Kémiai reakciók

Azokat a változásokat, amelyek során új anyag keletkezik /az anyag szerkezete és összetétele is megváltozik/ kémiai változásoknak /kémiai reakcióknak nevezzük. A kémiai reakciók többnyire együtt járnak fizikai változással is (például hőfejlődés, halmazállapot-változás, színváltozás). A kémiai reakciók jelölésére kémiai egyenletet használunk.

Kémiai reakciók csoportosítása A reakcióban részt vevő anyagok száma szerint: átalakulás (izomerizáció, A → B) bomlás (A → B + C) egyesülés (addíció, szintézis, A + B → C) helyettesítés (szubsztitúció, A + BC → AC + B) cserebomlás (kölcsönös szubsztitúció, AC + BD → AD + BC, elsősorban vizes közegben jellemző)

2. A reakció során lejátszódó folyamat kémiai jellege szerint: redoxi reakciók: oxidációsszám-változással járnak sav-bázis reakciók 3. A reakció termodinamikai jellege szerint: exoterm reakciók (-ΔH, energiafelszabadulással, hőfejlődéssel jár) endoterm reakciók (+ΔH, energiaelnyeléssel, hőmérséklet csökkenésével jár)

4. Időbeli lefolyás szerint: Pillanatszerűek: Közepes sebességgel végbemenők: Végtelen lassú reakciók /rozsdásodás/

5. A folyamatok irányát tekintve: Megfordítható Egyirányú.

Egyesülés (szintézis) A kémiai reakciónak az a fajtája, amikor két anyag egyetlen újabb anyaggá egyesül. - a hidrogéngáz és az oxigéngáz egyesülése vízgőzzé 2H2 + O2 -> 2H2O - a hidrogéngáz és az klórgáz egyesülése sósavvá H2 + Cl2 -> 2HCl - a vaspor és kénpor keverékének egyesülése vas-szulfiddá Fe + S -> FeS

Bomlás (disszociáció) A kémiai reakciónak az a fajtája, amikor egy anyag két vagy több másfajta anyagra bomlik. víz bontása elektrolízissel hidrogéngázra és az oxigéngázra 2H2O -> 2H2 + O2 - a mészkő bomlása kalcium-oxiddá (égetett mész) és szén-dioxiddá a mészégetéskor CaCO3 -> CaO + CO2 - a higany(II)-oxid bomlása hevítéskor oxigénre és higanyra 2HgO -> 2Hg + O2

Cserebomlás A kémiai reakciónak az a fajtája, amikor két vegyület egymásrahatásakor az őket összetevő alkotórészek (gyökök, illetve ionok) kicserélődnek egymással. a kalcium-klorid és a nátrium-karbonát (szóda) reakciója CaCl2 + NaCO3 -> CaCO3 + 2 NaCl - a bárium-klorid és a kénsav reakciója BaCl2 + H2SO4 -> BaSO4 + 2 HCl - a vas-oxid és az alumíniumreakciója (az úgynevezett termit reakció). Fe2O3 + Al -> Al2O3 + Fe Ekkor folyékony vas és aluminium-oxid keletkezik. A reakció igen magas hőfejlődéssel jár, ezért vasútisinek hegesztésére használják.

Redoxi reakciók Redoxi folyamatoknak nevezzük azokat a kémiai reakciókat, melyek az oxidációfok (lásd: oxidációs szám) megváltozásával járnak. Ezekben a folyamatokban az egyik reakciópartner felvesz, a másik pedig veszít, lead elektronokat. Egyszerűen értelmezve oxidáció az a folyamat, amikor egy anyag oxigénnel egyesül. például a hidrogén égése vízzé: 2H2+ O2 = 2 H2O Általánosabb értelmezésben oxidációnak nevezzük azt a folyamatot, amikor a vegyület pozitív alkotórészének (kation) vegyértéke nő, vagyis, amikor egy ion vagy molekula elektronokat ad le. Például: a vas(II)-vegyületből vas(III)-vegyület keletkezik 2 FeO + O = Fe2O3 a réz(I)-ion réz(II)-ionná alakul elektron leadással Cu(I) = Cu(II) + e-

Redukció az oxidációval ellentétes folyamat, vagyis az oxigén elvonása egy anyagból. például bizonyos fémoxidok szénnel vagy hidrogénnel hevítve fémmé redukálhatók: Fe2O3 + 3 C = 2 Fe + 3 CO CuO + H2 = Cu + H2O Általánosabb értelmezésben redukciónak nevezzük azt a folyamatot, amikor a vegyület pozitív alkotórészének (kation) vegyértéke csökken, vagyis, amikor egy ion vagy molekula elektronokat vesz fel. például: a réz(II)-ion réz(I)-ionná alakul elektron felvétellel Cu(II) + e- = Cu(I)

Az elektront leadó partner oxidálódik, oxidációs száma nő Az elektront leadó partner oxidálódik, oxidációs száma nő. Ezek a reakciópartnerek a redukálószerek. Az elektront felvevő partner redukálódik, oxidációs száma csökken. Ezek az oxidálószerek. Oxidálószerek lehetnek: a nagy elektronegativitású elemek, jellemzően a VI. és VII. főcsoport elemei, (pl.: O2, O3, F2, Cl2, Br2) valamint olyan vegyületek (molekulák, ionok), melyekben magas oxidációfokú elemek találhatók (pl.: MnO4-, Cr2O72−, H2O2, valamint egyéb, főleg szerves peroxidok).

Redukálószerek: elektron leadására hajlamos elemek, különösen az első két főcsoport tagjai (alkáli- és alkáliföldfémek valamint a hidrogén), de a legtöbb fém és néhány nemfémes elem (pl.: szén, nitrogén) is képes redukáló ágensként szerepelni a redox folyamatokban. Ugyancsak oxidálódhatnak („redukálószerek”) a szerves vegyületek többsége is (pl.: cukrok, alkoholok, egyes vitaminok). Ez utóbbiak antioxidáns hatással rendelkeznek.

Sav- bázis reakciók Sav-bázis elméletek 1. Arrhenius (Ostwald) elmélet (elektrolitikus) disszociáció savak H+-ra és savmaradékra disszociálnak bázisok OH--ra és kationra disszociálnak hiányosságok: (i) csak vizes közegben érvényes (ii) H+-ion oldatban önmagában nem létezhet (iii) spontán disszociációt feltételez (iv) sók hidrolízisét (pl. Na2CO3 v. NH4Cl) nem tudja értelmezni

2. Brönsted - Lowry elmélet sav-bázis párok közötti protonmegoszlási reakciók savak H+ iont adnak le (protondonorok) bázisok H+ iont vesznek fel (protonakceptorok) sav1 + bázis2 <=> bázis1 + sav2 H+

sav1 + bázis2 <=> bázis1 + sav2 HNO3 + H2O <=> NO3- + H3O+ CH3COOH + H2O <=> CH3COO- + H3O+ HClO4 + HNO3 <=> ClO4- + H2NO3+ H2O + CH3COO- <=> OH- + CH3COOH H2O + (Na+) + OH- <=> OH- + (Na+) + H2O NH4+ + H2O <=> NH3 + H3O+

2. Brönsted - Lowry elmélet jellemzői a protonért folytatott versengés (kompetíció) korlátja, hogy a savas funkciót a proton jelenlétéhez köti nemvizes közegekre is alkalmazható a sav erőssége erősen függ az oldószertől értelmezi a disszociációt értelmezi a hidrolízist erős sav: konjugált bázispárja gyenge bázis a savas vagy bázisos karakter függ attól, hogy milyen reakcióba visszük az anyagot, pl.

Savasság, bázikusság jellemzése az “ónium” ionok koncentrációjával Öndisszociáció (autoprotolízis) H2O + H2O <=> H3O+ + OH- (K = 10-14 M2) H2SO4 + H2SO4 <=> H3SO4+ + HSO4- (K = 10-4 M2) NH3 + NH3 <=> NH4+ + NH2- (K = 10-22 M2) Savasság, bázikusság jellemzése az “ónium” ionok koncentrációjával

savak elektronpár befogadására képesek (akceptorok, pl. fémionok) 3. Lewis-féle elmélet savak elektronpár befogadására képesek (akceptorok, pl. fémionok) bázisok elektronpár átadására képesek ( donorok, nemkötő e--párral rendelkező vegyületek) magában foglalja és kiterjeszti a Brönsted - Lowry elméletet H3O+ + :Cl- <=> HCl + H2O a komplexképződést is beolvasztja a sav-bázis reakciók körébe - hátránya: nem tehető kvantitatívvá

a redoxireakciókat is beolvasztja a sav-bázis reakciók körébe 4. Uszanovics elmélet savak elektron vagy anion felvételére ill. proton vagy kation leadására képes vegyületek bázisok elektron vagy anion leadására ill. proton vagy kation felvételére képes vegyületek a redoxireakciókat is beolvasztja a sav-bázis reakciók körébe - nem túl jól sikerült...

A víz öndisszociációja H2O + H2O <=> H3O+ + OH- H3O+-t mostantól H+-nak jelöljük Kv = [H+].[OH-] = 10-14 M2 tiszta vízben: [H+] = [OH-]

A disszociáció egyensúly jellegéből adódóan: pKv = pH + pOH = 14 A pH fogalma semleges kémhatású vizes oldatban: pH = pOH = 7 pH = -lg10[H+] “p”X = “-log10”X A disszociáció egyensúly jellegéből adódóan: pKv = pH + pOH = 14 minden vizes oldatban! savas kémhatású vizes oldatban [H+] > [OH-]; pH < 7 lúgos kémhatású vizes oldatban [H+] < [OH-]; pH > 7