תגובות כימיות הן חלק חיוני מהטכנולוגיה, ותורמות לפעילויות אנושיות שונות המהוות חלק מחיי היומיום שלנו. דוגמאות לתגובות כימיות בהן אנו נתקלים כל יום כוללות שריפת דלקים והכנת יין ובירה. תגובות כימיות קיימות באופן נרחב גם בטבע, החל מבליה כימית של סלעים, פוטוסינתזה בצמחים ותהליך הנשימה אצל בעלי חיים.
בהיבט הרחב יותר, ישנם שלושה סוגי תגובות: פיזיקלי, כימי וגרעיני. ניתן לחלק תגובות כימיות לקטגוריות רבות. שש נפוצות סוגי תגובות כימיות הם: סינתזה, פירוק, תזוזה יחידה, תזוזה כפולה, בעירה ותגובות על בסיס חומצה. מדענים מסווגים אותם על סמך מה שקורה כאשר עוברים ממגיבים למוצרים. זה מועיל בחיזוי תגובתיות של ריאגנטים והמוצרים שנוצרו מהתגובות.
סוגי התגובות
א תגובה כימית הוא תהליך שבו חומר אחד או יותר, המגיבים, עוברים טרנספורמציה כימית ליצירת חומר אחד או יותר, התוצרים. זהו תהליך הכרוך בסידור מחדש של האטומים המרכיבים של המגיבים ליצירת מוצרים, מבלי לשנות את גרעיני האטומים.
לדוגמא, בתהליך המשמש לייצור סודה וסלצר, פחמן דו חמצני מבעבע למים בתנאי לחץ ויוצר תרכובת חדשה המכונה חומצה פחמנית (H2שיתוף3). לפי משוואה זו, ידוע לך שהתרחשה תגובה כימית.
שיתוף2(ז) + ח2O (l) -> H2שיתוף3(aq)
א תגובה פיזית שונה מתגובה כימית. שינויים פיזיים כרוכים רק בשינוי המצב, למשל, הקפאת מים לקרח וסובלימציה של קרח יבש לפחמן דו חמצני. בשני התרחישים, זהותם הכימית של מגיבים, H2O ו- CO2, לא השתנה. המוצרים עדיין מורכבים מאותם תרכובות כמו המגיבים.
ה2O (l) -> H2O (ים)
שיתוף2(ים) -> CO2(ז)
א תגובה גרעינית מובחן גם מתגובה כימית. זה כרוך בהתנגשות של שני גרעינים ליצירת גרעינים אחד או יותר השונים מגרעיני האב. לדוגמה, ארנסט רתרפורד ביצע את התמרה המלאכותית הראשונה על ידי חשיפת גז חנקן לחלקיקי אלפא, ויצר את האיזוטופ. 17O והוצאת פרוטון בתהליך זה. היסוד במגיב השתנה, וכך התרחשה תגובה.
14N + α -> 17O + עמ '
סוגי תגובות כימיות
הסוגים הנפוצים ביותר של תגובות כימיות הם סינתזה, פירוק, עקירה אחת, תזוזה כפולה, בעירה ובסיס חומצה. עם זאת, סיווג כזה אינו בלעדי. לדוגמא, ניתן לסווג תגובת חומצה-בסיס כתגובת עקירה כפולה.
תגובת סינתזה
תגובת סינתזה היא תגובה בה שני חומרים או יותר מְשׁוּלָב ליצור מורכב יותר. המשוואה הכימית לצורה כללית של תגובת סינתזה היא כדלקמן:
A + B -> AB
דוגמה אחת לתגובת סינתזה היא השילוב של ברזל (Fe) וגופרית (S) ליצירת גופרית ברזל.
Fe (s) + S (s) -> FeS (s)
דוגמה נוספת היא כאשר משולבים גז נתרן וכלור לייצור מולקולה מורכבת יותר, הנתרן כלורי.
2Na (s) + Cl2(g) -> 2NaCl (ים)
תגובת פירוק
תגובת פירוק עובדת בדיוק להפך מתגובת סינתזה. זוהי תגובה שבה חומר מורכב יותר מתפרק לפשוטים יותר. ניתן לכתוב צורה כללית של תגובת פירוק כ:
AB -> A + B
דוגמא לתגובת פירוק היא אלקטרוליזה של מים ליצירת מימן וגז חמצן.
ה2O (l) -> H2(ז) + O2(ז)
הפירוק יכול להיות גם תרמי, כגון המרה של חומצה פחמנית למים ופחמן דו חמצני בתנאי חימום. זה נראה בדרך כלל במשקאות מוגזים.
ה2שיתוף3(aq) -> ח2O (l) + CO2(ז)
תגובת עקירה יחידה
תגובת העקירה היחידה, הידועה גם בשם תגובת החלפה יחידה, היא כאשר אלמנט טהור מחליף מקומות עם אלמנט אחר בתרכובת. זה בצורה הכללית:
A + BC -> AC + B
מתכות רבות יכולות להגיב עם חומצה חזקה. לדוגמה, מגנזיום מגיב עם חומצה הידרוכלורית ליצירת גז מימן ומגנזיום כלורי. בתגובה זו, מגנזיום מחליף מקומות עם המימן בחומצה הידרוכלורית.
Mg (s) + 2HCl (aq) -> H2(ז) + MgCl2(aq)
מגנזיום יכול גם להגיב עם מים ליצירת מגנזיום הידרוקסיד וגז מימן.
Mg (s) + 2H2O (l) -> H2(g) + Mg (OH)2(aq)
עקירה כפולה
סוג אחר של תגובות כימיות הוא תזוזה כפולה, שבה הקטיונים של שני המגיבים מחליפים מקומות ליצירת שני מוצרים שונים לחלוטין. צורה כללית של תגובה זו היא:
AB + CD -> AD + CB
דוגמה אחת לתגובת עקירה כפולה היא כאשר בריום כלורי מגיב עם מגנזיום גופרתי ויוצר בריום גופרתי ומגנזיום כלורי. בתגובה זו, קטיונים של בריום ומגנזיום בתגובות מחליפים מקומות לתרכובות בריום ומגנזיום חדשות.
BaCl2 + MgSO4 -> BaSO4 + MgCl2
דוגמה נוספת היא התגובה של חנקת עופרת עם אשלגן יודיד ליצירת עופרת יודיד ואשלגן חנקתי.
Pb (NO3)2 + 2KI -> PbI2 + 2KNO3
בשני המקרים, התגובה מייצרת משקעים (BaSO4 ו- PbI2) משני מגיבים מסיסים, כך שהם מקובצים גם תחת תגובות משקעים.
תגובת בעירה
תגובת בעירה היא חמצון אקסותרמי תגובה כימית שבה דלק מגיב עם חמצן לייצור מוצרים גזיים. למרות שזה בדרך כלל יוזם על ידי סוג של אנרגיה, כגון שימוש בגפרור דולק להצתת אש, החום המשתחרר מספק אנרגיה לקיום התגובה.
תגובת בעירה מלאה מתרחשת כאשר עודף חמצן קיים ומניב בעיקר תחמוצות נפוצות כגון פחמן דו חמצני וגופרית דו-חמצני. על מנת להבטיח בעירה מלאה, על החמצן הנוכחי להיות כפול או שלוש מהכמות התיאורטית המחושבת על ידי סטויכיומטריה. בעירה מוחלטת של פחמימנים יכולה לבוא לידי ביטוי בצורה:
4Cאיקסהy + (4x + y) O2 -> 4xCO2 + 2yH2O + חום
בעירה של מתאן, שהוא פחמימן רווי, משחררת חום ניכר (891 kJ / mol) וניתנת לסיכום על ידי המשוואה באופן הבא:
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O + חום
נפתלין הוא דוגמה נוספת לפחמימנים ובערתו המלאה מייצרת גם פחמן דו חמצני, מים וחום.
ג10ה8 + 12O2 -> 10CO2 + 4H2O + חום
אלכוהול יכול לשמש גם כמקור דלק לבעירה, כמו מתנול.
CH3OH + O2 -> CO2 + 2H2O + חום
בעירה לא שלמה מתרחשת כאשר אין מספיק חמצן להגיב באופן מלא עם הדלק לייצור פחמן דו חמצני ומים. דוגמה כזו היא כאשר נשרף מתאן באספקת חמצן מוגבלת לייצור שילוב של פחמן חד חמצני, פחמן דו חמצני, אפר פחמן ומים. זה יכול לבוא לידי ביטוי על ידי המשוואות שלהלן, מסודרות לפי כמות החמצן הנוכחית.
מעט חמצן:
CH4 + O2 -> C + 2H2או
קצת חמצן:
2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2או
יותר אך לא מספיק חמצן:
4CH4 + 7O2 -> 2CO + 2CO2 + 8H2או
יותר מדי פחמן חד-חמצני עלול לגרום להרעלת אוויר מכיוון שהוא משתלב עם המוגלובין ליצירת קרבוקסיה המוגלובין ומפחית את יכולתו להעביר חמצן. לכן חשוב להקפיד על בעירה מלאה של דלק לשימושים ביתיים ותעשייתיים.
תגובת חומצה-בסיס
תגובת חומצה-בסיס היא תגובה בין חומצה לבסיס, ומים הם אחד התוצרים. זהו סוג מיוחד של תגובה עקירה כפולה (A ו- B מחליף מקומות) ודוגמאות התגובה הכימית הללו נכתבות כ:
HA + BOH -> BA + H2או
דוגמה פשוטה לתגובה על בסיס חומצה היא כאשר נוגד חומצה (סידן הידרוקסיד) מנטרל חומצת קיבה (חומצה הידרוכלורית).
Ca (OH)2 + 2HCl -> CaCl2 + 2H2או
דוגמא נוספת היא תגובת חומץ (חומצה אצטית) עם סודה לשתייה (נתרן ביקרבונט). בתהליך זה נוצרים מים ופחמן דו-חמצני אך לא משתחרר חום ולכן אין זו תגובת בעירה.
CH3COOH + NaHCO3 -> CH3COONa + H2O + CO2