Хімі́чна реа́кція — це перетворення речовин, за якого молекули одних речовин руйнуються і на їхньому місці утворюються молекули інших речовин з іншим атомним складом. Усі хімічні реакції зображують хімічними рівняннями.
Прослідкувати хід хімічних реакцій можна за допомогою лазерів ультракоротких імпульсів.
Загальна характеристика Вихідні речовини, що вступають у хімічну реакцію, називаються реактантами (реагентами), а нові, які утворюються внаслідок такої реакції, — продуктами реакції.
Хімічні реакції завжди супроводжуються фізичними ефектами, що називаються ознаками хімічної реакції. До ознак хімічних реакцій, що зустрічаються найчастіше, належать: поглинання або виділення теплоти; зміна забарвлення реакційної суміші; утворення або розчинення осаду; виділення або поглинання газу; поява або зникнення запаху; виділення світла (світіння).
При хімічних реакціях загальна кількість атомів та ізотопний склад хімічних елементів не змінюються. Хімічні реакції можуть протікати мимовільно за звичайних умов, при нагріванні, за участі каталізаторів, при дії світла (фотохімічні реакції), електричного струму, іонізуючого випромінювання, механічних впливів, у низькотемпературній плазмі (плазмохімічні реакції) тощо.
Розрізняють:
реакції сполучення, у ході яких із декількох речовин утворюється одна складна сполука; реакції розкладу, коли з однієї речовини утворюється кілька сполук; реакції заміщення (реакції, у ході яких простіша речовина заміщує у складнішій якусь із її складових частин; реакції обміну, коли дві речовини обмінюються своїми складовими частинами.
Ендотермічні реакції відбуваються з поглинанням тепла, екзотермічні — з виділенням тепла.
Реакції можуть відбуватися як без зміни валентності елементів, що реагують, так і зі зміною валентності (так звані окисно-відновні реакції — вони супроводжуються переходом електронів від одного атома до іншого. Процес віддачі електронів називають окисненням, а приєднання їх — відновленням. Атоми, молекули та йони, які віддають електрони, називають відновниками, а ті, які приймають електрони — окисниками.
Розрізняють також прості і складні (зокрема ланцюгові) хімічні реакції. Крім того, існують необоротні та оборотні реакції.
За агрегатним станом розрізняють газо-, рідинно- та твердофазні хімічні реакції. Якщо вихідні речовини та продукти реакції перебувають в одній фазі, реакцію називають гомогенною, якщо в різних — гетерогенною. Особлива група хімічних реакцій — топохімічні реакції, які протікають на поверхні розділу твердої фази.
Для назви хімічної реакції використовують назву функціональної групи, яка бере участь у процесі хімічного перетворення (з'являється або навпаки — зникає), наприклад, нітрування, декарбоксилювання. Інколи назва хімічної реакції відображає структурні зміни молекул речовини — ізомеризація, циклізація тощо. Ряд хімічних реакцій мають спеціальний характер і відповідну назву — реакція нейтралізації, гідроліз, горіння та ін.
Реакції зміни забарвлення розчину — тіоціанат заліза(III) — дихромат калію — в осад випадає йодид свинцю(II) — в осад випадає гідроксид нікелю — в осад випадає гідроксид міді(II) — аміакат міді(II) — тіоціанат кобальту(II)
Баланс у системі Нехай у кожній точці системи локальна щільність її екстенсивної властивості (енергії, маси, ентальпії тощо) (наприклад, щільність маси ) є сталою величиною, однак змінюється з часом. Припустимо, у системі, яка складається з компонентів не відбувається жодна хімічна реакція. У цьому випадку макроскопічний закон збереження маси виглядає наступним чином:
,
де:
— щільність маси (скаляр); — швидкість компонента (вектор).
Дивергенція вектора у полі дорівнює похідній по об'єму потоку поля через замкнену поверхню:
,
де — нормальна складова вектору до ділянки .
Якщо нормаль додатна, спрямована поза поверхні, то додатне значення елементарного потоку крізь ділянку
означатиме витікання рідини з об'єму , який знаходиться всередині поверхні , а від'ємне — витікання рідини всередину цього об'єму. Потік крізь усю поверхню дорівнює інтегралу
.
Поділивши цей потік на об'єм , обмежений поверхнею , отримаємо усереднений потік на одиницю об'єму:
.
Якщо зменшити об'єм до нескінченно малої величини біля декотрої точки , отримаємо величину, як називається дивергенцією вектора у цій точці. У декартових координатах
.
Тепер якщо просумувати рівняння по усім компонентам , отримаємо закон збереження повної маси (рівняння матеріального балансу):
,
де — повна щільність, — масова швидкість (швидкість центру мас), які визначаються співвідношеннями:
,
.
У рухомому потоці загальна зміна властивості, наприклад маси в елементі об'єму уздовж руху її центру мас, можна виразити як суму локальної зміни у нерухомому елементі об'єму й зміни, пов'язаної із переміщенням уздовж лінії руху:
.
Це співвідношення можна переписати у вигляді рівняння
,
оскільки
.
Відповідно до рівнянь та можна отримати інші форми виразу закону збереження повної маси:
,
,
де — питомий об'єм та .
Нехай — концентрація відповідного компонента,
,
дифузійний потік цього компонента відносно руху центру мас
,
тоді рівняння запишеться у вигляді
.
Якщо у системі відбувається хімічна реакція, то потрібно додати джерела, які продукують компонент
,
де — швидкість -ї хімічної реакції, — кількість компонента , який утворився в одиницю часу в одиниці об'єму в реакції .
Із врахуванням джерел рівняння матеріального балансу буде мати вигляд:
.
Закон збереження енергії відповідно до рівнянь вище запишеться наступним чином:
,
де — повна енергія, — повний потік енергії на одиницю маси.
Нехай повна питома енергія визначається сумою
,
де — питома кінетична енергія, — питома потенційна енергія та — питома внутрішня енергія. З макроскопічної точки зору містить лише енергію теплового руху й внесок короткодіючих сил.
У 1903 році Ейнштейн за допомогою розробленої ним теорії відносності довів, що маса тіла, яке рухається, перевищує його масу у стані спокою. При цьому виконується співвідношення:
,
де — маса, яка рухається, — маса у стані спокою, — швидкість руху частинки, — швидкість руху світла у вакуумі. Таким чином, збільшення швидкості руху тіла та, відповідно, збільшення його енергії приводить до збільшення маси. Ейнштейном було також доведено, що маса тіла пов'язана із його енергією
.
Не можна вважати, що цей закон свідчить про можливість перетворення маси в енергію і тим більше матерії в енергію. Маса та енергія — лише властивості матерії. Маса є мірою її інертності, енергія — мірою руху, тому вони не зводяться одна до одної і не перетворюються одна в одну. Перетворення матерії у рух означало б можливість руху без матерії, що є неприпустимим.
Класифікація хімічних реакцій
За типом перетворень Хімічні реакції класифікуються за такими ознаками: 1) зміна або відсутність зміни кількості реагентів і продуктів реакції. За цією ознакою реакції поділяються на чотири основних типи: реакція сполучення — реакція, під час якої з двох або кількох речовин утворюється одна. реакція розкладу — реакція, під час якої з однієї речовини утворюється дві або кілька нових речовин. реакція заміщення — реакція між простою і складною речовинами, у процесі якої атоми простої речовини заміщують атоми одного з елементів у складній речовині, внаслідок чого утворюються нова проста і нова складна речовини. реакція обміну — реакція, у процесі якої дві складні речовини обмінюються своїми складовими частинами. багатостадійна реакція — реакція, що складається не менше, ніж із двох послідовних елементарних стадій (етапів), де утворюється хоча б одна проміжна сполука. Синонім — поетапна реакція.
Такий розподіл, або класифікація, реакцій на окремі групи полегшує їх вивчення, оскільки реакції тієї чи іншої групи або типу мають ряд спільних ознак. Більшість хімічних реакцій, що відбуваються в природі і техніці, являють собою досить складний комплекс різнотипних реакцій. +РеакціяЗагальна схемаПрикладиСполученняA + B → ABC + O2 → CO2CaO + CO2 → CaCO3C2H4 + HBr → C2H5BrCO2 (г) + H2O (р) → H2CO3 (aq)H2CO3 (aq) + BaCO3 (тв) → Ba(HCO3)2(aq) (T ≈ 298 K, P ≈ 100 кПа)CaO (тв) + H2O (р) → Ca(OH)2(тв) (T = 298,15 K, P = 101,325 кПа; ΔH = −63,7 кДж/моль)РозкладуAB → A + B2 H2O → 2 H2 + O2C2H5Br → C2H4 + HBrZnCO3 (тв) → ZnO (тв) + CO2(г) (T >> 373 K, P ≈ 100 кПа)ЗаміщенняA + BC → B + ACZn + CuSO4 → Cu + ZnSO42 Al + 6 HCl → 2 AlCl3 + 3 H2↑O2 (г) + HgS (тв) → Hg (г) + SO2 (г)C (тв) + ZnO (тв) → Zn (г) + CO (г) (T > 1223 K, P ≈ 100 кПа)C (тв) + H2O (г) → H2(г) + CO(г) (T ≥ 1273 K, P ≈ 101 кПа; ΔH ≈ +120 кДж/моль)ОбмінуAB + CD → AD + CBC2H5OH + HONO2 → C2H5ONO2 + H2OBaCl2 + H2SO4 → BaSO4 + 2 HClCuCl2 + NaOH → Cu(OH)Cl↓ + NaClCu(OH)Cl + HCl → CuCl2 + HOHNaOH (aq) + HCl (aq) → NaCl (aq) + HOH (р)NaCl (aq) + AgNO3 (aq) → NaNO3 (aq) + AgCl (тв) (T ≈ 298 K, P ≈ 100 кПа)ІзомеризаціїПерегрупування атомів у молекуліα глюкоза β глюкоза Окрім того, існують взаємодії, у яких утворені продукти є хімічно ідентичними до реактантів, наприклад, бімолекулярна реакція обміну: CH3I + I− →CH3I + I– Такі реакції називають ідентичними або виродженими.
За зміною ступенів окиснення
Другою ознакою класифікації хімічних реакцій є зміна або відсутність зміни ступенів окиснення елементів, що входять до складу речовин, які реагують. За цією ознакою реакції поділяються на окисно-відновні та такі, які відбуваються без зміни ступенів окиснення елементів.
З погляду електронної теорії валентності окисненням називається процес віддачі атомом, молекулою або іоном електронів, незалежно від того, бере кисень участь у реакції чи не бере. Процес приєднання атомом, молекулою або іоном електронів називається відновленням. Атом, молекула або іон, що віддає електрони, називаються відновником. Віддаючи електрони, сам відновник окиснюється. І навпаки, атом, молекула або іон, що приєднує електрони, називають окисником. Приєднуючи електрони, окисник відновлюється.
При окисно-відновних реакціях усі електрони, що втрачаються відновником, переходять до окисника. Тому загальна кількість електронів, відданих відновником, обов'язково повинно дорівнювати кількості електронів, приєднаних окисником. З цього виходить, що процеси окиснення і відновлення взаємно зв'язані і один без одного відбуватися не можуть. Кількість відданих і приєднаних електронів знаходять за зміною валентності відповідних елементів. При цьому в рівняннях окисно-відновних реакцій над символами кожного елементу, що змінюють валентність, позначають їх валентність відповідною кількістю знаків плюс, мінус або нуль.
Прикладом окисно-відновної реакції є реакція окиснення (розчинення) міді розбавленою нітратною кислотою: 3 Cu + 2HN+5O3(aq) + 6HNO3(aq) → 3Cu+2(NO3)2(aq) + 2N+2O(г) + 4H2O (р)
Серед окисно-відновних реакцій виділяють: реакції диспропорціонування (самоокиснення-самовідновлення): 3AuF → 2Au (тв) + AuF3 4KClO3 → KCl + 3KClO4 3K2MnO4 + 2H2O → MnO2 + 2KMnO4 + 4KOH реакції внутрішньомолекулярного окиснення-відновлення: 2Ag2O → O2 (г) + 4Ag(тв) 2KClO3 → 2KCl + 3O2 (NH4)2Cr2O7 → N2 (г) + Cr2O3 + 4H2O 2AgNO3 → 2Ag(тв) + 2NO2 + O2 реакції міжмолекулярного окиснення-відновлення: H2 (г) + F2 (г) → 2HF KClO4 + 4C(тв) → KCl + 4CO KClO4 + 2C(тв) → KCl + 2CO2 3H2S + K2Cr2O7 + 4H2SO4 → 3S(тв) + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O 3C(тв) + 2KNO3 + S(тв) → 3CO2 + N2 (г) + K2S 3As2S3 + 28KNO3 + 4H2O → 6H3AsO4 + 9H2SO4 + 28NO
За тепловим ефектом реакції
Наступною ознакою класифікації хімічних реакцій є виділення або поглинання енергії в процесі реакції. За цією ознакою реакції, що відбуваються з виділенням енергії (тепла), називаються екзотермічними. До них належить більшість хімічних реакцій. Наприклад, реакції сполучення заліза із сіркою, горіння магнію і фосфору в повітрі, гашення паленого вапна:
Fe + 2S → FeS2 2Mg + O2 → 2MgO 4P + 5O2 → 2P2O5 CaO (тв) + H2O (р) → Ca(OH)2 (T = 298,15 K, P = 101,325 кПа; ΔH = −63,7 кДж/моль)