Chemische Reaktionen brechen bestehende molekulare chemische Bindungen auf, wodurch neue Bindungen entstehen. Typische chemische Reaktionen sind Verbrennung, Reduktion und Ausfällung. Während dieser chemischen Reaktionen brechen die ursprünglichen Moleküle auseinander und bilden neue Bindungen, um verschiedene Materialien herzustellen. Manchmal reicht es aus, zwei Stoffe zusammenzubringen, damit eine chemische Reaktion beginnt, aber oft ist ein äußerer Reiz wie das Erhitzen der Stoffe erforderlich. Jede chemische Reaktion ist ein komplexes Zusammenspiel von molekularer Anziehung, Energieniveaus und äußeren Einflüssen.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Chemische Reaktionen bauen und brechen die chemischen Bindungen zwischen Molekülen, was zu neuen Materialien als Produkte der chemischen Reaktion führt. Chemische Reaktionen können spontan ablaufen oder einen äußeren Auslöser wie Energiezufuhr erfordern. Das Aufbrechen chemischer Bindungen absorbiert Energie, während das Herstellen neuer Bindungen Energie freisetzt, wobei die gesamte chemische Reaktion endotherm oder exotherm ist.
Chemische Bindungen und Energieniveaus
Die Grundlage aller chemischen Reaktionen ist das Aufbrechen von Bindungen oder die Zersetzung und die Bildung von Bindungen oder die Synthese. Die Zersetzung erfordert Energie, da die chemischen Bindungen anfangs stabil sind und Energie benötigt wird, um sie aufzubrechen. Die Moleküle in der Bindung haben ein niedrigeres Energieniveau als freie Moleküle; Das Hinzufügen von Energie ermöglicht es ihnen, sich zu befreien.
Die Synthese setzt Energie frei, weil sich die Moleküle zu einer stabilen Konfiguration verbinden und somit Energie abgeben. Die gebundenen Moleküle haben ein niedrigeres Energieniveau als freie Moleküle und werden in der neuen Bindung gehalten.
Eine chemische Gesamtreaktion, die Bindungen bricht und neue bildet, kann endotherm (Wärmeaufnahme) oder exotherm sein (Wärme freisetzen), je nachdem, wie viel Energie durch die Zersetzung und Synthese aufgenommen und produziert wird Reaktionen. Einige Reaktionen produzieren insgesamt Wärme, während andere entweder Wärme aus ihrer Umgebung aufnehmen oder die Zufuhr von Wärme von außen erfordern, um die Reaktion abzuschließen. Unter normalen Bedingungen in einer stabilen Umgebung benötigt eine chemische Reaktion einen äußeren Reiz, um zu starten.
Endotherme Reaktionen
Da es Energie kostet, chemische Bindungen aufzubrechen und chemische Reaktionen zu starten, laufen nur wenige endotherme Reaktionen von selbst ab. Der Prozess erfordert normalerweise einen Energieeintrag, um die Reaktion zu starten und aufrechtzuerhalten. Sogar Reaktionen, die insgesamt exotherm sind, können zu Beginn einen Energieeintrag benötigen, um einige der Bindungen aufzubrechen.
Zersetzungsreaktionen sind einfache endotherme Reaktionen und erfordern einen Energieeintrag. Beispielsweise erzeugt das Erhitzen von Quecksilberoxid Quecksilber und Sauerstoff. Kompliziertere endotherme Reaktionen können ablaufen, wenn sie Wärme aus ihrer Umgebung nutzen können. Beispielsweise reagieren die Feststoffe Bariumhydroxid und Ammoniumchlorid in einer endothermen Reaktion bei Raumtemperatur zu Bariumchlorid und Ammoniak bei einer viel kälteren Temperatur. Die Reaktion entzieht den Materialien selbst, ihrem Behälter und der Umgebungsluft Wärme.
Exotherme Reaktionen
Reaktionen, die insgesamt einen Überschuss an Wärme produzieren, sind häufiger, da sie dazu neigen, sich selbst zu erhalten. Synthesereaktionen erzeugen Wärme, sodass sie keine externe Wärmequelle benötigen, um fortzufahren. Zum Beispiel erzeugt die Zugabe einer kleinen Menge Natrium zu Wasser Natriumhydroxid und Wasserstoff in einer explosionsartigen exothermen Reaktion. Die Reaktion startet spontan und dauert an, bis einer der Reaktanten aufgebraucht ist. Dabei entsteht meist so viel Wärme, dass der Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasser verbrennt.
Komplexe Reaktionen, die sowohl auf dem Aufbrechen als auch auf der Bildung chemischer Bindungen beruhen, benötigen oft einen externen Energieeintrag, um zu starten, sind dann aber selbsterhaltend. Beispielsweise erfordert die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen eine Wärmequelle, um die ersten Bindungen aufzubrechen. Typischerweise benötigen Materialien, die Kohlenwasserstoffe enthalten, wie Holz oder Heizöl, ein Streichholz oder einen Funken, um einige der Bindungen zu zersetzen. Sobald die Bildung neuer Bindungen unter Wärmeproduktion beginnt, wird die Reaktion fortgesetzt, wobei Kohlendioxid und Wasserdampf erzeugt werden.
Viele gängige industrielle und kommerzielle Prozesse beruhen auf chemischen Reaktionen, insbesondere exothermen selbsterhaltenden. Wie nützlich sie sind und wie viel Arbeit sie leisten, hängt von der Art der Materialien ab, die reagieren und den chemischen Bindungen, die aufbrechen und sich neu bilden.