Химиялық реакциялар

Химиялық реакциялар — заттардың өзара әрекеттесуі нәтижесінде олардың химиялық құрамы мен құрылысы өзгеріп, басқа заттарға айналуы.

Химиялық реакциялар массаның сақталу заңы мен негізделген. Химиялық реакциялардың ядролық реакциялардан айырмашылығы — реакция кезінде әрекеттесетін заттар құрамындағы химиялық элементтер мен олардың атомдарының жалпы санының өзгермейтіндігінде. Химиялық реакциялар химиялық теңдеулер арқылы өрнектеледі. Химиялық үрдісте тура реакциямен қатар бастапқы заттар қайта түзілетін кері реакция жүреді. Қайтымды реакцияда тура реакция мен кері реакцияның жылдамдықтары теңескенде, жүйеде химиялық тепе-теңдік орнайды, бірақ кері үрдіс баяу жүретіндіктен, көптеген химиялық реакциялар қайтымсыз болады, яғни аяғына дейін жүреді.

Реакция кезінде заттар санының өзгеруіне қарай химиялық реакциялар:

1. Қосылу
2. Айырылу
3. Орын басу
4. Алмасу
5. Изомерлену

болып бөлінеді.

• Айырылу реакциясында бір зат екі немесе одан да көп затқа айналады; мысалы: 2HgO=2Hg+O2.
• Орын басу реакциясында бастапқы жай және күрделі заттардан жаңа жай не күрделі зат түзіледі; мысалы: Zn+H2SO4=ZnSO4+H2.
• Алмасу реакциясында екі күрделі зат құрам бөліктерімен алмасады; мысалы: BaCl2+H2SO4= =BaSO4+2HCl.
• Изомерлену кезінде молекула құрамындағы атомдар орындарын алмастырып, заттың жаңа изомері түзіледі.

Элементтерде тотығу дәрежесі өзгеретін реакциялар тотығу — тотықсыздану реакцияларына жатады. Химиялық реакциялардың экзотермиялық реакция, эндотермиялық реакция деген түрлері де бар. Реакцияға қатысатын заттардың агрегаттық күйіне қарай гомогенді (заттардың агрегаттық күйлері бірдей), гетерогенді (заттардың агрегаттық күйлері әр түрлі) реакциялар болады. Гомогенді және гетерогенді реакциялар құрылысына қарай жай және күрделі болуы мүмкін. Егер жүйеде бір ғана қайтымсыз реакция жүретін болса, ондай реакция жай реакция деп аталады. Күрделі реакциялар бірнеше жай реакциялардан тұрады. Күрделі реакцияларға қайтымды, параллель, сатылы, тізбекті және катализатор қатысымен жүретін катализдік реакциялар жатады. Реакцияны жүргізуде қолданылатын энергия түріне байланысты Х. р.: термиялық, электрхимиялық, фотохимиялық, плазмахимиялық, т.б. топтарға бөлінеді.

Табиғатта және зертханада жүретін барлық химиялық реакцияларға аллотроптық түр өзгеруі мен изомерлену құбылыстары да жатады. Оларға ортақ белгі: заттардың бір-біріне айналуы, яғни бастапқы заттардағы (реагенттердегі) бұрынғы химиялық байланыстардың үзіліп, соңғы заттардағы (өнімдердегі) жаңа байланыстардың түзілуі. Демек, кез келген химиялық реакция жүру үшін оған қатысатын реагенттер бөлшектерінің (атомдардың, молекулалардың, иондардың) әрекеттесуге жетерлік энергиясы болуы шарт.

Ең қарапайым реакцияларда заттың сапалық құрамы өзгермей сақталады. Оған химиялық элементтердің, жай заттардың аллотроптық түр өзгерісін мысалға алуға болады:

С_{(графит)}${\displaystyle \rightleftarrows }$С_(алмаз)

3O_{2(оттек)}${\displaystyle \rightleftarrows }$2О_3(озон)

Мұндай реакциялар органикалық химияда жиі кездеседі, оларды реакциялары деп атайды.

Әрекеттесетін заттардың химиялық құрамы өзгере жүретін реакцияларды оларға тән белгілеріне қарай төртке бөліп жіктейді.

Қасиеттері

• Химиялық реакциялар кезінде атомаралық химиялық байланыстар түзеді.
• Химиялық реакция кезінде химиялық қосылыс түзіледі.
• Химиялық реакцияға қатысатын затты реагент деп атайды.
• Химиялық реакция кезінде түзілетін затты өнім деп атайды.

Заттардың құрамы мен саны өзгере жүретін реакциялар

Бұған бұрыннан таныс қосылу, айырылу, орынбасу, алмасу реакциялары жатады.

Егер бірнеше бірігіп бір ғана өнім түзсе, ол — қосылу, ал керісінше, бір күрделі зат ыдырап, одан бірнеше жаңа заттар түзілсе, айырылу реакциясына жатады. Органикалық химиядағы аса маңызды , гидраттану, полимерлену реакциялары қосылу реакциясына мысал бола алады:

CH₂= СН₂ + H₂ → СН₃ - СН₃ (гидрлену)

СН₂ = СН₂ + H₂O → С₂Н₅ОН (гидраттану)

nСН₂ = СН₂ → (— СН₂ — СН₂ —)_n (полимерлену)

Бұларға қарама-қарсы жүретін дегидрлену, , деполимерлену реакциялары, керісінше, айырылу реакциясы болып саналады:

CH₃ - СН₃ → СH₂ = СН₂ + Н₂

С₂ H₅OH → СH₂ = СН₂ + Н₂O

(-CH₂-CH₂-)_n→ n(CH₂=CH₂)

Қаныққан көмірсутектердің құрамындағы сутек атомдарының галоген атомдарына орын беріп, жаңа екі күрделі затқа айналуы орынбасу реакциясына жатады. Мысалы, метан молекуласының біртіндеп хлорлануын алайық:

CH₄+Cl₂ → CH₃Cl+HCl (хлорметан)

CH₃Cl+Cl₂ → CH₃Cl₂+HCl (дихлорметан)

CH₂Cl₂+Cl₂ → CHCl₃+HCl (трихлорметан)

CHCl₃+Cl₂ → CCl₄+HCl (тетрахлорметан)

Бензолды бромдау реакциясы да осыған ұқсайды:

C₆H₆+Br₂ → C₆H₅Br+HBr

Екі күрделі заттың әрбірінің құрам бөліктерінің алмасуымен сипатталатын алмасу реакциясы нәтижесінде ерімейтін не өте аз диссоциацияланатын молекула түзілетінін немесе газ бөлінетінін бұрыннан білесіңдер. Органикалық заттар мен бейорганикалық заттар арасында жүретін мұндай әрекеттесулерге мынадай бейтараптану реакциясы:

CH₃COOH + KOH → CH₃COOK + H₂O

реакция нәтижесінде түзілетін әлсіз көмір қышқылының газға ыдырауы:

2CH₃COOH + CaCO₃ → (CH₃COO)₂Ca + CO₂↑ + H₂O

ионданбайтын әлсіз кремний қышқылының бөлініп шығуы жатады:

2СН₃СООН + K₂SiO₃ → 2СН₃СООК + H₂SiO₃↓

Атомдардың тотығу дәрежесі өзгере жүретін реакциялар.

Мұндай реакцияларды тотығу-тотықсыздану реакциялары (ТТР) деп атайтыны белгілі. Реакция кезінде тотықсыздандырғыш атом электронын тотықтырғыш атомға беріп, өзі тотығып, екіншісі тотықсызданады. Электрондық баланс әдісі арқылы тотығу дәрежесіне сүйеніп, шартты түрде берген және алған электрондар санын есептеу арқылы теңдеуді оңай теңестіруге болады. Мысалы, альдегидтерді сутекпен тотықсыздандыру: R-CH=O + H2 = RCH2-OH

Өздерің көріп отырғандай, органикалық заттар құрамындағы тотығу-тотықсыздануға қатысқан атомды молекуланың функционалдық тобына жататын бөлігінен іздеу орынды. Сонда сірке альдегидіндегі альдегидтік топтың спиртке айналуы үшін ондағы көміртек атомы 2 электрон қосып алады.

Әдетте, органикалық химияда электрондар қосып алуға ынталы тотықтырғыш бөлшекті (молекула, ион) электрофильді реагенттер, ал керісінше, электрондарды бөліп беруге дайындарын нуклеофилъді реагенттер деп жалпы атаумен атайды.

Органикалық қосылыстардағы байланыстардың полюстігі тым аз болатындықтан, оның құрамындағы атомдардың шартты түрдегі оң не теріс тотығу дәрежесін табу кейде қиынға түседі. Мұндай жағдайда реакцияға қатысқан тотықтырғыш пен тотықсыздандырғыш атомдарды іздеп жатпай-ақ бастапқы реагенттің молекуласын ақырғы өнімге айналдыру үшін қажетті оттек атомының санын есептеу арқылы теңестіреді. Мысалы, этанолды калий перманганатымен тотықтырып, сірке қышқылына айналдырғанда (біздің теңдеуде СН₃СООК), бастапқы реагентке С₂Н₅ОН бір ғана оттек атомы қосылып, екі сутек атомы бөлініп кететінін байқау оңай. Ал 2 сутек атомын байланыстыру үшін тағы да бір оттек атомы қажет болатынын ескерсек, әрбір этанол молекуласы тотығу үшін 2 оттек атомы керек болатыны айқын. Бұл тотықсыздандырғыштың 4 электрон бөліп, 2 оттек атомын байланыстыратынын көрсетеді. Ал калий перманганаты КМnO₄ тотықсызданып, марганец диоксидіне МnO₂ айналғанда, өзіне үш электрон қосып алатынын ескерсек, тотықсыздандырғыштың молекуласының алдында 3, тотықтырғыштың молекуласының алдында 4 коэффициенттерінің қайдан келгенін түсінетін боласыңдар:

ЗС₂Н_бО + 4КМnO₄ = ЗСН₃СООК + 4МnO₂+ КОН + 4Н₂0

Дәл осылайша глюкозаны С₆Н₁₂О₆ қышқыл ортада калий перманганатымен тотықтыру реакциясын теңестіру үшін глюкозаның әрбір молекуласына 12 атом оттек қажет екенін, ол 24 электрон берумен парапар болатынын, сол сияқты марганец атомы қышқыл ортада Мn⁺²-ге дейін тотықсызданатынын ескеріп, 24 және 5 деген коэффициентті тауып пайдаланамыз:

5С₆Н₁₂О₆ + 24КМnO₄ + 36H₂SO₄= 30CO₂+ 24MnSO₄+ 12K₂SO₄+ 66Н₂O

Жылу эффектісімен сипатталатын реакциялар

Кез келген химиялық құбылысты, яғни химиялық айналуларды сипаттайтын реакциялар реагенттердің өнімдерге айналуын көрсетумен қатар олардың жылу эффектісін белгілеуге міндетті. Осыған бола жылу беле жүретін реакцияларды экзотермиялық, ал жылу сіңіре жүретіндерді эндотермиялық деп саралайтынын білесіңдер. Оларды арнайы термохимиялық теңдеулермен өрнектейді. Термохимиялық теңдеудің ерекшелігі — берілген реакцияның жылу эффектісі таңбасымен қоса энтальпия түрінде ΔН (дельта аш) жеке көрсетіледі. Мысалы:

2С₂Н₂ + 5О₂ = 4СО₂ + 2Н₂О

ΔН_х.р. = -2610 кДж.

Термохимиялық теңдеуден ацетиленнің жануы экзотермиялық реакцияға жататынын, яғни әрекеттесу жүріп жатқан ортадан жылу түріндегі энергияның сыртқа бөлінетіні (сондықтан таңбасы "-") байқалады.

Көбіне химиялық реакцияның жылу эффектісін табу үшін оған қатысатын реагенттер мен өнімдердің түзілу энтальпиясын (стандартты жағдайда) қолданады. Ол 1 моль заттың жай заттардан түзілгендегі энтальпиясына тең.

Энтальпия мәндері әрбір заттың тұрақтылығына және оның реакцияға түсуге бейімділігіне және т.б. тікелей байланысты болады.

Қайтымдылығымен сипатталатын реакциялар

Бір бағытта жүретін қайтымсыз және қарама-қарсы бағытта жүретін қайтымды реакциялар болады.

Қайтымсыз реакция кезінде реагенттер өзара түгелдей әрекеттесіп, өнімдерге айналады, оған ацетиленнің жануы мысал бола алады:

2С₂Н₂ + 5О₂ = 4СО₂ + 2Н₂О

Қайтымсыз реакцияларға кейбір тотығу-тотықсыздану реакциялары мен қосылу және айырылу реакциялары да жатады. Бірақ, жалпы алғанда, қайтымсыз реакциялар аса көп болмайды.

Қайтымды реакция нәтижесінде процесс тура және кері бағытта да жүре алады, яғни реагенттердің әрекеттесуі өнімдерді берсе, керісінше, өнімдер өзара әрекеттескенде қайтадан бастапқы реагенттер бөлініп шығады.

Өнеркәсіпте және технологияда қайтымсыз реакциялар көбірек кездеседі. Оларды қажетті бағытта жүргізу үшін химиялық кинетика заңдарына сүйенеді.

Химиялық кинетика – реакцияның жүру жылдамдығы мен механизмін зерттейтін химияның бөлімі. Жылдамдық дегеніміз – уақыт бірлігіндегі жүрілген жол. Химиялық реакцияның жылдамдығы дегеніміз – уақыт бірлігіндегі зат концентрациясының өзгерісі. Реакцияларды қандай ортада жүретініне қарай гомогенді (біртекті) және гетерогенді (әртекті) деп бөледі. Гомогенді жүйеде бірдей агрегаттық күйдегі заттар өзара әрекеттеседі, яғни газ - газ, ерітінді - ерітінді.

Н_2(г) + СІ_2(г) = 2НСІ_(г)

2NaOH_(ер-ді) + H₂SO₄ = Na₂SO_4(ер-ді) + 2H₂O_(ер-ді)

Гомогенді реакциялардың жылдамдығы келесі формуламен анықталады:

мұндағы ΔC – концентрацияның өзгерісі (С₂ - С₁); △ԏ – уақыт өзгерісі (ԏ₂ – ԏ₁)

Дереккөздер

1. Химия: Жалпы білім беретін мектептің жаратылыстану-математика бағытындағы 11-сыныбына арналған оқулық / Ә. Темірболатова, Н. Нұрахметов, Р. Жұмаділова, С. Әлімжанова. – Алматы: «Мектеп» баспасы, 2007. – 352 бет, суретті. ISBN 9965-36-092-8

Тағы қараңыз

• Реакция жылдамдығы
• Химиялық кинетика