Kemialliset reaktiot hajottavat olemassa olevat molekyylikemialliset sidokset ja seurauksena muodostuu uusia sidoksia. Tyypillisiä kemiallisia reaktioita ovat palaminen, pelkistys ja saostuminen. Näiden kemiallisten reaktioiden aikana alkuperäiset molekyylit hajoavat ja muodostavat uusia sidoksia eri materiaalien tuottamiseksi. Joskus riittää kahden aineen yhdistäminen yhteen kemiallisen reaktion alkamiseksi, mutta usein tarvitaan ulkoista ärsykettä, kuten aineiden lämmittämistä. Jokainen kemiallinen reaktio on molekyylien vetovoiman, energiatasojen ja ulkoisten vaikutusten monimutkainen vuorovaikutus.
TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)
Kemialliset reaktiot muodostavat ja hajottavat molekyylien väliset kemialliset sidokset, jolloin syntyy uusia materiaaleja kemiallisen reaktion tuotteina. Kemialliset reaktiot voivat tapahtua spontaanisti tai vaatia ulkopuolista laukaisua, kuten energian syöttämistä. Kemiallisten sidosten rikkominen absorboi energiaa, kun taas uusien sidosten luominen vapauttaa energiaa, jolloin kemiallinen reaktio on kokonaisuudessaan endoterminen tai eksoterminen.
Kemialliset sidokset ja energiatasot
Kaikkien kemiallisten reaktioiden perusta on sidosten hajoaminen tai hajoaminen ja sidosten luominen tai synteesi. Hajoaminen vaatii energiaa, koska kemialliset sidokset ovat aluksi vakaita, ja energiaa tarvitaan niiden hajottamiseen. Sidoksessa olevilla molekyyleillä on alhaisempi energiataso kuin vapailla molekyyleillä; energian lisääminen antaa heille mahdollisuuden irtautua.
Synteesi vapauttaa energiaa, koska molekyylit sitoutuvat muodostaen vakaan konfiguraation ja luovuttavat siten energiaa. Sitoutuneilla molekyyleillä on alhaisempi energiataso kuin vapailla molekyyleillä, ja niitä pidetään uudessa sidoksessa.
Kemiallinen reaktio, joka katkaisee sidokset ja muodostaa uusia, voi olla endoterminen (absorboi lämpöä) tai eksoterminen (vapauttaa lämpöä), riippuen siitä kuinka paljon energiaa imeytyy ja tuotetaan hajoamisen ja synteesin avulla reaktioita. Jotkut reaktiot tuottavat lämpöä kokonaisuudessaan, kun taas toiset joko absorboivat lämpöä ympäristöstään tai vaativat ulkolämmön lisäämistä reaktion loppuun saattamiseksi. Normaaleissa olosuhteissa vakaassa ympäristössä kemiallinen reaktio vaatii ulkoisen ärsykkeen käynnistymiseen.
Endotermiset reaktiot
Koska kemiallisten sidosten rikkomiseen ja kemiallisten reaktioiden käynnistämiseen tarvitaan energiaa, muutama endoterminen reaktio tapahtuu itsestään. Prosessi vie yleensä energian panoksen reaktion käynnistämiseksi ja ylläpitämiseksi. Jopa reaktiot, jotka ovat kaiken kaikkiaan eksotermisiä, saattavat tarvita energian syöttöä alussa rikkomaan joitain sidoksia.
Hajoamisreaktiot ovat yksinkertaisia endotermisiä reaktioita ja edellyttävät energian syöttämistä. Esimerkiksi elohopeaoksidin lämmittäminen tuottaa elohopeaa ja happea. Monimutkaisempia endotermisiä reaktioita voi tapahtua, jos ne voivat käyttää ympäristöstään tulevaa lämpöä. Esimerkiksi kiinteät aineet bariumhydroksidi ja ammoniumkloridi reagoivat endotermisessä reaktiossa huoneenlämpötilassa bariumkloridin ja ammoniakin tuottamiseksi paljon kylmemmässä lämpötilassa. Reaktio ottaa lämpöä itse materiaaleista, niiden säiliöstä ja ympäröivästä ilmasta.
Eksotermiset reaktiot
Reaktiot, jotka tuottavat ylimääräistä lämpöä, ovat yleisempiä, koska ne ovat yleensä itsensä ylläpitäviä. Synteesireaktiot tuottavat lämpöä, joten ne eivät tarvitse ulkoista lämmönlähdettä jatkaakseen. Esimerkiksi pienen määrän natriumin lisääminen veteen tuottaa natriumhydroksidia ja vetyä räjähtävässä eksotermisessä reaktiossa. Reaktio alkaa spontaanisti ja jatkuu, kunnes toinen reagoivista aineista on käytetty loppuun. Se tuottaa yleensä niin paljon lämpöä, että vety palaa ilman hapen kanssa muodostaen vettä.
Monimutkaiset reaktiot, jotka perustuvat sekä katkaisemiseen että kemiallisten sidosten muodostumiseen, tarvitsevat usein ulkoisen energiapanoksen aloittaakseen, mutta ovat sitten itsekestäviä. Esimerkiksi hiilivetyjen palaminen vaatii lämmönlähteen muutamien ensimmäisten sidosten rikkomiseksi. Tyypillisesti hiilivetyjä sisältävät materiaalit, kuten puu tai polttoöljy, tarvitsevat tulitikkua tai kipinää hajottaakseen osan sidoksista. Kun uusien sidosten muodostuminen lämmöntuotannon kanssa alkaa, reaktio jatkuu, mikä tuottaa hiilidioksidia ja vesihöyryä.
Monet yleiset teolliset ja kaupalliset prosessit tukeutuvat kemiallisiin reaktioihin, etenkin eksotermisiin itsekestäviin reaktioihin. Se, kuinka hyödyllisiä ne ovat ja kuinka paljon työtä he tekevät, riippuu reagoivista materiaaleista sekä hajoavista ja uudistuvista kemiallisista sidoksista.