Typy chemických reakcí a základy reakční kinetiky

ošetřovatelství

Otázka: Typy chemických reakcí a základy reakční kinetiky

Předmět: Chemie

Přidal(a): Jana Novotná

Chemická reakce je děj, při kterém se reaktanty za vhodných podmínek přeměňují na produkty, přičemž zanikají původní chemické vazby a vznikají nové.

A_{2 +} B₂->2AB

A—–A + B——B -> 2A——-B

Chemická rovnice – vyjadřuje počáteční a koncový stav, zapisuje se vzorci a značkami, až na zvratné reakce se reaktanty píšou nalevo a produkty napravo, spojí se šipkou ukazující na produkty (u zvratné reakce se píší dvě šipky v opačném směru), počet atomů jednoho prvku je na obou stranách stejný, proto se rovnice vyčísluje pomocí stechiometrických koeficientů (jejich poměry vyjadřují látkové množství reagujících složek a poměry počtu molekul), dále se v rovnici vyjadřuje skupenství látek v závorkách (g-plynné, l-kapalné, s-pevné a aq je vodný roztok). U rovnice obsahující ionty ještě platí podmínka elektroneutrality – součet nábojů na obou stranách rovnice je stejný. Další podmínky, teplota, katalyzátor, tlak se píší nad šipku.

Reakční schéma – z výchozích látek se na levou stranu píše pouze substrát a na pravou stranu látky z něho vznikající, šipka směřuje opět od substrátu k produktům, ostatní látky (atakující činidlo a vedlejší produkty) se buď úplně vynechávají, nebo se píší pod šipku či nad šipku (reaktanty k podmínkám reakce a produkty pod šipku s mínusem), koeficienty neuvádíme, zahřívání se označuje ∆, u většiny reakcí, zejména u termodynamických je potřeba zahrnout skupenství látek.

Důležité v organické chemii – nedodržení zákona zachování hmotnosti, na levé straně výchozí látky, nad a pod šipku zapisujeme podmínky (t, p, katalyzátor) a vedlejší produkt nebo činidlo

Průběh chemických dějů

Teorie aktivních srážek – jestli mají částice reagovat, musí se srazit, aby se srazily úspěšně, musí mí správnou prostorovou orientaci a dostatečně velkou kinetickou energii, tzv. aktivační energii (minimální potřebná energie, aby reakce proběhla, její velikost dána součtem energií všech zanikajících vazeb, rozdíl mezi aktivační energií přímé a zpětné reakce určuje tepelné zabarvení chemické reakce – reakční teplo ∆H, exotermická má ∆H negativní, endotermická pozitivní)

Při nižších teplotách má velká část molekul nízkou energii a velmi málo ji má rovnu nebo vyšší než aktivační, s přibývající teplotou klesá maximum grafu, ale posouvá se k vyšším teplotám, energie se více rozděluje mezi reaktanty, s vyšší teplotou, více molekul dosahuje aktivační energie – zrychlení průběhu reakce, snížením teploty se naopak zastaví každá reakce

Teorie aktivovaného komplexu

Pokud by pro rozběhnutí chemické reakce byl nutný zánik vazeb reaktantů, většině reakcí by probíhala velmi pomalu nebo vůbec! Při uskutečnění účinné srážky se vytvoří nestálý aktivovaný komplex s charakteristickou hodnotou aktivační energie (určena rozdílem vnitřní energie aktivovaného komplexu a vnitřní energie produktů), vytvořením aktivovaného komplexu se některé vazby v molekulách reaktantů oslabují – energie se spotřebovává – a některé nové se tvoří – energie se uvolňuje, dále se zeslabené vazby buď vyruší a vytvoří se nové, nebo se zas vytvoří reaktanty:

V aktivovaném komplexu existují všechny vazby – původní ještě zcela nezanikly a vazby v produktech ještě úplně nevznikly!

A₂ + B₂ <-> [A₂B₂] -> 2 AB

Výchozí látky <-> aktivovaný komplex -> produkty

Aktivační energie nutná k vytvoření komplexu je mnohem nižší než k úplné disociaci molekul (zániku vazeb reaktantů)!

Reakční kinetika

zkoumá rychlost chemických reakcí

Rychlost chemické reakce v

změna koncentrace (látkového množství) za jednotku času

v = Δc/ΔT

Koncentrace výchozích látek se snižuje, produktů stoupá

Rychlost reakce je úměrná okamžité hodnotě molární koncentrace.

A₂+ B₂->2AB

Ovlivňování rychlosti chemické reakce

Koncentrace – se změnou koncentrace se mění rychlost, zvyšuje se pravděpodobnost srážky
Teplota – zvýšení teploty výchozích látek o 10°C má za následek dvoj až čtyřnásobné zvýšení reakční rychlosti, matematická závislost lze vyjádřit Arrheniovou rovnicí k = A ∙ e^-EA/RT , kde k je rychlostní konstanta (funkcí teploty, závisí na ní), A je předexponenciální faktor, EA – aktivační energie, R – univerzální plynová konstanta (8,314 J∙K^-1∙mol^-1), T – absolutní teplota [K] a e je základ ln(x), vzroste teplota, vzroste k a tím i rychlost reakce, zvyšuje se energie částic a tím pravděpodobnost aktivní srážky
Povrch – pouze u reakcí v pevné fázi, čím větší povrch, tím vyšší rychlost
Katalyzátor – látka účastnící se reakce, ale po ní zůstává nezměněna, ulehčuje reakci, umožňuje nás vést reakci energeticky méně náročnou cestou, snižují aktivační energii, nemění však chemickou reakci, reaktanty vytvoří s katalyzátorem nestálý meziprodukt, ten se při reakci s druhou výchozí látkou rozkládá a vznikají produkty
∆H je stejné pro katalyzovanou i nekatalyzovanou rekci, dělíme na homogenní katalýzu (vše ve stejné fázi) a heterogenní (v různé fázi), autokatalýza je reakce, kde jeden z produktů působí jako katalyzátor, katalyzátory mohou být pozitivní (snižují aktivační energii, zrychlují reakci), negativní (inhibitory, zvyšují E_A, zpomalují reakci), biokatalyzátory (enzymy), dále pak existují katalytické jedy – zabraňují působení katalyzátoru nebo stabilizátory – reagují s meziprodukty řetězových reakcí (radikály), a tak je zastavují

Třídění chemických reakcí

Existuje více způsobů třídění chemických reakcí, podle vazebních změn (heterolýza, homolýza), podle reakčního mechanismu (adice, eliminace, substituce, přesmyk – izomerní reakce, při které dochází k přeskupení atomů uvnitř molekuly), na reakce jednoduché a složené (mnoho meziproduktů), hlavní způsoby jsou:

Podle vnějších změn
- Syntéza – skladná reakce, jednodušší výchozí látky se slučují a vzniká látka složitější, také sem patří adice (navázání činidla na dvojnou vazbu)

N₂+ 3H₂->2 NH₃

Analýza – rozkladná reakce, složitější látky se štěpí na jednodušší, také eliminace (odštěpuje se menší část molekuly za vzniku násobné vazby)

KClO₃-> O₂+ KCl

Vytěsňování – substituční reakce, záměnná, jeden reaktant vytěsňuje z druhého atom nebo funkční skupinu, celkový počet částic se v průběhu reakce nemění

Fe + 2HCl -> FeCl₂+ H₂

CH₄+ Cl₂-> CH₃Cl + HCl

Podvojná záměna – konverze, spojení dvou substitučních reakcí, dvě látky si při reakci vymění atom nebo funkční skupinu, například neutralizace

2AgNO₃+ CaCl₂-> 2AgCl + Ca(NO₃)₂

NaOH + HCl -> NaCl + H₂O

Podle druhu přenášených částic

Oxidačně-redukční – redoxní, dochází k přenosu elektronů mezi reaktanty, složená z oxidace (atomy odevzdávající elektrony, redukční činidlo se oxiduje) a redukce (atomy přijímající elektrony, oxidační činidlo se redukuje)

Zn + S -> ZnS

Zn – 2e^–-> Zn²⁺

S + 2e^–-> S^2-

Acidobazická – protolytická, dochází k přenosu kationtu vodíku, látka odštěpující H⁺ je kyselina, látka přijímací H⁺ je zásada, vždy reagují spolu

NH₃ + HCl -> NH₄⁺+ Cl^–

Koordinační – komplexotvorné, dochází k přenosu celých skupin atomů a vzniku koordinačních sloučenin s koordinačně-kovalentní vazbou

CuSO₄ + 4 H₂O -> [Cu(H₂O)₄]SO₄

Podle změny skupenství

Homogenní – reaktanty jsou pouze v jedné fázi (skupenství)

Heterogenní – reaktanty v různých fázích, reakce probíhá na jejich fázovém rozhraní

Srážecí – z roztoků výchozích látek vzniká alespoň jeden produkt ve formě sraženiny (z roztoku se vylučuje pevná látka)

Podle reagujících částic

- Molekulové (elektroneutrální), Radikálové (reagují radikály), Iontové (ve vodném prostředí nebo v polárních rozpouštědlech – většina)

Z hlediska reakční kinetiky

- Izolované – probíhají v soustavě samy (A ® B)
- Simultánní – v soustavě probíhá více reakcí najednou
  - Zvratné – produkty nejsou plně vytvořeny, reagují zas na reaktanty, mezi produkty a reaktanty se po nějaké době vytvoří dynamická rovnováha, ta se dá posunout tak, abychom získali co největší množství chtěné látky pomocí teploty (vyšší – ve směru endotermické reakce), tlaku (ve směru menšího počtu molekul) nebo koncentrace (ve směru nižší koncentrace), katalyzátor nepomáhá, jen urychluje dosažení rovnováhy (A <-> B)
  - Bočné – paralelní, v soustavě probíhá více reakcí najednou, výchozí látky reagují za vzniku různých produktů, důležité v organice

CH₂ = CH₂ + H₂O

CH₃CH₂OH <

CH₃CHO + H₂

Následné – konsekutivní, produkt reakce je výchozí produkt reakce následující (A -> B -> C -> … -> P), řetězové reakce (iniciace, propagace, terminace)

Podle tepelného zbarvení
- Exotermické – v jejich průběhu se uvolňuje teplo, energie reaktantů vyšší než energie produktů, neutralizace, hoření, většina syntéz
- Endotermické – teplo se spotřebovává, proto se musí do soustavy dodávat, energie reaktantů nižší než produktů, tepelný rozklad
- Atermické – teplo soustavy se nemění, en. reaktantů = en. produktů, ne časté

Další podobné materiály na webu: