Chemische reacties verbreken bestaande moleculaire chemische bindingen en als resultaat ontstaan nieuwe bindingen. Typische chemische reacties zijn onder meer verbranding, reductie en precipitatie. Tijdens deze chemische reacties breken de oorspronkelijke moleculen uit elkaar en vormen nieuwe bindingen om verschillende materialen te produceren. Soms is het voldoende om twee stoffen bij elkaar te brengen om een chemische reactie op gang te brengen, maar vaak is een externe prikkel nodig, zoals het verhitten van de stoffen. Elke chemische reactie is een complexe interactie van moleculaire aantrekkingskracht, energieniveaus en externe invloeden.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Chemische reacties maken en verbreken de chemische bindingen tussen moleculen, wat resulteert in nieuwe materialen als de producten van de chemische reactie. Chemische reacties kunnen spontaan optreden of een externe trigger vereisen, zoals een invoer van energie. Het verbreken van chemische bindingen absorbeert energie, terwijl het maken van nieuwe bindingen energie vrijgeeft, waarbij de algehele chemische reactie endotherm of exotherm is.
Chemische bindingen en energieniveaus
De basis van alle chemische reacties is het verbreken van bindingen, of ontbinding, en het creëren van bindingen, of synthese. Ontleding vereist energie omdat de chemische bindingen aanvankelijk stabiel zijn, en er is energie nodig om ze uit elkaar te halen. De moleculen in de binding hebben een lager energieniveau dan vrije moleculen; door energie toe te voegen, kunnen ze zich losmaken.
Bij synthese komt energie vrij omdat de moleculen zich binden om een stabiele configuratie te vormen en daardoor energie afstaan. De gebonden moleculen hebben een lager energieniveau dan vrije moleculen en worden vastgehouden in de nieuwe binding.
Een algemene chemische reactie die bindingen verbreekt en nieuwe vormt, kan endotherm (absorberende warmte) of exotherm zijn (warmte afgeven), afhankelijk van hoeveel energie wordt geabsorbeerd en geproduceerd door de ontbinding en synthese reacties. Sommige reacties produceren in het algemeen warmte, terwijl andere ofwel warmte uit hun omgeving absorberen of de toevoeging van externe warmte vereisen om de reactie te voltooien. Onder normale omstandigheden in een stabiele omgeving heeft een chemische reactie een externe prikkel nodig om op gang te komen.
Endotherme reacties
Omdat het energie kost om chemische bindingen te verbreken en chemische reacties te starten, gebeuren er weinig endotherme reacties vanzelf. Het proces vereist gewoonlijk een invoer van energie om de reactie te starten en te handhaven. Zelfs reacties die in het algemeen exotherm zijn, kunnen in het begin energie nodig hebben om sommige bindingen te verbreken.
Ontledingsreacties zijn eenvoudige endotherme reacties en vereisen een invoer van energie. Het verhitten van kwikoxide produceert bijvoorbeeld kwik en zuurstof. Endotherme reacties die ingewikkelder zijn, kunnen plaatsvinden als ze warmte uit hun omgeving kunnen gebruiken. De vaste stoffen bariumhydroxide en ammoniumchloride reageren bijvoorbeeld in een endotherme reactie bij kamertemperatuur om bariumchloride en ammoniak te produceren bij een veel lagere temperatuur. De reactie onttrekt warmte aan de materialen zelf, hun container en de omgevingslucht.
Exotherme reacties
Reacties die in het algemeen een overmaat aan warmte produceren, komen vaker voor omdat ze de neiging hebben zichzelf in stand te houden. Synthesereacties produceren warmte, dus ze hebben geen externe warmtebron nodig om door te gaan. Bijvoorbeeld, het toevoegen van een kleine hoeveelheid natrium aan water produceert natriumhydroxide en waterstof in een explosieve exotherme reactie. De reactie begint spontaan en gaat door totdat een van de reactanten is opgebruikt. Het produceert meestal zoveel warmte dat de waterstof met de zuurstof uit de lucht verbrandt om water te vormen.
Complexe reacties die afhankelijk zijn van zowel het verbreken als het vormen van chemische bindingen, hebben vaak een externe energie-invoer nodig om te starten, maar zijn dan zelfvoorzienend. Voor de verbranding van koolwaterstoffen is bijvoorbeeld een warmtebron nodig om de eerste paar bindingen te verbreken. Meestal hebben materialen die koolwaterstoffen bevatten, zoals hout of stookolie, een lucifer of een vonk nodig om sommige bindingen te ontleden. Zodra de vorming van nieuwe bindingen met de productie van warmte begint, gaat de reactie door, waarbij koolstofdioxide en waterdamp worden geproduceerd.
Veel gangbare industriële en commerciële processen zijn afhankelijk van chemische reacties, vooral exotherme, zelfvoorzienende. Hoe nuttig ze zijn en hoeveel werk ze doen, hangt af van de soorten materialen die reageren en de chemische bindingen die breken en hervormen.