas, kurios suteikia daugiau naudingos energijos nei sunaudoja.
Kasdieniame gyvenime kvėpavimas susideda iš daugybės cheminių reakcijų, kaip ir fotosintezė augaluose, maisto virškinimas, vaistų gamyba, kuro gamyba, vandens valymas ir praktiškai bet kurio pramoninio produkto gamyba.
Supratimas, kas yra cheminės reakcijos ir kaip jos veikia, leidžia mums paaiškinti kasdienius ir technologinius reiškinius – nuo to, kodėl metalas oksiduojasi, iki to, kaip susidaro pažangios medžiagos, nepamirštant milžiniško jų poveikio aplinkai ir žmonių sveikatai.
Visame tekste matėte, kad nors materija sudaryta iš labai mažų vienetų, tokių kaip atomai ir molekulės, jos jungimosi būdas per įvairias chemines reakcijas yra raktas į mus supančių medžiagų, biologinių procesų ir pramoninių pritaikymų įvairovę, parodantis, kaip chemija susieja mikroskopinį mastelį su didžiaisiais realaus pasaulio reiškiniais.