Chemická reakce
Chemická reakce je přeměna hmoty během které chemické druhy , které tvoří ohledu na to, jsou modifikovány. Druhy, které se konzumují, se nazývají reaktanty ; druhy vytvořené během reakce se nazývají produkty . Od práce Lavoisiera (1777) vědci věděli, že chemická reakce probíhá bez měřitelných variací hmotnosti : „Nic není ztraceno, nic není vytvořeno, všechno je transformováno“ , což odráží zachování hmoty .
Chemické reakce způsobují změnu chemické povahy hmoty. Čistě fyzikální transformace, jako jsou změny stavu ( tání , tuhnutí , odpařování , vaření , atd ), opotřebení, eroze a prasknutí jsou tedy vyloučeny . Reakce může uvolňovat energii (obvykle ve formě tepla , ale také světla ), jedná se pak o exotermickou reakci . Může vyžadovat přísun energie, ve formě tepla (tedy „produkovat chlad“) nebo světla, jde tedy o endotermickou reakci . Obecně může reakce probíhat pouze za splnění určitých podmínek (přítomnost všech reagencií, teplota, tlak, světelné podmínky). Některé reakce vyžadují nebo jsou usnadněny přítomností chemikálie nazývané katalyzátor , která se reakcí nespotřebovává. Klasické chemické reakce zahrnují změny, které se týkají pohybu elektronů , tvorby a rozbití chemických vazeb. Obecný koncept chemické reakce, zejména pojem chemické rovnice, je však použitelný také pro elementární transformace částic a jaderné reakce. V organické chemii se různé chemické reakce kombinují v chemické syntéze za účelem získání požadovaného produktu. V biochemii vytváří řada chemických reakcí katalyzovaných enzymy metabolické dráhy, kterými se v buňce obvykle provádějí nemožné syntézy a štěpení.
Mikroskopické vidění (na atomové úrovni)
Hmota se skládá z atomů seskupených do chemických sloučenin , během chemické reakce si sloučeniny vyměňují atomy; tím se změní povaha sloučenin. Chemické reakce se týkají pouze změn vazeb mezi atomy ( kovalentní vazby , iontové vazby , kovové vazby ).
Abychom představili jevy, ke kterým dochází během chemické reakce, napíšeme chemickou rovnici .
Chemická reakce a energie
Transformace probíhající během chemické reakce obecně vedou ke snížení celkové energie. Ve skutečnosti v molekule nebo krystalu vyžaduje „hákování“ atomů mezi nimi energii nazývanou energie vazby . Když rozbijete vazbu, „rozbijete“ molekulu nebo krystal „rozptýlením“ jejích atomů. Poté je nutné zajistit energii. Když se atomy rekombinují, uvolňují energii vytvářením nových vazeb. Na konci reakce je energie uložená ve vazbách reakčních produktů nižší než energie uložená ve vazbách reaktantů.
Během reakce dochází ke stadiu, kdy jsou staré vazby přerušeny a nové ještě nejsou vytvořeny. Je to stav, kdy je energie systému vysoká, přechodný stav, který představuje skutečnou bariéru reakce. Zahájení reakce je jednoduše překročit tuto energetickou bariéru zvanou aktivační energie .
Pokud vezmeme v úvahu reakci probíhající při teplotě T a při konstantním tlaku, což je dávka reakcí prováděných pod širým nebem za atmosférického tlaku, je energie reakčního systému měřena entalpickou funkcí H Rozdíl v entalpii spojený s reakční rovnicí, která se nazývá entalpie reakce , umožňuje určit změnu energie systému po reakci. Nejčastěji se vyjadřuje tepelným přenosem s vnějším prostředím.
Studium energetického aspektu chemických reakcí je termochemie .
Stav chemického systému je charakterizován:
- fyzikální veličiny teplota a tlak;
- chemické látky, které ji tvoří, jakož i jejich fyzický stav (pevné látky, kapaliny (l), plyny (g), rozpuštěné (aq)) a jejich množství hmoty.
Reakční rychlost
Studium energie systému ( termochemie ) umožňuje vědět, zda může nebo nemůže dojít k reakci, jakou počáteční energii je nutné zajistit k překonání bariéry. Existuje ale ještě jeden důležitý parametr: rychlost reakce .
Reakční rychlost je míra časové úpravy koncentrací a / nebo tlaků látek zapojených do této reakce. Analýza reakčních rychlostí je důležitá pro mnoho aplikací, jako je chemické inženýrství nebo studium chemických rovnováh .
Reakční rychlost závisí na:
- koncentrace z reakčních složek : vyšší koncentraci, zvyšuje možnost kolize mezi molekulami a tím zvyšuje rychlost reakce;
- povrch dostupný pro kontakt mezi molekulami, zejména pevné látky v heterogenních systémech. Větší povrch vytváří větší reakční rychlost;
- tlak , který zvýšením, snižuje objem a tím i vzdálenost mezi molekulami. Tím se zvyšuje frekvence srážek molekul;
- aktivační energie , která je definována jako množství energie nutné pro reakci k zahájení a být trvalé spontánně;
- teplota , která rostoucí aktivuje reakci zvyšuje energii molekul a vytvářet více kolizí za jednotku času;
- nepřítomnost nebo přítomnost katalyzátoru, který mění mechanismus reakce, což zase zvyšuje rychlost reakce a snižuje požadovanou aktivační energii. Katalyzátor není během reakce zničen;
- u některých reakcí je nutná přítomnost elektromagnetického záření , zejména ultrafialového , k rozbití vazeb k zahájení reakce.
Pamatujte, že některé reakce nezávisí na koncentraci reagencií.
Chemická reakce v laboratoři
V laboratoři zahrnuje provedení chemické reakce:
- Připravte reakci a vypočítejte množství;
- Proveďte reakci při požadované teplotě;
- V případě potřeby neutralizujte reakční médium ;
- Zpracuj reakční suroviny ;
- Směs se čistí, aby se získala, pokud je to možné, požadovaná sloučenina.
Příklady
Mezi nejběžnější chemické reakce patří:
- dýchání se fermentace mléčné a alkoholové kvašení, které umožňují organizacím k výrobě energie ;
- vylučování produktů orgánů (slzy, pot, sliny, žaludeční šťávy, hormony , atd. ), přičemž účinek těchto sekretů;
- spalování (zejména ve spalovacích motorech a kotlů), v ohni ;
- vaření jídla, popáleniny;
- koroze materiálu (např rez);
- fotosyntézy chlorofyl, který umožňuje zařízení k regeneraci kyslíku vzduchu získáním oxid uhličitý ;
- rozpouštění kovů kyselinou;
- odhalení stříbrných fotografií ;
- výroba elektřiny z baterií, skladování a uvolňování elektřiny z baterií a akumulátorů;
- výroba kovů z rud ( metalurgie );
- výroba benzínu, olejů a plastů z ropy ;
- výroba čisticích prostředků: mýdlo (zmýdelňovací reakce), bělidlo , kyselina chlorovodíková , hydroxid sodný , amoniak ;
- výroba hnojiv , pesticidů , rostlinolékařských výrobků ;
- výroba drog ;
- vinařství, zpracování alkoholu → kyselina ethanová (ocet);
- dýchací přístroj „zezelenal“;
- ozonové znečištění znečišťujícími ovzduší;
- ničení ozonu chlorofluorouhlovodíky (CFC) (chladiva atd.).
Klasifikace
Existuje velmi široká škála chemických reakcí, ale můžeme identifikovat „skupiny“ reakcí. Některé z hlavních rodin jsou uvedeny níže, ale tento seznam není vyčerpávající a chemická reakce může současně patřit několika z těchto rodin.
- acidobazická reakce , která zahrnuje přenos protonu H + z kyseliny (která se vzdá H + ) na bázi (která zachycuje H + )
- oxidačně-redukční reakce , během níž je pozorován přenos jednoho nebo více elektronů z redukčního činidla na oxidační činidlo:
- spalování , zvláštní případ oxidačně-redukční reakce, během níž palivo reaguje s oxidačním činidlem (obvykle dioxygenem ) s významným uvolňováním tepla (silně exotermická reakce ).
H 2 + F 2 → 2 HF (výbušné spalování dihydrogenu v difluoridu )
- organický reakční zahrnující organické sloučeniny ( molekula , která má alespoň jeden atom z uhlíku (C), vázaný na atom vodíku (H)); organické reakce lze klasifikovat podle mechanismu (reakce adice , substituce , eliminace , redox , přesmyk atd.) nebo podle funkční skupiny (reakce alkoholů , karboxylových kyselin , ketonů atd.)
- celková syntéza chemické sloučeniny z jednoduchých těles :
- chemický rozklad, při kterém je sloučenina rozdělena na jednodušší druhy; rozklady lze klasifikovat podle povahy jevu, který je způsobuje: elektrolýza , termolýza , pyrolýza , radiolýza ...
- izomerizace , při které chemická sloučenina prochází strukturální změnou, aniž by změnila svůj molekulární vzorec
|
|
|
| Glc-6-P | Fru-6-P | |
| Izomerizace glukózo-6-fosfátu na fruktóza-6-fosfát | ||
- radikálová reakce, ve které je alespoň jedna z reakčních meziproduktů je radikál .