Reakcje chemiczne są istotną częścią technologii, przyczyniając się do różnych działań człowieka, które są częścią naszego codziennego życia. Przykładami reakcji chemicznych, z którymi spotykamy się na co dzień, są spalanie paliw oraz produkcja wina i piwa. Reakcje chemiczne są również szeroko obecne w przyrodzie, od chemicznego wietrzenia skał, fotosyntezy w roślinach i procesu oddychania u zwierząt.
W szerszym aspekcie są trzy rodzaje reakcji: fizyczne, chemiczne i jądrowe. Reakcje chemiczne można dalej podzielić na wiele kategorii. Sześć wspólnych rodzaje reakcji chemicznych to: synteza, rozkład, reakcje jednoprzemieszczeniowe, dwuprzemieszczeniowe, spalania i kwasowo-zasadowe. Naukowcy klasyfikują je na podstawie tego, co dzieje się podczas przechodzenia od reagentów do produktów. Jest to pomocne w przewidywaniu reaktywności odczynników i produktów powstałych w wyniku reakcji.
Rodzaje reakcji
ZA Reakcja chemiczna jest procesem, w którym jedna lub więcej substancji, reagentów, przechodzi przemianę chemiczną, tworząc jedną lub więcej różnych substancji, produktów. Jest to proces polegający na przegrupowaniu atomów składowych reagentów w produkty, bez zmiany jąder atomów.
Na przykład w procesie stosowanym do produkcji sody i seltzer dwutlenek węgla jest przepuszczany do wody pod ciśnieniem i tworzy nowy związek znany jako kwas węglowy (H2WSPÓŁ3). Z tego równania wiesz, że zaszła reakcja chemiczna.
WSPÓŁ2(g) + H2O(l) —> H2WSPÓŁ3(aq)
ZA reakcja fizyczna różni się od reakcji chemicznej. Zmiany fizyczne obejmują jedynie zmianę stanu, na przykład zamarzanie wody w lód i sublimację suchego lodu w dwutlenek węgla. W obu scenariuszach tożsamość chemiczna reagentów, H2O i CO2, nie zmieniło się. Produkty nadal składają się z tych samych związków, co reagenty.
H2O(l) —> H2O(y)
WSPÓŁ2(s) —> CO2(sol)
ZA reakcja nuklearna odróżnia się również od reakcji chemicznej. Polega na zderzeniu dwóch jąder w celu utworzenia jednego lub więcej nuklidów różniących się od jądra macierzystego. Na przykład Ernest Rutherford przeprowadził pierwszą sztuczną transmutację, wystawiając gaz azotowy na cząstki alfa, tworząc izotop 17O i wyrzucanie protonu w tym procesie. Zmienił się pierwiastek w odczynniku, a więc nastąpiła reakcja.
14N + α —> 17O + p
Rodzaje reakcji chemicznych
Najczęstsze typy reakcji chemicznych to synteza, rozkład, pojedyncze wypieranie, podwójne wypieranie, spalanie i kwasowo-zasadowe. Jednak taka kategoryzacja nie jest wyłączna. Na przykład reakcję kwasowo-zasadową można również sklasyfikować jako reakcję podwójnego przemieszczenia.
Reakcja syntezy
Reakcja syntezy to taka, w której występują dwie lub więcej substancji łączny stworzyć bardziej złożoną. Równanie chemiczne dla ogólnej postaci reakcji syntezy jest następujące:
A + B —> AB
Jednym z przykładów reakcji syntezy jest połączenie żelaza (Fe) i siarki (S) z wytworzeniem siarczku żelaza.
Fe(s) + S(s) —> FeS(s)
Innym przykładem jest połączenie sodu i chloru w celu wytworzenia bardziej złożonej cząsteczki, chlorku sodu.
2Na (s) + Cl2(g) —> 2NaCl (s)
Reakcja rozkładu
Reakcja rozkładu działa zupełnie odwrotnie do reakcji syntezy. Jest to reakcja, w której bardziej złożona substancja rozpada się na prostsze. Ogólną postać reakcji rozkładu można zapisać jako:
AB —> A + B
Przykładem reakcji rozkładu jest elektroliza wody z wytworzeniem gazowego wodoru i tlenu.
H2O(l) —> H2(g) + O2(sol)
Rozkład może być również termiczny, taki jak konwersja kwasu węglowego do wody i dwutlenku węgla w warunkach ogrzewania. Jest powszechnie spotykany w napojach gazowanych.
H2WSPÓŁ3(aq) —> H2O(l) + CO2(sol)
Reakcja pojedynczego przemieszczenia
Znana również jako reakcja pojedynczego zastąpienia, reakcja pojedynczego przemieszczenia ma miejsce, gdy czysty pierwiastek zamienia się miejscami z innym pierwiastkiem w związku. Ma postać ogólną:
A + BC —> AC + B
Wiele metali może reagować z mocnym kwasem. Na przykład magnez reaguje z kwasem solnym, tworząc gazowy wodór i chlorek magnezu. W tej reakcji magnez zamienia się miejscami z wodorem w kwasie solnym.
Mg (s) + 2HCl (roztwór wodny) —> H2(g) + MgCl2(aq)
Magnez może również reagować z wodą, tworząc wodorotlenek magnezu i gazowy wodór.
Mg(s) + 2H2O(l) —> H2(g) + Mg (OH)2(aq)
Podwójne przemieszczenie
Innym rodzajem reakcji chemicznych jest podwójne przemieszczenie, w którym kationy dwóch reagentów zamieniają się miejscami, tworząc dwa zupełnie różne produkty. Ogólna forma tej reakcji to:
AB + CD —> AD + CB
Jednym z przykładów reakcji podwójnego przemieszczenia jest reakcja chlorku baru z siarczanem magnezu z wytworzeniem siarczanu baru i chlorku magnezu. W tej reakcji kationy baru i magnezu w reagentach zamieniają się miejscami na nowe związki baru i magnezu.
BaCl2 + MgSO4 —> BaSO4 + MgCl2
Innym przykładem jest reakcja azotanu ołowiu z jodkiem potasu z wytworzeniem jodku ołowiu i azotanu potasu.
Pb (NIE3)2 + 2KI —> PbI2 + 2KNO3
W obu przypadkach reakcja generuje osad (BaSO4 i PbI2) z dwóch rozpuszczalnych reagentów, więc są one również zgrupowane w reakcjach strącania.
Reakcja spalania
Reakcja spalania to egzotermiczny redoks reakcja chemiczna, w której paliwo reaguje z tlenem, tworząc produkty gazowe. Chociaż zwykle jest to inicjowane przez formę energii, taką jak użycie zapalonej zapałki do rozpalenia ognia, uwolnione ciepło zapewnia energię do podtrzymania reakcji.
Całkowite spalanie zachodzi, gdy obecny jest nadmiar tlenu i powstają głównie zwykłe tlenki, takie jak dwutlenek węgla i dwutlenek siarki. Aby zapewnić pełne spalanie, obecny tlen musi być dwa lub trzy razy większy od teoretycznej ilości obliczonej stechiometrycznie. Całkowite spalanie węglowodoru można wyrazić w postaci:
4CxHtak + (4x+y) O2 —> 4xCO2 + 2 lata2O + ciepło
Spalanie metanu, który jest węglowodorem nasyconym, uwalnia znaczne ciepło (891 kJ/mol) i można je podsumować równaniem w następujący sposób:
CH4 + 2O2 —> CO2 + 2 godz2O + ciepło
Innym przykładem węglowodoru jest naftalen, a jego całkowite spalenie generuje również dwutlenek węgla, wodę i ciepło.
do10H8 + 12O2 —> 10 CO2 + 4 godz2O + ciepło
Alkohole mogą również służyć jako źródło paliwa do spalania, np. metanol.
CH3OH+O2 —> CO2 + 2 godz2O + ciepło
Niepełne spalanie ma miejsce, gdy nie ma wystarczającej ilości tlenu, aby w pełni przereagować z paliwem i wytworzyć dwutlenek węgla i wodę. Takim przykładem jest spalanie metanu przy ograniczonej ilości tlenu w celu wytworzenia kombinacji tlenku węgla, dwutlenku węgla, popiołu węglowego i wody. Można to wyrazić za pomocą poniższych równań, uporządkowanych według ilości obecnego tlenu.
Mało tlenu:
CH4 + O2 —> C + 2H2O
Trochę tlenu:
2CH4 + 3O2 —> 2CO + 4H2O
Więcej, ale za mało tlenu:
4CH4 + 7O2 —> 2CO + 2CO2 + 8 godzin2O
Zbyt dużo tlenku węgla może spowodować zatrucie powietrza, ponieważ łączy się z hemoglobiną, tworząc karboksyhemoglobinę i zmniejsza jej zdolność do dostarczania tlenu. Dlatego ważne jest, aby zapewnić całkowite spalanie paliwa do użytku domowego i przemysłowego.
Reakcja kwasowo-zasadowa
Reakcja kwasowo-zasadowa to reakcja między kwasem a zasadą, a jednym z produktów jest woda. Jest to specjalny rodzaj reakcji podwójnego przemieszczenia (zamieniają się miejscami A i B), a te przykłady reakcji chemicznych są opisane jako:
HA + BOH —> BA + H2O
Prostym przykładem reakcji kwasowo-zasadowej jest to, że środek zobojętniający kwas (wodorotlenek wapnia) neutralizuje kwas żołądkowy (kwas solny).
Ca (OH)2 + 2HCl —> CaCl2 + 2 godz2O
Innym przykładem jest reakcja octu (kwasu octowego) z sodą oczyszczoną (wodorowęglan sodu). W procesie tym powstaje woda i dwutlenek węgla, ale nie wydziela się ciepło, więc nie jest to reakcja spalania.
CH3COOH + NaHCO3 —> CH3COONa + H2O + CO2
