S-a dovedit că chimia este știința cea mai utilizată în prezent, iar majoritatea industriilor au nevoie de astfel de procese pentru a fabrica toate produsele pe care societatea le cere pentru a menține un stil de viață modern; chiar și lucruri simple, cum ar fi adăugarea de zahăr în cafea, se încadrează în tipurile cunoscute de reacții chimice.
Pentru a fabrica multe produse, dacă nu pe toate, trebuie să aibă loc o reacție chimică, fie că este vorba de o cheie, un produs de curățare, o anvelopă sau multe altele. Diferitele substanțe prezente în natură interacționează constant între ele : aprinderea unui chibrit, dizolvarea unui medicament în apă, gătitul sau chiar respirația sunt exemple cotidiene ale acestor procese.
Acest conținut explică în detaliu ce sunt reacțiile chimice, ce factori influențează viteza lor, cele mai cunoscute tipuri de reacții, cum sunt reprezentate prin ecuații și de ce sunt atât de importante atât în industrie, cât și în viața de zi cu zi.
Ce este o reacție chimică?
Reacțiile chimice (numite și schimbări chimice sau fenomene chimice) sunt procese termodinamice de transformare a materiei . Atunci când are loc o reacție, două sau mai multe substanțe, numite reactanți , sunt transformate profund și dau naștere uneia sau mai multor substanțe noi, numite produse.
În timpul unei reacții chimice, are loc o reorganizare a atomilor și moleculelor : unele legături chimice sunt rupte și se formează altele noi. Această reorganizare poate implica absorbția sau eliberarea de energie de către sistem (sub formă de căldură, lumină, electricitate etc.). Spre deosebire de schimbările fizice, care modifică doar starea materiei sau forma, schimbările chimice alterează structura moleculară și compoziția substanțelor.
Aceste procese pot apărea spontan în natură (fără intervenție umană), ca în cazul coroziunii metalelor sau al fotosintezei plantelor, sau pot fi generate în laboratoare și medii industriale în condiții controlate de temperatură, presiune sau concentrație. Aceste procese sunt, de asemenea, supuse și dependente de schimbările climatice , deoarece variațiile de temperatură sau presiune pot modifica atât structura moleculară, cât și legăturile și, prin urmare, rezultatul reacției.
Caracteristicile unei reacții chimice
Deși există mii de reacții diferite, majoritatea au în comun o serie de caracteristici fundamentale care ne permit să înțelegem mai bine cum se comportă materia atunci când reacționează.
- Transformarea profundă a materieiÎntr-o reacție chimică, structura internă a substanțelorastfel încât în final se obțin compuși diferiți față de cei inițiali, cu proprietăți noi (miros, culoare, solubilitate, reactivitate etc.).
- Conservarea aluatuluiConform legii conservării materiei, Masa totală a reactanților este egală cu masa totală a produșilorAtomii nu dispar și nu sunt creați, ci doar își schimbă locul și formează molecule diferite.
- Reorganizarea linkurilorAtomii care alcătuiesc moleculele reactanților sunt încă prezenți în produși, dar uniți într-un alt felCu alte cuvinte, ceea ce se schimbă sunt legăturile chimice, nu atomii în sine.
- Schimb de energieFiecare reacție chimică implică o schimbarea energieiUnele eliberează energie (de exemplu, arderea), iar altele o absorb (cum ar fi multe reacții de descompunere). Această energie se poate manifesta sub formă de căldură, lumină, electricitate sau lucru mecanic.
- Măsurare cantitativăReacțiile respectă proporții fixe între cantitățile de reactanți și produse. Studiul cantitativ al acestor proporții este cunoscut sub numele de stoichiometrieși vă permite să calculați cât produs va fi obținut dintr-o anumită cantitate de reactanți.
- Viteză controlabilă. viteza de reacție Aceasta poate varia foarte mult de la o reacție la alta și poate fi accelerată sau încetinită prin modificări ale temperaturii, concentrației, presiunii sau prin adăugarea de catalizatori sau inhibitori.
- Reversibilitate sau ireversibilitateUnele reacții sunt reversibil (produșii pot fi transformați înapoi în reactanți) iar alții sunt practic ireversibil (Odată ce produsele sunt formate, acestea nu revin la starea lor inițială în condiții normale).
Cum este reprezentată o reacție chimică?
Reacțiile chimice sunt reprezentate prin ecuații chimice , care sunt expresii simbolice în care formulele reactanților și produselor sunt scrise, separate printr-o săgeată. Reactanții apar în stânga, produsele în dreapta , iar o săgeată între ei indică direcția reacției.
În general, poate fi reprezentat după cum urmează:
aA + bB → cC + dD
- a și b Ei sunt reactivii.
- C și D Acestea sunt produsele.
- a, b, c, d sunt coeficienți stoichiometrici, numere care indică câte molecule sau moli din fiecare substanță participă la reacție.
Atunci când se echilibrează o ecuație chimică, scopul este de a avea același număr de atomi din fiecare element pe ambele părți ale săgeții, îndeplinind astfel legea conservării masei. O singură săgeată indică o reacție în esență ireversibilă , în timp ce două săgeți îndreptate în direcții opuse (⇌) reprezintă o reacție reversibilă.
Simboluri utilizate în ecuațiile chimice
Pentru a descrie mai bine ce se întâmplă într-o reacție, ecuațiile chimice folosesc diverse simboluri auxiliare care indică starea fizică a substanțelor, prezența căldurii sau a luminii și alte detalii importante.
- (E): substanță în stare solidă.
- (L): substanță în stare lichidă.
- (G): substanță în stare gazoasă.
- (Aici): substanță dizolvată în apă (soluție apoasă).
- Δ despre săgeată: indică faptul că reacția necesită aport de căldură.
- hv despre săgeată: reacția necesită lumina să se producă.
- pisică despre săgeată: prezența unui catalizator care accelerează reacția fără a fi consumată.
- ↑: indică faptul că un gaz cine părăsește sistemul.
- ↓: indică formarea unei precipitat solid care se separă de soluție.
Diferența dintre schimbările fizice și cele chimice
Nu fiecare schimbare pe care o observăm în materie implică o reacție chimică. Este important să se facă distincția între schimbările fizice și cele chimice pentru a înțelege când se formează substanțe noi și când se schimbă doar condițiile externe.
Schimbările fizice sunt cele care modifică proprietăți precum forma, dimensiunea, starea materiei, culoarea sau densitatea , dar fără a altera compoziția chimică a substanței. Apa care se transformă din gheață în lichid sau în vapori rămâne apă (H₂O ) în toate cazurile.
Schimbările chimice , pe de altă parte, modifică natura substanțelor . Legăturile dintre atomi se rup și se formează, astfel încât la sfârșitul procesului apar noi compuși. De exemplu, dacă apa (H₂O) reacționează cu potasiul (K), se obțin hidroxid de potasiu (KOH) și hidrogen (H₂) , substanțe diferite de cele inițiale.
În ambele cazuri, masa totală a sistemului se conservă, dar numai în cazul schimbărilor chimice vorbim despre reacții chimice , deoarece acestea implică transformarea internă și rearanjarea atomilor.
Factori care afectează reacțiile chimice
Înainte de a explora diferitele tipuri de reacții, este esențial să înțelegem factorii care influențează procesul . Fără această înțelegere, reacțiile pot fi efectuate incorect sau pot eșua complet. Principalii factori care afectează un proces de reacție includ:
Temperatură
Acesta este un factor semnificativ și influent în reacțiile chimice: cu cât temperatura este mai mare, cu atât moleculele au mai multă energie cinetică și cu atât se mișcă mai repede. Acest lucru face ca coliziunile dintre ele să fie mai frecvente și mai eficiente , crescând viteza de reacție. În schimb, dacă temperatura este scăzută, timpul necesar pentru ca reacția să se producă scade considerabil.
concentrare
Când substanțele sunt prezente în concentrații mai mari, viteza de reacție este semnificativ accelerată deoarece există mai multe particule reactive pe unitatea de volum , iar probabilitatea coliziunilor este mai mare. Această relație dintre concentrație și viteză este esențială în procesele industriale și în formularea medicamentelor.
presiune
Presiunea poate fi descrisă ca densitatea unui gaz în cadrul unei reacții chimice. Prin urmare, dacă acest nivel este crescut în astfel de amestecuri, rata de coeziune dintre molecule va fi mult mai rapidă. În reacțiile care implică substanțe gazoase, o creștere a presiunii este echivalentă cu o concentrație efectivă mai mare de gaz, accelerând procesul. În lichide și solide, însă, modificările de presiune au de obicei un efect mult mai mic.
Natura reacției
Toate substanțele diferă atât prin forma, cât și prin compoziția lor, așadar natura reacției și, prin urmare, viteza acesteia, se va schimba în funcție de tipul de elemente amestecate. Un solid nu reacționează la fel de repede ca un gaz, deoarece solidele au molecule mai compacte, în timp ce gazele au molecule mai dispersate. În plus, unele substanțe sunt în mod inerent mai reactive decât altele (de exemplu, sodiul reacționează mult mai repede decât fierul).
Ordine în amestec
Ordinea în care substanțele sunt adăugate la reacții afectează concentrația lor locală și viteza cu care se amestecă. În unele procese industriale și farmaceutice, este esențial să se adauge reactanți într-o secvență precisă pentru a evita reacțiile secundare nedorite sau pentru a optimiza randamentul.
Amestecat
Este important de menționat că tipul de amestecare utilizat va afecta semnificativ viteza de reacție, în funcție de natura omogenă (toți reactanții în aceeași fază) sau eterogenă (reactanții în faze diferite, cum ar fi un solid într-un lichid). Amestecarea corectă crește suprafața de contact dintre substanțe și promovează schimbul de materie și energie.
Catalizator și inhibitori
Catalizatorii sunt un tip de cale alternativă pe care o parcurg substanțele, necesitând mai puțină energie pentru a finaliza o reacție. Prin urmare, prezența unui catalizator într-un proces de reacție îl accelerează . Catalizatorii nu sunt consumați în proces și pot fi utilizați în mod repetat. În schimb, inhibitorii scad viteza de reacție prin interferarea cu una sau mai multe etape din procesul chimic.
Tipuri de reacții chimice
După cum se știe, chimia este crucială pentru dezvoltarea sectorului industrial și, în consecință, pentru societate, deoarece cele două sunt inextricabil legate. Acest lucru se datorează faptului că firmele se străduiesc să satisfacă nevoile umane prin crearea de produse care să le răspundă. Pentru a îndeplini această sarcină dificilă, este necesar să se utilizeze diverse reacții chimice, care vor fi descrise mai jos.
Reacțiile chimice pot fi clasificate în multe feluri. Una dintre cele mai comune clasificări se bazează pe modul în care atomii sunt rearanjați între reactanți și produși sau pe tipul de energie sau schimbul de particule care are loc în timpul procesului.
Reacție endotermică
În acest tip de reacție chimică, sistemul absoarbe energie din mediul înconjurător (căldură, lumină sau electricitate) pentru ca reacția să aibă loc. Pentru ca aceste reacții să aibă loc, sistemul trebuie să primească energie de la o sursă externă. Un exemplu tipic este descompunerea termică a unor compuși, cum ar fi carbonatul de calciu, atunci când este încălzit.
Reacție exotermă
În acest caz, reacțiile eliberează energie în mediu, de obicei sub formă de căldură și uneori lumină. Această energie este eliberată deoarece produșii se află într-o stare energetică mai scăzută decât reactanții. Exemple comune includ arderea combustibililor sau reacția dintre un acid tare și un metal reactiv.
Reacție de adiție sau sinteză
Numele acestei reacții o poate defini cu ușurință: reacțiile de adiție (sau sinteză) sunt acelea în care două sau mai multe substanțe se combină pentru a forma un singur compus, mai complex. De exemplu, azotul reacționează cu hidrogenul pentru a forma amoniac.
Reacție de descompunere
În descompunere, un compus se descompune în două sau mai multe substanțe mai simple , opusul sintezei. Un exemplu este electroliza apei, care produce hidrogen și oxigen.
Reacție de deplasare sau substituție
În reacțiile de deplasare simplă, un element îl înlocuiește pe altul în cadrul unui compus, formând un element nou și un compus nou. Aceasta se întâmplă atunci când un element mai reactiv înlocuiește unul mai puțin reactiv într-un compus.
Reacție de dublă substituție
În acest tip de reacție, doi compuși schimbă ioni sau grupări între ei, rezultând doi compuși noi. Multe reacții de neutralizare acido-bazică aparțin acestei categorii.
Reacție ionică
Expunerea compușilor ionici la un solvent, în special la apă, provoacă disociere ionică . Ionii rezultați se pot regrupa pentru a forma precipitate, a genera gaze sau a rămâne în soluție, în funcție de speciile prezente.
Reacție de ardere
Acest tip de reacție este foarte energetic și produce căldură și lumină; poate genera chiar foc datorită nivelului ridicat de energie eliberată. Este un tip de oxidare rapidă , în care o substanță combustibilă reacționează cu oxigenul, producând în general dioxid de carbon și apă ca principali produși.
Neutralizare sau reacție acido-bazică
Reacțiile de neutralizare implică combinarea acizilor și bazelor , ceea ce duce de obicei la formarea unei sari și a apei. Un exemplu clasic este reacția acidului clorhidric cu hidroxidul de sodiu, care produce clorură de sodiu și apă.
Reacție redox (oxidare-reducere)
Cunoscute și sub denumirea de reacții de oxidare-reducere, acestea implică o specie care pierde electroni (este oxidată) și o alta care câștigă electroni (este redusă) . Există întotdeauna un transfer de electroni între reactanți și modificări ale numerelor de oxidare ale speciilor implicate.
Reacție nucleară
Reacțiile nucleare afectează nucleul atomului , nu doar învelișul de electroni, și eliberează cantități mult mai mari de energie decât reacțiile chimice obișnuite. Acestea pot implica fuziunea (combinarea nucleelor ușoare) sau fisiunea (divizarea nucleelor grele) și prezintă riscuri și aplicații foarte specifice în energie și medicină.
Acestea sunt doar câteva dintre cele mai comune tipuri de reacții chimice , utilizate zilnic nu doar în afaceri, ci și în comerț și în societate, deși există multe altele. Importanța lor devine clară atunci când îți imaginezi viața fără acces la produsele pe care chimia le oferă societății.
Viteza unei reacții chimice
Reacțiile chimice necesită o anumită perioadă de timp pentru a se produce , care variază în funcție de natura reactanților și de mediul în care are loc reacția . Unele reacții sunt practic instantanee, în timp ce altele pot dura ani de zile pentru a se finaliza.
Viteza de reacție este definită ca fiind cantitatea de produs care apare în unitatea de timp sau cantitatea de reactant care dispare în unitatea de timp. Acest parametru este fundamental atât pentru înțelegerea fenomenelor naturale, cât și pentru proiectarea unor procese industriale sigure și eficiente.
Factorii care influențează viteza reacțiilor chimice sunt de obicei:
- cresterea temperaturiiTemperaturile ridicate tind să crească viteza reacțiilor chimice, deoarece cresc energia moleculelor și frecvența coliziunilor efective.
- presiune crescutăCreșterea presiunii crește de obicei viteza reacțiilor, mai ales când acestea implică gaze sensibile la schimbările de presiuneÎn cazul lichidelor și solidelor, schimbările de presiune nu provoacă, de obicei, variații semnificative.
- Starea de agregareSolidele reacționează de obicei mai lent decât lichidele sau gazele, deoarece moleculele lor sunt mai ambalat și au o mobilitate mai redusă. Cu toate acestea, viteza va depinde și de reactivitatea intrinsecă a fiecărei substanțe.
- Utilizarea catalizatorilorAceste substanțe sunt folosite pentru crește viteza reacțiilor chimice fără a fi consumate în acest proces. Există, de asemenea, substanțe numite inhibitoricare au efectul opus și reduc viteza.
- Energia luminoasă (lumină)Unele reacții chimice sunt accelerate atunci când lumina este luminată pe ele, deoarece fotonii furnizează energia necesară pentru a rupe anumite legături.
- Concentrația reactanțilorMajoritatea reacțiilor chimice au loc mai rapid dacă au un concentrație mare a reactivilor săideoarece crește numărul de coliziuni dintre particulele reactive.
Importanța reacțiilor chimice
Reacțiile chimice sunt fundamentale pentru existența și înțelegerea lumii așa cum o cunoaștem. Schimbările pe care materia le suferă în condiții naturale sau create de om (și care adesea generează materiale valoroase) sunt doar un exemplu în acest sens.
Cea mai mare dovadă a importanței reacțiilor chimice este însăși viața , în toate formele sale. Existența ființelor vii de toate felurile este posibilă doar datorită capacității materiei de a reacționa și de a schimba energie cu mediul său prin căi metabolice - adică, secvențe de reacții chimice care furnizează mai multă energie utilizabilă decât consumă.
În viața noastră de zi cu zi, respirația este compusă din multiple reacții chimice, la fel ca fotosinteza la plante, digestia alimentelor, producția de medicamente, producția de combustibil, tratarea apei și fabricarea practic a oricărui produs industrial.
Înțelegerea a ceea ce sunt reacțiile chimice și a modului în care funcționează acestea ne permite să explicăm fenomenele cotidiene și tehnologice , de la motivul pentru care un metal se oxidează până la modul în care sunt generate materiale avansate, fără a uita impactul enorm pe care îl au asupra mediului și a sănătății umane.
De-a lungul textului ați observat că, deși materia este alcătuită din unități foarte mici, cum ar fi atomii și moleculele, modul în care se combină prin diferite tipuri de reacții chimice este cheia diversității substanțelor, proceselor biologice și aplicațiilor industriale care ne înconjoară, arătând cum chimia leagă scara microscopică de marile fenomene ale lumii reale.