Przemiany chemiczne

Przemiana chemiczna substratów w produkty następuje najczęściej w wyniku wielu procesów zwanych pojedynczymi aktami elementarnymi, które odnoszą się  do cząsteczek,  lub na drodze etapów reakcji, które to odnoszą się makroskopowo do reagentów. Etapy te następują po sobie w określonym porządku. Natomiast podczas aktu elementarnego następuje chemiczne przekształcenie cząsteczek zachodzące podczas  ich zderzeń ze sobą.

Przemiana substratów w produkty może zachodzić w wyniku wielu,  nie tylko jednego etapu. Podczas etapu chemicznego następuje przekształcenie substratu lub produktu pośredniego na drodze wielu identycznych aktów elementarnych.

Pojęcie akt elementarny - dotyczy pojedynczych zderzeń cząsteczek – drobin, w odniesieniu mikroskopowym. Odpowiednikiem mikroskopowego aktu elementarnego jest makroskopowy etap reakcji, który polega na makroskopowym przekształceniu reagenta na drodze już określonej przez akt elementarny. Mówiąc o cząsteczkowości mamy na myśli  liczbę cząsteczek biorących udział w jednym akcie elementarnym. A mechanizm reakcji to po prostu sekwencja aktów elementarnych,  proces ten wyjaśnia sposób tworzenia się produktów pośrednich  i losy, które nie pojawiają się w równaniach stechiometrycznych. Jako produkty pośrednie tworzą się są nietrwałe połączenia charakteryzujące się krótkim czasie życia (rzędu ułamków sekundy). Wyjaśnienia mechanizmu dokonuje się na drodze eksperymentalnej. Zdarza się nierzadko, że w przypadku formalnego podobieństwa równań stechiometrycznych, mechanizmy reakcji są zgoła różne.

Niektóre reakcje przebiegają jednoetapowo jak np. synteza jodowodoru HI.

Stechiometryczne przedstawienie reakcji jednoetapowych przedstawia zarówno bilans ogólny reakcji, jak również mechanizm reakcji. Reakcje przebiegające jednoetapowo nazywają się reakcjami prostymi lub po prostu elementarnymi.

Bardzo często spotykamy się z reakcjami złożonymi, które składają się z kilku lub nawet większej ilości pojedynczych aktów elementarnych.

Mechanizmy reakcji, w czasie których powstaje co najmniej jeden produkt pośredni (czyli składające się z przynajmniej dwóch pojedynczych aktów elementarnych) noszą nazwę reakcji wieloetapowych czy też złożonych. O tym czy dana reakcja jest prosta czy złożona dowiadujmy się jedynie na drodze badań eksperymentalnych.

Wszystkie substancje ulegają różnorodnym przemianom. Reakcje chemiczne należy rozpatrywać w świetle teorii atomowo-cząsteczkowej. A zatem magnez podczas spalania przekształca się w magnezję, woda podczas ogrzewania przechodzi w parę wodną.

Zjawiska, podczas których jedne substancje przekształcają się w drugie różniące się od substancji wyjściowych swoim składem i właściwościami, nazywają się zjawiskami chemicznymi. Są one bardzo rozpowszechnione; spotykamy się z nimi na każdym kroku. Rdzewienie żelaza,otrzymywanie metali z rud, gnicie i spalanie — wszystko to zalicza się do zjawisk chemicznych.

Natomiast zjawiska, w których zmienia się postać albo stan fizyczny substancji, nazywają się zjawiskami fizycznymi. W zjawiskach fizycznych skład substancji nie zmienia się, to znaczy nie powstają nowe substancje. Zjawiska te są również bardzo rozpowszechnione; zginanie drutu, kucie żelaza, kruszenie soli, topienie metali, przemiana wody w parę to przykłady tych zjawisk.

Zjawiskom chemicznym na ogół towarzyszą zjawiska fizyczne. Na przykład, podczas spalania węgla wydziela się  ciepło;  w akumulatorach,  w wyniku reakcji chemicznych, powstaje prąd elektryczny. Zjawiska chemiczne nazywają się inaczej przemianami chemicznymi albo reakcjami chemicznymi. Reakcje chemiczne zwane są często także od­działywaniem chemicznym. Z punktu widzenia teorii atomowo-cząsteczkowej w reakcjach chemicznych następuje tworzenie cząsteczek nowych substancji z atomów pochodzących z cząsteczek, które wzięły udział w reakcji, przy czym ogólna ilość atomów każdego pierwiastka pozostała niezmieniona. W wyniku reakcji chemicznych powstają zarówno substancje proste jak też związki chemiczne.

Klasyfikacja reakcji. Reakcje chemiczne są klasyfikowane według różnych cech.

1)  Według zmiany liczby substancji wyjściowych i końcowych reakcje dzielone są na następujące typy: reakcje syntezy, rozkładu, podstawienia i wymiany.

Reakcje syntezy — są to takie reakcje, w wyniku których z dwu lub więcej substancji powstaje jedna nowa substancja. Na przykład powstawanie wody

z wodoru i tlenu, albo powstawanie kwasu siarkowego z trójtlenku siarki i wody.

Reakcje rozkładu (analizy) są to takie reakcje, w wyniku których z jednej substancji powstaje kilka nowych substancji. Na przykład rozkład tlenku rtęciowego:

2HgO = 2Hg+O₂

albo rozkład malachitu.

Reakcje podstawienia (wymiany prostej) — są to takie reakcje, w wyniku których atomy substancji prostej zastępują atomy w cząsteczkach substancji złożonych. Na przykład podstawienie miedzi żelazem w siarczanie miedzi:

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu

albo wypieranie jodu przez chlor.

Reakcje wymiany (złożonej) - są to takie reakcje, w wyniku których cząsteczki wymieniają swoje części składowe tworząc cząsteczki dwu nowych związków. Na przykład oddziaływanie roztworu kwasu z zasadą:

HCl + KOH = KCl + H₂O

albo oddziaływanie tlenku miedzi z kwasem siarkowym:

CuO+H₂SO₄=CuSO₄+H₂O

2) Według cechy wydzielania lub pochłaniania ciepła reakcje dzielą się na reakcje egzotermiczne i endotermiczne.

Reakcje egzotermiczne są to reakcje przebiegające z wydzieleniem ciepła. Na przykład reakcja powstawania chlorowodoru z wodoru i chloru:

H₂+C1₂=2HCl

Reakcje endotermiczne są to reakcje przebiegające z pochłanianiem ciepła z otoczenia. Na przykład reakcja powstawania tlenku azotu z azotu i tlenu przebiega w wysokiej temperaturze. Wydzielona albo pochłonięta ilość ciepła nazywa się efektem cieplnym procesu. Często efekt cieplny bywa włączony do równania chemicznego reakcji.

Dział chemii zajmujący się efektami cieplnymi różnych procesów nazywa się termochemią.

Równania chemiczne, w których podaje się wielkość efektu cieplnego reakcji nazywają się równaniami termochemicznymi. W podobnych równa­niach wzory chemiczne odpowiadają gramocząsteczce albo gramoatomowi (dlatego współczynniki przy nich mogą być wartościami ułamkowymi). Ponieważ efekt cieplny reakcji zależy od temperatury i ciśnienia, umó­wiono się odnosić go do ciśnienia P=1 atm i temperatury t=25°C. Przy układaniu równań uwzględnia się stan substancji biorących udział w reakcji: stan stały (s), ciekły (c), gazowy (g), krystaliczny (kr), amorficzny (am) itd. Efekt cieplny przyjęto oznaczać przez delta H, wyrażać go w kilokaloriach (kcal) albo kilodżulach (kJ) i odnosić go do l mola substancji. Znaki efektów cieplnych uważa się za dodatnie w procesach endotermicznych (ciepło jest pochłaniane), natomiast za ujemne w procesach egzotermicznych (ciepło jest wydzielane). W ten sposób równania termochemiczne powstawania chlorowodoru i tlenku należy poprawnie napisać w następujący sposób:

1/2 H₂(g) + l/2 Cl­₂(g) = HCl(g), ΔH= -22 kcal/mol HC1

1/2 N₂(g)+ 1/2 O₂(g) = NO(g),  ΔH= 21,6 kcal/mol NO

Zapisy te oznaczają, że przemianie 0,5 mola gazowego wodoru i 0,5 mola gazowego chloru w l mol gazowego chlorowodoru przy p=1 atm i t=25°C towarzyszy wydzielanie 22 kcal/ciepła (pierwsze równanie), natomiast prze­mianie 0,5 mola gazowego azotu i 0,5 mola gazowego tlenu w l mol gazowego tlenku azotu przy p=l atm i t=25°Ctowarzyszy pochłonięcie 21,6 kcal ciepła (drugie równanie).

Oczywiście jeżeli reakcja przebiega z wydzieleniem ciepła to reakcja odwrotna do niej będzie przebiegać z pobraniem ciepła. Zatem w drugim przykładzie ΔH utworzenia l mola tlenku azotu wynosi +21,6 kcal, natomiast ΔH rozkładu l mola tego samego tlenku azotu wynosi —21,6 kcal.

Bardzo często podczas pisania równań termochemicznych efekt cieplny reakcji podaje się po prawej stronie równania z odwrotnym znakiem, to znaczy w ten sposób, aby wydzielające się ciepło wchodziło do prawej części równania ze znakiem dodatnim. Na przykład, równanie termochemiczne ΔH przedstawia różnicę pojemności cieplnej produktów reakcji i substancji wyjściowych.  Równania termochemiczne można poddawać wszystkim operacjom alge­braicznym.

3)  Według odwracalności reakcjireakcje dzielą się na odwracalne i nieodwracalne.

Reakcje  przebiegające  do  końca, to  znaczy  do całkowitej przemiany cząsteczek substancji wyjściowych w cząsteczki substancji końcowych, nazywają  się  reakcjami  nieodwracalnymi. Przykładem  takiej  reakcji  może rozkład soli Bertholleta podczas ogrzewania. Reakcja kończy  się  wówczas,  kiedy  wszystkie  cząsteczki  soli  Bertholleta -przekształcają się w cząsteczki chlorku potasowego i tlenu. Nieodwracalnych reakcji wcale nie jest tak wiele.  W większości przykładów reakcje są odwracalne.

Reakcjami odwracalnymi nazywają się takie reakcje,  które przebiegają równocześnie w dwu wzajemnie przeciwnych kierunkach. W równaniach odwracalnych znak równości zastępuje się dwiema strzał­kami skierowanymi w przeciwne strony. Przykładem takiej reakcji może być powstawanie amoniaku z wodoru i azotu.

4) Według cechy zmiany stopnia utlenienia atomów wchodzących w skład reagujących substancji określane są reakcje utleniania – redukcji.

Reakcja syntezy, nazywana także reakcją tworzenia, to reakcja chemiczna podczas której następuje łączenie się dwóch lub więcej pierwiastków lub prostych związków chemicznych noszących nazwę substratów, w jeden złożony związek, potocznie nazywany produktem reakcji. Zachodzi ona według schematu:

A + B = AB gdzie: A, B – substraty, AB – produkt. Reakcja syntezy jest reakcją odwrotną do reakcji analizy.

Reakcja analizy (reakcja rozkładu) to reakcja chemiczna, podczas  której z jednej substancji początkowej powstają dwie lub więcej nowych innych substancji. Dochodzi do rozkładu związków chemicznych, inicjowanego na wiele różnych sposobów - termicznie, poprzez naświetlanie, na skutek zmiany pH itp.

Wzór: S − > P1 + P2, S - substrat, substancja wyjściowa, P1 i P2 - produkty, czyli to co powstaje. Przykłady reakcji analizy:

tlenek magnezu → magnez + tlen,

siarczek żelaza → siarka + żelazo,

tlenek wodoru(woda) → tlen + wodór itp.

Reakcja wymiany to rodzaj reakcji chemicznej, w której uczestniczą związek chemiczny i wolny pierwiastek. W przypadku podwójnej wymiany mamy do czynienia z dwoma związkami chemicznymi. Symbolicznie wymianę można zapisać w następujący sposób:

AB + C → AC + B

Przykłady reakcji wymiany:

tlenek wodoru + magnez → tlenek magnezu + wodór,

siarczek żelaza + glin èsiarczek glinu + żelazo,

sód + tlenek fosforu → tlenek sodu + fosfor,

tlenek siarki + węgiel → dwutlenek węgla + siarka, itp.

Np. CuSO₄ + Fe → FeSO₄ + Cu

Reakcja redoks - to rodzaj reakcji chemicznej, gdzie dochodzi zarówno do redukcji jak i utleniania. Tak naprawdę każda rzeczywista reakcja, w której następuje zmiana stopnia utlenienia atomów lub ich grup jest zaliczana do reakcji redoks, ponieważ każdej reakcji redukcji towarzyszyć musi zawsze reakcja utlenienia i vice versa. Każdą jedną reakcję redoks można zapisać za pośrednictwem kilku pojedynczych aktów utleniania i redukcji, a bilans elektronowy i masowy tych aktów jest zawsze zerowy. Rozpisanie reakcji redoks w ten sposób jest pomocne dla zrozumienia tego co dzieje się właściwie w trakcie jej trwania, należy  też pamiętać, że pojedyncze akty redukcji i utleniania nie opisują zjawisk, które tak naprawdę zachodzą w trakcie jej trwania, są jedynie teoretycznym zapisem obrazującym zmiany stopnia utlenienia poszczególnych atomów i grup. Prawdziwy mechanizm danej reakcji jest zwykle dużo bardziej skomplikowany i złożony. W celu odróżnienia takich pojedynczych aktów redukcji i utlenienia od rzeczywistych reakcji stosujemy zwykle do ich zapisu znak "=" a nie "→". W ujęciu tym symbol "e-" znaczy nic innego jak tylko  przekazanie lub przyjęcie elektronu, jednak nie w znaczeniu dosłownym, lecz zgodnie z tym który został przyjęty w definicji stopnia utlenienia. Tak samo liczby znajdujące się w górnych indeksach tych równań nie określają faktycznego ładunku przyjmowanego przez dane atomy lub grupy tylko ich początkowy i końcowy stopień utlenienia.

Przykład bilansu redoks:

O₂ + C → CO₂

O₂ + 4e- → 2O^-2 (redukcja)

C - 4e- = C⁺⁴ (utlenienie)

Redukcja (nazywana także elektronacją) opisuje to proces, podczas  którego atom lub ich grupa przechodzi z wyższego stopnia utlenienia  na niższy stopień.

Każdej redukcji zawsze towarzyszy proces utlenienia. Całość  takich procesów określa się mianem reakcji redoks. W praktyce, określoną reakcję nazywa się reakcją redukcji (najczęściej w chemii organicznej), gdy różnica pomiędzy strukturą głównego substratu i głównego produktu polega jedynie na tym, że jedna nieduża grupa lub pojedynczy atom obniżył w jej wyniku swój stopień utlenienia, na koszt utlenienia, najczęściej nieorganicznego, prostego związku nazwanego często w tym przypadku czynnikiem redukującym.

Np. w reakcji stopnie utlenienia:

0  +1 +6 -2  +1 +6 -2 +4 -2 +1 -2

Ag +  H₂SO₄ →  Ag₂SO₄ +  SO₂ +  H₂O

redukcji z +6 stopnia utlenienia na +4 podlega siarka, a w reakcji

CH₃COOH (kwas octowy) + NaH (wodorek sodu, środek redukujący) → CH₃CHO (aldehyd octowy) + NaOH

redukcji podlega węgiel (C), który przechodzi z +3 do +1 stopnia utlenienia, jednocześnie utlenieniu podlega wodór (H) z -1 do +1 stopnia utlenienia

Do silnych środków redukujących zaliczane są wodorki metali alkalicznych, wodorosilany, wodoroborany, wodorosiarczki i ich kombinacje.

Utlenianie

Proces utleniania to proces chemiczny, podczas którego jeden atom (lub ich grupa) przechodzi z niższego stopnia utleniania na wyższy stopień. Określenie - utlanienie - ma charakter bardziej umowny, jako że w praktyce, każdej reakcji utleniania musi odpowiada zawsze jakaś reakcja redukcji. Takie połączenie nazywa się reakcjami redoks.

W doświadczeniu, daną reakcję nazywamy reakcją utleniania (zwłaszcza w chemii organicznej), gdy podczas reakcji struktura głównego substratu i głównego produktu zmienia się w ten sposób, że jedna niewielka grupa lub pojedynczy atom podwyższa w jej wyniku swój stopień utleniania, na koszt reakcji redukcji, zwykle nieorganicznego, prostego związku nazwanego w tym przypadku najczęściej czynnikiem  utleniającym.

Np.:

2 CH₃CH₂OH + O₂ → 2 CH₃COOH (C przechodzi z +1 do +3, a tlen z 0 do -2).

Silnymi środkami utleniającymi są:

•   nadtlenki
•   kwasy (np. kwas azotowy)
•   ozon,
•   gazowy fluor, chlor, brom i jod