Reakcje chemiczne

Reakcja chemiczna – przemiana, w trakcie której z jednych składników układu  (substratów) powstają inne składniki (produkty), o odmiennych właściwościach fizycznych i chemicznych.

Reagent (substancja reagująca) – jest to substancja podlegająca reakcjom chemicznym. Reagentem można nazwać substrat, ale także produkt.

1. Podstawowy podział reakcji chemicznych:
2. 1. Reakcje syntezy, czyli łączenia się, zachodzą wtedy, gdy z kilku substratów powstaje jeden produkt

Schematycznie można to zapisać:  X + Y → XY

Np.   SO₂ + H₂O → H₂SO₄

2. Reakcje analizy, czyli rozkładu, zachodzą wtedy, gdy z jednego substratu powstaje kilka produktów.

Schematycznie można to zapisać:  XY → X + Y

Np.   CaCO₃ → CO₂ + CaO

3. Reakcje wymiany, zachodzą wtedy, gdy substraty wymieniają się pierwiastkami, lub grupami pierwiastków. Wśród nich wyróżniamy:

•   Reakcje wymiany pojedynczej, czyli wypieranie przez bardziej aktywny pierwiastek pierwiastka mniej aktywnego ze związku chemicznego.

Schematycznie można to zapisać:  X + AB → XB + A

  Np. 2 Na + MgCl₂ → 2 NaCl + Mg

•   Reakcje wymiany podwójnej, czyli reakcja dwóch związków chemicznych, w wyniku której produktami zostają dwa nowe  związki chemiczne Schematycznie można to zapisać:  XY + AB → XB + AY

Np. 2 NaOH +H₂SO₄→  Na₂SO₄ + 2 H₂O

Reakcja odwracalna – to reakcje mające możliwość przebiegania w obie strony tzn. zarówno ze substratów w produkty, jak i z produktów w substraty. Przy zapisie takiej reakcji używa się symbolu dwóch strzałek : jednej skierowanej w prawo, drugiej w lewo.

Uważa się, że wszystkie reakcje chemiczne są odwracalne, a ich przebieg zależy od warunków przeprowadzania reakcji. W mieszaninie poreakcyjnej zawsze znajdują substraty oraz produkty, o różnych stężeniach. Ich proporcje określa stała równowagi reakcji (K). Reakcje, które potocznie określa się za nieodwracalne, to takie, które w określonych warunkach zachodzą z prawie 100% wydajnością (np. strącanie trudno rozpuszczalnych osadów).

Uwaga! Należy unikać określenia „reakcja nieodwracalna”, zastępując je wyrażeniem „reakcja praktycznie nieodwracalna”.

Reakcje równoległe – Z reakcjami równoległymi można się spotkać, gdy z jednych substratów, w wyniku reakcji chemicznej mogą powstawać równocześnie różne produkty.  Reakcje te są w stosunku do siebie konkurencyjne. Czasem ilościowo jest więcej jednych produktów od drugich, wtedy mówi się o produktach głównych (i reakcji głównej) oraz o produktach ubocznych ( i reakcji ubocznej).

2. Typy reakcji chemicznych:

1. Reakcja substytucji (inaczej: reakcja podstawienia)

Reakcja, w czasie której następuje wymiana atomu lub grupy atomów w jednej cząsteczce na inny atom lub grupę atomów pochodzących z innej cząsteczki. Ten typ reakcji jest często spotykany w chemii organicznej. Przykładem może być substytucja węglowodorów nasyconych fluorowcami:

  CH₃ – CH₂ – CH₃  + Br₂ → CH₃ – CH₂ – CH₂Br  + HBr

W chemii organicznej są rozróżniane, ze względu na charakter odczynnika atakującego różne typy reakcji podstawienia:

•   Substytucja rodnikowa, gdy odczynnikiem atakującym jest rodnik

Rodnik to atom lub grupa atomów posiadająca niesparowany elektron, np. H∙, ∙OH, ∙Cl, ∙CH₃

Przykład takiej reakcji to podana już substytucja węglowodorów nasyconych fluorowcami, zachodząca pod wpływem światła, które powoduje rozkład fluorowców na rodniki

  Cl₂Cl∙ + ∙Cl

  CH₃ – CH₂ – CH₃  + ∙Cl → CH₃ – CH₂ – CH₂∙ + HCl

  CH₃ – CH₂ – CH₂∙ + ∙Cl → CH₃ – CH₂ – CH₂Cl

•   Substytucja nukleofilowa, gdy odczynnikiem atakującym jest nukleofil.

Nukleofil to ujemny jon lub cząsteczka posiadająca wolna parę elektronową.

•   Substytucja elektrofilowa, gdy odczynnikiem atakującym jest elektrofil

Elektrofil to dodatni jon lub cząsteczka posiadająca lukę elektronową.

Przykładem substytucji elektrofilowej jest podstawienie atomów wodoru w pierścieniu aromatycznym innymi podstawnikami. Jeżeli w pierścieniu benzenowym obecne są już jakieś podstawniki, to mają one wpływ na podstawienie kolejnych. Z tego względu wyróżniamy:

- podstawniki  I rodzaju – następny podstawnik kierują w pozycję orto (1,2-) oraz para (1,4-)

Np. grupy alkilowe, grupy aminowe, fluorowce, grupy hydroksylowe

- podstawniki  II rodzaju – następny podstawnik kierują w pozycję meta (1,3-)

Np. grupy karboksylowe, grupy nitrowe, grupy sulfonowe

2. Reakcja addycji (inaczej: reakcja przyłączenia)

Reakcja, w czasie której następuje przyłączenie się jednej cząsteczki do drugiej kosztem zerwania wiązania wielokrotnego (zazwyczaj obniża się krotność tego wiązania)

Przykładem może być reakcja addycji fluorowców do alkenów.

  CH₂=CH–CH₃ + Cl₂ → CH₂Cl-CHCl-CH₃

Oraz inne:

  CHCH + HCl → CHCl=CH₂

3. Reakcja eliminacji

Reakcja, w czasie której następuje, podwyższenie krotności wiązania. Stanowi reakcje odwrotną w stosunku do reakcji przyłączania.

 Przykładem może być reakcja eliminacji alkoholu

  CH₃-CH₂OH → CH₂=CH₂ + H₂O

Reakcja barwna - reakcja, w czasie której następuje zmiana barwy składników; produkt(y) mają inny kolor od substratów. Zachodzenie takiej zmiany jest często wykorzystywane w analizie chemicznej do identyfikacji oraz oznaczania ilości substancji.

Reakcja łańcuchowa – reakcja przebiegająca przez szereg następujących po sobie etapów, nazywanych łańcuchem reakcji. Produkt każdego z etapów reakcji łańcuchowej jest jednocześnie substratem kolejnego etapu. Przykładem reakcji łańcuchowej jest reakcja substytucji rodnikowej, w której rodnik jest jej inicjatorem. Substytucja alkanów zachodzi pod wpływem światła, które powoduje powstawanie rodników fluorowców.

Np.   C₂H₆ + Cl₂ → C₂H₅Cl + HCl

  C₂H₅Cl + Cl₂ → C₂H₄Cl₂ + HCl

  C₂H₄Cl₂ + Cl₂ → C₂H₃Cl₃ + HCl

  C₂H₃Cl₃ + Cl₂ → C₂H₂Cl₄ + HCl

  C₂H₂Cl₄ + Cl₂ → C₂HCl₅ + HCl

  C₂HCl₅ + Cl₂ → C₂Cl₆ + HCl

Reakcja jądrowa także może być przykładem reakcji łańcuchowej. Dzieje się tak m.in. w bombie atomowej. Jeżeli zbombarduje się ciężkie jądra atomowe neutronami, to zajdzie reakcja jądrowa, w wyniku której powstanie nowe jądro atomowe oraz wolne neutrony, które spowoduję rozszczepienie następnych jąder. Przy każdej z tych reakcji wyzwalana jest energia; znajduje ona zastosowanie przy budowie reaktorów jądrowych lub broni atomowej.

3. Wybrane przykłady reakcji chemicznych

1. Synteza Wurtza- reakcja fluorowcopochodnych alkilowych z sodem, w wyniku której powstają węglowodory nasycone. Reakcja ta jest wykorzystywana do otrzymywania symetrycznych alkanów.
2. Reakcja Fittiga - reakcja fluorowcopochodnych arylowych z sodem, w wyniku której powstają węglowodory aromatyczne.
3. Reakcja Cannizzaro – charakterystyczna reakcja, zachodząca dla aldehydów, przeprowadza się ją w środowisku zasadowym. Produktami tej reakcji są alkohol oraz anion kwasu karboksylowego.