6.tétel

A kémiai reakciók és csoportosítása

Kémiai reakció:

Kémiai átalakulás. Kémiai reakciók során az anyagok összetétele és szerkezete megváltozik. A kémiai reakció lényege: kémiai kötések felbomlása és új kémiai kötések kialakulása.

A kémiai átalakulást reakcióegyenlettel írjuk le. Ezek bal oldalán az egymásra ható vagy kiindulási anyagok, jobb oldalán a keletkezett anyagok, a reakciótermékek vegyjelei, illetve képletei állnak. A két oldal közé szokás egyenlőségjelet (=) is tenni, ám a folyamat irányát is jelölő nyíl (→) is gyakori.

NH₃ + HCl → NH₄Cl

Legtöbbször az anyagok állapotát is jelöljük: NH_{3 (g)} + HCl _(g) → NH₄Cl _(sz).

NaCl _(sz) → Na⁺ _(aq) Cl⁻ _(aq) (aq a vízben oldott anyag jele)

A kémiai reakció minden esetben energiaváltozással (hőközléssel vagy hőelnyeléssel) jár.

Képződéshő: 1 mol anyag (meghatározott állapotú) elemekből való képződésekor jelentkező energiaváltozás (hőképződés). Jele: ∆_kH Mértékegysége: kJ/mol
A képződéshőt mindig 25^oC-on és 0,1 MPa nyomáson stabilis állapotú elemekre vonatkoztatva adják meg.

Reakcióhő: a kémiai reakciót kísérő energiaváltozás; megkapjuk, a termékek képződéshőjéének összegéből kivonjuk a kiindulási anyagok képződéshőinek összegét. Jele: ∆_rH

reakciófajta	lényege	példa egyenlettel
exoterm reakció	A kémiai reakció során hő fejlődik.	C + O2 → CO2 ∆rH = − 392 kJ
endoterm reakció	Az átalakuló anyagok hőt vonnak el, hőt	CO2 + C → 2 CO ∆rH = + 175 kJ

Ha egy reakció többféle úton mehet végbe, akkor a reakciót kísérő hőváltozások összege független a részfolyamatok minőségétől és sorrendjétől, csak attól függ, hogy milyen kiindulási anyagokból milyen termékek keletkeznek, és milyen azok állapota.

Tömegmegmaradás törvénye: kémiai reakciókban a kiindulási anyagok tömegének összege mindig megegyezik a reakciótermékek tömegének összegével.

A reakciósebesség azt fejezi ki, hogy időegység alatt és egységnyi térfogatban mekkora anyagmennyiség alakul át. A reakciósebesség több tényezőtől is függ, a fontosabbak: 1. a reakcióba lépő anyagok anyagi minőségétől és 2. koncentrációjától, 3. a hőmérséklettől (nagyobb hőmérsékleten rendszerint intenzívebbek, gyorsabban lezajlódóak a kémiai reakciók), 4. az érintkező felületek nagyságától, 5. katalizátoroktól…

Katalizátor: olyan anyag, ami a kémiai reakció sebességét befolyásolja, ugyanakkor a reakció végén változatlan marad vissza. A katalizátornak nagy a gyakorlati jelentőségeik. Az iparban sok anyagot katalizátor segítségével állítanak elő.
A katalizátor a reakció számára kisebb aktiválási energiájú utat nyit. Az aktivált állapot eléréséhez szükséges energiát aktiválási energiának nevezzük. Jele: E _a, Mértékegysége: kJ/mol

Kémiai reakciók csoportosítása:

A reakció eredménye szerint:

· Egyesülésnek (szintézisnek) nevezzük azt a kémiai reakciót, amelynek során két vagy több anyag egy anyaggá alakul.

· Addició: olyan kémiai reakció, amelyben két vagy több vegyület molekulája melléktermék képződése nélkül egyesül egymással. Két- vagy háromszoros kémiai kötéssel rendelkező vegyületek között fordul elő.
Pl.: H₂C=CH₂ + H₂ = H₃C-CH₃

· Polimerizáció: Olyan kémiai reakció, amelyber, valamely telítetlen (kettős kötésű), kismolekulájú (monomer) vegyület azonos molekulái, melléktermék keletkezése nélkül óriásmolekulává egyesülnek. A képződő óriásmolekulájú anyagot polimernek nevezzük.

· Bomlásnak nevezzük azt a kémiai reakciót, amelynek során egy anyag két vagy több anyaggá alakul. pl: CaCO₃ = CaO + CO₂

· Eliminációnak nevezzük azt az átalakulást, melynek során egy vegyület kisebb molekula kilépése közben alakul új vegyületté. Az elimináció során a molekula vagy telítetlenné válik, vagy az átalakulás révén új gyűrű képződik.
Pl.: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃ → CH₃-CH₂-CH₂-CH₂=CH₂

· Szubsztitúciónak (helyettesítéses reakciónak) nevezzük azt a kémiai reakciót, amelyben a szerves vegyület egy atom(csoport)ja egy másik atom(csoport)ra cserélődik ki melléktermék képződése közben.
Pl.: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

A reakció során lejátszódó folyamat kémiai jellege szerint:

· Redoxi reakciók: Redoxi folyamatoknak nevezzük azokat a kémiai reakciókat, melyek az oxidációfok (lásd: oxidációs szám) megváltozásával járnak. Ezekben a folyamatokban az egyik reakciópartner felvesz, a másik pedig veszít, lead elektronokat.
Az elektront leadó partner oxidálódik, oxidációs száma nő. Ezek a reakciópartnerek a redukálószerek.
Az elektront felvevő partner redukálódik, oxidációs száma csökken. Ezek az oxidálószerek.
A fenti folyamat leírása: a hidrogéngáz (H₂) égése oxigén (O₂) jelenlétében. A hidrogén oxidálódik, miközben az oxigén redukálódik. (Az oxigén oxidálja a hidrogént.)
Az elemi oxigén illetve hidrogén gáz oxidációs száma 0 (nulla). A reakció során a hidrogén atomok oxidációs száma eggyel nőtt (+1 lett), miközben az oxigéné -2. Mivel a keletkezett vízmolekulában két hidrogén és egy oxigén alkot vegyületet, az oxidációs számok összege zérus (0).

Oxidálószerek: lehetnek: a nagy elektronegativitású elemek, jellemzően a VI. és VII. főcsoport elemei, (pl.: O₂, O₃, F₂, Cl₂, Br₂) valamint olyan vegyületek (molekulák, ionok), melyekben magas oxidációfokú elemek találhatók (pl.: MnO−4, Cr₂O2−7, H₂O₂, valamint egyéb, főleg szerves peroxidok).

Redukálószerek: elektron leadására hajlamos elemek, különösen az első két főcsoport tagjai (alkáli- és alkáliföldfémek valamint a hidrogén), de a legtöbb fém és néhány nemfémes elem (pl.: szén, nitrogén) is képes redukáló ágensként szerepelni a redox folyamatokban.

A különféle fémek csak a redukálóképességi sorban utánuk következő fémek oldatban lévő ionjait képesek redukálni. A hidrogén előtt álló fémek oldódnak sósavban, az utána állók azonban nem.
Legfontosabb fémek redukálóképesség szerinti sorrendje:

K Ca Na Mg Al Zu Fe Co Ni Sn Pb H Cu Hg Au

A redoxifolyamatokban érvényes a töltésmegmaradás tövénye.
Az elemek és a reakciók oxidációs vagy redukciós folyamatai standardpotenciáljuk alapján sorba állíthatók. Ez a táblázat segítséget nyújt ahhoz, hogy a redoxifolyamatok irányát megitélhessük.

· Sav-bázis reakciók: Protonátadással járó, ún. protolitikus reakciókat sav-bázis reakcióknak nevezzük. Azokat a molekulákat, ionokat, amelyek a protont leadják savaknak, amelyek felveszik, bázisoknak nevezzük.
A Brönsted-elmélet értelmében egy molekuláról vagy ionról csak akkor mondhatjuk, hogy sav vagy bázis, ha tudjuk, hogy milyen reakcióban vesz részt, mert ugyanaz a részecske lehet sav is és bázis is.
Azokat a vegyületeket nevezzük savnak, amelyek vízzel szemben savként viselkednek. Az erős savak egymással szemben már viselkedhetnek bázisként. Az erősebb sav a gyengébbnek átadhatja a protonját.

A sav és a belőle keletkező bázis, illetve a bázis és a belőle keletkező sav úgynevezett sav-bázis párokat alkotnak. Pl.: HCl és víz reakciójában a HCl és a Cl^-, illetve a víz és a H₃O⁺

HCl + H₂O ↔ H₃O⁺ + Cl^-

A sav bázis reakció mindig megfordítható, egyensúlyra vezető folyamatok, ezért felirhatjuk a tömeghatás törvényét.
A vízmolekula nem csak bázisnak, hanem egy másik vizmolekulának is átadhat protont:

H₂O + H₂O ↔ H₃O⁺ + OH^-

Azt a folyamatot, amelyben egy vegyület molekulái egymással sav-bázis reakcióba lépnek, autoprotolízisnek nevezzük. A víz autoprotolízisének a következménye, hogy a tiszta vízben is vannak oxónium- és hidroxidionok.

A tömeghatás törvénye alapján a folyamat egyensúlyi állapot:

(a víz koncentrációját állandónak tekinthetjük)

Ezek szerint a tiszta vízben és a híg oldatokban az oxóniumionok és a hidroxidionok egyensúlyi koncentriációinak szorzata állandó, ha a hőmérséklet állandó.
25^oC-on K_víz= 10^-14(mol/dm³)²

Ha egy vizes oldatban az oxóniumionok koncentrációja nagyobb, mint a hidroxidionoké, savas, ha a hidroxidionoké a nagyobb akkor lúgos kémhatásról beszélünk. Semleges oldatokban és a tiszta vízben a víz ionjainak koncentrációja egyenlő.
Híg vizes oldatok savasságának vagy lúgosságának mértékét számszerűen az oxóniumionok koncentrációjával fejezik ki.
Az egyszerűség kedvéért az oxóniumion-koncentrációt jellemző, 10 hatványaként kifejezett számérték kitevőjének -1 szeresét használják, ezt nevezik pH-nak. (pl.: [H3O]=10-7 mol/dm3, akkor a pH=7. Ez a pH a semleges kémhatású oldatokra jellemző.

Az oldatok kémhatását indikátorokkal mutatjuk ki, amelyek maguk is sav-bázis tulajdonságú anyagok, ezek úgy jelzik az oldatok kémhatását, hogy protonleadásuk vagy felvételük során bekövetkező, molekulán belüli kötésátrendezésük színváltozással jár. A színvátozás meghatározott pH-tartományban történik.
Vannak olyan növényi anyagok, amelyek savas vagy lúgos közegrben megváltoztatják a szinüket, ezért „indikátorként” is használják. (pl.: lilahagyma, cékla, vörösbor)
A vér enyhén lúgos kémhatársú, pH-ja 7,4 körüli. A bőr viszont enyhén savas kémhatású (pH=5,5), mivel a „savköpeny” védalmet nyújt a baktériumok és gombák elszaporodása ellen.
A táplálkozási szakértők a savasodást okozó táplálékok (pl. a sok hús) mennyiségének csökkentését, és a lúgosító növényi táplálékok (pl.:zöldségfélék) mennyiségének növelését javasolják a normális emésztési folyamatok fenntartásához.

A reakció termodinamikai jellege szerint :

· Exoterm reakciók : A kémiában exoterm reakciónak nevezzük a hőfelszabadulással járó reakciókat. Az exoterm reakciók az exergonikus reakcióknak egy speciális típusa, azaz itt a felszabaduló energia hőenergia.
Az exoterm reakciók során a reackióközeg és ezáltal a környezet felmelegszik, tehát hőleadás (Q<0 ill. ΔH<0) történik. Az energia a rendszerből a környezet felé áramlik.
Exoterm reakció például a legtöbb égés, oxidáció.

· Endoterm reakciók: A kémiában endoterm reakciónak nevezzük a hőfelvétellel járó reakciókat. Az endoterm reakciók az endergonikus reakcióknak egy speciális típusa, azaz itt a reakció a végbemeneteléhez szükséges energiát hőenergia formájában veszi fel a környezettől.
Az endoterm reakciók során a reackióközeg és ezáltal a környezet lehűl, tehát hőfelvétel (Q>0 ill. ΔH>0) történik. Az energia a környezetből a rendszer felé áramlik.
Endoterm reakció például a legtöbb felépítő folyamat (bizonyos redukciók), illetve például a kálium-nitrát oldódása vízben (a víz lehűl).

Időbeli lefolyás szerint:

• Időreakciók
• Pillanatreakciók