Chemická reakce

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)

 

-          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)

př.  + HNO3

katalyzátorH2SO4

-H2O

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 H^ICl^-I + Zn⁰ -> Zn^IICl₂^-I + H₂⁰

·         redukce: 2 H^I + 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⁺ + C^l-

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.