Chemická reakce
Chemická reakce je proces vedoucí ke změně chemické struktury chemické látky. Látky, které do reakce vstupují, nazýváme reaktanty. Látky, které z reakce vystupují, nazýváme produkty. Při tomto procesu dochází ke změnám v rozmístění elektronové hustoty v molekule, zjednodušeně řečeno, dochází k zániku a vzniku chemických vazeb. Chemické reakce popisujeme pomocí chemických rovnic.
Klasifikace reakcí
Je mnoho kritérií, podle kterých můžeme chemické reakce dělit.
Podle vnější změny
- Syntéza neboli chemické slučování – ze dvou nebo více prvků nebo sloučenin vznikne produkt, který je většinou složitější než výchozí látky.
- N2 + 3 H2 → 2 NH3
- 2 atomy dusíku a 3 dvouatomové molekuly vodíku vytvoři 2 molekuly amoniaku, neboli čpavku.
- Analýza neboli chemický rozklad, dekompozice – molekula se rozpadne na několik jednodušších látek
- (NH4)2Cr2O7 + Δ → Cr2O3 + 4 H2O + N2
- dichroman amonný → oxid chromitý + 4 molekuly vody + 2 atomy dusíku
- Substituce neboli nahrazování, vytěsňování – část molekuly je nahrazena jiným atomem nebo skupinou
- CuSO4 + Fe → FeSO4 + Cu
- 2 Na + 2HCl → 2 NaCl + H2
- Konverze neboli podvojná záměna – dvě látky si při reakci vymění atomy nebo funkční skupiny. Patří sem např. neutralizace a srážení.
- NaCl + AgNO3 → NaNO3 + AgCl↓
- Hoření je označení pro prudkou oxidaci (nejčastěji) kyslíkem. Hoření je velmi silná exotermní reakce.
- C10H8 + 12 O2 → 10 CO2 + 4 H2O
- CH2S + 6 F2 → CF4 + 2 HF + SF6
Podle reakčního mechanismu
Toto hledisko má uplatnění zejména v organické chemii.
- Adice (A, AD) – dochází k navázání činidla na násobné vazby substrátu. Řídí se Markovníkovým pravidlem. Řadíme sem např. hydrataci, halogenaci, hydrogenaci atd. Podle typu činidla rozlišujeme adice:
- elektrofilní (AE) – činidlem je elektrofil – částice vyhledávající zvýšenou elektronovou hustotu (zpravidla má kladný náboj);
- nukleofilní (AN) – činidlem je nukleofil – částice vyhledávající sníženou elektronovou hustotu (zpravidla má záporný náboj);
- radikálové (AR) – činidlem je radikál – částice s minimálně jedním nepárovým elektronem.
- Eliminace (E) – dochází k odštěpení zpravidla jednoduché anorganické sloučeniny za vzniku násobné vazby. Řídí se Zajcevovým pravidlem. Mezi eliminační reakce řadíme např. dehydrogenaci, dehydrataci apod.
- Substituce (S) – dochází k nahrazení atomu nebo funkční skupiny substrátu za jiný atom nebo funkční skupinu. Podle typu činidla rozlišujeme substituci:
- radikálovou (SR) – činidlem je látka, která se za vhodných podmínek štěpí na radikály. Skládá se ze tří fází: iniciace (štěpení činidla na radikály), propagace (napadání substrátu a tvorba dalších radikálů) a terminace (spojování radikálů, ukončení reakce).
- elektrofilní (SE) – substrátu je napaden elektrofilem za vzniku tzv. π-komplexu, který se následně přesmykne na tzv. σ-komplex. Poslední fází je odštěpení vodíkového kationtu. Mezi typické elektrofilní substituce patří nitrace (činidlo tzv. nitrační směs HNO3 + H2SO4), halogenace (X2 + AlX3) a sulfonace (H2SO4 nebo oleum). Významná je elektrofilní aromatická substituce.
- nukleofilní (SN) – substrátu je napaden nukleofilem. Tyto reakce mají dva reakční mechanismy – SN1 a SN2.
- Přesmyk neboli izomerace – při reakci dochází pouze ke změně struktury látky, nemění se ani počet, ani druh atomů tvořících molekulu. Zpravidla takto dochází k přeměně méně stabilní sloučeniny na její stálejší izomer. Např. enol-formy R=C(-OH)-R se přesmykují na keto-formy R-C(=O)-R. Konjugované dieny (H2C=C=CH2) se přeměňují na alkyny (CH3-C≡CH).
Podle skupenství
Skupenství reaktantů a produktů značíme v chemické rovnici písmeny v závorce:
- (aq) – aqua, vodný roztok
- (g) – gas, plyn
- (l) – liquid, kapalina
- (s) – solid, pevná látka.
- Homogenní reakce má všechny reaktanty a produkty ve stejné fázi (skupenství). Přitom H2O (l) se nepovažuje za rozdílnou fázi, pokud jsou ostatní sloučeniny ve vodném roztoku (aq).
- H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (g)
- NaOH (aq) + HCl (aq) → NaCl (aq) + H2O (l)
- Heterogenní reakce obsahuje rozdílné fáze, probíhá na styčné ploše, tzv. fázovém rozhraní. Typické heterogenní reakce jsou srážecí reakce.
- NaCl (aq) + AgNO3 (aq) → NaNO3 (aq) + AgCl↓ (s)
Podle typu přenášených částic
- Oxidačně-redukční reakce – přenášenou částicí je elektron e−. Probíhají současně děje:
- oxidace – částice odevzdává elektrony, zvyšuje se její kladné oxidační číslo;
- redukce – částice přijímá elektrony, snižuje se její kladné oxidační číslo.
- Látky, které jiné látky oxidují, ale samy se redukují, nazýváme oxidační činidla (např. O2, KMnO4). Látky, které jiné látky redukují, ale samy se oxidují, nazýváme redukční činidla (např. kovy, uhlík, HPO2).
- Protolytické neboli acidobazické reakce – přenášenou částicí je vodíkový kationt H+. Typickým představitelem je reakce kyseliny s hydroxidem neboli neutralizace.
- Komplexotvorné reakce – atomy či funkční skupiny (tzv. ligandy) se váží na tzv. centrální atom za vzniku koordinačních sloučenin neboli komplexů.
- CuSO4 + 4 H2O → [Cu(H2O)4]SO4
- Studiem této problematiky se zabývá koordinační chemie.
Podle tepelného zabarvení
- exotermické reakce (exotermní) – během reakce se teplo uvolňuje, tzn. energie reaktantů je vyšší než energie produktů (např. hoření, neutralizace, buněčné dýchání);
- endotermické reakce (endotermní) – během reakce se teplo spotřebovává (musí se do soustavy dodávat), tzn. energie reaktantů je nižší než energie produktů (např. tepelný rozklad uhličitanu vápenatého, fotosyntéza);
- atermické reakce – během reakce se teplo ani nespotřebovává, ani neuvolňuje. Tato reakce se v přírodě často nevyskytuje.
Reakční teplo je rozdíl energie produktů a reaktantů. Podle Hessova zákona nezávisí na průběhu reakce, ale jen na stavech před reakcí a po reakci. Nejčastěji se uvádí jako stavová veličina entalpie ∆H v jednotkách kJ/mol. Pokud hledisko zobecníme na příjem/uvolnění energie (i v jiné formě než teplo), klasifikujeme reakce jako endergonické/exergonické. Tepelným efektem reakcí se zabývá chemická termodynamika neboli termochemie. Změna Gibbsovy energie soustavy (∆G) je u exotermické reakce záporná (-∆G) a u endotermní reakce kladná (+∆G).
Podle směru reakce
- přímé – základní typ reakce, viz výše;
- zpětné – reakce probíhá stejným mechanismem, ale opačným směrem (dle principu mikroskopické reverzibility);
- bočné – několik současně běžících reakcí spotřebovává stejnou výchozí látku, ale jejich produktem jsou různé sloučeniny;
- násobné – produkt reakce dál reaguje stejným mechanismem, například polymerace, radikálové reakce.
Podle rovnováhy reakce
- rovnovážné – reakce běží až do chemické rovnováhy, která je definována rovnovážnou konstantou. Rovnovážná konstanta je poměrem rychlostních konstant dvou navzájem zpětných reakcí.
- jednosměrné – zpětná reakce je zanedbatelná
Podle počtu reagujících molekul
- monomolekulární – reaguje jedna molekula – dekompozice (rozpad). Příkladem je reakce typu: A → P, kde A značí reaktanty, P pak produkty. Monomolekulární reakce se označují také jako reakce prvního řádu.
- bimolekulární – aby reakce mohla proběhnout, musí se srazit dvě molekuly – nejčastější typ reakcí. Příkladem je A + A → P nebo A + B → P, kde A, B jsou reaktanty a P produkty reakce. Bimolekulární reakce odpovídají reakcím druhého řádu.
- trimolekulární – aby reakce mohla proběhnout, musí se srazit tři molekuly v jednom okamžiku. Tyto reakce jsou vzácné.
Reakce tetramolekulární a reakce vyšších řádů neznáme. Důvodem je, že srážka tří molekul je z pohledu již tak statistické termodynamiky vzácným jevem. Proto současná srážka čtyř a více molekul prakticky nemůže nastat. Díky dokonalejším přístrojům se při mnoha těchto reakcích dokázalo, že jsou dvěma reakcemi nižších řádů následujícími rychle za sebou.
Související články
- Chemická rovnováha
- Chemická kinetika
- Chemický reaktor
- Chemický výpočet
Externí odkazy
- Obrázky, zvuky či videa k tématu chemická reakce na Wikimedia Commons