5. a) Chemická reakce
(základní typy reakcí anorganické chemie, klasifikace, příklady)
- chemická reakce je děj, při němž se za vhodných vnějších podmínek přeměňují reaktanty na produkty. Reaktanty jsou výchozí látky, které vstupují do chemické reakce. Produkty jsou látky nově vzniklé, vystupující z chemické reakce.
o CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl
- Zvratná reakce = Probíhá-li reakce od výchozích látek k reakčním produktům a současně od reakčních produktů k výchozím látkám.
o
CH3COOC2H5 +H2O CH3COOH + C2H5OH
(Hydrolýza esteru nebo zpětná reakce esterifikace)
- Chemická rovnice = symbolický zápis, kterým se popisuje výsledek chemické reakce. Má vždy 2 strany ->
- na levé straně se zapisují látky (prvky, chemické sloučeniny apod.), které do reakce vstupují - tzv. reaktanty
- na pravé straně jsou látky, které reakcí vznikly - tzv. produkty reakce
- Příklad chemické rovnice
- NaOH + HCl → NaCl + H2O (Zde hydroxid sodný (louh) reaguje s kyselinou chlorovodíkovou za vzniku chloridu sodného (kuchyňská sůl) a vody)
- Třídění chemických reakcí:
o Typy reakcí podle vnějších změn při reakci:
§ SYNTÉZA (skladná, syntetická reakce ) je reakce, při níž se jednodušší výchozí látky slučují a vznikají složitější látky, např. N2 + 3 H2 -> 2 NH3
§ ANALÝZA (rozkladná reakce) je reakce, při níž nesložitější látky štěpí na jednodušší látky, např. CaCO3 -> CaO + CO2
§ VYTĚSŇOVÁNÍ (substituční, záměnná reakce) je reakce, při níž jeden reaktant vytěsňuje z druhého reaktantu (sloučeniny) atom nebo funkční skupinu, např. 2 KI + Cl2 -> 2 KCl + I2 (chlor vytěsnil jod z jodidu draselného)
§ PODVOJNÁ ZÁMĚNA (konverze) vzniká spojením dvou vytěsňovacích (substitučních) reakcí, např. NaCl + H2SO4 -> NaHSO4 + HCl
o Typy reakcí podle reakčního mechanismu
§ ADICE je reakce, při níž se na organickou sloučeninu nesoucí násobnou vazbu adují (přidávají) molekuly jiné látky (např. vody, halogenovodíků) a násobná vazba zaniká CH2 = CH2 + Cl2 -> CH2Cl – CH2Cl
· ELEKTROFILNÍ adice – elektrofilní činidlo reaguje s π elektrony násobných vazeb, např. adice halogenovodíků a halogenů na alkeny nebo alkiny, př. CH2 = CH – CH3 + HCl -> CH3 – CHCl – CH3
· NUKLEOFILNÍ adice – nukleofilní činidlo (obsahuje nevazebný elektronový pár) se aduje na uhlík ve vazbě nesoucí částečný kladný náboj, reakce je typická pro karbonylové sloučeniny např.
δ+ δ-
HCl + CH2=CH2 è CH3-CH2Cl
δ+ δ-
CH2=CH2 + HCl è CH3-CH2+ + Cl- èCH3-CH2-Cl
· RADIKÁOVÁ adice- činidlem je radikál - částice s minimálné jedním nepárovým elektronem
§ ELIMINACE je děj, při níž dochází k odštěpení jednoduché anorganické sloučeniny a současně se tvoří násobná vazba, např.
CH3 – CH2Cl -> CH2 = CH2 + HCl
· DEHYDRATACE – odštěpují se molekuly vody
· DEHYDROGENACE – odštěpují se molekuly vodíku
· DEHYXROHALOGENACE – odštěpují se molekuly halogenovodíku
§ SUBSTITUCE je reakce, při níž je atom nebo skupina atomů zaměněna za jiný atom nebo skupinu atomů, násobnost vazby se nemění, rozlišujeme více typů substitucí:
· RADIKÁLOVÁ – charakteristická pro sloučeniny s nepolárními kovalentními vazbami (alkany), dochází k homolytickému štěpení vazeb a vznikají radikály (velmi reaktivní částice s nepárovým elektronem) reagující s radikálem substituovaného atomu, např. chlorace uhlovodíků
př. chlorace methanu, má tři fáze ->
- iniciace- molekula chloru disociuje na samostatné atomy s nepárovým elektronem (radikály) Cl2• -> Cl• + Cl•
- propagace – chlorový radikál napadá molekulu methanu za vzniku methylového radikálu a chlorovodíku CH4 + Cl• -> CH3• + HCl, methylový radikál napadá molekulu chloru a vzniká molekula chlormethanu a nový radikál chloru CH3• + Cl2 -> Cl• + CH3Cl, druhá fáze se opakuje
- terminace – radikály se spojí a reakce se ukončí Cl• + Cl• -> Cl2, CH3• + Cl• -> CH3Cl; CH3• + CH3• -> CH3 – CH3
· ELEKTROFILNÍ – reakce aromatických uhlovodíků, při nííž reagují s elektrofilním činidlem, které vzniká během reakce, příkladem je nitrace arenů (nitroskupina NO2 v podobě nitroniového kationtu se zavádí do molekuly arenu)
|
|
|
|
||||||
|
||||||
|
Nitrobenzen působí -M efektem, tudíž má nižší celkovou elektronovou hustotu, ale v polohách 3 a 5 vyšší. Elektrofilní činidlo jde do polohy 3
· NUKLEOFILNÍ – nukleofilní činidlo se naváže na uhlík karbonylové skupiny
př. CH3CH2 - Br + OH-CH2CH2 – OH + Br -
§ PŘESMYK je izomerační reakce,při níž dochází k přeskupení atomů uvnitř molekuly
o Typy reakcí podle počtu fází v reakční směsi
§ HOMOGENNÍ reakce, při nichž jsou reaktanty v jedné fázi, nejčastěji plynné nebo kapalné, např. H2 (g) + I2 (g) -> 2 HI (g)
§ HETEROGENNÍ reakce, při nichž jsou reaktanty v různých fázích a reakce probíhá na jejich fázovém rozhraní, např.
2 HCl (aq) + Zn (s) -> ZnCl2 (aq) + H2 (g)
o Typy reakcí podle druhu přenášených částic
§ OXIDAČNĚ-REDUKČNÍ (redoxní) reakce, při nichž dochází k přenosu elektronů mezi reakčními složkami, probíhající jako dvě dílčí reakce – oxidace a redukce; určité atomy elektrony odevzdávají a tím se oxidují a současně jiné elektrony přijímají a tím se redukují, např. 2 HICl-I + Zn0 -> ZnIICl2-I + H20
· redukce: 2 HI + 2e- -> H20
· oxidace: Zn0 – 2e- -> Zn+II
§ ACIDOBAZICKÉ (protolytické) reakce, při nichž dochází k přenosu kationtu H+; látky odštěpující kation H+ nazýváme kyseliny, látky přijímající kation H+ zásady, např. HNO3 + KOH -> H2O + KNO3
§ KOORDINAČNÍ (komplexotvorné) reakce, při nichž dochází k přenosu celých skupin atomů a vzniku koordinačních (komplexních) sloučenin, např.
CuSO4 + 4 H2O -> (Cu (H2O)4)SO4
o Typy reakcí podle způsobu štěpení vazeb
§ HOMOLYTICKÉ reakce (homolýzy), při nichž se kovalentní vazba tvořená atomy se stejnou elektronegativitou štěpí symetricky tak, že každá ze vzniklých částic si nechá jeden elektron a vytvoří se radikály, např.
§ Cl – Cl -> Cl• + Cl•
§ HETEROLYTICKÉ reakce (homolýzy) jsou opakem. Vazba se štěpí nesymetricky, vázané částice mají velký rozdíl elektronegativit, elektronegativnější částice si ponechá celý elektronový pár z vazby a vznikají ionty, např. HCl -> H+ + Cl-
o Podle tepelného zbarvení
§ 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 - během reakce se teplo ani nespotřebovává, ani neuvolňuje. Tato reakce se v přírodě často nevyskytuje.
o Podle směru reakce
§ PŘÍMÉ – základní typ reakce
§ ZPĚTNÉ – reakce probíhá stejným mechanismem, ale opačným směrem
§ 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
o 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 označujují také jako reakce prvního řádu.
§ BIMOLEKULÁRNÍ – aby reakce mohla proběhnout, musí se srazit dvě molekuly – nejčastější typ reakcí. Takovýmto 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. Vzácný typ reakcí, který je neobvyklý.