Keemilised reaktsioonid on tehnoloogia oluline osa, aidates kaasa mitmesugustele inimtegevustele, mis on osa meie igapäevaelust. Keemiliste reaktsioonide näited, millega igapäevaselt kokku puutume, hõlmavad kütuste põletamist ning veini ja õlle valmistamist. Keemilised reaktsioonid on looduses laialt levinud, alates kivimite keemilisest ilmastikust, taimede fotosünteesist ja loomade hingamisprotsessist.
Laiemas plaanis on neid kolm reaktsioonide tüübid: füüsikaline, keemiline ja tuumaenergia. Keemilisi reaktsioone saab edasi jagada paljudesse kategooriatesse. Kuus tavalist keemiliste reaktsioonide tüübid on süntees, lagunemine, ühe nihke, topelt nihke, põlemise ja happe-aluse reaktsioonid. Teadlased klassifitseerivad neid selle põhjal, mis juhtub reaktantidest toodete juurde liikumisel. See on abiks reaktiivide ja reaktsioonidest moodustunud saaduste reaktiivsuse ennustamisel.
Reaktsioonide tüübid
A keemiline reaktsioon on protsess, mille käigus üks või mitu ainet, reagendid, keemiliselt muunduvad, moodustades ühe või mitu erinevat ainet, produkti. See on protsess, mis hõlmab reagentide koostisosade aatomite ümberkorraldamist toodete moodustamiseks, muutmata aatomite tuuma.
Näiteks mullitatakse sooda ja sulatsija valmistamiseks kasutatud protsessis survestatud tingimustes vette süsinikdioksiid ja see moodustab uue ühendi, mida nimetatakse süsinikhappeks (H2CO3). Selle võrrandi järgi teate, et on toimunud keemiline reaktsioon.
CO2(g) + H2O (l) -> H2CO3(aq)
A füüsiline reaktsioon erineb keemilisest reaktsioonist. Füüsikalised muutused hõlmavad ainult oleku muutumist, näiteks vee jäätumine jääks ja kuiva jää sublimatsioon süsinikdioksiidiks. Mõlemas stsenaariumis on reaktiivide keemiline identiteet H2O ja CO2, ei muutunud. Tooted koosnevad endiselt samadest ühenditest nagu reagendid.
H2O (l) -> H2O (d)
CO2(s) -> CO2g)
A tuumareaktsioon eristatakse ka keemilisest reaktsioonist. See hõlmab kahe tuuma kokkupõrget, moodustades ühe või mitu põhituumast erinevat nukliidi. Näiteks viis Ernest Rutherford läbi esimese kunstliku transmutatsiooni, pannes lämmastikgaasi alfaosakestele, moodustades isotoopi 17O ja prootoni väljutamine selles protsessis. Reagendi element muutus, seega oli reaktsioon toimunud.
14N + a -> 17O + p
Keemiliste reaktsioonide tüübid
Keemiliste reaktsioonide kõige levinumad tüübid on süntees, lagunemine, ühekordne nihutamine, kahekordne asendamine, põlemine ja happe-alus. Selline kategoriseerimine pole siiski ainuõige. Näiteks võib happe-aluse reaktsiooni liigitada ka kahekordse asendusreaktsioonina.
Sünteesireaktsioon
Sünteesireaktsioon on selline, milles on kaks või enam ainet kokku keerukama moodustamiseks. Sünteesireaktsiooni üldise vormi keemiline võrrand on järgmine:
A + B -> AB
Üks sünteesireaktsiooni näide on raua (Fe) ja väävli (S) kombinatsioon rauasulfiidi moodustamiseks.
Fe (s) + S (s) -> FeS (id)
Teine näide on see, kui naatrium ja kloorgaas ühendatakse, et saada keerukam molekul, naatriumkloriid.
2Na (s) + Cl2(g) -> 2NaCl (s)
Lagunemisreaktsioon
Lagunemisreaktsioon toimib sünteesireaktsioonile vastupidiselt. See on reaktsioon, kus keerulisem aine laguneb laiali lihtsamateks. Lagunemisreaktsiooni üldise vormi võib kirjutada järgmiselt:
AB -> A + B
Lagunemisreaktsiooni näiteks on vee elektrolüüs vesiniku ja hapniku moodustamiseks.
H2O (l) -> H2(g) + O2g)
Lagunemine võib olla ka termiline, näiteks süsihappe muundamine veeks ja süsinikdioksiidiks kuumutamistingimustes. Seda nähakse tavaliselt gaseeritud jookides.
H2CO3(aq) -> H2O (l) + CO2g)
Ühekordne nihutusreaktsioon
Tuntud ka kui üksik asendusreaktsioon, on ühekordne asendusreaktsioon see, kui puhas element vahetub ühendis mõne teise elemendiga. See on üldises vormis:
A + BC -> AC + B
Paljud metallid võivad reageerida tugeva happega. Näiteks reageerib magneesium vesinikkloriidhappega, moodustades gaasilise vesiniku ja magneesiumkloriidi. Selles reaktsioonis vahetab magneesium vesinikkloriidhappes kohti.
Mg (s) + 2HCl (vesilahus) -> H2(g) + MgCl2(aq)
Magneesium võib reageerida ka veega, et tekitada magneesiumhüdroksiid ja vesinikgaas.
Mg (s) + 2H2O (l) -> H2(g) + Mg (OH)2(aq)
Topeltpaiknemine
Teine keemiliste reaktsioonide tüüp on kahekordne asendus, mille käigus kahe reaktiivi katioon vahetab kohti, moodustades kaks täiesti erinevat produkti. Selle reaktsiooni üldine vorm on:
AB + CD -> AD + CB
Üks näide kahekordsest asendusreaktsioonist on see, kui baariumkloriid reageerib magneesiumsulfaadiga, moodustades baariumsulfaadi ja magneesiumkloriidi. Selles reaktsioonis vahetavad reaktantides olevad baarium- ja magneesiumikatioonid uutele baariumi- ja magneesiumiühenditele.
BaCl2 + MgSO4 -> BaSO4 + MgCl2
Teine näide on pliumnitraadi reaktsioon kaaliumjodiidiga pliijodiidi ja kaaliumnitraadiks.
Pb (EI3)2 + 2KI -> PbI2 + 2KNO3
Mõlemal juhul tekitab reaktsioon sade (BaSO4 ja PbI2) kahest lahustuvast reagendist, nii et need on rühmitatud ka sadestumisreaktsioonide alla.
Põlemisreaktsioon
Põlemisreaktsioon on eksotermiline redoks keemiline reaktsioon, kus kütus reageerib hapnikuga gaasiliste produktide saamiseks. Ehkki selle käivitab tavaliselt energia vorm, näiteks tule süütamiseks põlema pandud tikku, annab eraldunud soojus energiat reaktsiooni ülalhoidmiseks.
Täielik põlemisreaktsioon toimub siis, kui hapniku liig on olemas ja see annab peamiselt tavalisi oksiide nagu süsinikdioksiid ja vääveldioksiid. Täieliku põlemise tagamiseks peab hapnik olema kaks või kolm korda suurem stöhhiomeetria abil arvutatud teoreetilisest kogusest. Süsivesinike täielikku põlemist võib väljendada kujul:
4CxHy + (4x + y) O2 -> 4xCO2 + 2yH2O + soojus
Metaani, mis on küllastunud süsivesinik, põletamisel eraldub märkimisväärne soojus (891 kJ / mol) ja selle võib võrrandiga kokku võtta järgmiselt:
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O + soojus
Naftaleen on veel üks näide süsivesinikest ja selle täielik põlemine tekitab ka süsinikdioksiidi, vett ja soojust.
C10H8 + 12O2 -> 10CO2 + 4H2O + soojus
Alkoholid võivad olla ka põlemisel kütuseallikad, näiteks metanool.
CH3OH + O2 -> CO2 + 2H2O + soojus
Mittetäielik põlemine toimub siis, kui süsinikdioksiidi ja vee tootmiseks kütusega täielikult reageerimiseks pole piisavalt hapnikku. Selline näide on see, kui metaani põletatakse piiratud hapnikuvarustuses, et saada süsinikmonooksiidi, süsinikdioksiidi, süsiniku tuha ja vee kombinatsioon. Seda saab väljendada allpool toodud võrranditega, mis on paigutatud olemasoleva hapniku koguse järgi.
Vähe hapnikku:
CH4 + O2 -> C + 2H2O
Veidi hapnikku:
2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O
Rohkem, kuid vähe hapnikku:
4CH4 + 7O2 -> 2CO + 2CO2 + 8H2O
Liiga palju süsinikoksiidi võib põhjustada õhumürgitust, kuna see koos hemoglobiiniga moodustab karboksühemoglobiini ja vähendab selle hapniku tarnimise võimet. Seetõttu on oluline tagada kütuse täielik põlemine majapidamises ja tööstuses kasutamiseks.
Happe-aluse reaktsioon
Happe-aluse reaktsioon on happe ja aluse vaheline reaktsioon ning vesi on üks saadustest. See on spetsiaalne kahekordse asendusreaktsiooni tüüp (A ja B lülituskohad) ja need keemilise reaktsiooni näited on kirjutatud järgmiselt:
HA + BOH -> BA + H2O
Happe-aluse reaktsiooni lihtne näide on see, kui antatsiid (kaltsiumhüdroksiid) neutraliseerib maohappe (vesinikkloriidhape).
Ca (OH)2 + 2HCl -> CaCl2 + 2H2O
Teine näide on äädika (äädikhappe) reageerimine söögisoodaga (naatriumvesinikkarbonaadiga). Selles protsessis tekivad vesi ja süsinikdioksiid, kuid soojust ei eraldu, seega pole see põlemisreaktsioon.
CH3COOH + NaHCO3 -> CH3COONa + H2O + CO2