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 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.