Було доведено, що хімія є найширше використовуваною наукою сьогодні, і більшість галузей промисловості потребують таких процесів для виробництва всіх продуктів, яких потребує суспільство для підтримки сучасного способу життя; навіть прості речі, такі як додавання цукру до кави, належать до відомих типів хімічних реакцій.
Для виробництва багатьох продуктів, якщо не всіх, має відбутися хімічна реакція, будь то ключ, засіб для чищення, шина чи багато іншого. Різні речовини, присутні в природі, постійно взаємодіють одна з одною : запалювання сірника, розчинення ліків у воді, приготування їжі чи навіть дихання – це повсякденні приклади цих процесів.
У цьому матеріалі детально пояснюється, що таке хімічні реакції, які фактори впливають на їхню швидкість, найвідоміші типи реакцій, як вони представлені рівняннями та чому вони такі важливі як у промисловості, так і в повсякденному житті.
Що таке хімічна реакція?
Хімічні реакції (також звані хімічними змінами або хімічними явищами) – це термодинамічні процеси перетворення речовини . Під час реакції дві або більше речовин, які називаються реагентами , глибоко перетворюються та призводять до утворення однієї або кількох нових речовин, які називаються продуктами.
Під час хімічної реакції відбувається реорганізація атомів і молекул : деякі хімічні зв'язки розриваються, а нові утворюються. Ця реорганізація може включати поглинання або вивільнення системою енергії (у вигляді тепла, світла, електрики тощо). На відміну від фізичних змін, які змінюють лише стан речовини або форму, хімічні зміни змінюють молекулярну структуру та склад речовин.
Ці процеси можуть відбуватися спонтанно в природі (без втручання людини), як-от корозія металів або фотосинтез рослин, або ж вони можуть генеруватися в лабораторіях та промислових умовах за контрольованих умов температури, тиску або концентрації. Ці процеси також підлягають кліматичним змінам та залежать від них , оскільки коливання температури або тиску можуть змінювати як молекулярну структуру, так і зв'язки, а отже, і результат реакції.
Характеристики хімічної реакції
Хоча існують тисячі різних реакцій, більшість із них мають низку фундаментальних характеристик , які дозволяють нам краще зрозуміти, як поводиться матерія під час реакції.
- Глибоке перетворення матеріїУ хімічній реакції, внутрішня будова речовинтак що в результаті отримують сполуки, відмінні від початкових, з новими властивостями (запах, колір, розчинність, реакційна здатність тощо).
- Збереження масиЗгідно із законом збереження матерії, Загальна маса реагентів дорівнює загальній масі продуктівАтоми не зникають і не створюються, вони лише змінюють місце розташування та утворюють різні молекули.
- Реорганізація посиланьАтоми, що складають молекули реагентів, все ще присутні в продуктах, але об'єднані іншим чиномІншими словами, змінюються хімічні зв'язки, а не самі атоми.
- Обмін енергієюКожна хімічна реакція включає зсув енергіїДеякі вивільняють енергію (наприклад, горіння), а інші поглинають її (наприклад, багато реакцій розкладання). Ця енергія може проявлятися як тепло, світло, електрика або механічна робота.
- Кількісне вимірюванняРеакції відбуваються за фіксованими пропорціями між кількостями реагентів і продуктів. Кількісне вивчення цих пропорцій відоме як естекіометрія, і дозволяє розрахувати, скільки продукту буде отримано з певної кількості реагентів.
- Контрольована швидкість. швидкість реакції Він може значно відрізнятися від однієї реакції до іншої та може бути прискорений або уповільнений змінами температури, концентрації, тиску або додаванням каталізаторів чи інгібіторів.
- Оборотність чи необоротністьДеякі реакції є оборотний (продукти можна перетворити назад на реагенти), а інші практично незворотні (Після формування продукти не повертаються до початкового стану за нормальних умов).
Як зображується хімічна реакція?
Хімічні реакції представлені хімічними рівняннями , які є символічними виразами, де формули реагентів і продуктів записані, розділені стрілкою. Реагенти розташовані ліворуч, продукти - праворуч , а стрілка між ними вказує напрямок реакції.
У загальному випадку це можна представити так:
aA + bB → cC + dD
- а і б Вони є реагентами.
- C та D Це ці продукти.
- а Б В Г є стехіометричні коефіцієнти, числа, що показують, скільки молекул або молей кожної речовини бере участь у реакції.
Під час балансування хімічного рівняння метою є наявність однакової кількості атомів кожного елемента по обидва боки стрілки, що забезпечує виконання закону збереження маси. Одна стрілка вказує на практично незворотну реакцію , тоді як дві стрілки, що вказують у протилежних напрямках (⇌), представляють оборотну реакцію.
Символи, що використовуються в хімічних рівняннях
Щоб краще описати, що відбувається в реакції, у хімічних рівняннях використовуються різні допоміжні символи , що вказують на агрегатний стан речовин, наявність тепла або світла та інші важливі деталі.
- (И)речовина у твердому стані.
- (Л): речовина в рідкому стані.
- (Г)речовина в газоподібному стані.
- (водн.)речовина, розчинена у воді (водний розчин).
- Δ щодо стрілки: вказує на те, що реакція вимагає підведення тепла.
- hv щодо стрілки: реакція потребує світло відбуватися.
- як про стрілку: наявність каталізатор що прискорює реакцію без споживання.
- ↑: вказує на те, що газ хто виходить із системи.
- ↓: вказує на формування твердий осад що відділяється від розчину.
Різниця між фізичними та хімічними змінами
Не кожна зміна, яку ми спостерігаємо в речовині, пов'язана з хімічною реакцією. Важливо розрізняти фізичні та хімічні зміни , щоб зрозуміти, коли утворюються нові речовини, а коли змінюються лише зовнішні умови.
Фізичні зміни – це ті, що змінюють такі властивості, як форма, розмір, стан речовини, колір або густина , але без зміни хімічного складу речовини. Вода, яка перетворюється з льоду на рідину або пару, залишається водою (H₂O ) у всіх випадках.
Хімічні зміни , з іншого боку, змінюють природу речовин . Зв'язки між атомами розриваються та утворюються, так що в кінці процесу з'являються нові сполуки. Наприклад, якщо вода (H₂O) реагує з калієм (K), утворюються гідроксид калію (KOH) та водень (H₂) – речовини , що відрізняються від початкових.
В обох випадках загальна маса системи зберігається, але лише в хімічних змінах ми говоримо про хімічні реакції , оскільки вони включають внутрішні перетворення та перегрупування атомів.
Фактори, що впливають на хімічні реакції
Перш ніж досліджувати різні типи реакцій, важливо зрозуміти фактори, що впливають на процес . Без цього розуміння реакції можуть бути виконані неправильно або взагалі невдало. Основні фактори, що впливають на процес реакції, включають:
Температура
Це важливий і впливовий фактор у хімічних реакціях: чим вища температура, тим більшу кінетичну енергію мають молекули і тим швидше вони рухаються. Це робить зіткнення між ними частішими та ефективнішими , збільшуючи швидкість реакції. І навпаки, якщо температура низька, час, необхідний для протікання реакції, значно зменшується.
Концентрація
Коли речовини присутні у вищих концентраціях, швидкість реакції значно прискорюється, оскільки на одиницю об'єму припадає більше реакційноздатних частинок , а ймовірність зіткнень більша. Цей зв'язок між концентрацією та швидкістю є ключовим у промислових процесах та у розробці ліків.
Тиск
Тиск можна описати як густину газу під час хімічної реакції. Тому, якщо цей рівень у таких сумішах збільшити, швидкість когезії між молекулами буде набагато швидшою. У реакціях, що включають газоподібні речовини, збільшення тиску дорівнює вищій ефективній концентрації газу, що прискорює процес. Однак у рідинах і твердих тілах зміни тиску зазвичай мають набагато менший вплив.
Характер реакції
Усі речовини відрізняються як за формою, так і за складом, тому характер реакції , а отже, і її швидкість, змінюватимуться залежно від типу елементів, що змішуються. Тверда речовина реагує не так швидко, як газ, оскільки тверді речовини мають компактніші молекули, тоді як гази мають більш дисперсні молекули. Крім того, деякі речовини за своєю суттю більш реакційноздатні, ніж інші (наприклад, натрій реагує набагато швидше, ніж залізо).
Замовлення в міксі
Порядок додавання речовин до реакцій впливає на їхню локальну концентрацію та швидкість їх змішування. У деяких промислових та фармацевтичних процесах критично важливо додавати реагенти в точній послідовності, щоб уникнути небажаних побічних реакцій або оптимізувати вихід.
Змішані
Важливо зазначити, що тип змішування , що використовується, суттєво впливатиме на швидкість реакції залежно від того, чи є реакція гомогенною (всі реагенти в одній фазі) чи гетерогенною (реагенти в різних фазах, наприклад, тверда речовина в рідині). Правильне змішування збільшує площу поверхні контакту між речовинами та сприяє обміну речовиною та енергією.
Каталізатор та інгібітори
Каталізатори – це тип альтернативного шляху реакції речовин, що вимагає менше енергії для завершення. Тому присутність каталізатора в процесі реакції прискорює його . Каталізатори не витрачаються в процесі та можуть використовуватися багаторазово. І навпаки, інгібітори знижують швидкість реакції, перешкоджаючи одному або кільком етапам хімічного процесу.
Види хімічних реакцій
Як добре відомо, хімія має вирішальне значення для розвитку промислового сектору , а отже, і для суспільства, оскільки ці дві галузі нерозривно пов'язані. Це пояснюється тим, що компанії прагнуть задовольнити потреби людини, створюючи продукти, які їх враховують. Для виконання цього складного завдання необхідно використовувати різні хімічні реакції, які будуть описані нижче.
Хімічні реакції можна класифікувати багатьма способами. Одна з найпоширеніших класифікацій ґрунтується на тому, як атоми перегруповуються між реагентами та продуктами реакції, або на типі енергії чи обміну частинками , що відбувається під час процесу.
Ендотермічна реакція
У цьому типі хімічної реакції система поглинає енергію з навколишнього середовища (тепло, світло або електрику) для того, щоб реакція відбулася. Для того, щоб ці реакції відбулися, система повинна отримувати енергію із зовнішнього джерела. Типовим прикладом є термічний розклад деяких сполук, таких як карбонат кальцію, при нагріванні.
Екзотермічна реакція
У цьому випадку реакції вивільняють енергію в навколишнє середовище, зазвичай у вигляді тепла, а іноді й світла. Ця енергія вивільняється, оскільки продукти знаходяться в нижчому енергетичному стані, ніж реагенти. Типовими прикладами є горіння палива або реакція між сильною кислотою та реакційноздатним металом.
Реакція приєднання або синтезу
Назва цієї реакції легко може її визначити: реакції приєднання (або синтезу) – це реакції, в яких дві або більше речовин з'єднуються , утворюючи одну, більш складну сполуку. Наприклад, азот реагує з воднем, утворюючи аміак.
Реакція розкладання
При розкладанні сполука розпадається на дві або більше простіших речовин , що протилежно синтезу. Прикладом є електроліз води, в результаті якого утворюються водень і кисень.
Реакція витіснення або заміщення
В реакціях одноразового заміщення один елемент витісняє інший у сполуці, утворюючи новий елемент і нову сполуку. Це відбувається, коли більш реакційноздатний елемент заміщує менш реакційноздатний у сполуці.
Реакція подвійного заміщення
У цьому типі реакції дві сполуки обмінюються іонами або групами одна з одною, в результаті чого утворюються дві нові сполуки. Багато реакцій кислотно-основної нейтралізації належать до цієї категорії.
Іонна реакція
Вплив іонних сполук на розчинник, особливо воду, викликає іонну дисоціацію . Утворені іони можуть перегруповуватися, утворюючи осади, виділяючи гази або залишаючись у розчині, залежно від присутніх речовин.
Реакція горіння
Цей тип реакції дуже енергійний і виробляє тепло та світло; він навіть може призвести до пожежі через високий рівень вивільнення енергії. Це тип швидкого окислення , коли горюча речовина реагує з киснем, зазвичай утворюючи вуглекислий газ та воду як основні продукти.
Нейтралізація або кислотно-лужна реакція
Реакції нейтралізації включають поєднання кислот та лугів , що зазвичай призводить до утворення солі та води. Класичним прикладом є реакція хлоридної кислоти з гідроксидом натрію, в результаті якої утворюється хлорид натрію та вода.
Окисно-відновна реакція (окиснювально-відновна)
Також відомі як реакції окисно-відновлення, вони передбачають втрату електронів одним реагентом (окиснення) , а іншим — його отримання (відновлення) . Завжди відбувається перенесення електронів між реагентами та зміни ступенів окиснення відповідних реагентів.
Ядерна реакція
Ядерні реакції впливають на ядро атома , а не лише на електронну оболонку, і вивільняють набагато більшу кількість енергії, ніж звичайні хімічні реакції. Вони можуть включати синтез (об'єднання легких ядер) або поділ (розщеплення важких ядер) і несуть дуже специфічні ризики та застосування в енергетиці та медицині.
Це лише деякі з найпоширеніших типів хімічних реакцій , що використовуються щодня не лише в бізнесі, але й у комерції та суспільстві, хоча існує набагато більше. Їхня важливість стає зрозумілою, якщо уявити життя без доступу до продуктів, які хімія надає суспільству.
Швидкість хімічної реакції
Хімічні реакції потребують певного часу , який залежить від природи реагентів та середовища, в якому відбувається реакція . Деякі реакції відбуваються практично миттєво, тоді як інші можуть тривати роками.
Швидкість реакції визначається як кількість продукту, що утворюється за одиницю часу, або кількість реагенту, що зникає за одиницю часу. Цей параметр є фундаментальним як для розуміння природних явищ, так і для проектування безпечних та ефективних промислових процесів.
Фактори, що впливають на швидкість хімічних реакцій, зазвичай такі:
- підвищення температуриВисокі температури, як правило, збільшують швидкість хімічних реакцій, оскільки вони збільшують енергію молекул і частоту ефективних зіткнень.
- підвищений тискЗбільшення тиску зазвичай збільшує швидкість реакцій, особливо коли вони включають гази, чутливі до змін тискуУ випадку рідин і твердих речовин зміни тиску зазвичай не викликають значних коливань.
- Стан агрегаціїТверді речовини зазвичай реагують повільніше, ніж рідини чи гази, оскільки їхні молекули... більш упакований і вони мають меншу рухливість. Однак швидкість також залежатиме від внутрішньої реакційної здатності кожної речовини.
- Використання каталізаторівЦі речовини використовуються для збільшити швидкість хімічних реакцій без споживання в процесі. Існують також речовини, які називаються інгібіториякі мають протилежний ефект і знижують швидкість.
- Світлова енергія (світло)Деякі хімічні реакції прискорюються, коли на них спрямоване світло, оскільки фотони забезпечують енергію, необхідну для розриву певних зв'язків.
- Концентрація реагентівБільшість хімічних реакцій відбуваються швидше, якщо вони мають висока концентрація його реагентівоскільки це збільшує кількість зіткнень між реактивними частинками.
Важливість хімічних реакцій
Хімічні реакції є фундаментальними для існування та розуміння світу , яким ми його знаємо. Зміни, яких зазнає матерія в природних або створених людиною умовах (і які часто породжують цінні матеріали), є лише одним із прикладів цього.
Найбільшим доказом важливості хімічних реакцій є саме життя в усіх його формах. Існування живих істот усіх видів можливе лише завдяки здатності матерії реагувати та обмінюватися енергією з навколишнім середовищем через метаболічні шляхи, тобто послідовності хімічних реакцій, які забезпечують більше корисної енергії, ніж споживають.
У нашому повсякденному житті дихання складається з численних хімічних реакцій, як і фотосинтез у рослин, травлення їжі, виробництво ліків, виробництво палива, очищення води та виробництво практично будь-якої промислової продукції.
Розуміння того, що таке хімічні реакції та як вони відбуваються, дозволяє нам пояснити повсякденні та технологічні явища , від того, чому метал окислюється, до того, як утворюються передові матеріали, не забуваючи про величезний вплив, який вони мають на навколишнє середовище та здоров'я людини.
Протягом усього тексту ви бачили, що, хоча матерія складається з дуже малих одиниць, таких як атоми та молекули, спосіб, у який вона поєднується через різні типи хімічних реакцій, є ключем до різноманітності речовин, біологічних процесів та промислових застосувань, що нас оточують, показуючи, як хімія пов'язує мікроскопічний масштаб з великими явищами реального світу.