On todistettu, että kemia on nykyään eniten käytetty tiede , ja useimmat teollisuudenalat tarvitsevat tällaisia ​​prosesseja valmistaakseen kaikkia tuotteita, joita yhteiskunta vaatii modernin elämäntavan ylläpitämiseksi; jopa yksinkertaiset asiat, kuten sokerin lisääminen kahviin, kuuluvat tunnettuihin kemiallisiin reaktioihin.
Monien, ellei kaikkien, tuotteiden valmistuksessa on tapahduttava kemiallinen reaktio, olipa kyseessä sitten avain, puhdistusaine, rengas tai monta muuta. Luonnossa esiintyvät eri aineet ovat jatkuvassa vuorovaikutuksessa keskenään : tulitikun sytyttäminen, lääkkeen liuottaminen veteen, ruoanlaitto tai jopa hengittäminen ovat arkipäiväisiä esimerkkejä näistä prosesseista.
Tämä sisältö selittää yksityiskohtaisesti, mitä kemialliset reaktiot ovat, mitkä tekijät vaikuttavat niiden nopeuteen, tunnetuimmat reaktiotyypit, miten niitä esitetään yhtälöillä ja miksi ne ovat niin tärkeitä sekä teollisuudessa että jokapäiväisessä elämässä.
Mikä on kemiallinen reaktio?
Kemialliset reaktiot (joita kutsutaan myös kemiallisiksi muutoksiksi tai kemiallisiksi ilmiöiksi) ovat termodynaamisia aineen muutosprosesseja . Reaktion tapahtuessa kaksi tai useampia aineita, joita kutsutaan lähtöaineiksi , muuttuvat perusteellisesti ja synnyttävät yhden tai useamman uuden aineen, joita kutsutaan tuotteiksi.
Kemiallisen reaktion aikana atomien ja molekyylien uudelleenjärjestäytyminen tapahtuu : joitakin kemiallisia sidoksia katkeaa ja uusia muodostuu. Tämä uudelleenjärjestäytyminen voi tarkoittaa sitä, että järjestelmä absorboi tai vapauttaa energiaa (lämmön, valon, sähkön jne. muodossa). Toisin kuin fyysiset muutokset, jotka muuttavat vain aineen olomuotoa tai muotoa, kemialliset muutokset muuttavat aineiden molekyylirakennetta ja koostumusta .
Nämä prosessit voivat tapahtua luonnossa spontaanisti (ilman ihmisen puuttumista asiaan), kuten metallien korroosiossa tai kasvien fotosynteesissä, tai ne voivat syntyä laboratorioissa ja teollisuusympäristöissä kontrolloiduissa lämpötila-, paine- tai pitoisuusolosuhteissa. Nämä prosessit ovat myös alttiita ilmastonmuutoksille ja riippuvaisia ​​niistä , koska lämpötilan tai paineen vaihtelut voivat muuttaa sekä molekyylirakennetta että sidoksia ja siten reaktion lopputulosta.
Kemiallisen reaktion ominaisuudet
Vaikka reaktioita on tuhansia erilaisia, useimmilla on joukko perusominaisuuksia , jotka auttavat meitä ymmärtämään paremmin, miten aine käyttäytyy reagoidessaan.
- Aineen syvällinen muutosKemiallisessa reaktiossa aineiden sisäinen rakenneniin että lopulta saadaan erilaisia ​​yhdisteitä kuin alkuperäiset, uusilla ominaisuuksilla (haju, väri, liukoisuus, reaktiivisuus jne.).
- massan säilyminenAineen säilymislain mukaan, Reagoivien aineiden kokonaismassa on yhtä suuri kuin tuotteiden kokonaismassaAtomit eivät katoa eivätkä synny, ne vain vaihtavat paikkaa ja muodostavat erilaisia ​​molekyylejä.
- Linkin uudelleenjärjestelyReagoivien aineiden molekyylit muodostavat atomit ovat edelleen läsnä tuotteissa, mutta yhdistynyt toisella tavallaToisin sanoen, muutoksia ovat kemialliset sidokset, eivät itse atomit.
- EnergianvaihtoJokainen kemiallinen reaktio sisältää energian muutosJotkut vapauttavat energiaa (esimerkiksi palaminen) ja toiset imevät sitä (kuten monet hajoamisreaktiot). Tämä energia voi ilmetä lämpönä, valona, ​​sähkönä tai mekaanisena työnä.
- Määrällinen mittausReaktiot noudattavat kiinteitä suhteita reagoivien aineiden ja tuotteiden määrien välillä. Näiden suhteiden kvantitatiivinen tutkimus tunnetaan nimellä stoikiometria, ja sen avulla voit laskea, kuinka paljon tuotetta saadaan tietystä määrästä reagoivia aineita.
- Ohjattava nopeus. reaktionopeus Se voi vaihdella suuresti reaktiosta toiseen, ja sitä voidaan kiihdyttää tai hidastaa lämpötilan, pitoisuuden, paineen muutoksilla tai lisäämällä katalyyttejä tai inhibiittoreita.
- Palautuvuus tai peruuttamattomuusJotkin reaktiot ovat palautuva (tuotteet voidaan muuntaa takaisin lähtöaineiksi) ja toiset ovat käytännössä peruuttamaton (Kun tuotteet ovat muodostuneet, ne eivät palaa alkuperäiseen tilaansa normaaleissa olosuhteissa).
Miten kemiallinen reaktio esitetään?
Kemiallisia reaktioita esitetään kemiallisilla yhtälöillä , jotka ovat symbolisia lausekkeita, joissa reagoivien aineiden ja tuotteiden kaavat on kirjoitettu nuolella erotettuina. Reagoivat aineet näkyvät vasemmalla, tuotteet oikealla , ja niiden välinen nuoli osoittaa reaktion suunnan.
Yleisesti ottaen se voidaan esittää seuraavasti:
aA + bB → cC + dD
- a ja b Ne ovat reagensseja.
- C ja D Nämä ovat tuotteita.
- a,b,c,d son los stoikiometriset kertoimet, luvut, jotka osoittavat, kuinka monta molekyyliä tai moolia kutakin ainetta osallistuu reaktioon.
Kemiallista yhtälöä tasapainotettaessa tavoitteena on, että kunkin alkuaineen atomeja on nuolen molemmilla puolilla sama määrä, jolloin massan säilymislaki täyttyy. Yksi nuoli osoittaa olennaisesti peruuttamatonta reaktiota , kun taas kaksi vastakkaisiin suuntiin (⇌) osoittavaa nuolta edustavat palautuvaa reaktiota.
Kemiallisissa yhtälöissä käytetyt symbolit
Reaktion tapahtumien kuvaamiseksi paremmin kemiallisissa yhtälöissä käytetään erilaisia ​​apusymboleja , jotka osoittavat aineiden fysikaalista olomuotoa, lämmön tai valon läsnäoloa ja muita tärkeitä yksityiskohtia.
- (S): kiinteässä olomuodossa oleva aine.
- (L): nestemäisessä olomuodossa oleva aine.
- (G): aine kaasumaisessa olomuodossa.
- (Aq): veteen liuotettu aine (vesiliuos).
- Δ nuolen ympärillä: osoittaa, että reaktio vaatii lämmöntuonti.
- hv nuolesta: reaktio tarvitsee valo tapahtua.
- miten nuolesta: a:n läsnäolo katalyytti joka kiihdyttää reaktiota kuluttamatta sitä.
- ↑: osoittaa, että kaasu joka poistuu järjestelmästä.
- ↓: osoittaa a:n muodostumista kiinteä sakka joka erottuu ratkaisusta.
Fysikaalisten ja kemiallisten muutosten välinen ero
Kaikki aineen muutoksessa havaitsemamme muutokset eivät liity kemialliseen reaktioon. On tärkeää erottaa fysikaaliset ja kemialliset muutokset toisistaan , jotta ymmärretään, milloin muodostuu uusia aineita ja milloin vain ulkoiset olosuhteet muuttuvat.
Fysikaaliset muutokset ovat sellaisia, jotka muuttavat ominaisuuksia, kuten muotoa, kokoa, olomuotoa, väriä tai tiheyttä , mutta eivät muuta aineen kemiallista koostumusta. Vesi, joka muuttuu jäästä nesteeksi tai höyryksi, pysyy aina vedenä (H₂O ) .
Kemialliset muutokset taas muuttavat aineiden luonnetta . Atomien väliset sidokset katkeavat ja muodostuvat, jolloin prosessin lopussa syntyy uusia yhdisteitä. Esimerkiksi jos vesi (H₂O) reagoi kaliumin (K) kanssa , saadaan kaliumhydroksidia (KOH) ja vetyä (H₂) , jotka ovat erilaisia ​​aineita kuin alkuperäiset.
Molemmissa tapauksissa systeemin kokonaismassa säilyy, mutta vain kemiallisissa muutoksissa puhumme varsinaisesti kemiallisista reaktioista , koska niihin liittyy atomien sisäinen muutos ja uudelleenjärjestäytyminen.
Kemiallisiin reaktioihin vaikuttavat tekijät
Ennen kuin tutkitaan erityyppisiä reaktioita, on tärkeää ymmärtää prosessiin vaikuttavat tekijät . Ilman tätä ymmärrystä reaktiot voivat tapahtua väärin tai epäonnistua kokonaan. Tärkeimmät reaktioprosessiin vaikuttavat tekijät ovat:
Lämpötila
Tämä on merkittävä ja vaikuttava tekijä kemiallisissa reaktioissa: mitä korkeampi lämpötila, sitä enemmän molekyyleillä on kineettistä energiaa ja sitä nopeammin ne liikkuvat. Tämä tekee niiden välisistä törmäyksistä useampia ja tehokkaampia , mikä lisää reaktionopeutta. Käänteisesti, jos lämpötila on alhainen, reaktion tapahtumiseen kuluva aika lyhenee huomattavasti.
keskittyminen
Kun aineita on läsnä suurempina pitoisuuksina, reaktionopeus kiihtyy merkittävästi, koska reaktiivisia hiukkasia on enemmän tilavuusyksikköä kohden ja törmäysten todennäköisyys on suurempi. Tämä pitoisuuden ja nopeuden välinen suhde on keskeinen teollisissa prosesseissa ja lääkevalmisteluissa.
paine
Paine voidaan kuvata kaasun tiheydeksi kemiallisessa reaktiossa. Jos tätä tasoa tällaisissa seoksissa nostetaan, molekyylien välinen koheesionopeus on paljon nopeampi. Kaasumaisten aineiden reaktioissa paineen nousu vastaa suurempaa tehokasta kaasupitoisuutta, mikä kiihdyttää prosessia. Nesteissä ja kiinteissä aineissa paineen muutoksilla on kuitenkin yleensä paljon pienempi vaikutus.
Reaktion luonne
Kaikki aineet eroavat toisistaan ​​sekä muodossaan että koostumuksessaan, joten reaktion luonne ja siten sen nopeus vaihtelevat sekoitettavien alkuaineiden tyypin mukaan. Kiinteä aine ei reagoi yhtä nopeasti kuin kaasu, koska kiinteillä aineilla on kompaktimpia molekyylejä, kun taas kaasuilla on enemmän dispergoituneina olevia molekyylejä. Lisäksi jotkut aineet ovat luonnostaan ​​reaktiivisempia kuin toiset (esimerkiksi natrium reagoi paljon nopeammin kuin rauta).
Tilaa sekoituksessa
Järjestys , jossa aineita lisätään reaktioihin, vaikuttaa niiden paikalliseen pitoisuuteen ja sekoittumisnopeuteen. Joissakin teollisissa ja farmaseuttisissa prosesseissa on ratkaisevan tärkeää lisätä reagoivat aineet tarkassa järjestyksessä ei-toivottujen sivureaktioiden välttämiseksi tai saannon optimoimiseksi.
Sekoitettu
On tärkeää huomata, että käytetyn sekoituksen tyyppi vaikuttaa merkittävästi reaktionopeuteen riippuen siitä, onko reaktio homogeeninen (kaikki reagenssit samassa faasissa) vai heterogeeninen (reagenssit eri faaseissa, kuten kiinteä aine nesteessä). Oikea sekoitus lisää aineiden välistä kosketuspinta-alaa ja edistää aineen ja energian vaihtoa.
Katalyytti ja inhibiittorit
Katalyytit ovat eräänlainen vaihtoehtoinen reitti , jota aineet käyttävät ja joka vaatii vähemmän energiaa reaktion loppuun saattamiseksi. Siksi katalyytin läsnäolo reaktioprosessissa kiihdyttää sitä . Katalyyttejä ei kulu prosessissa, ja niitä voidaan käyttää toistuvasti. Käänteisesti inhibiittorit hidastavat reaktionopeutta häiritsemällä yhtä tai useampaa kemiallisen prosessin vaihetta.
Kemiallisten reaktioiden tyypit
Kuten hyvin tiedetään, kemia on ratkaisevan tärkeää teollisuuden ja siten myös yhteiskunnan kehitykselle, koska ne ovat erottamattomasti sidoksissa toisiinsa. Tämä johtuu siitä, että yritykset pyrkivät vastaamaan ihmisten tarpeisiin luomalla tuotteita, jotka vastaavat niihin. Tämän haastavan tehtävän suorittamiseksi on tarpeen hyödyntää erilaisia ​​kemiallisia reaktioita, joita kuvataan jäljempänä.
Kemiallisia reaktioita voidaan luokitella monella tavalla. Yksi yleisimmistä luokituksista perustuu siihen, miten atomit järjestyvät uudelleen reagoivien aineiden ja tuotteiden välillä, tai prosessin aikana tapahtuvan energian tai hiukkasten vaihdon tyyppiin .
Endoterminen reaktio
Tällaisessa kemiallisessa reaktiossa systeemi absorboi energiaa ympäristöstään (lämpöä, valoa tai sähköä) reaktion tapahtumiseksi. Jotta nämä reaktiot tapahtuisivat, systeemin on saatava energiaa ulkoisesta lähteestä. Tyypillinen esimerkki on joidenkin yhdisteiden, kuten kalsiumkarbonaatin, terminen hajoaminen kuumennettaessa.
Eksoterminen reaktio
Tässä tapauksessa reaktiot vapauttavat energiaa ympäristöön, yleensä lämmön ja joskus valon muodossa. Tämä energia vapautuu, koska tuotteet ovat alhaisemmassa energiatilassa kuin reagoivat aineet. Yleisiä esimerkkejä ovat polttoaineiden palaminen tai vahvan hapon ja reaktiivisen metallin välinen reaktio.
Additio- tai synteesireaktio
Tämän reaktion nimi voi helposti määritellä sen: additioreaktiot (tai synteesireaktiot) ovat reaktioita, joissa kaksi tai useampia aineita yhdistyy muodostaen yhden, monimutkaisemman yhdisteen. Esimerkiksi typpi reagoi vedyn kanssa muodostaen ammoniakkia.
Hajoamisreaktio
Hajoamisessa yhdiste hajoaa kahdeksi tai useammaksi yksinkertaisemmaksi aineeksi , synteesin vastakohtana. Esimerkki tästä on veden elektrolyysi, jossa syntyy vetyä ja happea.
Syrjäytymis- tai substituutioreaktio
Yksittäissyrjäytymisreaktioissa yksi alkuaine syrjäyttää toisen yhdisteen sisällä muodostaen uuden alkuaineen ja uuden yhdisteen. Tämä tapahtuu, kun reaktiivisemman alkuaineen tilalle tulee vähemmän reaktiivinen alkuaine yhdisteessä.
Kaksinkertainen korvausreaktio
Tällaisessa reaktiossa kaksi yhdistettä vaihtaa ioneja tai ryhmiä keskenään, jolloin syntyy kaksi uutta yhdistettä. Monet happo-emäs-neutralointireaktiot kuuluvat tähän kategoriaan.
Ioninen reaktio
Ionisten yhdisteiden altistaminen liuottimelle, erityisesti vedelle, aiheuttaa ionien dissosiaatiota . Tuloksena olevat ionit voivat ryhmittyä uudelleen muodostaen saostumia, tuottaa kaasuja tai jäädä liuokseen läsnä olevasta lajista riippuen.
Palamisreaktio
Tämän tyyppinen reaktio on erittäin energinen ja tuottaa lämpöä ja valoa; se voi jopa aiheuttaa tulipalon vapautuvan suuren energiamäärän vuoksi. Se on eräänlainen nopea hapettuminen , jossa palava aine reagoi hapen kanssa, jolloin päätuotteina syntyy yleensä hiilidioksidia ja vettä.
Neutralisaatio tai happo-emäsreaktio
Neutralisointireaktioihin liittyy happojen ja emästen yhdistelmä , joka yleensä johtaa suolaan ja veteen. Klassinen esimerkki on suolahapon reaktio natriumhydroksidin kanssa, joka tuottaa natriumkloridia ja vettä.
Redox-reaktio (hapetus-pelkistys)
Tunnetaan myös hapetus-pelkistysreaktioina, näissä reaktioissa yksi laji menettää elektroneja (hapettuu) ja toinen saa elektroneja (pelkistyy) . Reagoivien aineiden välillä tapahtuu aina elektronien siirtymistä ja mukana olevien lajien hapetusluvut muuttuvat.
Ydinreaktio
Ydinreaktiot vaikuttavat atomin ytimeen , eivätkä pelkästään elektronikuoreen, ja vapauttavat paljon suurempia määriä energiaa kuin tavalliset kemialliset reaktiot. Ne voivat sisältää fuusiota (kevyiden ytimien yhdistymistä) tai fissiota (raskaiden ytimien halkeamista), ja niihin liittyy hyvin erityisiä riskejä ja sovelluksia energia- ja lääketieeessä.
Nämä ovat vain joitakin yleisimmistä kemiallisista reaktioista , joita käytetään päivittäin paitsi liike-elämässä myös kaupankäynnissä ja yhteiskunnassa, vaikka niitä on paljon enemmänkin. Niiden merkitys tulee selväksi, kun kuvittelet elämän ilman pääsyä tuotteisiin, joita kemia tarjoaa yhteiskunnalle.
Kemiallisen reaktion nopeus
Kemialliset reaktiot vaativat tietyn ajan tapahtuakseen , joka vaihtelee reagoivien aineiden luonteen ja ympäristön mukaan . Jotkut reaktiot ovat käytännössä välittömiä, kun taas toiset voivat kestää vuosia.
Reaktionopeus määritellään tuotteen määräksi, joka ilmestyy aikayksikköä kohti , tai reagoivan aineen määräksi, joka poistuu aikayksikköä kohti. Tämä parametri on olennainen sekä luonnonilmiöiden ymmärtämisen että turvallisten ja tehokkaiden teollisten prosessien suunnittelun kannalta.
Kemiallisten reaktioiden nopeuteen vaikuttavat yleensä seuraavat tekijät:
- lämpötilan nousuKorkeat lämpötilat lisäävät kemiallisten reaktioiden nopeutta, koska ne lisäävät molekyylien energiaa ja tehokkaiden törmäysten taajuutta.
- lisääntynyt painePaineen lisääntyminen yleensä lisää reaktioiden nopeutta, erityisesti silloin, kun niihin liittyy paineenmuutoksille herkät kaasutNesteiden ja kiinteiden aineiden tapauksessa paineenmuutokset eivät yleensä aiheuta merkittäviä vaihteluita.
- Aggregaation tilaKiinteät aineet reagoivat yleensä hitaammin kuin nesteet tai kaasut, koska niiden molekyylit ovat enemmän pakattu ja niillä on vähemmän liikkuvuutta. Nopeus riippuu kuitenkin myös kunkin aineen ominaisreaktiivisuudesta.
- Katalyyttien käyttöNäitä aineita käytetään mm. lisätä kemiallisten reaktioiden nopeutta ilman että sitä kulutetaan prosessissa. On myös aineita, joita kutsutaan estäjätjoilla on päinvastainen vaikutus ja jotka hidastavat nopeutta.
- Valoenergia (valo)Jotkin kemialliset reaktiot kiihtyvät, kun niihin kohdistetaan valo, koska fotonit tarjoavat tiettyjen sidosten rikkomiseen tarvittavan energian.
- Reagenssien pitoisuusUseimmat kemialliset reaktiot tapahtuvat nopeammin, jos niillä on reagenssien korkea pitoisuuskoska se lisää reaktiivisten hiukkasten välisten törmäysten määrää.
Kemiallisten reaktioiden merkitys
Kemialliset reaktiot ovat perustavanlaatuisia maailman olemassaololle ja ymmärtämiselle sellaisena kuin me sen tunnemme. Muutokset, joita aineessa tapahtuu luonnollisissa tai ihmisen aiheuttamissa olosuhteissa (ja jotka usein tuottavat arvokkaita materiaaleja), ovat vain yksi esimerkki tästä.
Suurin todiste kemiallisten reaktioiden tärkeydestä on itse elämä kaikissa muodoissaan. Kaikenlaisten elävien olentojen olemassaolo on mahdollista vain aineen kyvyn ansiosta reagoida ja vaihtaa energiaa ympäristönsä kanssa aineenvaihduntareittien kautta – eli kemiallisten reaktioiden sarjojen kautta, jotka tuottavat enemmän käyttökelpoista energiaa kuin kuluttavat.
Arkielämässämme hengitys koostuu useista kemiallisista reaktioista, kuten myös kasvien fotosynteesi , ruoansulatus, lääkkeiden tuotanto, polttoaineen tuotanto, vedenkäsittely ja käytännössä minkä tahansa teollisuustuotteen valmistus.
Kemiallisten reaktioiden ja niiden toiminnan ymmärtäminen antaa meille mahdollisuuden selittää arkipäivän ja teknologisia ilmiöitä aina metallin hapettumisesta edistyneiden materiaalien syntymiseen, unohtamatta niiden valtavaa vaikutusta ympäristöön ja ihmisten terveyteen.
Läpi tekstin olet nähnyt, että vaikka aine koostuu hyvin pienistä yksiköistä, kuten atomeista ja molekyyleistä, sen yhdistyminen erilaisissa kemiallisissa reaktioissa on avain meitä ympäröivien aineiden, biologisten prosessien ja teollisten sovellusten monimuotoisuuteen. Se osoittaa, kuinka kemia yhdistää mikroskooppisen mittakaavan todellisen maailman suuriin ilmiöihin.