Reakcja chemiczna

To każdy proces, w wyniku którego pierwotna substancja zwana substratem przemienia się w inną substancję zwaną produktem

Aby cząsteczka substratu zamieniła się w cząsteczkę produktu konieczne jest rozerwanie przynajmniej jednego z obecnych w niej wiązań chemicznych pomiędzy atomami, bądź też utworzenie się przynajmniej jednego nowego wiązania. Reakcje chemiczne przebiegają z reguły z wydzieleniem lub pochłonięciem energii cieplnej, promienistej (alfa lub beta) lub elektrycznej.

Substancje chemiczne pod wpływem różnorodnych czynników ulegają przemianom fizycznym lub chemicznym. W przemianie fizycznej zmieniają się tylko właściwości fizyczne substancji (stan skupienia, kształt, objętość, gęstość). Podczas przemiany chemicznej powstają nowe substancje, o odmiennych właściwościach fizycznych i chemicznych. Przemiana chemiczna określana jest jako reakcja chemiczna. Zapisem reakcji chemicznej jest jej równanie, w którym pojawiają się po lewej stronie substraty (substancje wchodzące do reakcji), a po prawej produkty (substancje powstające w jej wyniku).

Równanie reakcji chemicznej podaje informacje na temat liczby i rodzaju substratów i produktów, które zapisuje się używając ich symboli lub wzorów chemicznych. W równaniu jak w matematyce – prawa strona musi być równa lewej stronie, tzn. liczba atomów danego rodzaju po obu stronach równania musi być identyczna.



Równanie reakcji jest zapisem uwzględniającym prawo zachowania masy.

Prawo zachowania masy i zasadę zachowania ładunku uwzględnia się w jonowym zapisie równania obrazującego reakcję zachodzącą pomiędzy jonami.

W równaniu mogą pojawić się różne symbole, np.

znak = dla wyrażenia stosunków stechiometrycznych,

znak → dla reakcji w końcowym wyniku przebiegającej w prawo,

znak dla reakcji przebiegającej w obu kierunkach, czyli odwracalnej.

Obok symboli i wzorów, w równaniu mogą pojawić się oznaczenia określające stan skupienia substratów i produktów, np. (c), (g).

Rodzaje reakcji:

• Reakcja jonowa

• Reakcja odwracalna

• Reakcje równoległe

• Reakcja następcza

• Reakcja łańcuchowa

• Reakcje sprzężone

• Reakcje proste i złożone

Reakcja jonowa

to reakcja chemiczna, w której reagują z sobą bezpośrednio jony lub jony z cząsteczkami elektrycznie obojętnymi.

Reakcje czysto jonowe, tzn. takie, w których wszystkie produkty i wszystkie substraty są wolnymi jonami, występują stosunkowo rzadko. Zazwyczaj charakter jonowy posiada tylko część etapów reakcji nazywanych jonowymi. Etapy jonowe są często poprzedzone w fazie gazowej jonizacją, a w fazie ciekłej dysocjacją elektrolityczną i kończą się rekombinacją jonów lub reakcjami redoks.

Reakcje z udziałem jonów są powszechnie spotykane w naturze. Znaczna część reakcji biochemicznych ma taki charakter. Również wiele procesów przemysłowych opiera się na reakcjach jonowych. Są to np.

• polimeryzacja jonowa,

• wiele przemysłowo prowadzonych syntez organicznych

• procesy galwanizacyjne,

• procesy zachodzące w akumulatorach,

• procesy zachodzące w bateriach

Reakcja odwracalna

Reakcja złożona, która w szerokim zakresie parametrów zewnętrznych (np. ciśnienie, temperatura, stężenia reagentów) może równocześnie zachodzić w dwóch przeciwnych kierunkach, zgodnie z tym samym równaniem przy czym szybkości obu reakcji prostych (cząstkowych, elementarnych, izolowanych) są różne i zmieniają się w czasie wraz ze zmianami stężenia reagentów. W przypadku, gdy energia nie jest dostarczana z zewnątrz (reakcja zachodzi samorzutnie), większą szybkość ma ta z obu reakcji elementarnych, która przybliża układ termodynamiczny, jakim jest środowisko reakcji, do stanu równowagi (np. stanu o najmniejszej entalpii swobodnej, gdy p,T = const)

Tak zdefiniowana reakcja odwracalna zwykle nie jest procesem odwracalnym z punktu widzenia termodynamiki chemicznej (nie jest możliwy powrót do początkowego stanu układu i jego otoczenia

Reakcje równoległe

Elementarne reakcje chemiczne, które zachodzą równocześnie w tym samym środowisku, czego wynikiem jest powstawanie mieszaniny produktów reakcji prostych. Równanie reakcji złożonej z dwóch lub wielu reakcji równoległych jest sumą odpowiednich równań reakcji elementarnych – wyraża bilans masy a nie ilustruje mechanizmu reakcji. Wyrażenie określające wartość stałej równowagi reakcji złożonej jest liniową kombinacją wyrażeń dotyczących reakcji elementarnych

Reakcja następcza

złożona reakcja chemiczna, w której produkty powstają z substratów dwuetapowo lub wieloetapowo, poprzez produkty przejściowe, powstające w kolejnych reakcjach elementarnych. W tych etapach reakcji następczej mogą zachodzić reakcje proste, odwracalne lub równoległe

np.:

A + B → C + D

C ⇌ E + F

C + D ⇌ G

Równanie reakcji następczej (jak każdej reakcji złożonej) jest sumą odpowiednich równań reakcji elementarnych – wyraża bilans masy a nie ilustruje mechanizmu reakcji. Wyrażenie określające wartość stałej równowagi reakcji następczej jest liniową kombinacją wyrażeń dotyczących reakcji elementarnych. Jeżeli różnica między szybkościami obu reakcji elementarnych jest duża, szybkość reakcji złożonej jest równa szybkości jej najwolniejszego etapu.

Reakcje sprzężone

Rodzaj chemicznych reakcji złożonych np. taki układ dwóch reakcji elementarnych, z których jedna zachodzi z wyraźną szybkością tylko wtedy, gdy równocześnie zachodzi druga z nich, np.:

A + B → M – reakcja zachodząca niezależnie od drugiej, nazywana „pierwotną” albo „wzbudzającą” (inicjującą)

A + C → N – reakcja zachodząca tylko w obecności B (induktor), nazywana „wtórną” lub „wzbudzoną”

np. FeSO4 (B) utlenia się pod wpływem H2O2 (A) zarówno w obecności jak i nieobecności HI (C), ale HI utlenia się tylko w obecności FeSO4 (B), jako induktora

Reakcja łańcuchowa

Szczególny rodzaj reakcji chemicznej lub jądrowej.

Po zainicjowaniu reakcja przebiega początkowo tylko w niewielkiej części ośrodka, lecz jej produkty – ciepło, światło, reaktywne produkty pośrednie – inicjują reakcję w kolejnym punkcie ośrodka, na skutek czego rozwija się ona lawinowo bez potrzeby udziału zewnętrznego czynnika inicjującego.

Reakcja łańcuchowa jest w istocie serią jednostkowych reakcji następujących jedna po drugiej. Reakcje jednostkowe, współtworzące reakcję łańcuchową dzieli się zwykle na:

• inicjowanie – t.j. procesy prowadzące do powstawania pierwotnych centrów reaktywności od których zaczyna się cały proces

• propagacja – t.j. seria identycznych, stale powtarzających się reakcji prowadzących do otrzymania produktu z odtworzeniem się lub namnożeniem centrów reaktywności

• terminacja – t.j. wszelkie procesy prowadzące do zaniku centrów reaktywności.

Warunki zachodzenia reakcji łańcuchowej

Reakcja łańcuchowa zachodzi gdy spełnione są dwa podstawowe warunki:

• inicjowanie jest stosunkowo wolnym procesem, ale szybszym od terminacji lub terminacja jest całkowicie wyeliminowana

• propagacja jest o co najmniej jeden rząd szybszym procesem od procesu inicjowania i terminacji.

Gdy proces inicjowania jest szybszy lub przebiega z porównywalną szybkością do procesu propagacji reakcja nie ma charakteru łańcuchowego, lecz błyskawiczny. Powstaje naraz wiele centrów reaktywności, które błyskawicznie wyczerpują cały dostępny substrat w jednostkowych reakcjach propagacji i po chwili, o ile substrat nie jest stale dostarczany w tempie zbliżonym do szybkości inicjowania, reakcja wygasa. Reakcje błyskawiczne są często mylone z reakcjami łańcuchowymi.

Gdy proces inicjowania jest wolniejszy od procesu terminacji reakcja nie może nabrać charakteru łańcuchowego, gdyż centra reaktywności zanikają szybciej niż powstają i szybkość całego procesu staje się praktycznie równa szybkości jego inicjowania. To samo ma miejsce w przypadku gdy proces propagacji zachodzi wolniej lub choćby z porównywalną szybkością do procesu inicjowania. Jeśli proces terminacji jest szybszy od procesu inicjowania w układzie nie zachodzą praktycznie żadne dające się zaobserwować reakcje.

Proporcje szybkości reakcji inicjowania, propagacji i terminacji zależą od wielu różnych czynników. Najważniejszym jest ich molekularny lub w przypadku reakcji jądrowych - jądrowy mechanizm, który razem z warunkami termodynamicznymi (temperaturą, ciśnieniem, objętością) nazywany jest czynnikami kinetycznymi. Na szybkości względne inicjowania, propagacji i terminacji mogą mieć duży wpływ czynniki dyfuzyjne – a dokładnie możliwość docierania w odpowiednim czasie substratów do centrów reaktywności. Np: gdy reakcja łańcuchowa prowadzi do wydzielania się dużych ilości gazów i nie odbywa się w zamkniętym naczyniu, gazy porywają z sobą substraty, a centra reaktywności ulegają takiemu rozproszeniu, że reakcje terminacji stają się szybsze od tempa dyfuzji substratów do tych centrów.

Przykłady reakcji łańcuchowych

• wybuch jądrowy

• niektóre rodzaje detonacji (wiele rodzajów detonacji to procesy błyskawiczne a nie łańcuchowe)

• niektóre rodzaje spalania (wiele reakcji spalania nie ma charakteru łańcuchowego a z kolei inne mają raczej charakter błyskawiczny)

• polimeryzacja łańcuchowa

Reakcje proste i złożone

Reakcja prosta to pojedynczy akt zerwania lub powstania jednego wiązania chemicznego. W przyrodzie bardzo rzadko obserwuje się jednak reakcje proste. Można do nich zaliczyć np. rozpad cząsteczek chloru (Cl–Cl) pod wpływem promieniowania ultrafioletowego

Olbrzymia większość obserwowanych reakcji to reakcje złożone, w których dochodzi jednocześnie do rozpadu jednych wiązań i powstania drugich. Każdą reakcje złożoną można zapisać jako ciąg następujących po sobie reakcji prostych, które w tym przypadku nazywają się reakcjami elementarnymi.

Np. reakcja między bromowodorem i etylenem CH2=CH2, prowadząca do powstania bromoetanu (BrCH2–CH3), wiąże się z rozerwaniem wiązania H–Br, zamianą wiązania podwójnego C=C na wiązanie pojedyncze i powstaniem wiązania C–Br i C–H.

Kompletny zbiór reakcji elementarnych zachodzących podczas reakcji złożonej jest często nazywany jej mechanizmem.

Pojęcie reakcje złożone oznacza też przeciwieństwo reakcji elementarnych (również nazywanych prostymi lub izolowanymi). Wynik wielu reakcji, równocześnie zachodzących w roztworze, zależy od przebiegu wszystkich prostych reakcji cząstkowych. Do tak zdefiniowanych reakcji złożonych zalicza się np. reakcje równoległe, następcze, odwracalne, sprzężone i łańcuchowe

Rodzaje reakcji złożonych

W chemii organicznej przykładami reakcji złożonych są:

• addycja (przyłączanie) – w wyniku tej reakcji reagująca cząsteczka ulega powiększeniu o atom lub grupę atomów; np. do cząsteczki etylenu (CH2=CH2) zostaje przyłączona cząsteczka bromowodoru (HBr) w wyniku czego powstaje nowa cząsteczka bromoetanu (BrCH2–CH3);

• substytucja (podstawienie) – w wyniku tej reakcji w cząsteczce następuje wymiana atomu lub ich grupy; jeden atom lub ich grupa odrywa się od cząsteczki, a inny atom lub ich grupa się w to miejsce przyłącza;

• eliminacja (oderwanie) – w wyniku tej reakcji od cząsteczki odrywa się atom lub grupa atomów i nic innego się w to miejsce nie przyłącza;

• przegrupowanie (reakcja wewnętrzna) – przemiana jednego związku chemicznego w inny związek odbywająca się bez przyłączania, oddawania lub postawiania jakiegokolwiek atomu (np. przemiana kwasu cyjanowego w izocyjanowy). Polega na rozerwaniu pewnych wiązań chemicznych i/lub utworzeniu innych. Mogą, lecz nie muszą towarzyszyć temu zmiany stopnia utlenienia atomów tworzących cząsteczki substratu.

W chemii nieorganicznej te same typy reakcji nazywa się czasami inaczej:

Typ reakcji Schemat Przykłady

Reakcja syntezy

X + Y → XY CO2 (g) + H2O (c) → H2CO3 (aq)

H2CO3 (aq) + BaCO3 (s) → Ba(HCO3)2 (aq)

Reakcja analizy

XY → X + Y ZnCO3 (s) → ZnO (s) + CO2 (g)

Reakcja wymiany

X + YA → XA + Y Zn0 (s) + Cu+2SO4 (aq) → Zn+2SO4 (aq) + Cu0 (s)

C (s) + ZnO (s) → CO (g) + Zn (g)

O2 (g) + HgS (s) → SO2(g) + Hg (g)

Reakcja podwójnej wymiany

XA + YB → XB + YA NaOH (aq) + HCl (aq) → NaCl (aq) + HOH (c)

NaCl (aq) + AgNO3 (aq) → NaNO3 (aq) + AgCl (s)

s – ciało stałe;

c – ciecz;

g – gaz;

aq – roztwór wodny

* Inny podział

Reakcje chemiczne można podzielić biorąc pod uwagę różnorodne kryteria na:

a)

reakcje syntezy A + B = AB np. Fe + S → FeS

reakcje analizy AB = A + B np. 2 HgO → 2 Hg + O2

reakcje wymiany

pojedynczej A + BC = AC + B np. Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2

reakcje wymiany

podwójnej AB + CD = AD + BC np. Na2SO4 + BaCl2 → BaSO4 + 2 NaCl

b)

• reakcje odwracalne

• reakcje nieodwracalne

c)

• reakcje zachodzące ze zmianą stopnia utlenienia pierwiastków, np. 2 Mg + O2 → 2 MgO

• reakcje zachodzące bez zmiany stopnia utlenienia pierwiastków

d)

• reakcje egzoenergetyczne, np. C + O2 → CO2

• reakcje endoenergetyczne, np. N2 + O2 → 2 NO

e)

• reakcje jonowe

• reakcje zachodzące między atomami i cząsteczkami oraz cząsteczkami i cząsteczkami

f)

• reakcje szybkie, np. wytrącanie osadu FeCl3 + 3 NaOH → Fe(OH)3↓ + 3 NaCl

• reakcje zachodzące powoli np. rdzewienie (utlenianie żelaza)

g)

• reakcje jednoetapowe

• reakcje wieloetapowe

h)

• reakcje z udziałem katalizatora, np. 2 SO2 + O2 → 2 SO3

• reakcje bez udziału katalizatora, np. S + O2 → SO2