Kemične reakcije so bistveni del tehnologije in prispevajo k različnim človekovim dejavnostim, ki so del našega vsakdana. Primeri kemičnih reakcij, s katerimi se srečujemo vsak dan, so izgorevanje goriv ter priprava vina in piva. Kemijske reakcije so tudi v naravi široko prisotne, od kemičnega preperevanja kamnin, fotosinteze v rastlinah in dihalnega procesa pri živalih.
V širšem vidiku so trije vrste reakcij: fizikalni, kemični in jedrski. Kemijske reakcije lahko nadalje razdelimo v številne kategorije. Šest pogostih vrste kemičnih reakcij so: sinteza, razgradnja, enojna premestitev, dvojna premestitev, zgorevanje in kislinsko-bazične reakcije. Znanstveniki jih razvrstijo glede na to, kaj se zgodi, ko prehajamo iz reaktantov v izdelke. To je koristno pri napovedovanju reaktivnosti reagentov in produktov, ki nastanejo iz reakcij.
Vrste reakcij
A kemijska reakcija je postopek, pri katerem se ena ali več snovi, reaktantov, kemično preoblikuje, da nastane ena ali več različnih snovi, proizvodov. To je postopek, ki vključuje prerazporeditev sestavnih atomov reaktantov, da tvorijo produkte, ne da bi spremenili jedra atomov.
Na primer, v postopku, ki se uporablja za soda in seltzer, se ogljikov dioksid pod pritiskom prepiha v vodo in tvori novo spojino, znano kot ogljikova kislina (H2CO3). Po tej enačbi veste, da je prišlo do kemične reakcije.
CO2(g) + H2O (l) -> H2CO3(aq)
A fizična reakcija se razlikuje od kemične reakcije. Fizične spremembe vključujejo le spremembo stanja, na primer zmrzovanje vode na led in sublimacijo suhega ledu na ogljikov dioksid. V obeh scenarijih je kemijska identiteta reaktantov H2O in CO2, se ni spremenil. Izdelki so še vedno sestavljeni iz istih spojin kot reaktanti.
H2O (l) -> H2O
CO2(s) -> CO2(g)
A jedrska reakcija razlikuje tudi od kemične reakcije. Vključuje trčenje dveh jeder in tvori enega ali več nuklidov, ki se razlikujejo od starševskih jeder. Na primer, Ernest Rutherford je izvedel prvo umetno transmutacijo tako, da je plin dušika izpostavil delcem alfa in tako ustvaril izotop 17O in izmet protona v tem procesu. Element v reaktantu se je spremenil, zato je prišlo do reakcije.
14N + α -> 17O + str
Vrste kemičnih reakcij
Najpogostejše vrste kemičnih reakcij so sinteza, razgradnja, enojni premik, dvojni premik, zgorevanje in kislinsko-bazična. Vendar takšna kategorizacija ni izključna. Na primer, kislinsko-bazično reakcijo lahko razvrstimo tudi kot reakcijo dvojnega izpodrivanja.
Reakcija sinteze
Reakcija sinteze je tista, v kateri sta dve ali več snovi kombinirano za oblikovanje bolj zapletenega. Kemijska enačba za splošno obliko sintezne reakcije je naslednja:
A + B -> AB
Primer sintezne reakcije je kombinacija železa (Fe) in žvepla (S), da nastane železov sulfid.
Fe (s) + S (s) -> FeS (s)
Drug primer je, ko se natrijev in klorov plin združita, da dobimo bolj zapleteno molekulo, natrijev klorid.
2Na + Cl2(g) -> 2NaCl (s)
Reakcija razgradnje
Reakcija razgradnje deluje povsem nasprotno od reakcije sinteze. To je reakcija, kjer je bolj zapletena snov razpade v enostavnejše. Splošno obliko reakcije razgradnje lahko zapišemo kot:
AB -> A + B
Primer reakcije razgradnje je elektroliza vode, ki tvori plin vodik in kisik.
H2O (l) -> H2(g) + O2(g)
Razgradnja je lahko tudi termična, na primer pretvorba ogljikove kisline v vodo in ogljikov dioksid v pogojih ogrevanja. Pogosto ga opazimo v gaziranih pijačah.
H2CO3(aq) -> H2O (l) + CO2(g)
Enkratna reakcija izpodrivanja
Reakcija enojnega premika, znana tudi kot enojna nadomestna reakcija, je, ko čisti element zamenja mesto z drugim elementom v spojini. Je v splošni obliki:
A + BC -> AC + B
Številne kovine lahko reagirajo z močno kislino. Na primer, magnezij reagira s klorovodikovo kislino in tvori plin vodik in magnezijev klorid. V tej reakciji magnezij zamenja mesto z vodikom v klorovodikovi kislini.
Mg (s) + 2HCl (vod.) -> H2(g) + MgCl2(aq)
Magnezij lahko reagira tudi z vodo, da tvori magnezijev hidroksid in plin v vodiku.
Mg (s) + 2H2O (l) -> H2(g) + Mg (OH)2(aq)
Dvojna izpodriv
Druga vrsta kemičnih reakcij je dvojni izpodriv, pri katerem kationi obeh reaktantov zamenjata mesto in tvorita dva popolnoma različna produkta. Splošna oblika te reakcije je:
AB + CD -> AD + CB
Primer reakcije dvojnega izpodrivanja je, ko barijev klorid reagira z magnezijevim sulfatom in tvori barijev sulfat in magnezijev klorid. V tej reakciji barijev in magnezijev kation v reaktantih zamenjata mesti za nove spojine barija in magnezija.
BaCl2 + MgSO4 -> BaSO4 + MgCl2
Drug primer je reakcija svinčevega nitrata s kalijevim jodidom, da nastane svinčev jodid in kalijev nitrat.
Pb (ŠT3)2 + 2KI -> PbI2 + 2KNO3
V obeh primerih nastane oborina (BaSO4 in PbI2) iz dveh topnih reaktantov, zato so tudi razvrščeni po padavinskih reakcijah.
Reakcija zgorevanja
Reakcija zgorevanja je eksotermni redoks kemična reakcija, pri kateri gorivo reagira s kisikom in tvori plinaste izdelke. Čeprav ga ponavadi sproži oblika energije, na primer uporaba prižgane vžigalice za prižiganje ognja, sproščena toplota zagotavlja energijo za vzdrževanje reakcije.
Popolna reakcija izgorevanja se pojavi, kadar je prisoten odvečni kisik in da predvsem primarne okside, kot sta ogljikov dioksid in žveplov dioksid. Da bi zagotovili popolno zgorevanje, mora biti prisotni kisik dvakrat ali trikrat večji od teoretične količine, izračunane s stehiometrijo. Popolno zgorevanje ogljikovodika lahko izrazimo v obliki:
4CxHy + (4x + y) O.2 -> 4xCO2 + 2yH2O + toplota
Izgorevanje metana, ki je nasičen ogljikovodik, sprošča znatno toploto (891 kJ / mol) in ga lahko povzamemo po enačbi, kot sledi:
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O + toplota
Naftalen je še en primer ogljikovodika in njegovo popolno zgorevanje ustvarja tudi ogljikov dioksid, vodo in toploto.
C10H8 + 12O2 -> 10CO2 + 4H2O + toplota
Alkoholi lahko služijo tudi kot vir goriva za zgorevanje, na primer metanol.
CH3OH + O2 -> CO2 + 2H2O + toplota
Nepopolno zgorevanje se zgodi, če ni dovolj kisika, da bi v celoti reagiral z gorivom, da bi ustvaril ogljikov dioksid in vodo. Tak primer je, ko metan zgorevamo v omejeni zalogi kisika, da dobimo kombinacijo ogljikovega monoksida, ogljikovega dioksida, ogljikovega pepela in vode. Lahko ga izrazimo s spodnjimi enačbami, razporejenimi po količini prisotnega kisika.
Malo kisika:
CH4 + O2 -> C + 2H2O
Nekaj kisika:
2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O
Več, vendar premalo kisika:
4CH4 + 7O2 -> 2CO + 2CO2 + 8H2O
Preveč ogljikovega monoksida lahko povzroči zastrupitev z zrakom, ker se skupaj s hemoglobinom tvori karboksihemoglobin in zmanjša njegovo sposobnost dovajanja kisika. Zato je pomembno zagotoviti popolno zgorevanje goriva za gospodinjstvo in industrijo.
Kislinsko-bazna reakcija
Kislinsko-bazična reakcija je reakcija med kislino in bazo, voda pa je eden izmed produktov. Gre za posebno vrsto reakcije dvojnega premika (mesti za preklop A in B) in ti primeri kemijske reakcije so zapisani kot:
HA + BOH -> BA + H2O
Preprost primer kislo-bazične reakcije je, ko antacid (kalcijev hidroksid) nevtralizira želodčno kislino (klorovodikova kislina).
Ca (OH)2 + 2HCl -> CaCl2 + 2H2O
Drug primer je reakcija kisa (ocetne kisline) s sodo bikarbono (natrijev bikarbonat). V tem procesu nastaneta voda in ogljikov dioksid, vendar se toplota ne sprošča, zato to ni reakcija zgorevanja.
CH3COOH + NaHCO3 -> CH3COONa + H2O + CO2