A) A kémiai reakció és leírása
Mi a kémiai reakció?
Olyan változás, melyben a kiindulási anyagokra jellemző kémiai kötések felbomlanak, új kötések képződnek, és más tulajdonságú anyagok (a termékek) keletkeznek.
A reakció lényege tehát az atomok átrendeződése: az atomok fajtája és száma nem változik, csak az, hogy hogyan kapcsolódnak egymáshoz. Ezért lesznek a termékek tulajdonságai egészen mások, mint a kiindulási anyagokéi.
A reakció létrejöttének feltételei
Ahhoz, hogy két részecske egyáltalán reakcióba lépjen, három feltételnek egyszerre kell teljesülnie:
- a reagáló anyagok részecskéi ütközzenek egymással;
- megfelelő energiával ütközzenek (legalább az aktiválási energiával) — ezt nevezzük hatásos (eredményes) ütközésnek;
- megfelelő térbeli helyzetben (megfelelő orientációval) ütközzenek, hogy a kötések át tudjanak rendeződni.
Aktiválási energia és aktivált komplexum
Az az energiatöbblet, amely 1 mol aktivált komplexum képződéséhez szükséges. Mértékegysége a kJ/mol. Ez az a „küszöb", amelyet a részecskéknek át kell lépniük, hogy a reakció végbemenjen.
Az ütközéskor rövid ideig létező, magas energiájú részecske, amelyben a régi kötések még nem szakadtak el teljesen, az újak pedig még nem alakultak ki — itt zajlik a kötések átrendeződése.
Hogyan írjuk le az anyagokat?
Mielőtt egyenletet írnánk, tudnunk kell, hogyan jelöljük magukat az anyagokat. Ugyanazt a vegyületet több, egyre részletesebb képlettel is leírhatjuk — attól függően, mit akarunk kifejezni:
Az elemeket a vegyjelükkel, a komponensek anyagmennyiség-arányának legkisebb egész számaival adja meg. Nem mindig azonosítja egyértelműen a vegyületet. Például a glükóz tapasztalati képlete CH₂O — ugyanez a tapasztalati képlete a formaldehidnek és más vegyületeknek is.
A molekulát alkotó atomok tényleges számát adja meg (alsó indexben). Például glükóz: C₆H₁₂O₆; etán: C₂H₆. A molekulaképlet a tapasztalati képlet egész számú többszöröse.
A vegyértékelektronokat (a kötő és a nemkötő elektronpárokat is) feltünteti. Például: H–H, :N≡N:. A szén-dioxid teljes elektronképletében mindkét oxigénatomon 2-2 nemkötő elektronpár van (a szénatomon egy sem) — lásd az alábbi ábrán.
Az összes kovalens kötést feltünteti, megmutatva, melyik atom melyikhez kapcsolódik. Az egyszerűsített vonalképlet csak a szénvázat (és a heteroatomokat) rajzolja meg.
A képletfajták összehasonlítása
| Képletfajta | Mit ad meg? | Példa |
|---|---|---|
| Tapasztalati (összeg)képlet | az elemek vegyjelét és a komponensek anyagmennyiség-arányának legkisebb egész számait; nem mindig azonosítja egyértelműen a vegyületet | glükóz: CH₂O |
| Molekulaképlet | a molekulát alkotó atomok tényleges számát | glükóz: C₆H₁₂O₆; etán: C₂H₆ |
| Elektronképlet (Lewis) | a vegyértékelektronokat: a kötő és a nemkötő elektronpárokat | H–H; :N≡N:; O=C=O |
| Konstitúciós / szerkezeti képlet | az összes kovalens kötést (melyik atom melyikhez kötődik); a vonalképlet a szénvázat | H–O–H |
A kémiai egyenlet
A kémiai reakciót kémiai egyenlettel írjuk le: a bal oldalra kerülnek a kiindulási anyagok, a jobb oldalra a termékek, közéjük a reakció irányát jelző nyíl.
A reakcióban szereplő anyagok képleteit és arányait adja meg. Általános alakja: a A + b B = c C + d D, ahol az a, b, c, d a sztöchiometriai számok (az anyagmennyiségek arányát kifejező legkisebb egész számok).
a : b : c : d = n(A) : n(B) : n(C) : n(D). Tehát az együtthatókból közvetlenül leolvasható, hány mól reagál, illetve keletkezik.
Az egyenlet kétféle jelentése
Egy rendezett egyenlet egyszerre kétféle információt hordoz:
- Minőségi jelentés: megmondja, milyen anyagok reagálnak és milyen termékek keletkeznek.
- Mennyiségi jelentés: megmondja, milyen arányban (hány mól) reagálnak és keletkeznek az anyagok.
Két megmaradási törvény
A reakcióban a kiindulási anyagok atomjainak száma (és tömege) megegyezik a termékek atomjainak számával (tömegével). Atom nem keletkezik és nem vész el — ez az egyenletrendezés alapja.
Ionegyenletben a bal és a jobb oldal össztöltése egyenlő. Töltés nem keletkezik és nem tűnik el a reakció során.
Az ionegyenlet
Csak a reakcióban ténylegesen részt vevő ionokat és molekulákat tünteti fel — a reakció lényegét. A változatlanul maradó „néző" ionokat (pl. a csak körülöttük lévő ellenionokat) elhagyjuk.
Néhány tipikus ionegyenlet:
Az első egyenletben mindkét oldal töltése 0 (+1 és −1 összege a bal oldalon), a másodikban szintén kiegyenlített — teljesül a töltésmegmaradás.
Egyenletrendezés lépésről lépésre
Az egyenlet rendezése a tömegmegmaradáson alapul: a megfelelő együtthatókat (sztöchiometriai számokat) úgy kell megválasztani, hogy minden elemre ugyanannyi atom legyen a két oldalon. A vegyületek képletén (az alsó indexeken) nem szabad változtatni — csak a képletek elé írt együtthatókat állítjuk be.
A „láncszabály"
- Kezdd azzal az atommal, amelyik mindkét oldalon csak egy-egy anyagban szerepel.
- Haladj a legösszetettebb vegyület felé.
- Az elemi formában szereplő anyag (pl. a tiszta vas vagy az O₂) együtthatóját hagyd a végére — azzal lehet a legkönnyebben „kipótolni" a hiányt.
Próbáld ki lépésről lépésre a vas égését! Kattints a Következő lépés gombra, és figyeld, hogyan billen egyensúlyba az atommérleg.
Vas (Fe)
Oxigén (O)
B) A reakciók csoportosítása
A reakciók csoportosítása
Ugyanazt a reakciót több szempont szerint is besorolhatjuk. Az alábbi eszközzel válts a szempontok között — mindegyikhez megjelennek a típusok, példák és a kapcsolódó témakörre mutató hivatkozás.
Egyesülés és bomlás — részecskeszinten
A legszemléletesebb csoportosítás a kiindulási és a termékanyagok száma szerinti. Nézd meg mozgásban, mi a különbség az egyesülés és a bomlás között:
A szempontok összefoglalása
| Szempont | Típusok | Példa |
|---|---|---|
| Kiindulási és termékanyagok száma | egyesülés · bomlás · disszociáció (megfordítható bomlás) | 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O; CaCO₃ → CaO + CO₂; CH₃COOH ⇌ CH₃COO⁻ + H⁺ |
| Megfordíthatóság | egyirányú (teljes) · megfordítható | 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O; N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃ |
| Hőváltozás | exoterm (hőleadó) · endoterm (hőfelvevő) | C + O₂ → CO₂ (exo); CaCO₃ → CaO + CO₂ (endo) |
| Az átadott részecske | sav–bázis (proton) · redoxi (elektron) · csapadék-/gázfejlődési és komplexképződési | HCl + NH₃ → NH₄Cl; Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu; Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ |
| Reakciósebesség | pillanatszerű · időben mérhető · (gyakorlatilag) végtelen lassú | Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ (gyors); vas rozsdásodása (lassú) |
A szempontok részletesen
Kiindulási és termékanyagok száma szerint
- Egyesülés: két vagy több anyagból egy keletkezik. Pl. 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O; CaO + CO₂ → CaCO₃.
- Bomlás: egy anyagból több keletkezik. Pl. CaCO₃ → CaO + CO₂; 2 H₂O → 2 H₂ + O₂ (vízbontás).
- Disszociáció: megfordítható bomlás — lehet hődisszociáció (hő hatására) vagy elektrolitos disszociáció (vízben ionokra esés). Pl. CH₃COOH ⇌ CH₃COO⁻ + H⁺.
Megfordíthatóság szerint
Az egyirányú (teljes) reakciók gyakorlatilag végbemennek a végtermékig (jelük: →). A megfordítható reakciókban a termékek vissza is alakulhatnak, és beáll egy dinamikus egyensúly (jelük: ⇌).
Hőváltozás szerint
A reakció lehet exoterm (hőt ad le a környezetnek) vagy endoterm (hőt vesz fel a környezetből).
Az átadott részecske szerint
- Sav–bázis reakció: protonátmenet (H⁺-ion vándorlása az egyik részecskéről a másikra).
- Redoxireakció: elektronátmenet, amelyet az atomok oxidációsszám-változása kísér.
- Csapadékképződési, gázfejlődési és komplexképződési reakciók: vizes oldatban, ionátrendeződéssel, elektronátmenet nélkül mennek végbe. Pl. csapadék: Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓; gázfejlődés: CaCO₃ + 2 H⁺ → Ca²⁺ + H₂O + CO₂↑.
Reakciósebesség szerint
A sebesség szerint megkülönböztetünk pillanatszerű (gyakorlatilag azonnali, pl. ionos csapadékképződés), időben mérhető sebességű, és (gyakorlatilag) végtelen lassú reakciókat (pl. a szobahőmérsékletű, katalizátor nélküli folyamatok egy része).
Sztöchiometria: az egyenlet mint „recept"
A rendezett egyenlet együtthatói megadják az anyagok anyagmennyiség-arányát — ez olyan, mint egy recept, amely megmondja, „milyen arányban kell összekeverni" a hozzávalókat. Az anyagmennyiségből pedig a moláris tömeggel tömeg, gázoknál a moláris térfogattal térfogat számítható.
Egy egyszerű recept: a vas és a kén egyesülése
Az egyenlet szerint 1 mol vas 1 mol kénnel egyesül (az arány 1 : 1). A maradék nélküli reakcióhoz tehát pontosan annyi vasat és ként kell összeolvasztani, hogy az anyagmennyiségük egyenlő legyen.
Ha az arányt elrontjuk (pl. több vasat teszünk be a kelleténél), a feleslegben lévő anyag a reakció után változatlanul megmarad — ezt nevezzük feleslegnek; a kevesebből lévő anyag a korlátozó (limitáló) reagens.