Klasifikace chem. reakcí

Transkript

1 Chemické reakce

2 Chemické reakce Chemická reakce spočívá ve vzájemné interakci základních stavebních částic výchozích látek (atomů, molekul, iontů), vedoucí ke spojování, oddělování či přeskupování atomových jader za takové současné změny v rozložení elektronů, která vede ke vzniku stálejších struktur. Proces vedoucí za vhodných podmínek ke změně chemické struktury Látky vstupující do reakce reaktanty Látky z reakce vystupující produkty Změny rozložení el. hustoty dochází k zániku a vzniku chem. vazeb

3 Klasifikace chem. reakcí Klasifikace vychází: z vnějších jevových znaků reakce (starší klasifikace) vazebných změn při reakci charakteru reagujících látek přenášených částic energetiké změny průběhu reakcí

4 Klasifikace reakcí Podle počtu fází v reakční směsi: reakce homogenní reakce, při kterých jsou všechny reakční složky v jedné fázi (zpravidla plynné nebo kapalné) N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) reakce heterogenní reakce probíhající na fázovém rozhranní reaktantů, které jsou v různém skupenství CuSO 4 (aq) + Fe(s) FeSO 4 (aq) + Cu(s) (s) pevná látka (solid) (l) kapalina (liquid) (g) plyn (gas) (aq) vodný roztok (aqua solution)

5 Klasifikace reakcí Podle vnějších změn při reakci: reakce skladné (syntetické, syntézy) reakce, při kterých se jednodušší výchozí látky (prvky nebo sloučeniny) slučují (skládají) a vznikají látky složitější. NH 3 + HCl NH 4 Cl Mezi reakce skladné patří i reakce adiční (organická chemie). Při adiční reakci se k molekule substrátu přidává (aduje) molekula činidla. Obvykle dochází k zániku násobné vazby. CH 2 =CH 2 + H 2 CH 3 -CH 3

6 Klasifikace reakcí Podle vnějších změn při reakci: reakce rozkladné (disociace) reakce, při kterých se složitější látky štěpí (disociují) na látky jednodušší. Opak reakcí skladných. 900 C CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) (tepelná disociace) Mezi rozkladné patří i eliminace (organická chemie). Dochází k odštěpení menší části z molekuly, často za vzniku násobné vazby.

7 Klasifikace reakcí Podle vnějších změn při reakci: reakce substituční (záměnné) reakce, při nichž jsou atom nebo skupina atomů (funkční skupina) v molekule dané sloučeniny vyměněny za jiný atom nebo skupinu atomů. Nedochází ke změně celkového počtu částic. CH 3 CH 2 Cl(aq) + I - (aq) CH 3 CH 2 I(aq) + Cl - (aq) Nejběžnější reakce organických látek. přesmyk (izomerace) přeskupení uvnitř molekuly

8 Klasifikace reakcí Podle vnějších změn při reakci: Podvojné přeměny (konverze) spražením dvou záměných reakcí vznikají podvojné přeměny neboli konverze NaCl(s) + H 2 SO 4 (l) NaHSO 4 (s) + HCl(g) 1. Neutralizace kyselina + zásada sůl + voda 2. Srážecí reakce 3. Vytěsnění slabší kyseliny, silnější kyselinou (ze soli)

9 Klasifikace reakcí Podle vazebných změn: Štěpení vazeb štěpí-li se kovalentní vazba mezi atomy s blízkou elektronegativitou (štěpení symetrické) homolýza kovalentní vazby. Každá ze vzniklých částic si z vazby ponechá jeden elektron (vznik radikálů) Při heterolýze (nesymetrickém štěpení) kovalentní vazby vznikají ionty (elektronový pár si ponechává jen jedna ze vzniklých částic)

10 Klasifikace reakcí Podle vazebných změn: Vznik nových vazeb většinou dojde ke spojení dvou dosud samostatných částic v jeden celek za vzniku kovalentní, koordinačně kovalentní nebo iontové vazby Koligace vznik vazby z radikálů Koordinace vznik vazby z iontů Současné štěpení některých a vznik jiných vazeb

11 Klasifikace reakcí Podle reagujících částic: reakce molekulové všechny reakční složky jsou v průběhu celé reakce elektroneutrální molekuly NO 2 + CO NO + CO 2 reakce radikálové složité reakce, kterých se jako nestálé, velmi reaktivní meziprodukty účastní částice s nepárovými elektrony (radikály). Většinou probíhají řetězovým mechanismem.

12 Klasifikace reakcí

13 Klasifikace reakcí Podle reagujících částic: reakce iontové reakce probíhající ve vodném prostředí (polárním prostředí). Většina reakcí anorganických látek. Lze zkrátit vynechání iontů neúčastnících se reakce. CuSO 4 (aq) + Fe(s) FeSO 4 (aq) + Cu(s) nezkráceně: Cu 2+ (aq) + SO 4 2- (aq) + Fe(s) Fe 2+ (aq) + SO 4 2- (aq) + Cu(s) zkráceně: Cu 2+ (aq) + Fe(s) Fe 2+ (aq) + Cu(s)

14 Klasifikace reakcí Podle přenášených částic: reakce redukčně-oxidační (redoxní) reakce, u nichž dochází k jinému rozdělení nebo přenosu elektronů mezi reakčními složkami. Atomy elektrony přijímají (redukují se) a jiné je ztrácejí (oxidují se) Oxidace zvětšení kladného ox. čísla nebo změnšení záporného ox. čísla. Redukce zmenšení kladného ox. čísla nebo zvětšení záporného ox. čísla

15 Klasifikace reakcí Podle přenášených částic reakce protolytické (acidobazické) dochází k přenosu protonů H + Látka uvolňující proton kyselina Látka přijímající proton - zásada

16 Klasifikace reakcí Podle přenášených částic: reakce koordinační (komplexotvorné) vyznačují se jiným rozdělením nebo přenosem celých atomů

17 Klasifikace reakcí Podle tepelného zabarvení: Exotermní reakce teplo se uvolňuje (neutralizace, buňěčné dýchání) Endotermní reakce teplo je nutné dodávat (tepelný rozklad, fotosyntéza) Atermické teplo se ani nepostřebovává a ani neuvolňuje (v přírodě se často nevyskytují)

18 Klasifikace reakcí Podle reakčního mechanismu: Adice (A) dochází k navázání činidla na násobnou vazbu substrátu řídí se Markovníkovovým pravidlem hydratace, halogenace, hydrogenace Dle typu činidla elektrofilní (A E ) činidlo je elektrofil (částice vyhledávající zvýšenou el. hustotu, zpravidla kladný náboj) nukleofilní (A N ) činidlem je nukleofil (částice vyhledávající sníženou el. hustotu, zpravidla záporný náboj) radikálové (A R ) činidlem je radikál (částice s minimálně jedním nepárovým elektronem)

19 Klasifikace reakcí Podle reakčního mechanismu: Eliminace (E) dochází k odštěpení zpravidla jednoduché organické sloučeniny za vzniku násobné vazby řídí se Zajcevovým pravidlem dehydrogenace, dehydratace

20 Klasifikace reakcí Podle reakčního mechanismu: Substituce (S) dochází k nahrazení atomu nebo funkční skupiny substrátu za jiný atom nebo funkční skupinu Podle typu činidla: radikálová (S R ) činidlem je látka, která se za vhodných podmínek štěpí na radikály. Skládá se ze tří fází (iniciace štěpení činidla na radikály, propagace napadání substrátu atvroba dalších radikálů, terminace spojování radikálů a ukončení reakce) elektrofilní (S E ) substrát je napaden elektrofilem za vzniku π- komplexu, který se následně přesmykne na σ-komplex. Poslední fáze je odštěpení vodíkového kationtu. Nitrace, halogenace, sulfonace

21 Klasifikace reakcí Podle reakčního mechanismu: Substituce (S) dochází k nahrazení atomu nebo funkční skupiny substrátu za jiný atom nebo funkční skupinu Podle typu činidla: nukleofilní (S N ) substrát je napaden nukleofilem. Dva reakční mechanismy S N1 a S N2 přesmyk (izomerace) dochází ke změně struktury látky. Nemění se ani počet ani druh atomů tvořících molekulu. Zpravidla dochází k přeměně méně stabilní sloučeniny na její stálejší izomer.

22 Klasifikace reakcí Podle směru reakce: přímé základní typ reakce zpětné reakce probíhající stejným mechanismem, ale opačným směrem bočné několik současně běžících reakcí spotřebovává stejnou výchozí látku, ale jejich produktem jsou různé sloučeniny následné produkt reakce dál reaguje stejným mechanismem (polymerace, radikálové reakce)

23 Klasifikace reakcí Podle počtu reagujících molekul: monomolekulární reaguje jedna molekula (dekompozice, rozklad) A P bimolekulární musí se srazit dvě molekuly (nejčastější typ reakcí). Odpovídají reakcím druhého řádu. A + A P A + B P trimolekulární musí se srazit tři molekuly v jednom okamžiku (vzácný typ reakcí)

24 Klasifikace reakce Podle rovnováhy reakce: jednosměrné zpětná reakce je zanedbatelná rovnovážné reakce běží až do chemické rovnováhy

25 Chemická kinetika studuje rychlosti těch reakcí, které jsou z energetického hlediska uskutečnitelné zabývá se faktory, které ovlivňují reakční rychlost cílem je objasnění reakčních mechanismů Dělení reakcí z pohledu kinetiky: izolované probíhající v soustavě samy simultání současně probíhá v soustavě několik reakcí zvratné bočné následné komplexní

26 Chemická kinetika Reakční rychlost A B

27 Chemická kinetika Reakční rychlost je dána časovým úbytkem látkového množství kterékoliv výchozí látky nebo přírůstkem látkového množství kteréhokoliv produktu reakce děleným stechiometrickým koeficientem Molekularita reakce udává počet částic, které se musí srazit, aby došlo k reakci těsně souvisí s mechanismem reakce nejpravděpodobnější bimolekulární reakce

28 Chemická kinetika Rychlost reakce je přímo úměrná součinu okamžitých koncentrací výchozích látek. Kinetická rovnice aa + bb produkty k(t) rychlostní konstanta α+β se nazývá řád reakce (reakční řád) Řád reakce u jednoduchých izolovaných reakcí odpovídá součtu stechiometrických koeficientů dané rovnice

29 Chemická kinetika Faktory ovlivňující rychlost reakce: koncentrace teplota tlak katalyzátor světlo

30 Chemická kinetika Vliv koncentrace ubývá výchozích látek a přibývá produktů reakce se zpomaluje až zcela ustane. Ustaví se dynamická rovnováha, kdy se vyrovnají rychlosti přímé a zpětné reakce rychlost reakce je funkcí okamžitých koncentrací reaktantů (Guldberg a Waage) dynamická rovnáha Po dosažení dynamické rovnováhy celkové koncentrace látek se nemění, ale obě reakce běží neustále

31 Chemická kinetika Dynamická rovnováha Rovnovážná konstanta

32 Chemická kinetika Vliv teploty rychlostní konstanta je silně závislá na teplotě Zvýšení teploty výchozích látek o 10 C má za následek dvoj až čtyřnásobné zvýšení reakční rychlosti. (Van t Hoffovo pravidlo) se změnou teploty se mění i hodnota rovnovážné konstanty Arrheniova rovnice fyzikální výklad plyne ze srážkové teorie reakční rychlosti A předexponenciální faktor, EA aktivační energie, R univerziální plynová konstanta (8,314 J/molK), T absolutní teplota

33 Chemická kinetika Srážková teorie reakční rychlosti vychází z kinetické teorie plynů k reakci dojde pouze pokud: částice jsou vhodně prostorově orientované mají dostatečnou kinetickou energii (aktivační energie) četnost srážek je daná koncentrací reagujících látek ostatní srážky jsou neúčinné (nevedou ke vzniku produktů) výsledky neodpovídají experimentálnímu měření srážky nelze přirovnávat ke srážkám koulí

34 Chemická kinetika Teorie aktivovaného komplexu výsledky bližší skutečnosti soustava prochází stádiem tzv. aktivovaného komplexu Aktivovaný komplex oslabení vazeb v molekulách reaktantů a současná tvorba vazeb nových energetická bilance při štěpení původních vazeb spotřeba energie při vzniku vazeb nových uvolnění energie výhodnější energetická bilance než teorie aktivních srážek

35 Chemická kinetika Vliv katalyzátoru katalyzátor se v průběhu reakce nepostřebovává katalyzátory mění reakční cestu (reakční mechanismus) vedoucí od reaktantů k produktům. Neposune chem. rovnováhu a ani nemění složení systému změnou mechanismu dojde ke změně aktivační energie řídícího děje

36 Chemická kinetika Katalýza homogenní katalyzátor ve stejné fázi jako reaktanty heterogenní katalyzátor v jiné fázi než reaktanty (tuhý katalyzátor) Haber-Boschův proces

37 Chemická kinetika Biokatalyzátory (Enzymy) chemicky se jedná o proteiny reakční (aktivní) místa mají specifickou geometrii. Pouze molekula zapadající do aktivního místa může reagovat. toxiny mohou blokovat aktivní místo nebo omezit jejich účinek

38 Chemická kinetika Katalyzátory pozitivní snižují aktivační energi a tím urychlují průběh reakcí negativní (inhibitory) zvyšují aktivační energii tedy zpomalují průběh reakce

39 Chemická kinetika Ovlivnění rovnovážného složení soustavy změnou koncentrace odebíráním produktu či přidáním výchozí látky změnou tlaku v reakcích, při nichž se mění látková množství plynných reakčních složek. Zvýšení tlaku vede k reakci ve směru změnšení látkového množství složek v soustavě. změnou teploty u endotermických reakcí se s rostoucí teplotou hodnota rovnovážné konstanty zvětšuje a u exitermických reakcí naopak klesá katalyzátorem nedochází k ovlivnění rovnovážné konstanty

40 Chemická kinetika Reakce 0. řádu reakční rychlost nezávisí na čase a probíhá konstantní rychlostí v = k (rychlost se rovná rychlostní konstantě) velmi pomalé reakce (prakticky se nemění koncentrace reaktantů)

41 Chemická kinetika Reakce 1. řádu rychlost přímo úměrná koncentraci složky