Chemische reactie

Deel van eenserieartikelen over; Scheikunde
	Instrumenten vooranalytische chemie
Algemeen
	Atoom·Binding·Element·Energie·Evenwicht·Ion·Reactie·Redox·Materie·Verbinding
Deelgebieden
	Analytische chemie·Anorganische chemie·Biochemie·Fysische chemie·Industrie·Organische chemie·Theoretische chemie
Portaal	Scheikunde

Eenchemische reactieis het proces waarbijchemische verbindingen(moleculen) ofatomenlangschemischeweg worden omgezet in andere verbindingen, door het vormen dan wel breken vanchemische bindingen.Met chemische weg wordt bedoeld dat de chemische identiteit van de oorspronkelijke stoffen verloren gaat. Bij eenfysischeomzetting, zoalssmeltenofverdampen,is dat niet het geval. Hierbij worden enkelintermoleculaire krachtenverbroken of gevormd.

De reagerende deeltjes wordenreagentiaofreactantengenoemd. De verbindingen die door een chemisch proces worden gevormd, noemt men dereactieproducten.Zij worden allen geordend in eenreactievergelijkingvolgens de principes van destoichiometrie.Een voorbeeld is deverbrandingvanmethaan:

{\ce {CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}}

Bij deze reactie worden de chemische bindingen tussen de atomen in methaan en de chemische bindingen tussen de atomen inzuurstofverbroken, en 2 nieuwe chemische verbindingen (koolstofdioxideenwater) gemaakt met deze atomen.

In het geval dat een chemische reactie uit meerdere stappen bestaat, kunnenintermediairengevormd worden.

Beschrijving van reacties

Reacties worden hoofdzakelijk beschreven aan de hand van twee belangrijke aspecten: de thermodynamica en de kinetiek. Deze eerste geeft inzicht in de spontaniteit van een reactie en gaat gepaard met belangrijke begrippen alsevenwichtenreactie-enthalpie.De reactiekinetiek geeft weer hoe snel een reactie verloopt en wordt onder meer beschreven met behulp van deactiveringsenergie.

Thermodynamisch aspect

Omdat bij de verbrandingsreactie van methaan bij de vorming van de nieuwe bindingen meer energie vrijkomt dan er nodig is om de bestaande bindingen te verbreken, komt er bij deze reactie netto energie vrij (de reactie isexotherm). Dit is vooral te wijten aan de sterk negatievevormingswarmtevan water. Voor reacties die zoals deze vanzelf verlopen geldt vaak dat er energie vrijkomt. Het is echter ook mogelijk om een reactie te laten verlopen die netto energie verbruikt: zo'n reactie is danendotherm.Volgens de wetten van dethermodynamicakan dat alleen als de reactie zo veel extraentropieoplevert dat devrije energiewel naar beneden gaat (dat kan bijvoorbeeld als een van de producten eengasis of wanneer er eenneerslagwordt gevormd). Dit is een gevolg van hetprincipe van Le Chatelier.

Vrijwel geen enkele reactie loopt slechts in één richting. Ook de teruggaande reactie is heel vaak mogelijk. In zo'n geval spreekt men van eenchemisch evenwicht.Als de teruggaande reactie te verwaarlozen is, wordt dit een aflopende reactie genoemd.

In een situatie vanchemisch evenwichtzijn er(macroscopischgezien) altijd nog uitgangsstoffen over die niet in producten worden omgezet. Microscopisch gezien worden de vooruitgaande en de achteruitgaande reactie in de evenwichtssituatie precies even vaak doorlopen. Dat wil zeggen dat als de vooruitgaande reactie bijvoorbeeld 9 keer zo snel verloopt als de teruggaande reactie, dat op elk gekozen moment 90% van de reactanten aanwezig is in de vorm van product, en 10% in de vorm van de uitgangsstoffen. De ligging van het evenwicht wordt dus bepaald door de verhouding van de snelheden van de vooruitgaande en teruggaande reacties. Deze verhouding wordt bepaald door de temperatuur en het verschil invrije energievan de uitgangsstoffen en de producten. Voor een eenvoudige reactie is dit verschil gelijk aan het verschil in activeringsenergie van de heen- en teruglopende reacties. De precieze ligging van het evenwicht kan bepaald worden met deevenwichtsconstante.Voor een hypothetische reactievergelijking:

{\ce {aA + bB <=> cC + dD}}

wordt de evenwichtsconstanteKgegeven door:

K={\frac {[C]^{c}[D]^{d}}{[A]^{a}[B]^{b}}}

Kinetisch aspect

Reacties kunnen heel langzaam verlopen, bijvoorbeeld hetroestenvanijzer(eenoxidatieproces), maar ook heel snel, zoals deexplosievan een staafdynamiet.Dereactiesnelheidis afhankelijk van deactiveringsenergieen detemperatuur.Voor veel reacties geldt dat ze bij een 10°C hogere temperatuur 2-3 keer zo snel verlopen. Als een reactie bij kamertemperatuur erg langzaam verloopt, dan heeft deze een hoge activeringsenergie: er is veel energie nodig om de stoffen die reageren in de juiste positie te brengen voor de reactie (deovergangstoestand).

De ligging van een chemisch evenwicht en daarmee de verhouding van de heen- en terugreacties ligt vast als de waarde van de thermodynamische groothedenenthalpieenentropievan de producten en reactanten bekend is. Men kan echter, ver weg uit de evenwichtssituatie, de reactiesnelheid niet daaruit voorspellen. De reactiesnelheid hangt sterk af van het chemische pad waarlangs de reactie plaatsvindt. Dit pad kan beïnvloed worden door uitwendige factoren, bijvoorbeeld de aanwezigheid van een katalysator. De studie van dereactiekinetiekis daarom een apart vakgebied binnen defysische chemie.

Factoren die de reactiesnelheid beïnvloeden

Er zijn 6 verschillende factoren die de reactiesnelheid kunnen beïnvloeden:

Deconcentratie:een grotere concentratie aan reagentia verhoogt de kans op een botsing, en dus op een effectieve botsing. Dit uit zich in een hogere reactiesnelheid.
Detemperatuur:bij hogere temperatuur zullen de deeltjes sneller gaan bewegen, omdat hunkinetische energieverhoogd wordt. De kans op een botsing, en dus ook de kans op een effectieve botsing zal stijgen.
Eenkatalysator:een katalysator verlaagt de activeringsenergie van een reactie, maar wordt tijdens de reactie zelf niet verbruikt. Een katalysator heeft geen enkele invloed op de ligging van het chemisch evenwicht.
De verdelingsgraad: door het contactoppervlak (bijvoorbeeld door eenkristalte verpulveren totpoeder) te vergroten zal de kans op effectieve botsing toenemen.
Deelektromagnetische straling:straling kan (bijvoorbeeld bijpericyclische reacties) een gunstige invloed hebben op de reactiesnelheid.
Aard van de verbinding: het type reagens kan eveneens bepalend zijn voor de reactiesnelheid. Zo is de verbranding in een motor metbenzineanders dan bijdiesel.

Reactietypen

Van veel reacties is hetreactiemechanismebekend: men begrijpt dan waarom en hoe een bepaalde reactie plaatsgrijpt. Deze kennis is nuttig om te kunnen voorspellen welke andere verbindingen eenzelfde reactie kunnen ondergaan en onder welke omstandigheden (temperatuur,druk,katalyse,oplosmiddel,straling) de reactie het best zal verlopen.

Reacties worden vaak op verschillende manieren gedefinieerd. De naamgeving gebeurt op basis van:

De ontdekker van de reactie:diels-alderreactie,Grignard-reactie,Andrussow-proces,Bunsen-reactie
De karakteristieke experimentele omstandigheden:katalytische hydrogenering,pyrolyse,thermolyse
De transformatie in brede zin (vooral in deorganische chemie):additie,eliminatie,substitutie,omlegging
De specifieke transformatie:zuur-basereactie,redoxreactie,alkylering,transesterificatie,ringsluiting
Het type mechanisme:ionair(anionisch dan wel kationisch),radicalair,pericyclisch,gekatalyseerddoor eenovergangsmetaalofcomplex

Op een veel algemener niveau wordt er ook onderscheid gemaakt tussen reacties die een nieuwe verbinding maken,synthesereactiesofcombinatiereacties,en reacties waarbij een verbinding wordt afgebroken,ontledingsreacties.Echter, elke reactie breekt de reactanten af en vormt reactieproducten en zal dus zowel als ontleding en als synthese kunnen worden beschreven. Daarom wordt vaak een iets duidelijkere definitie gebruikt: bij een ontledingsreactie is maar één reactant betrokken, en bij een synthesereactie wordt maar één product gevormd.

Zie ook

Zie de categorieChemical reactionsvanWikimedia Commonsvoor mediabestanden over dit onderwerp.