Kemialliset reaktiot ovat olennainen osa tekniikkaa, ja ne myötävaikuttavat erilaisiin ihmisen toimintoihin, jotka ovat osa jokapäiväistä elämäämme. Esimerkkejä kemiallisista reaktioista, joita kohtaamme päivittäin, ovat polttoaineiden polttaminen sekä viinin ja oluen valmistus. Kemiallisia reaktioita esiintyy myös luonnossa laajasti kivien kemiallisesta sään vaikutuksesta, kasvien fotosynteesistä ja eläinten hengitysprosessista.
Laajemmassa näkökulmassa on kolme reaktiotyypit: fysikaalinen, kemiallinen ja ydinvoima. Kemialliset reaktiot voidaan jakaa edelleen moniin luokkiin. Kuusi yhteistä kemiallisten reaktioiden tyypit ovat synteesi, hajoaminen, yhden siirtymän, kaksinkertaisen syrjäytymisen, palamisen ja happo-emäksen reaktiot. Tutkijat luokittelevat ne sen perusteella, mitä tapahtuu, kun siirrytään reagensseista tuotteisiin. Tästä on hyötyä ennustettaessa reagenssien ja reaktioista muodostuvien tuotteiden reaktiivisuus.
Reaktiotyypit
A kemiallinen reaktio on prosessi, jossa yksi tai useampi aine, reagoivat aineet, muuttuu kemiallisesti muodostaen yhden tai useamman eri aineen, tuotteen. Se on prosessi, joka sisältää reagoivien aineosien uudelleenjärjestämisen tuotteiden muodostamiseksi muuttamatta atomien ytimiä.
Esimerkiksi soodan ja sulatteen valmistuksessa käytetyssä prosessissa hiilidioksidi kuplitetaan veteen paineistetuissa olosuhteissa ja muodostaa uuden yhdisteen, joka tunnetaan hiilihappona2CO3). Tällä yhtälöllä tiedät, että kemiallinen reaktio on tapahtunut.
CO2(g) + H2O (l) -> H2CO3(aq)
A fyysinen reaktio on erilainen kuin kemiallinen reaktio. Fyysisiin muutoksiin liittyy vain tilanmuutos, esimerkiksi veden jäätyminen jääksi ja kuivan jään sublimaatio hiilidioksidiksi. Molemmissa skenaarioissa reagenssien kemiallinen identiteetti, H2O ja CO2, ei muuttunut. Tuotteet koostuvat edelleen samoista yhdisteistä kuin reagoivat aineet.
H2O (l) -> H2O (t)
CO2(t) -> CO2(g)
A ydinreaktio erotetaan myös kemiallisesta reaktiosta. Siihen sisältyy kahden ytimen törmäys yhden tai useamman nuklidin muodostamiseksi, jotka eroavat vanhemmista ytimistä. Esimerkiksi Ernest Rutherford suoritti ensimmäisen keinotekoisen transmutaation altistamalla typpikaasua alfa-hiukkasille muodostaen isotoopin 17O ja protonin poistaminen tässä prosessissa. Reagenssin alkuaine muuttui, joten reaktio oli tapahtunut.
14N + a -> 17O + p
Kemiallisten reaktioiden tyypit
Yleisimpiä kemiallisten reaktioiden tyyppejä ovat synteesi, hajoaminen, yksittäinen syrjäytys, kaksinkertainen syrjäytys, palaminen ja happo-emäs. Tällainen luokittelu ei kuitenkaan ole yksinomainen. Esimerkiksi happo-emäsreaktio voidaan myös luokitella kaksoissiirtoreaktioksi.
Synteesireaktio
Synteesireaktio on sellainen, jossa kaksi tai useampi aine on yhdistettynä muodostaa monimutkaisempi. Synteesireaktion yleisen muodon kemiallinen yhtälö on seuraava:
A + B -> AB
Yksi esimerkki synteesireaktiosta on raudan (Fe) ja rikin (S) yhdistelmä rautasulfidin muodostamiseksi.
Fe (t) + S (t) -> FeS (t)
Toinen esimerkki on, kun natrium ja kloorikaasu yhdistetään monimutkaisemman molekyylin, natriumkloridin, tuottamiseksi.
2Na (s) + Cl2(g) -> 2NaCl (s)
Hajoamisreaktio
Hajoamisreaktio toimii aivan päinvastoin kuin synteesireaktio. Se on reaktio, jossa monimutkaisempi aine hajoaa yksinkertaisemmiksi. Hajoamisreaktion yleinen muoto voidaan kirjoittaa seuraavasti:
AB -> A + B
Esimerkki hajoamisreaktiosta on veden elektrolyysi vedyn ja happikaasun muodostamiseksi.
H2O (l) -> H2(g) + O2(g)
Hajoaminen voi olla myös termistä, kuten hiilihapon muuttuminen vedeksi ja hiilidioksidiksi lämmitysolosuhteissa. Se nähdään yleisesti hiilihapollisissa juomissa.
H2CO3(aq) -> H2O (l) + CO2(g)
Yksi siirtymäreaktio
Tunnetaan myös nimellä yksittäinen korvausreaktio, yksi syrjäytysreaktio on, kun puhdas alkuaine vaihtaa paikkoja toisen elementin kanssa yhdisteessä. Se on yleisessä muodossa:
A + BC -> AC + B
Monet metallit voivat reagoida vahvan hapon kanssa. Esimerkiksi magnesium reagoi kloorivetyhapon kanssa muodostaen vetykaasua ja magnesiumkloridia. Tässä reaktiossa magnesium vaihtaa paikkoja vedyn kanssa suolahapossa.
Mg (s) + 2HCl (vesiliuos) -> H2(g) + MgCl2(aq)
Magnesium voi reagoida myös veden kanssa muodostaen magnesiumhydroksidia ja vetykaasua.
Mg (s) + 2H2O (l) -> H2(g) + Mg (OH)2(aq)
Kaksinkertainen siirtymä
Toinen kemiallisten reaktioiden tyyppi on kaksoissiirto, jossa kahden reaktantin kationit vaihtavat paikkaa muodostaen kaksi täysin erilaista tuotetta. Tämän reaktion yleinen muoto on:
AB + CD -> AD + CB
Yksi esimerkki kaksoissiirtymisreaktiosta on, kun bariumkloridi reagoi magnesiumsulfaatin kanssa muodostaen bariumsulfaattia ja magnesiumkloridia. Tässä reaktiossa reagenssien barium- ja magnesiumkationit vaihtavat paikkaa uusiksi barium- ja magnesiumyhdisteiksi.
BaCl2 + MgSO4 -> BaSO4 + MgCl2
Toinen esimerkki on lyijynitraatin reaktio kaliumjodidin kanssa lyijjodidin ja kaliumnitraatin muodostamiseksi.
Pb (EI3)2 + 2KI -> PbI2 + 2KNO3
Molemmissa tapauksissa reaktio muodostaa sakan (BaSO4 ja PbI2) kahdesta liukoisesta reagenssista, joten ne on myös ryhmitelty saostumisreaktioihin.
Polttoreaktio
Palamisreaktio on eksoterminen redox kemiallinen reaktio, jossa polttoaine reagoi hapen kanssa muodostaen kaasumaisia tuotteita. Vaikka se yleensä käynnistyy energiamuodolla, kuten käyttämällä sytytettyä tulitikkua tulen sytyttämiseen, vapautunut lämpö antaa energiaa reaktion ylläpitämiseksi.
Täydellinen palamisreaktio tapahtuu, kun ylimääräistä happea on läsnä ja tuottaa pääasiassa yleisiä oksideja, kuten hiilidioksidia ja rikkidioksidia. Täyden palamisen varmistamiseksi läsnä olevan hapen on oltava kaksi tai kolme kertaa stökiometrisesti laskettu teoreettinen määrä. Hiilivedyn täydellinen palaminen voidaan ilmaista muodossa:
4CxHy + (4x + y) O2 -> 4xCO2 + 2vH2O + lämpö
Metaanin, joka on tyydyttynyt hiilivety, polttaminen vapauttaa huomattavaa lämpöä (891 kJ / mol), ja se voidaan tiivistää yhtälöllä seuraavasti:
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O + lämpö
Naftaleeni on toinen esimerkki hiilivedystä, ja sen täydellinen palaminen tuottaa myös hiilidioksidia, vettä ja lämpöä.
C10H8 + 12O2 -> 10CO2 + 4H2O + lämpö
Alkoholit voivat toimia myös polttonesteen lähteenä, kuten metanoli.
CH3OH + O2 -> CO2 + 2H2O + lämpö
Epätäydellinen palaminen tapahtuu, kun happea ei ole tarpeeksi reagoimaan täysin polttoaineen kanssa hiilidioksidin ja veden tuottamiseksi. Tällainen esimerkki on, kun metaania poltetaan rajoitetussa hapen saannissa hiilimonoksidin, hiilidioksidin, hiilituhkan ja veden yhdistelmän tuottamiseksi. Se voidaan ilmaista alla olevilla yhtälöillä, järjestettynä läsnä olevan hapen määrällä.
Vähän happea:
CH4 + O2 -> C + 2H2O
Happea:
2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O
Enemmän, mutta ei tarpeeksi happea:
4CH4 + 7O2 -> 2CO + 2CO2 + 8H2O
Liian suuri hiilimonoksidi voi johtaa ilmamyrkytykseen, koska se yhdistyy hemoglobiiniin muodostaen karboksihemoglobiinia ja vähentää sen kykyä toimittaa happea. Siksi on tärkeää varmistaa kotitalous- ja teollisuuskäyttöön tarkoitetun polttoaineen täydellinen palaminen.
Happo-emäs-reaktio
Happo-emäs-reaktio on reaktio hapon ja emäksen välillä, ja vesi on yksi tuotteista. Se on erityinen kaksoissiirtymisreaktiotyyppi (A- ja B-kytkinpaikat), ja nämä kemiallisten reaktioiden esimerkit on kirjoitettu seuraavasti:
HA + BOH -> BA + H2O
Yksinkertainen esimerkki happo-emäs-reaktiosta on, kun antasidi (kalsiumhydroksidi) neutraloi mahahapon (suolahappo).
Ca (OH)2 + 2HCl -> CaCl2 + 2H2O
Toinen esimerkki on etikan (etikkahapon) reaktio ruokasoodan (natriumbikarbonaatin) kanssa. Tässä prosessissa muodostuu vettä ja hiilidioksidia, mutta lämpöä ei vapautu, joten se ei ole palamisreaktio.
CH3COOH + NaHCO3 -> CH3COONa + H2O + CO2