Reakcióegyenletek a szerves kémiához

A szerves kémia a kémia egyik nagy tudományága, amely a szénvegyületek, azaz a szerves vegyületek szerkezetét, tulajdonságait és kémiai reakcióit tárgyalja. A kémiai reakciókat a reakcióegyenletekkel szoktuk tömören leírni, így igen sok kémiai információ adható át velük. Természetesen ez igényli azt, hogy értsük a kémia reakcióegyenletek felírásának elveit. A szerves kémia rengeteg reakcióegyenletet foglal magában, de ha egy maréknyit megismerünk, akkor átaluk egy kis betekintést nyerhetünk a szerves kémiába.

Négy tipikus kémia reakciót tárgyal a szerves kémia: a szubsztitúciót, az addíciót, a polimerizációt és az eliminációt.

Szubsztitúció

A szubsztitúció során egy szerves molekula szénatomjához kötődő ligandum (atom vagy molekularészlet) egy másik ligandumra cserélődi ki, és a reakció során a két kiindulási molekulából két megváltozott összetételű molekula jön létre. A szubsztitúciós reakció jellemző az alkánokra:

Metán szubsztitúció klórral:

CH₄ + Cl₂ = CH₃–Cl + HCl

Az aromás vegyületekre szintén jellemző a szubsztitúció:

Benzol szubsztitúció brómmal:

C₆H₅–H + Br₂ = C₆H₅–Br + HBr

Addíció

Az addícióban általában a szénatomok között többszörös kovalens kötést tartalmazó szerves molekulák vesznek részt. A kettős kötés egyszeres kötéssé (a hármas kötés kettős vagy egyszeres kötéssé) alakul át, miközben a két kiindulási molekula egyesül egymással egy terméket hozva létre. Az addíció jellemző az alkánokra, amelyek kettős kötéseket tartalmaznak:

Etén addíció klórral:

CH₂=CH₂ + Cl₂ = Cl–CH₂–CH₂–Cl

Etén addíció hidrogén-kloriddal:

CH₂=CH₂ + HCl = CH₃–CH₂–Cl

Etén vízaddíció, amely egyben alkalmas az etanol előállítására:

CH₂=CH₂ + H₂O = CH₃–CH₂–OH

Etén hidrogénaddíció:

CH₂=CH₂ + H₂ = CH₃–CH₃

Az alkineknek szintén jellemző reakciója az addíció:

Kitűnő példa erre az acetilén vízaddíció, ahol a közvetlenül keletkező vinil-alkohol izomerizációval tovább alakul acetaldehiddé.

CHɼCH + H₂O ɹ CH₂=CH–OH ɹ CH₃–CH=O

Markovnyikov-szabály

Az addíciókra vonatkozik a Markovnyikov-szabály. Ez alapján, ha a kettős kötésben résztvevő két szénatomhoz különböző számú hidrogén kapcsolódik, és a kettős kötést hordozó molekula egy hidrogén-halogeniddel (például hidrogén-kloriddal) vagy vízzel reagál, akkor a hidrogén-halogenid vagy víz hidrogénatomja az elve több hidrogénatomot tartalmazó szénatomhoz fog csatlakozni, amíg a halogénatom vagy hidroxil-csoport értelemszerűen a kevesebb hidrogénatomot tartalmazóhoz:

Propén addíció hidrogén-kloriddal:

CH₃–CH=CH₂ + HCl = CH₃–CHCl–CH₃

A konjugált kettős kötéseket tartalmazó molekulák addíciója különleges, mivel a konjugált kettős kötésrendszer delokalizálódik, így több részlegesen vagy teljesen telített molekulának az elegye jön létre:

Izoprén bróm addíció:

CH₂=C(CH₃)–CH=CH₂ + Br₂ ɹ CH₂Br–C(CH₃)Br–CH=CH₂, CH₂=C(CH₃)–CHBr–CH₂Br, CH₂Br–C(CH₃)=CH–CH₂Br, CH₂Br–C(CH₃)Br–CHBr–CH₂Br

Polimerizáció

A polimerizáció során kis méretű molekulák kapcsolódnak össze nagy számban, kémiailag azonos módon nagy méretű molekulákat, úgynevezett polimereket, létrehozva. A szénhidrogének vagy halogénezett szénhidrogének között a kettős kötéseket hordozó molekuláknál tipikus a polimerizáció. Számos műanyag szintézise jó példa ezekre a reakciókra:

Etén polimerizációja, amelynek a terméke a polietilén:

n CH₂=CH₂ = (–CH₂–CH₂–)_n

Propén polimerizációja, amelynek a terméke a polipropilén:

n CH₂=CH–CH₃ = (–CH₂–CH(CH₃)–)_n

Izoprén polimerizációja, amely a természetben is végbe mehet, poliizoprént, azaz gumit hozva létre:

n CH₂=C(CH₃)–CH=CH₂ = (–CH₂–C(CH₃)=CH–CH₂–)_n

Sztirol polimerizációja, aminek a terméke a polisztirol:

Vinil-klorid polimerizációja, amelynek a terméke a PVC (polivinil-klorid):

n CH₂=CH–Cl = (–CH₂–CHCl–)_n

Elimináció

Az elimináció során egy szerves molekulának két egyszeres kötéssel összekapcsolt szénatomjáról fog egy-egy ligandum távozni, és a két szénatom között kettős kötés fog kialakulni. Az elimináció például a halogénezett alkánok tipikus reakciója:

CH₃–CH₂–Br + NaOH = CH₂=CH₂ + NaBr + H₂O

Más ligandumok is részt vehetnek eliminációs reakcióban. Jó példa erre az etanol eliminációja, amelyet etén előállításra használnak fel:

CH₃–CH₂–OH = CH₂=CH₂ + H₂O

Az eliminációkra vonatkozik a Zajcev-szabály, amely kimondja, hogy ha a kettős kötés kialakulhat több, különböző számú hidrogénatomhoz kapcsolódó szénatomon is egy hidrogénatom távozásával, akkor arról a szénatomról fog távozni a hidrogénatom, ahol eleve kevesebb hidrogénatom volt:

CH₃–CHBr–CH₂– CH₃ + NaOH = CH₃–CH=CH–CH₃ + NaBr + H₂O

Más fontos szerves kémiai reakciók

A négy jellemző szerves kémiai reakciótípuson kívül természetesen rengeteg más szerves kémiai reakció létezik. Ezek közül mutatunk be néhányat, amelyek valamilyen általános elvet tükröznek, egy szerves vegyületcsalád jellemző tulajdonságát mutatják be vagy fontos szerves molekulákhoz köthetőek.

Tökéletes égés

Tökéletes égésnek a szénhidrogénekre vonatkozó általános egyenletét gyakran szoktuk kémiai számításokban felhasználni:

C_xH_y + (x+y/4) O₂ = x CO₂ + y/2 H₂O

Amennyiben a hidrogénen és szénen kívül más elemet is tartalmaz a szerves molekula, a tökéletes égés egyenlete módosulni fog. Például az etanol égését az alábbi reakcióegyenlettel írhatjuk le:

CH₃–CH₂–OH + 3 O₂ = 2 CO₂ + 3 H₂O

Sav-bázis reakciók

Két szerves vegyületcsalád tagjainak a vizes oldatai kémhatása jellemzően eltér a semlegestől. A karbonsavak savas kémhatásúak, amire az ecetsav disszociációja jól példáz:

R–COOH = R–COO^– + H⁺

Az aminok meg lúgos kémhatásúak, amire jó példa a metil-amin reakciója a vízzel:

CH₃–NH₂ + H₂O Ý CH₃–NHœ + OH^–

Redoxireakciók

Az oxigéntartalmú szerves vegyületcsaládok tagjai redoxireakciókkal át tudnak egymásba alakulni. Például az etanolból acetaldehid keletkezik oxidációval, fordítva meg acetaldehidből etanol redukcióval.

Etanol oxidáció:

CH₃–CH₂–OH + CuO = CH₃–CH₂=O + Cu + H₂O

Acetaldehid redukció:

CH₃–CH₂=O + H₂ = CH₃–CH₂–OH

Ezüsttükörpróba

Az aldehidek ketonoktól való megkülönböztetésére két igen híres reakciót is alkalmaznak. Az egyik az ezüsttükörpróba, amelyben ezüst-nitrátot, ammónium-hidroxidot és némi nátrium-hidroxidot tartalmazó reagenst használnak. A reakció során ezüst válhat ki a kémcső falára, innen származik a reakció elnevezése.

Acetaldehid ezüsttükörpróba:

CH₃–CH=O + 2 [Ag(NH₃)₂OH] = CH₃–COOH + 2 Ag + 2 NH₃ + H₂O

Fehling-próba

A másik kimutatásra használt reakció a Fehling-próba, amelyhez réz(II)-szulfát oldatot és nátrium-hidroxiddal erősen lúgosított kálium-nátrium-tartarát oldatot kevernek össze frissen, majd adnak a tesztelni kívánt anyag oldatához. A pozitív próbát a réz(I)-oxid vörös színe jelzi.

Acetaldehid Fehling-próbája:

CH₃–CH=O + 2 Cu²⁺ + 4 OH^– = R–COOH + Cu₂O + 2 H₂O

Egyensúlyi reakciók

A legközismertebb egyensúlyi reakció a szerves kémiában az etil-acetát észter előállítása:

CH₃–COOH + CH₃–CH₂–OH Ý CH₃–CO–O– CH₂–CH₃ + H₂O

Fő- és mellékreakció

Sok kémiai reakció során nem csak a preferált reakció megy végbe valós körülmények között, hanem mellékreakció is történik. Az emelt szintű kémia érettségire a metán hőbontását kell tudni erre a jelenségre példaként, amit az acetilén ipari előállítására használnak. A metán hőbontásának mellékreakciója során szén keletkezik melléktermékként.

Metán hőbontás főreakció:

2 CH₄ = CHɼCH + 3 H₂

Metán hőbontás mellékreakció:

CH₄ = C + 2 H₂

Ha a kémia érettségire készülsz, és valamit nem értettél a fenti szövegből, akkor érdemes lehet csatlakoznod valamilyen kémia érettségi felkészítőhöz, ahol részletesen elmagyaráznak mindent, amit tudnod kell a kémia érettségire. Ha mindent értettél vagy tudsz, de kíváncsi vagy az összes szerves kémia reakcióegyenletre, amit az érettségiken kérdeznek, akkor ezeket le tudod tölteni a Budapesti Reáltanoda tanulócsoportjából:

BR Biológia és Kémia Tanulócsoport

Reakcióegyenletek a szervetlen kémiához

A kémia egyik nagy tudományága a szervetlen kémia, amely a szervetlen vegyületek szerkezetével, tulajdonságaival és reakcióival foglalkozik. Szervetlen vegyületnek minősül az összes vegyület, amelyek nem szén-szén kötéseket tartalmazó molekulákból épülnek fel. A szervetlen kémiai ismeretek sokrétűek, és az ismeretanyag egy jó részét a szervetlen kémiához tartozó reakció alkotják. Kémiai reakcióegyenletekkel szoktuk tömören leírni a kémiai reakciókat, amelyek tárgyalásához kézenfekvően szükséges az, hogy általánosságban is értsük a kémia reakcióegyenletek felírásának elveit. A szervetlen kémiai reakciókhoz kötődő ismeretanyag még önmagában is hatalmas, szóval itt csak ízelítőt adunk a legfontosabb reakciókból, a teljesség igénye nélkül. Másfelöl nagyjából harminc egyenlet is elég ahhoz, hogy némiképp szemléltessük a szervetlen kémia tárgykörét. Ha érdekel a részletesebb szervetlen kémia reakció gyűjtemény, ami lefedi a kémia érettségi teljes tananyagát, akkor le tudod tölteni a Budapesti Reáltanoda tanulócsoportjából:

BR Biológia és Kémia Tanulócsoport

A szervetlen kémiai reakciókat az elemek két nagy csoportja, a fémek és nemfémek, alapján gyakran osztjuk fémek és nemfémek reakcióira. A fémek reakcióihoz tartoznak a fémek fémekkel és nemfémekkel végbemenő reakciói. A nemfémek reakcióihoz inkább a nemfémes elemek egymással történő reakcióit soroljuk. Ez a beosztás nem teljesen merev, más szempontokat is figyelembe lehet, és szoktunk is venni, amikor a szervetlen kémiához tartozó reakciókat tárgyaljuk.

Fémek reakciói

Fémek reakciói nemfémes elemekkel

A fémek reagálnak a nemfémek elemi formáival, mint például az oxigénmolekulával, halogénekkel (F, Cl, Br, I) és kénnel.

Magnézium égése:

2 Mg + O₂ = 2 MgO

Nátrium reakciója klórral

2 Na + Cl₂ = 2 NaCl

Higany reakciója kénnel:

Hg + S = HgS

Fémek reakciói nemfémek vegyületeivel

A fémek talán legjellemzőbb reakciói a vízzel, savakkal és lúgokkal végbemenők. A reakciók lejátszódását alapvetően az egyes fémek oxidációra való hajlama, és a fémek felszínén kialakuló, a fémek saját vegyületeiből álló védőréteg határozza meg. A fémek oxidációra való hajlamát a standard elektródpotenciálokkal jellemezzünk mennyiségi módon. Az alkálifémek (Na, K), alkáliföldfémek (Mg, Ca), illetve a p-mező fémei közül az alumíniumnak kisebb a standard elektródpotenciálja, mint -0,83 V, tehát elméletben reagálhatnak vízzel és savakkal is. A d-mező fémeinek egy részének (Fe, Zn), illetve a p-mező fémei közül az ónnak és ólomnak a standard elektródpotenciálja -0,83 és 0 V között van, amiből az következik, hogy vízzel nem, de savval reagálhatnak. A d-mező néhány fémének (Cu, Ag) a standard elektródpotenciálja 0 V felett van, és csak oxidáló hatású, erős savak (HNO₃, H₂SO₄) tömény oldataival lépnek reakcióba. A védőréteg részben, vagy teljes egészében felül tudja írni a standard elektródpotenciálokból következő redoxi törvényszerűségeket. Például az alumínium nem reagál vízzel a felszínén kialakuló tömör alumínium-oxid réteg miatt, és a vas se reagál a tömény kénsavval.

Nátrium és víz reakciója:

2 Na +2 H₂O = 2NaOH + H₂

Cink és sósav reakciója:

Zn + 2 HCl = ZnCl₂ + H₂

Ezüst és tömény kénsav reakciója:

2 Ag + 2 H₂SO₄ = Ag₂SO₄ + SO₂ + 2 H₂O

Réz és tömény salétromsav reakciója:

Cu + 4 HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2 NO₂ + 2 H₂O

A fémek általában nem reagálnak lúgokkal, de például az alumínium és a cink komplex képződés közben oldódik erős lúgokban (NaOH, KOH).

Alumínium és nátrium-hidroxid reakciója:

2 Al + 2 NaOH + 6 H₂O = 2 Na⁺ + 2 [Al(OH)₄]^– + 3 H₂

Fémek előállítás

A fémek a természetben vegyületek formájába fordulnak elő a legtöbbször, viszont az ember a fémek elemi, fémrácsos formáiból tud tárgyakat készíteni. Az emberi civilizációk egyik alapja, és történelmi korokat határozott meg a fémgyártás technológiai fejlődése. A fémek előállítása során a fémek mindig redukálódnak. Két alapvető módszer a fémek előállítására a redukálószerrel használata, illetve az elektrolízis.

Vasgyártás

A vasgyártás során a szén és a szénből keletkező szén-monoxid a redukálószer:

Fe₂O₃ + 3 C = 2 Fe + 3 CO

Fe₂O₃ + 3 CO = 2 Fe + 3 CO₂

Alumíniumgyártás

Az alumíniumgyártás során először az ércből (bauxitból) tiszta alumínium-oxid (timföldet) állítanak elő. Ezt a folyamatot hívjuk feltárásnak.

Al₂O_3(bauxit)+ 2 NaOH + 3 H₂O = 2 Na[Al(OH)₄]

Na[Al(OH)₄] = Al(OH)₃ + NaOH

2 Al(OH)₃ = Al₂O_3(timföld) + 3 H₂O

A timföld olvadék elektrolízisével állítják elő a fém alumíniumot:

Al₂O₃ = 2 Al³⁺ + 3 O^2-

2 Al³⁺ + 6 e^– = 2 Al

Nemfémek reakciói

A nemfémek reakciót a periódusos rendszer csoportjai vagy elemek szerint szokás tárgyalni. Természetesen egy reakciót akár több csoportnál is megemlíthetünk, amennyiben a reakcióban szereplő anyagok között több olyan is van, amely nemfémes elemet tartalmaz.

Reakciók hidrogénnel

Hidrogén és oxigén reakciója:

2 H₂ + O₂ = 2 H₂O

Hidrogén és klór reakciója:

H₂ + Cl₂ = 2 HCl

Reakciók halogénekkel és halogénvegyületekkel

Bróm és klór reakciója:

Br^– + Cl₂ = 2 Cl^– + Br₂

Klór és víz reakciója:

Cl₂ + H₂O Ý HCl +HOCl

Szilícium-oxid (üveg) és hidrogén-fluorid reakciója:

SiO₂ + 4 HF = SiF₄ + 2 H₂O

Reakciók oxigénnel és oxigénvegyületekkel

Szén és oxigén reakciója:

C + O₂ = CO₂

Vízbontás (víz elektrolízis) összegyenlete:

2 H₂O = 2 H₂ + O₂

Reakciók kénnel és kén-vegyületekkel

Kénhidrogén és kén-dioxid reakciója:

2 H₂S + SO₂ = 3 S + 2 H₂O

Kénsavgyártás reakcióegyenletei:

S + O₂ = SO₂

2 SO₂ + O₂ Ý SO₃

SO₃ + H₂SO₄ Ý H₂S₂O₇

H₂S₂O₇ + H₂O = 2 H₂SO₄

Reakciók nitrogénnel és nitrogénvegyületekkel

Ammóniagyártás:

3 H₂ + N₂ Ý 2 NH₃

Salétromsavgyártás egyenletei:

4 NH₃ + 5 O₂ = 4 NO + 6 H₂O

2 NO + O₂ = 2 NO₂

4 NO₂ + 2 H₂O + O₂ = 4 HNO₃

Reakciók szénvegyületekkel

Széndioxid és víz reakciója:

CO₂ + H₂O Ý H₂CO₃

Mészkő és sósav reakciója:

CaCO₃ + 2 HCl = CaCl₂ + CO₂ + H₂O

Ha a kémia érettségire készülsz, és valami nem igazán volt világos a fenti szövegből, akkor érdemes lehet segítséget igénybe venned egy kémia érettségi felkészítő tanfolyamon, középiskolai fakultáción vagy egy kémia magántanártól.

Kémiai reakciók

A kémiai reakció meghatározása

Kémiai reakcióknak nevezzük azokat a kémiai változásokat, amelyekben egy vagy több anyagban a kémiai kötések részben vagy teljesen felbomlanak, és új kötések kialakulásával új anyag vagy anyagok jönnek létre. A kémiai reakciók közé hagyományosan azokat a változásokat soroljuk, amelyeket le tudunk írni kémiailag tiszta anyagok (elemek és vegyületek) változásaival. Továbbá a kémia reakciók alatt, a legelterjedtebb meghatározás szerint, csak azokat a változásokat értjük, amelyekben a reakcióban résztvevő anyagokat felépítő atomok atommagjai nem változnak meg. Az atommagok változatlanságára vonatkozó kitételen túl, például a halmazállapot változások se tartoznak a szűkebb értelemben vett kémiai reakciókhoz, bár ez már inkább megítélés kérdése, mint az atommag változatlanságára vonatkozó kitétel. A kémiai reakciókban két, időben egymásra következő állapotot különböztetünk meg. A reakció végbemenetele előtti állapot a kiindulási állapot, és ebben az állapotban az anyagokat kiindulási anyagoknak vagy reaktánsoknak nevezzük. A reakció megtörténése utáni állapotot általában végállapotnak nevezzük, és a végállapotban az anyagokat termékeknek hívjuk.

Ahogy már eddig észrevehetted, ebben a bejegyzésben elég sok kémiai alapfogalmat, amely szükséges a téma teljes megértéséhez, már nem magyarázunk meg terjedelemi okok miatt. Ha szeretnél ezekről többet tudni, akkor jó kiindulópont találsz itt:

Kémiai alapok

Kémiai reakcióegyenlet

A kémiai reakciókat tömör formában a kémiai reakcióegyenletekkel írjuk le. A reakcióegyenletekben az elemek kémiai részecskéit jelölő vegyjeleket és képleteket, illetve vegyületek részecskéit megtestesítő képleteket adjuk meg. A vegyjeleket vagy képletek egy önálló kémiai részecskénk tekinthetjük, még akkor is, ha egyébként ez nem felel meg teljesen a kémiai valóságnak. A kiindulási anyagokat bal oldalra, a termékeket a jobb oldalra írjuk, és a két oldalt egyenlőségjellel, vagy különböző formájú nyilakkal választjuk el. Tehát a bal oldal felel meg a kiindulási állapotnak, és a jobb oldal meg a végállapotnak. Az elemek és vegyületek „részecskéi” elé azok darabszámait írjuk be. Az elemek és vegyületek elé írt számokat sztöchiometriai számnak nevezzük. Tehát ezek a sztöchiometriai számok azt fogják jelenteni, hogy a reakcióban résztvevő anyag „részecskéiből” hány darab van a reakcióegyenletben. A kémiai részecskék önálló egységek, így nem értelmezhető fél, vagy egynegyed részecske. Következésképpen a sztöchiometriai számok mindig pozitív egész számok lesznek, ha a reakcióegyenletnek ezt az értelmezését használjuk. Az egyes sztöchiometriai számot nem írjuk ki, mivel eleve látjuk, hogy az adott anyag récsecskéjéből egy darab van a reakcióegyenletben. A reakcióban résztvevő anyagokon és sztöchiometriai számokon kívül más egyéb információt is fel lehet tüntetni a reakcióegyenletekben, mint például az anyagok halmazállapotát. Az alábbi kép látható kémiai reakcióban csak olyan elemek és vegyületek vesznek részt, amelyek molekulákat alkotnak, tehát a reakcióban az anyagok valóban ezekből a kémiai részecskékből épülnek fel. A kiindulási állapotban a metánmolekula (CH₄) 1 db szénatomból (C) és 4 db hidrogénatomból (H), illetve az oxigénmolekula (O₂) 2 db oxigénatomból (O) áll.  A végállapotban a szén-dioxid (CO₂) molekula 1 db szénatomból és 2 db oxigénatomból, illetve a vízmolekula (H₂O) 2 db hidrogénatomból és 1 db oxigénatomból áll. A fekete gömb a szénatomot, a fehér a hidrogénatomot és a vörös az oxigénatomot ábrázolja a képen. A metánmolekulából és szén-dioxid molekulából 1 db, amíg az oxigénmolekulából és vízmolekulából 2 db látható a reakcióegyenletben.

 

 

A kémia reakcióegyenletnek párhuzamosan vagy egy elvontabb értelmezése is. Eszerint a kémia elemeknek és vegyületeknek anyagi halmazai vannak jelölve a vegyjelekkel és képletekkel egy reakcióegyenletben, és a sztöchiometriai számok anyagmennyiségek. A részecskeként értelmezett sztöchiometriai számok teljesen kompatibilisek az anyagi halmazként értelmezett sztöchiometriai számokkal. Például a fenti képen látható reakcióban 1 db metánmolekula 2 db oxigénmolekulával reagál, következésképpen az is igaz lesz, hogy 6·10²³, azaz 1 mol metán molekula 2·6·10²³, azaz 2 mol oxigénmolekulával lép reakcióba. Az anyagi halmazokként értelmezett anyagok elé írt sztöchiometriai számok a reakcióban résztvevő anyagok anyagmennyiség arányait jelölik, és akár pozitív tört számok is lehetnek. Például a mentán és oxigén előtt a 0,5 és 1 sztöchiometriai szám szintén helyes, hiszen a metán és oxigén 1:2 anyagmennyiség arányát a valóságnak megfelelően írja le. Általánosan egy reakcióegyenletet a következőképpen tudunk felírni:

a·A + b·B → c·C + d·D

A nagybetűk a különböző anyagokat, a kisbetűk meg a hozzájuk tartozó sztöchiometriai számokat jelölik. Változatos, hogy hány anyag van a bal és jobb oldalon, de minimum egynek mindig lennie kell egy-egy oldalon.

A reakcióegyenlet és a kémiai valóság

Általában egy reakcióegyenlet két ponton tükrözi a kémiai valóságot. Egyrészről a reakcióegyenletben csak valóban létező elemi formák és vegyületek szerepelhetnek, azaz a vegyjeleket és képleteket helyes kell felírni. Például a fenti egyenletbe nem írhatunk CO₅-öt, mivel ilyen molekula nem létezik. Másrészről a reakcióegyenlet által leírt kémiai reakciónak szintén léteznie kell, tehát a reakcióegyenletben megadott kiindulási anyagokból a megadott termékeknek létre kell jönnie a valóságban is. Például helytelen lenne, ha a képen látható reakció jobb oldalára hidrogén-peroxid (H₂O₂) molekulát és szén-monoxid (CO) molekulát írnánk, mert bár ezek a molekulák léteznek, viszont sohasem fognak létrejönni a metán- és oxigénmolekula reakciójából. Ez utóbbi szabály alól csak a képződéshőkhöz tartozó reakcióegyenletek térhetnek el, de ezeknek elvont termokémiai jelentősége van, és nem szándékuk a kémiai valóságot tükrözni.

Anyagmegmaradás törvénye

A kémiai reakciónak a kiindulási és végállapotát zárt rendszernek tekintjük, ami nagy vonalakban azt jelenti, mintha a reakció egy zárt dobozban menne végbe. A reakció elkezdődése előtt csak a kiindulási anyagok találhatóak meg a dobozban, a reakció végeztével meg csak a termékek. Mivel az egyes elemek atomjai nem alakulhatnak át más elemekké egy kémiai reakcióban, ezért egy elemnek a kiindulási állapotban jelen lévő (a reakcióegyenlet bal oldalán feltüntetett) összes atomjának száma megegyezik az adott elem végállapotban jelen lévő (a reakcióegyenlet jobb oldalán feltüntetett) atomjainak a számával. Ez a szabály az anyagmegmaradás törvényént testesíti meg a reakcióegyenletben. Például a fenti képen látható kémiai reakcióban a bal oldalon 1 db metán molekula látható, amelyben 4 db hidrogénatom van. A jobb oldalon 2 db vízmolekula van, amelyben darabonként 2 db hidrogénatom látható. Tehát a bal és jobb oldalon is összesen 4 db hidrogén atomot találunk. Egy reakcióegyenletben nem feltétlenül kell beírni a sztöchiometriai számokat. Ha így járunk el, akkor a reakcióegyenletben a bal és a jobb oldal közé csak egy balról jobbra mutató nyilat teszünk, jelezve ezzel, hogy a sztöchiometriai számokat nem rendeztük. Amennyiben a sztöchiometriai számok tükrözik az anyagmegmaradás törvényét, a reakcióegyenletet rendezettnek nevezzük, és a két oldal közé egyenlőségjelet teszünk.

Egyensúlyi reakciók

Az egyensúlyi reakciókat érdemes kiemelnünk a kémiai reakciók különböző fajtái közül, mivel egy lényegi tulajdonságban eltérnek a több reakciótól. A kémia reakciókra általában úgy szoktunk tekinteni, hogy a kiindulási anyagok teljes egészében átalakulnak termékekké. Az egyensúlyi reakciókban viszont a reakció közben keletkező termékek elkezdenek visszaalakulni a kiindulási anyagokká. Tehát nem tud az összes kiindulási anyag terméké alakulni a termékek visszaalakulása miatt. A végállapot helyett egy úgynevezett egyensúlyi állapot fog kialakulni, ahol se a kiindulási anyagok anyagmennyisége, se a termékek anyagmennyisége nem változik már tovább. Az egyensúlyi reakcióra nézve olyan törvényszerűségek állapíthatóak meg, ami a nem-egyensúlyi reakciókra nem érvényesek. Az egyensúlyi reakciók leírásához ugyanúgy a reakcióegyenleteket szoktunk használni, de a bal és jobb oldal közé egy ellentétes irányba mutató kettős nyilat (⇌) teszünk, hogy jelezzük a lényegi eltérés.

A kémiai reakciók csoportosítása

Az kémiai reakciókat változatosságuk okán több szempont alapján is lehet csoportosítani. A csoportosítások nem zárják ki egymást, így egy adott kémiai reakciót több, különböző szempont alapján meghatározott csoportba is be lehet sorolni. A kiindulási anyagok és termékek száma alapján például megkülönböztetünk bomlásokat, ahol egy anyagból két anyag keletkezik, illetve egyesüléseket, ahol pont fordítva, két anyagból lesz egy. A reakciókat kísérő, szabad szemmel is látható jelenségek alapján, például vannak gázfejlődéssel és csapadékképződéssel járó reakciók. Részecske átmenet alapján megkülönböztetünk elektronátmenettel történő reakciókat, azaz redoxireakciókat, illetve protonátmenettel történő, azaz sav-bázis reakciókat. A kémia érettségi három nagy tudományága az általános, szervetlen és szerves kémia, és ezek szerinti szintén csoportosítani lehet a kémiai reakciókat. Az általános kémiában általában a feljebb már felsorolt csoportosításokhoz, vagy más, lényeges kémia elvhez szokás példareakciókat megadni. A szervetlen kémia reakcióegyenletei a fémek és nem-fémek kémiai reakcióit tárgyalják meglehetősen részletesen. A szerves kémia reakcióegyenletek egyrészről leírják a tipikus szerves kémiai reakciókat, mint a szubsztitúció, addíció, polimerizáció és elimináció, másrészről egy vegyületcsaládhoz, vagy vegyülethez tartozó reakciókat is tartalmazzák.

Periódusos rendszer

Mi a periódusos rendszer?

A periódusos rendszer a kémiai elemek főbb fizikai és kémiai tulajdonságait mutatja be táblázatos formában, illetve csoportosítja az elemeket elektronszerkezetük alapján. Gyakorlatilag a periódusos rendszer egy kémia puska, amiből az elemek legfontosabb tulajdonságait gyorsan ki lehet nézni. Minden elem egy külön cellát kap a táblázatban, amelyben az elem vegyjele biztosan fel van tüntetve, hiszen a vegyjel az elem rövid, egy vagy két betűs jelölése. A vegyjel alapján lehet azonosítani az elemeket a periódusos rendszerben. Persze felmerülhet a kérdés, hogy mi az elem, és ezen a fogalmon túl a periódusos rendszer megértéséhez ismernünk kell más kémiai alapfogalmakat is. Ha gondolod, jó kiindulópontot találsz a kémiai alapfogalmakhoz itt:

Kémiai alapok

A periódusos rendszer felépítése

Az elem vegyjelén kívül szinte biztosan fel van tüntetve a cellában az elem rendszáma. A rendszám az elemhez tartozó atomok protonszámával egyenlő. A rendszám balról jobbra és fentről lefele, tehát az olvasás irányában egyesével nő a periódusos rendszerben. A periódusos táblázat közepe hiányos. Például a táblázat első sorában csak két elem található a periódusos rendszer bal és jobb szélén. A periódusos rendszer aszimmetriája az elemek elektronszerkezet szerinti elrendezését tükrözi. Általában azok az elemek kerülnek egymás alá, amelyeknek az elektronszerkezete hasonló. Az elemek elhelyezkedése a periódusos rendszerben, azaz a periódusos táblázat felépítése kötött, szinte mindig teljesen azonos.

 

 

A táblázat felépítésén, az elemek elhelyezkedésén, az elemek vegyjelén és rendszámán kívül nincs más fizikai vagy kémiai tulajdonság, amit kötelező jelleggel minden periódusos rendszer változatban fel szoktak tüntetni. Gyakran szerepel a periódusos rendszer változatokban az elemek moláris tömege, elektronszerkezete, ionizációs energiája, olvadás- és forráspontja. Az előbbieken kívül szóba jöhet még sok más fizikai és kémiai tulajdonság feltüntetése is.

A periódusos rendszer részei

Az elemek kémiai tulajdonságai nagyban függnek az elemek elektronszerkezetétől. Tehát az elemek elektronszerkezetének használata, mint a periódusos rendszer felépítését kialakító rendező elv azt eredményezi, hogy a hasonló kémiai tulajdonságú elemek egymáshoz közel fognak elhelyezkedni. A táblázat sorait periódusoknak nevezzük, ezeket fentről lefele arab számokkal jelezzük a periódusos rendszer bal oldalán. Az oszlopokat csoportoknak hívjuk, és ezeket római számmal jelöljük a periódusos rendszer tetején. Megkülönböztetünk főcsoportokat, amelyeket a római szám mellett egy A betűvel, és mellékcsoportokat, amit a római szám mellett egy B betűvel jelölünk. Ezen kívül elektronszerkezeti alapon a periódusos rendszer bizonyos területeit mezőnek nevezzük. Az I-II. főcsoport alkotja az s-mezőt, a III-VIII. főcsoport a p-mezőt, a mellékcsoportok alkotják a d-mezőt, és az f-mezőnek nevezzük a táblázatból alulra kiemelt 2×14-es táblázatrészletet.

Ha a periódusos rendszer, vagy úgy általában a kémia azért érdekel, mert a kémia érettségire készülsz, akkor a hasznos információk találhatsz a Budapesti Reáltanoda kezdőoldalán. Ha a kémiát túlságosan bonyolultnak érzed, de magas érettségi pontszámra van szükséged az emelt szintű kémia érettségin, hogy felvegyenek álmaid egyetemére, akkor hadd ajánljuk figyelmedbe kémia érettségi felkészítő tanfolyamainkat.

Kémiai alapok

A kémia tárgya

A kémia az anyag tulajdonságait és átalakulásait tanulmányozza. Anyagból van minden szilárd tárgy, ami körül vesz minket, de a folyadékok és gázok szintúgy. Sőt, mi magunk is anyagból vagyunk. Csak néhány dolog van körülöttünk, ami nem anyag. Például ilyen a gravitációs erő, ami láthatatlan, de mégiscsak jelen van a szobában, hiszen a padlóra szegez minket. A különböző erőkkel viszont inkább a fizika foglalkozik, és a középiskolai kémia csak érintőlegesen. Az anyag sokfajta tulajdonságát különböztetjük meg. Például kő sűrűbb, mint a víz, ezért a kő elmerül a vízben. Vagy a vas keményebb, mint a jég, ezért is lehet egy vasból készült jégcsákánnyal felkapaszkodni egy jégfalon. Egy jégből készült csákánnyal viszont nem lehet felmászni egy vasfalon. A kémiai átalakulásokra a legkézenfekvőbb példa a fa égése, hiszen ki ne ült volna már tábortűz mellett. A fa egy anyag, amely más anyagokká, például hamuvá alakul át. Az átalakuló fa fényt és hőt bocsájt ki az átalakulás során, amelyeket együtt tűznek nevezünk. A tűz szintén egy jelenség, ami nem anyag, de akkor jön létre, amikor az anyag átalakul.

 

 

Atom

Az összes anyag így vagy úgy, de atomokból épül fel. Az atom nagyon-nagyon kicsi. A mi érzékelésünk számára gyakorlatilag egy kiterjedés nélküli tárgyacskának tekinthető. Mivel az atom roppant kicsi, egy számunkra érzékelhető kicsi tárgyat is felfoghatatlanul sok atom épít fel. Például egy homokszemben több milliárdszor milliárd atom van. Az atomot, mint az anyagot felépítő nagyon-nagyon kicsi tárgyacskát, a tudomány részecskének nevezi.

Proton és elem

Az atom egyik alkotórésze a proton. Az atomok különböző számú protont tartalmazhatnak, és a protonszám alapvetően meghatározza az atomok tulajdonságait. Viszont az azonos protonszámú atomok kémiai tulajdonságaik tökéletesen megegyeznek egymással, ezért egy elemhez soroljuk őket. Például a 6 darab protont tartalmazó atomok a szén nevű elemhez tartoznak, amelynek a jele a C betű. A természetben 94 elem fordul elő, és a szénhez hasonlóan mindegyiknek van neve és egy vagy két betűből álló rövid jelölése. Például az egy protont tartalmazó atomok a hidrogén elembe tartoznak, amelynek a jele a H betű, a 8 protonnal rendelkező atomok az oxigén elembe, amelynek a jele az O betű és így tovább. Az elemek alapvető információit, mint például a protonszámukat vagy rövid jelölésüket a periódusos rendszer foglalja össze. A 94 természetben előforduló elemeknek a kémiai tulajdonságai többé vagy kevésbé eltérnek. Az elemek kémiai változatossága az egyik oka annak, hogy a körülöttünk megtalálható anyagok szintén rendkívül változatos tulajdonságúak.

Elektron és elektronszerkezet

Az atom egy másik alkotórésze az elektron. Ha az atomot, mint egy hagymát képzeljük el, akkor a protonok a hagyma közepén helyezkednek el, az elektronok meg a hagyma héjain, a protonok körül. Egy hagymahéjon csak korlátozott számú elektron helyezkedhet el. Ha egy atomban több elektron van, mint egy másikban, akkor több hagymahéjon fognak elhelyezkedni az elektronok benne. Az elektronok elhelyezkedését a képzeletbeli hagymahéjakon elektronszerkezetnek hívjuk. Az elektronszerkezetben lesznek a protonokhoz közel elhelyezkedő, és lesznek tőlük távol, az atom külső részén elhelyezkedő elektronok. Az elektronok száma mindig azonos a protonok számával egy atomban. Egy bizonyos elem atomjaiban eltérő számú proton van, mint a többi elem atomjaiban, következésképpen egy elemre jellemző elektronszám és elektronszerkezet is eltérő lesz a többi elemétől.

Vegyületek

A 94 természetben előforduló elem közül összesen 6-nak van stabil elektronszerkezete. A maradék 88 elem elektronszerkezete többé vagy kevésbé instabil. A fizikai valóság egyik legalapvetőbb törvényszerűsége miatt az elemek megpróbálják stabilizálni az elektronszerkezetüket, ha az instabil. A stabil elektronszerkezetet egy atom a külső elektronok leadásával, felvételével vagy közösbe adásával érheti el. Egy atom csak egy másik atomnak tud elektront leadni, vagy elektront felvenni tőle. Az elektronok közösbe adása is atomok között történhet csak meg. Köznapi megfogalmazással az atomok a külső elektronjaikkal egymás között csereberélnek, hogy elérjék a stabil elektronszerkezetet. A legtöbb esetben néhány elektron csereberéje elég a stabil elektronszerkezet megszerzéséhez. Például egy nátrium atom egy elektront ad át egy klór atomnak, hogy mindkét atom elektronszerkezete stabil legyen. Ugyancsak eléri egy oxigén atom és két hidrogén atom a stabil elektronszerkezetet, ha az oxigén egy-egy elektronját a közösbe adja a két hidrogén egy-egy elektronjával. A csereberélés után a cserében résztvevő elemek atomjainak együtt kell maradniuk, hogy az elektronszerkezetük stabilitása megmaradjon. Az így együtt maradó atomokat együttesét vegyületeknek hívjuk. Egy vegyületre nem csak a vegyületet alkotó elemek jellemzőek, hanem a vegyületet alkotó elemek atomjainak aránya is. Például a nátrium és a klór atomokból egy-egy arányban létrejövő vegyületet a konyhasó. A hidrogén atomokat és oxigén atomokat kettő-egy arányba tartalmazó vegyület meg a víz. Tehát a 88 természetben előforduló elem az elektronszerkezetének stabilizálásához vegyületeket alkot. Egy bizonyos elem nem feltétlen fog vegyületet alkotni bármelyik másikkal, viszont akár kettőnél több elem is alkothat egy vegyületet. A vegyületek kémiai tulajdonságait befolyásolják, hogy milyen elemekből épülnek fel, de az is, hogy az elem atomjainak arányai milyenek bennük. Az elemek kémiai változatossága mellett, a belőlük képződő vegyületek kémiai változatossága nagyobbrészt felel a bennünket körülvevő anyagok sokszínűségéért.

Kémiai kötések

Az atomok egymással történő elektron csereberélése az atomokat összeköti, ezért az atomok elektronok által kialakított kapcsolatát kémiai kötésnek hívjuk. Egészen pontosan elsőrendű kémiai kötésnek. Az atomok közötti elsőrendű kémiai kötésnek három fajtája van. Fémes kötés alakul ki az elemek fémeknek nevezett csoportjánál, ahol nagyszámú fématom ad elektronokat a közösbe, és a közösbe adott elektronok hozzátartoznak a nagyszámú fématom mindegyikéhez. A kovalens kötésben általában két atom ad a közösbe egy-egy elektront, és a két elektron csak is kizárólag a két atomhoz fog tartozni. Egy atom több kovalens kötést is létrehozhat, így akár több atom is egymáshoz kapcsolódhat kovalens kötésekkel. Ha egy elem atomjai elektronokat adnak le, és egy másik elem atomjai ezeket az elektronokat felveszik, akkor ionos kötés jön létre közöttük.

Kémiai részecskék

Kémiai részecskének hívjuk a nagyon-nagyon pici tárgyacskákat, amelyekből az anyag felépül. Az atom természetesen egy, a kémia részecskék közül. A protonoknak pozitív elektromos töltése van, amíg az elektronoknak azonos nagyságú, de negatív elektromos töltéssel rendelkeznek. Mivel az atomban a protonok és elektronok száma mindig megegyezik, az atom kívülről nézve semleges töltésű. Egy atomból elektron leadással vagy felvétellel ion jön létre. A protonok számához képest megváltozik ez elektronok száma az elektron leadás és felvétel miatt, tehát az ion pozitív vagy negatív elektromos töltéssel rendelkező kémiai részecske. Pont ezért nevezzük az elektron leadással és felvétellel létrejövő kémiai kötést ionos kötésnek. A harmadik kémiai részecske fajtában, a molekulában, általában viszonylag kis számú atom kapcsolódik össze kovalens kötésekkel. Egy vegyület kémiai tulajdonságait, nemcsak a vegyületet alkotó elemek minősége és aránya határozza meg, hanem az is, hogy milyen elsőrendű kémiai kötések tartják össze, illetve, hogy milyen kémiai részecskékből áll a vegyület.