Reakcje chemiczne

Cząsteczki - podobnie jak te, które tworzą twoje ciało - są tylko zbiorami atomów połączonych ze sobą wiązaniami chemicznymi. Pod wieloma względami są bardzo podobne do projektów budowlanych Tinkertoy®. W rzeczywistości, jeśli weźmiesz pod uwagę chemię organiczną, najprawdopodobniej spotkasz się z zestawem modeli, który wygląda podejrzanie podobnie do Tinkertoys®:

Tak jak możesz łączyć koła Tinkertoy® na różne sposoby za pomocą różnych łączników, możesz także łączyć atomy na różne sposoby, tworząc różne zestawy wiązań chemicznych. Proces reorganizacji atomów przez zerwanie jednego zestawu wiązań chemicznych i utworzenie nowego zestawu jest znany jako reakcja chemiczna.

Reakcje chemiczne zachodzą, gdy wiązania chemiczne między atomami powstają lub są zrywane. Substancje, które biorą udział w reakcji chemicznej, nazywane są substratami, a substancje wytworzone w wyniku reakcji są znane jako produkty. Między substratami i produktami rysowana jest strzałka wskazująca kierunek reakcji chemicznej, chociaż reakcja chemiczna nie zawsze jest „drogą jednokierunkową”, o czym będziemy pisać w dalszej części.

Na przykład reakcja rozkładu nadtlenku wodoru (${\text{H}}_2$‍${\text{O}}_2$‍) na wodę i tlen może być zapisana następująco:

$2{\text{H}}_2$‍${\text{O}}_2\text{(nadtlenek wodoru)}$‍ $\to$‍ $2{\text{H}}_2\text{O}\text{(woda)}$‍ + ${\text{O}}_2\text{(tlen)}$‍

W tym przykładzie nadtlenek wodoru jest naszym substratem i rozkłada się na wodę i tlen, nasze produkty. Atomy, które znajdowały się w cząsteczkach nadtlenku wodoru, ulegają reorganizacji z utworzeniem cząsteczek wody (${\text{H}}_2\text{O}$‍) i cząsteczki tlenu (${\text{O}}_2$‍).

Być może zauważyłeś dodatkowe liczby w powyższym równaniu chemicznym: $2$‍ przed nadtlenkiem wodoru i wodą. Liczby te nazywane są współczynnikami i mówią nam, ile cząsteczek danego rodzaju bierze udział w reakcji. Muszą być one uwzględnione, aby nasze równanie było zbilansowane, co oznacza, że liczba atomów każdego pierwiastka jest taka sama po obu stronach równania.

Równania muszą być zbilansowane, aby miało zastosowanie prawo zachowania masy, które dotyczy faktu, że atomy nie powstają ani nie ulegają destrukcji podczas normalnej reakcji chemicznej. Możesz dowiedzieć się więcej o bilansowaniu reakcji w samouczku bilansowania równań chemicznych.

Niektóre reakcje chemiczne przebiegają po prostu w jednym kierunku, aż do zużycia substratów. Mówi się, że te reakcje są nieodwracalne. Inne reakcje są jednak klasyfikowane jako odwracalne. Odwracalne reakcje mogą iść zarówno w przód, jak i do tyłu.

W reakcji odwracalnej substraty przereagowują w produkty, ale produkty również przekształcają się z powrotem w substraty. W rzeczywistości zarówno reakcja naprzód, jak i w przeciwnym kierunku, nastąpi w tym samym czasie. Te reakcje w przeciwnych kierunkach trwają, dopóki nie zostanie osiągnięta pewna względna równowaga między substratami i produktami - stan zwany równowagą. W równowadze nadal zachodzą reakcje do przodu i do tyłu, ale względne stężenia produktów i substratów już się nie zmieniają.

Każda reakcja ma swój charakterystyczny punkt równowagi, który możemy opisać liczbą zwaną stałą równowagi. Aby dowiedzieć się, skąd pochodzi stała równowagi i jak ją obliczyć dla konkretnej reakcji, zapoznaj się z tematem równowaga.

Gdy reakcja jest klasyfikowana jako odwracalna, zwykle jest zapisywana z parą strzałek (do przodu i do tyłu), aby pokazać, że może iść w obie strony. Na przykład w ludzkiej krwi nadmiar jonów wodoru (${\text{H}}^{+}$‍) wiąże się z jonami wodorowęglanu (${\text{HCO}}_3$‍${}^{-}$‍), tworząc kwas węglowy (${\text{H}}_2$‍${\text{CO}}_3$‍):

${\text{HCO}}_3$‍${}^{-}$‍ + ${\text{H}}^{+}$‍ $\rightleftharpoons$‍ ${\text{H}}_2$‍${\text{CO}}_3$‍

Ponieważ jest to reakcja odwracalna, gdyby kwas węglowy został dodany do układu, część z niego przereagowałaby w jony wodorowęglanowe i wodorowe w celu przywrócenia równowagi. W rzeczywistości ten system buforowy odgrywa kluczową rolę w utrzymywaniu stabilnego i zdrowego pH krwi.