Det er bevist at kjemi er den mest brukte vitenskapen i dag, og de fleste industrier trenger slike prosesser for å produsere alle produktene som samfunnet krever for å opprettholde en moderne livsstil; selv enkle ting som å tilsette sukker i kaffe faller inn under de kjente typene kjemiske reaksjoner.
For å produsere mange produkter, om ikke alle, må det finne sted en kjemisk reaksjon, enten det er for en nøkkel, et rengjøringsprodukt, et dekk eller mange andre. De forskjellige stoffene som finnes i naturen, samhandler med hverandre hele tiden : å tenne en fyrstikk, løse opp medisin i vann, matlaging eller til og med puste er hverdagseksempler på disse prosessene.
Dette innholdet forklarer i detalj hva kjemiske reaksjoner er, hvilke faktorer som påvirker hastigheten deres, de mest kjente reaksjonstypene, hvordan de representeres av ligninger, og hvorfor de er så viktige både i industrien og i dagliglivet.
Hva er en kjemisk reaksjon?
Kjemiske reaksjoner (også kalt kjemiske endringer eller kjemiske fenomener) er termodynamiske prosesser for materietransformasjon . Når en reaksjon oppstår, blir to eller flere stoffer, kalt reaktanter , dyptgående transformert og gir opphav til ett eller flere nye stoffer, kalt produkter.
Under en kjemisk reaksjon skjer en omorganisering av atomer og molekyler : noen kjemiske bindinger brytes og nye dannes. Denne omorganiseringen kan innebære at systemet absorberer eller frigjør energi (i form av varme, lys, elektrisitet osv.). I motsetning til fysiske endringer, som bare endrer materiens tilstand eller form, endrer kjemiske endringer stoffets molekylstruktur og sammensetning .
Disse prosessene kan forekomme spontant i naturen (uten menneskelig innblanding), som ved korrosjon av metaller eller ved plantefotosyntese, eller de kan genereres i laboratorier og industrielle miljøer under kontrollerte forhold med hensyn til temperatur, trykk eller konsentrasjon. Disse prosessene er også underlagt og avhengige av klimatiske endringer , siden variasjoner i temperatur eller trykk kan endre både molekylstrukturen og bindingene, og dermed resultatet av reaksjonen.
Kjennetegn ved en kjemisk reaksjon
Selv om det finnes tusenvis av forskjellige reaksjoner, deler de fleste en rekke grunnleggende kjennetegn som lar oss bedre forstå hvordan materie oppfører seg når den reagerer.
- Dyp transformasjon av materieI en kjemisk reaksjon, stoffers indre strukturslik at man til slutt oppnår andre forbindelser enn de opprinnelige, med nye egenskaper (lukt, farge, løselighet, reaktivitet osv.).
- Konservering av deigenI følge loven om materiens bevaring, Den totale massen av reaktantene er lik den totale massen av produkteneAtomer verken forsvinner eller blir til, de bare bytter plass og danner forskjellige molekyler.
- Omorganisering av lenkerAtomene som utgjør molekylene i reaktantene er fortsatt tilstede i produktene, men forent på en annen måteMed andre ord, det er de kjemiske bindingene som endrer seg, ikke atomene i seg selv.
- EnergiutvekslingEnhver kjemisk reaksjon innebærer en energiskifteNoen frigjør energi (for eksempel forbrenning) og andre absorberer den (som mange nedbrytningsreaksjoner). Denne energien kan manifestere seg som varme, lys, elektrisitet eller mekanisk arbeid.
- Kvantitativ målingReaksjoner følger faste proporsjoner mellom mengdene av reaktanter og produkter. Den kvantitative studien av disse proporsjonene er kjent som støkiometri, og lar deg beregne hvor mye produkt som vil bli oppnådd fra en viss mengde reaktanter.
- Kontrollerbar hastighet. Den reaksjonshastighet Den kan variere sterkt fra en reaksjon til en annen, og kan akselereres eller bremses av endringer i temperatur, konsentrasjon, trykk, eller ved å tilsette katalysatorer eller inhibitorer.
- Reversibilitet eller irreversibilitetNoen reaksjoner er reversible (produktene kan omdannes tilbake til reaktanter) og andre er praktisk talt irreversibel (Når produktene er dannet, går de ikke tilbake til sin opprinnelige tilstand under normale forhold).
Hvordan er en kjemisk reaksjon representert?
Kjemiske reaksjoner er representert av kjemiske ligninger , som er symbolske uttrykk der formlene for reaktantene og produktene er skrevet, atskilt med en pil. Reaktantene vises til venstre, produktene til høyre , og en pil mellom dem indikerer reaksjonsretningen.
Generelt kan det representeres som følger:
aA + bB → cC + dD
- A og B De er reagensene.
- C og D Dette er produktene.
- a, b, c, d er støkiometriske koeffisienter, tall som angir hvor mange molekyler eller mol av hvert stoff som deltar i reaksjonen.
Når man balanserer en kjemisk ligning, er målet å ha samme antall atomer av hvert element på begge sider av pilen, og dermed oppfylle loven om bevaring av masse. En enkelt pil indikerer en i hovedsak irreversibel reaksjon , mens to piler som peker i motsatte retninger (⇌) representerer en reversibel reaksjon.
Symboler brukt i kjemiske ligninger
For å bedre beskrive hva som skjer i en reaksjon, bruker kjemiske ligninger forskjellige hjelpesymboler som indikerer stoffers fysiske tilstand, tilstedeværelsen av varme eller lys og andre viktige detaljer.
- (s): stoff i fast tilstand.
- (L): stoff i flytende tilstand.
- (G): stoff i gassform.
- (aq): stoff oppløst i vann (vandig løsning).
- Δ rundt pilen: indikerer at reaksjonen krever varmetilførsel.
- hv om pilen: reaksjonen trenger lys å forekomme.
- hvordan om pilen: tilstedeværelsen av en katalysator som akselererer reaksjonen uten å bli forbrukt.
- ↑: indikerer at en gass som forlater systemet.
- ↓: indikerer dannelsen av en fast bunnfall som skiller seg fra løsningen.
Forskjellen mellom fysiske og kjemiske endringer
Ikke alle endringer vi observerer i materie involverer en kjemisk reaksjon. Det er viktig å skille mellom fysiske og kjemiske endringer for å forstå når nye stoffer dannes og når bare ytre forhold endres.
Fysiske endringer er de som endrer egenskaper som form, størrelse, materiens tilstand, farge eller tetthet , men uten å endre stoffets kjemiske sammensetning. Vann som går fra is til væske eller til damp forblir vann (H₂O ) i alle tilfeller.
Kjemiske endringer , derimot, endrer stoffenes natur . Bindinger mellom atomer brytes og dannes, slik at nye forbindelser oppstår på slutten av prosessen. Hvis for eksempel vann (H₂O) reagerer med kalium (K), oppnås kaliumhydroksid (KOH) og hydrogen (H₂) , stoffer som er forskjellige fra de opprinnelige.
I begge tilfeller er systemets totale masse bevart, men det er bare i kjemiske endringer vi egentlig snakker om kjemiske reaksjoner , siden de involverer intern transformasjon og omorganisering av atomer.
Faktorer som påvirker kjemiske reaksjoner
Før vi utforsker de ulike reaksjonstypene, er det viktig å forstå faktorene som påvirker prosessen . Uten denne forståelsen kan reaksjoner utføres feil eller mislykkes helt. De viktigste faktorene som påvirker en reaksjonsprosess inkluderer:
Temperatur
Dette er en betydelig og innflytelsesrik faktor i kjemiske reaksjoner: jo høyere temperaturen er, desto mer kinetisk energi har molekylene og desto raskere beveger de seg. Dette gjør kollisjoner mellom dem hyppigere og mer effektive , noe som øker reaksjonshastigheten. Omvendt, hvis temperaturen er lav, reduseres tiden det tar for reaksjonen å skje betraktelig.
konsentrasjonen
Når stoffer er tilstede i høyere konsentrasjoner, akselereres reaksjonshastigheten betydelig fordi det er flere reaktive partikler per volumenhet , og sannsynligheten for kollisjoner er større. Denne sammenhengen mellom konsentrasjon og hastighet er nøkkelen i industrielle prosesser og i legemiddelformulering.
Press
Trykk kan beskrives som tettheten til en gass i en kjemisk reaksjon. Derfor, hvis dette nivået økes i slike blandinger, vil kohesjonshastigheten mellom molekylene være mye raskere. I reaksjoner som involverer gassformige stoffer, tilsvarer en økning i trykk en høyere effektiv konsentrasjon av gass, noe som akselererer prosessen. I væsker og faste stoffer har imidlertid endringer i trykk vanligvis en mye mindre effekt.
Reaksjonens art
Alle stoffer er forskjellige både i form og sammensetning, så reaksjonens natur , og dermed dens hastighet, vil endre seg avhengig av typen elementer som blandes. Et fast stoff reagerer ikke like raskt som en gass fordi faste stoffer har mer kompakte molekyler, mens gasser har mer spredte molekyler. Videre er noen stoffer iboende mer reaktive enn andre (for eksempel reagerer natrium mye raskere enn jern).
Orden i miksen
Rekkefølgen stoffene tilsettes reaksjoner i påvirker deres lokale konsentrasjon og hastigheten de blandes med. I noen industrielle og farmasøytiske prosesser er det avgjørende å tilsette reaktanter i en presis rekkefølge for å unngå uønskede bivirkninger eller for å optimalisere utbyttet.
Blandet
Det er viktig å merke seg at blandingstypen som brukes vil påvirke reaksjonshastigheten betydelig, avhengig av om reaksjonen er homogen (alle reaktanter i samme fase) eller heterogen (reaktanter i forskjellige faser, for eksempel et fast stoff i en væske). Riktig blanding øker kontaktoverflaten mellom stoffene og fremmer utveksling av materie og energi.
Katalysator og inhibitorer
Katalysatorer er en type alternativ reaksjonsvei som stoffer tar, og som krever mindre energi for å fullføre en reaksjon. Derfor akselererer tilstedeværelsen av en katalysator i en reaksjonsprosess den . Katalysatorer forbrukes ikke i prosessen og kan brukes gjentatte ganger. Omvendt reduserer inhibitorer reaksjonshastigheten ved å forstyrre ett eller flere trinn i den kjemiske prosessen.
Typer kjemiske reaksjoner
Som kjent er kjemi avgjørende for utviklingen av industrisektoren , og dermed for samfunnet, siden de to er uløselig knyttet sammen. Dette er fordi selskaper streber etter å møte menneskelige behov ved å lage produkter som adresserer dem. For å utføre denne utfordrende oppgaven er det nødvendig å bruke ulike kjemiske reaksjoner, som vil bli beskrevet nedenfor.
Kjemiske reaksjoner kan klassifiseres på mange måter. En av de vanligste klassifiseringene er basert på hvordan atomer omorganiseres mellom reaktanter og produkter, eller på typen energi eller partikkelutveksling som skjer under prosessen.
Endoterm reaksjon
I denne typen kjemisk reaksjon absorberer systemet energi fra omgivelsene (varme, lys eller elektrisitet) for at reaksjonen skal kunne skje. For at disse reaksjonene skal finne sted, må systemet motta energi fra en ekstern kilde. Et typisk eksempel er termisk nedbrytning av noen forbindelser, for eksempel kalsiumkarbonat, når de varmes opp.
Eksoterm reaksjon
I dette tilfellet frigjør reaksjonene energi til miljøet, vanligvis i form av varme og noen ganger lys. Denne energien frigjøres fordi produktene er i en lavere energitilstand enn reaktantene. Vanlige eksempler inkluderer forbrenning av drivstoff eller reaksjonen mellom en sterk syre og et reaktivt metall.
Addisjons- eller syntesereaksjon
Navnet på denne reaksjonen kan enkelt defineres: addisjons- (eller syntesereaksjoner) er de der to eller flere stoffer kombineres for å danne en enkelt, mer kompleks forbindelse. For eksempel reagerer nitrogen med hydrogen for å danne ammoniakk.
Nedbrytningsreaksjon
Ved nedbrytning brytes en forbindelse ned til to eller flere enklere stoffer , det motsatte av syntese. Et eksempel er elektrolyse av vann, som produserer hydrogen og oksygen.
Forskyvnings- eller substitusjonsreaksjon
I enkeltfortrengningsreaksjoner fortrenger ett element et annet i en forbindelse, og danner et nytt element og en ny forbindelse. Dette skjer når et mer reaktivt element erstatter et mindre reaktivt i en forbindelse.
Dobbel substitusjonsreaksjon
I denne typen reaksjon utveksler to forbindelser ioner eller grupper med hverandre, noe som resulterer i to nye forbindelser. Mange syre-base-nøytraliseringsreaksjoner tilhører denne kategorien.
Jonisk reaksjon
Eksponering av ioniske forbindelser for et løsningsmiddel, spesielt vann, forårsaker ionisk dissosiasjon . De resulterende ionene kan omgruppere seg for å danne utfellinger, generere gasser eller forbli i løsning, avhengig av hvilke stoffer som er tilstede.
Forbrenningsreaksjon
Denne typen reaksjon er svært energisk og produserer varme og lys; den kan til og med generere brann på grunn av det høye energinivået som frigjøres. Det er en type rask oksidasjon , der et brennbart stoff reagerer med oksygen, og vanligvis produserer karbondioksid og vann som hovedprodukter.
Nøytralisering eller syre-basereaksjon
Nøytraliseringsreaksjoner involverer kombinasjonen av syrer og baser , som vanligvis resulterer i et salt og vann. Et klassisk eksempel er reaksjonen av saltsyre med natriumhydroksid, som produserer natriumklorid og vann.
Redoksreaksjon (oksidasjon-reduksjon)
Også kjent som oksidasjons-reduksjonsreaksjoner, innebærer disse at én art mister elektroner (oksideres) og en annen får elektroner (reduseres) . Det er alltid en overføring av elektroner mellom reaktantene og endringer i oksidasjonstallene til de involverte artene.
Atomreaksjon
Kjernereaksjoner påvirker atomkjernen , ikke bare elektronskallet, og frigjør langt større mengder energi enn vanlige kjemiske reaksjoner. De kan involvere fusjon (kombinasjon av lette kjerner) eller fisjon (splitting av tunge kjerner) og medfører svært spesifikke risikoer og anvendelser innen energi og medisin.
Dette er bare noen av de vanligste typene kjemiske reaksjoner , som brukes daglig ikke bare i næringslivet, men også i handel og samfunn, selv om mange flere finnes. Deres betydning blir tydelig når man forestiller seg livet uten tilgang til produktene som kjemi gir samfunnet.
Hastigheten til en kjemisk reaksjon
Kjemiske reaksjoner krever en viss tid , som varierer avhengig av reaktantenes natur og miljøet reaksjonen finner sted i . Noen reaksjoner er praktisk talt umiddelbare, mens andre kan ta år å fullføre.
Reaksjonshastigheten er definert som mengden produkt som oppstår per tidsenhet eller mengden reaktant som forsvinner per tidsenhet. Denne parameteren er grunnleggende både for å forstå naturfenomener og for å designe trygge og effektive industrielle prosesser.
Faktorene som påvirker hastigheten på kjemiske reaksjoner er vanligvis:
- temperaturøkningHøye temperaturer har en tendens til å øke hastigheten på kjemiske reaksjoner, ettersom de øker molekylenes energi og hyppigheten av effektive kollisjoner.
- økt trykkØkende trykk øker vanligvis reaksjonshastigheten, spesielt når de involverer Gasser som er følsomme for trykkendringerNår det gjelder væsker og faste stoffer, forårsaker trykkendringer vanligvis ikke betydelige variasjoner.
- AggregeringstilstandFaste stoffer reagerer vanligvis saktere enn væsker eller gasser fordi molekylene deres er mer pakket og de har mindre mobilitet. Hastigheten vil imidlertid også avhenge av den iboende reaktiviteten til hvert stoff.
- Bruk av katalysatorerDisse stoffene brukes til øke hastigheten på kjemiske reaksjoner uten å bli konsumert i prosessen. Det finnes også stoffer som kalles inhibitorersom har motsatt effekt og reduserer hastigheten.
- Lysenergi (lys)Noen kjemiske reaksjoner akselereres når lys skinner på dem, siden fotoner gir energien som trengs for å bryte visse bindinger.
- Konsentrasjon av reagenserDe fleste kjemiske reaksjoner skjer raskere hvis de har en høy konsentrasjon av reagensenefordi det øker antallet kollisjoner mellom reaktive partikler.
Betydningen av kjemiske reaksjoner
Kjemiske reaksjoner er grunnleggende for eksistensen og forståelsen av verden slik vi kjenner den. Endringene som materie gjennomgår under naturlige eller menneskeskapte forhold (og som ofte genererer verdifulle materialer) er bare ett eksempel på dette.
Det største beviset på viktigheten av kjemiske reaksjoner er selve livet , i alle dets former. Eksistensen av levende vesener av alle slag er bare mulig takket være materiens evne til å reagere og utveksle energi med omgivelsene gjennom metabolske veier – det vil si sekvenser av kjemiske reaksjoner som gir mer brukbar energi enn de forbruker.
I hverdagen vår består respirasjon av flere kjemiske reaksjoner, i likhet med fotosyntese i planter, fordøyelse av mat, medisinproduksjon, drivstoffproduksjon, vannbehandling og produksjon av praktisk talt alle industriprodukter.
Å forstå hva kjemiske reaksjoner er og hvordan de fungerer, lar oss forklare hverdagslige og teknologiske fenomener , fra hvorfor et metall oksiderer til hvordan avanserte materialer genereres, uten å glemme den enorme innvirkningen de har på miljøet og menneskers helse.
Gjennom hele teksten har du sett at selv om materie er bygd opp av svært små enheter som atomer og molekyler, er måten den kombineres gjennom ulike typer kjemiske reaksjoner nøkkelen til mangfoldet av stoffer, biologiske prosesser og industrielle anvendelser som omgir oss, og viser hvordan kjemi forbinder den mikroskopiske skalaen med de store fenomenene i den virkelige verden.