Chemická reakce

Rozbalit box

Obsah boxu

Chemická reakce je proces, při kterém dochází k přeměně jedné nebo více chemických látek, tzv. reaktantů (výchozích látek), na látky jiné, tzv. produkty. Během chemické reakce zanikají původní chemické vazby v reaktantech a vznikají vazby nové v produktech, což vede ke změně chemické struktury látek. Atomy se při reakci přeskupují, ale jejich počet a druh zůstává zachován (viz zákon zachování hmotnosti).

Chemické reakce jsou podstatou veškerých materiálových změn v přírodě i v průmyslu – od fotosyntézy v rostlinách, přes trávení v lidském těle, hoření dřeva až po výrobu plastů či léků. Věda, která se zabývá studiem chemických reakcí, jejich rychlostí a energetickými změnami, se nazývá chemická kinetika a termochemie.

Chemická reakce
Soubor:Chemical reaction.gif
Příklad chemické reakce: Hoření methanu (CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O)
Oblast	Chemie

🧪 Definice a základní pojmy

Chemická reakce je fundamentální proces, který odlišuje chemii od fyziky. Zatímco při fyzikálním ději (např. tání ledu, var vody, rozpouštění soli) se mění pouze fyzikální stav látky (skupenství, uspořádání částic), ale její chemická podstata zůstává stejná, při chemické reakci vzniká látka zcela nová s odlišnými vlastnostmi.

Základní složky reakce jsou:

• Reaktanty (výchozí látky): Jsou to látky, které vstupují do reakce a jejichž chemické vazby se v průběhu reakce přeměňují.
• Produkty: Jsou to látky, které z reakce vystupují. Mají nové uspořádání atomů a nové chemické vazby.

Zápis chemické reakce

Chemické reakce se zjednodušeně zapisují pomocí chemického schématu nebo chemické rovnice. Základní schéma vypadá takto:

Reaktanty → Produkty

Šipka naznačuje směr, kterým reakce probíhá. Na levou stranu se píší chemické vzorce reaktantů a na pravou stranu vzorce produktů. Pokud je v reakci více reaktantů nebo produktů, oddělují se znakem plus (+).

Příklad: Reakce vodíku s kyslíkem za vzniku vody:

H₂ + O₂ → H₂O

(Tato rovnice ještě není vyčíslená, jedná se o schéma.)

⚛️ Podmínky pro průběh reakce

Aby mohla chemická reakce proběhnout, musí být splněny dvě základní podmínky, které popisuje tzv. srážková teorie.

1. Účinná srážka částic

Částice reaktantů (atomy, molekuly nebo ionty) se musí spolu srazit. Ne každá srážka však vede k reakci. Srážka musí být účinná, což znamená, že musí splňovat dvě kritéria:

• Správná prostorová orientace: Částice se musí srazit ve správné poloze, která umožňuje přeskupení vazeb. Například při srážce dvou molekul se musí srazit těmi správnými atomy k sobě.
• Dostatečná energie: Srážející se částice musí mít dostatečnou kinetickou energii k překonání odpudivých sil mezi jejich elektronovými obaly a k rozbití stávajících vazeb.

2. Aktivační energie

Minimální energie, kterou musí mít částice, aby jejich vzájemná srážka byla účinná a vedla k chemické reakci, se nazývá aktivační energie (Eₐ). Tuto energii lze přirovnat k "kopci", který musí reaktanty překonat, aby se mohly přeměnit na produkty.

Velikost aktivační energie určuje, jak rychle bude reakce probíhat. Reakce s vysokou aktivační energií jsou pomalé (nebo neprobíhají vůbec), protože jen malá část částic má dostatečnou energii k jejímu překonání. Naopak reakce s nízkou aktivační energií jsou rychlé. Aktivační energii lze snížit použitím katalyzátoru.

Diagram znázorňující aktivační energii (Eₐ) pro exotermní (vlevo) a endotermní (vpravo) reakci. Reaktanty (A) musí překonat energetickou bariéru, aby se přeměnily na produkty (B).

✍️ Zápis a vyčíslování chemických rovnic

Zatímco chemické schéma pouze kvalitativně ukazuje, které látky spolu reagují a které vznikají, chemická rovnice popisuje reakci i kvantitativně. To znamená, že vyjadřuje přesné poměry počtu částic (atomů, molekul) jednotlivých látek, které se reakce účastní. Tento princip vychází ze zákona zachování hmotnosti, který formuloval Antoine Lavoisier. Ten stanoví, že počet a druh atomů na straně reaktantů se musí rovnat počtu a druhu atomů na straně produktů.

Stechiometrické koeficienty

K vyrovnání počtu atomů na obou stranách rovnice se používají stechiometrické koeficienty. Jsou to čísla, která se píší před chemické vzorce látek. Udávají poměr, v jakém spolu látky reagují. Pokud je koeficient 1, obvykle se nepíše.

Proces nalezení správných koeficientů se nazývá vyčíslování chemické rovnice.

Příklad vyčíslení rovnice hoření methanu:

• Schéma: CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O
• Analýza:
  • Vlevo: 1x C, 4x H, 2x O
  • Vpravo: 1x C, 2x H, 3x O
• Vyrovnání H: Umístíme koeficient 2 před H₂O.

CH₄ + O₂ → CO₂ + 2 H₂O

• Analýza po kroku 1:
  • Vlevo: 1x C, 4x H, 2x O
  • Vpravo: 1x C, 4x H, 4x O (2 z CO₂ + 2 z 2H₂O)
• Vyrovnání O: Umístíme koeficient 2 před O₂.

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

• Finální kontrola:
  • Vlevo: 1x C, 4x H, 4x O
  • Vpravo: 1x C, 4x H, 4x O

Počty atomů se rovnají, rovnice je vyčíslená.

Vyčíslená rovnice nám říká, že jedna molekula methanu reaguje se dvěma molekulami kyslíku za vzniku jedné molekuly oxidu uhličitého a dvou molekul vody.

🔀 Základní typy anorganických reakcí

Chemické reakce, zejména v anorganické chemii, lze klasifikovat do několika základních typů podle toho, jak se atomy a skupiny atomů přeskupují.

Syntéza (Slučování)

Při syntéze se ze dvou nebo více jednodušších látek (reaktantů) tvoří jedna složitější látka (produkt).

• Obecné schéma: A + B → AB
• Příklad: Reakce železa se sírou za vzniku sulfidu železnatého.

Fe + S → FeS

• Příklad 2: Slučování oxidu siřičitého s kyslíkem za vzniku oxidu sírového (důležitý krok při výrobě kyseliny sírové).

2 SO₂ + O₂ → 2 SO₃

Analýza (Rozklad)

Analýza je opakem syntézy. Z jedné složitější látky (reaktantu) vzniká několik jednodušších látek (produktů). K rozkladu je často nutné dodat energii, například ve formě tepla (termolýza) nebo elektrického proudu (elektrolýza).

• Obecné schéma: AB → A + B
• Příklad (termolýza): Tepelný rozklad uhličitanu vápenatého (vápence) na oxid vápenatý (pálené vápno) a oxid uhličitý.

CaCO₃ → CaO + CO₂

• Příklad (elektrolýza): Rozklad vody elektrickým proudem na vodík a kyslík.

2 H₂O → 2 H₂ + O₂

Substituce (Vytěsňování)

Při substituci jeden atom nebo skupina atomů ve sloučenině nahrazuje (vytěsňuje) jiný atom nebo skupinu atomů.

• Obecné schéma: A + BC → AC + B
• Typickým příkladem jsou reakce kovů s kyselinami nebo roztoky solí. Který kov dokáže vytěsnit jiný, popisuje Beketovova řada kovů.
• Příklad: Reakce zinku s kyselinou chlorovodíkovou, při které zinek vytěsní vodík.

Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂

• Příklad 2: Reakce železa s roztokem síranu měďnatého, při které železo vytěsní měď.

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

Konverze (Podvojná záměna)

Při konverzi si dvě sloučeniny (reaktanty) navzájem vymění své části (atomy nebo ionty).

• Obecné schéma: AB + CD → AD + CB
• Tyto reakce často probíhají v roztocích a jedním z produktů bývá obvykle nerozpustná sraženina, plyn nebo slabý elektrolyt (jako voda).
• Příklad (srážecí reakce): Reakce dusičnanu stříbrného s chloridem sodným za vzniku bílé sraženiny chloridu stříbrného.

AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃

• Příklad (neutralizace): Reakce kyseliny chlorovodíkové s hydroxidem sodným za vzniku soli (chloridu sodného) a vody.

HCl + NaOH → NaCl + H₂O

⏱️ Chemická kinetika

Chemická kinetika je obor fyzikální chemie, který zkoumá rychlost chemických reakcí a faktory, které ji ovlivňují. Rychlost reakce udává, jak rychle ubývají reaktanty a přibývají produkty v čase. Některé reakce jsou téměř okamžité (např. exploze trinitrotoluenu), zatímco jiné trvají roky nebo i staletí (např. koroze železa, geologické procesy).

Rychlost chemické reakce lze ovlivnit několika klíčovými faktory:

1. Koncentrace reaktantů

Obecně platí, že s rostoucí koncentrací reaktantů roste i rychlost reakce. Je to proto, že v daném objemu je více částic, což vede k vyšší frekvenci jejich vzájemných srážek, a tím i k většímu počtu účinných srážek za jednotku času.

2. Teplota

Zvýšení teploty téměř vždy vede k výraznému zvýšení reakční rychlosti. Empirické pravidlo (tzv. van 't Hoffovo pravidlo) říká, že zvýšení teploty o 10 °C (nebo 10 K) zrychlí reakci přibližně dvakrát až čtyřikrát. Důvodem je, že při vyšší teplotě mají částice reaktantů vyšší kinetickou energii. Pohybují se rychleji, srážejí se častěji a hlavně má mnohem větší podíl částic energii rovnou nebo vyšší, než je aktivační energie.

3. Velikost povrchu reaktantů

Tento faktor je významný u reakcí, kde reaktanty nejsou ve stejném skupenství (heterogenní reakce), například reakce pevné látky s kapalinou nebo plynem. Čím větší je povrch pevného reaktantu, tím rychleji reakce probíhá, protože k reakci dochází pouze na styčné ploše. Práškový zinek proto reaguje s kyselinou mnohem rychleji než stejné množství zinku v jedné velké granuli.

4. Katalyzátory

Katalyzátor je látka, která zvyšuje rychlost chemické reakce, ale sama se při ní nespotřebovává. Katalyzátor funguje tak, že poskytuje alternativní reakční cestu s nižší aktivační energií. To znamená, že více molekul má dostatečnou energii k reakci, a ta proto probíhá rychleji. Látky, které naopak reakce zpomalují, se nazývají inhibitory.

Katalyzátory jsou klíčové v průmyslu (např. při výrobě amoniaku nebo kyseliny sírové) i v živých organismech, kde jejich funkci plní enzymy.

🔥 Termochemie

Termochemie zkoumá tepelné změny, které doprovázejí chemické reakce. Každá reakce je spojena s uvolněním nebo pohlcením tepelné energie, protože dochází ke štěpení a vzniku chemických vazeb, což jsou energeticky náročné procesy. Množství tepla, které se při reakci za konstantního tlaku uvolní nebo spotřebuje, se nazývá reakční teplo (nebo reakční entalpie, ΔH).

Podle tepelné bilance dělíme reakce na dva typy:

Exotermní (exotermická) reakce

Při exotermní reakci se tepelná energie uvolňuje do okolí. Produkty mají nižší energii než reaktanty a systém se zahřívá. Reakční teplo (ΔH) má zápornou hodnotu (ΔH < 0).

• Příklady: Veškeré druhy hoření (např. hoření dřeva, plynu), neutralizace kyseliny a zásady, dýchání.

Reaktanty → Produkty + teplo

Endotermní (endotermická) reakce

Při endotermní reakci se tepelná energie spotřebovává z okolí. Produkty mají vyšší energii než reaktanty a systém se ochlazuje. Reakční teplo (ΔH) má kladnou hodnotu (ΔH > 0). Aby tyto reakce probíhaly, je často nutné energii neustále dodávat (např. zahříváním).

• Příklady: Tepelný rozklad vápence, fotosyntéza, tání ledu, rozpouštění některých solí ve vodě.

Reaktanty + teplo → Produkty

⇆ Chemická rovnováha

Mnoho chemických reakcí je zvratných, což znamená, že mohou probíhat oběma směry. Současně s reakcí přímou (z reaktantů na produkty) probíhá i reakce zpětná (z produktů zpět na reaktanty). Zpočátku je rychlost přímé reakce vysoká, ale s ubýváním reaktantů klesá. Naopak rychlost zpětné reakce je zpočátku nulová, ale s přibýváním produktů roste.

Po určité době se rychlosti obou reakcí vyrovnají. V tomto okamžiku se koncentrace reaktantů a produktů již nemění a systém dosáhne stavu chemické rovnováhy. Nejedná se o statický stav, kdy se nic neděje, ale o dynamickou rovnováhu, kde obě reakce stále probíhají, ale stejnou rychlostí.

• Zápis zvratné reakce pomocí dvou protisměrných šipek:

A + B ⇌ C + D

Stav chemické rovnováhy lze ovlivnit vnějšími podmínkami, což popisuje Le Chatelierův princip. Ten říká, že porušení rovnováhy vnějším zásahem (změnou koncentrace, teploty nebo tlaku) vyvolá děj, který směřuje k potlačení účinku tohoto zásahu. Například zvýšení koncentrace reaktantů posune rovnováhu ve prospěch produktů.

⚡ Další významné typy reakcí

Kromě základního dělení anorganických reakcí existují další klasifikační systémy, které popisují reakce z jiných úhlů pohledu.

Redoxní reakce

Redoxní reakce (oxidačně-redukční reakce) jsou jedním z nejběžnějších a nejdůležitějších typů reakcí. Jsou charakteristické tím, že při nich dochází k přenosu elektronů mezi reaktanty.

• Oxidace: Je proces, při kterém látka (redukční činidlo) ztrácí elektrony. Její oxidační číslo se zvyšuje.
• Redukce: Je proces, při kterém látka (oxidační činidlo) získává elektrony. Její oxidační číslo se snižuje.

Oba děje probíhají vždy současně – pokud jedna látka elektrony ztrácí, musí je jiná látka přijímat.

• Příklady: Hoření, koroze, elektrolýza, reakce probíhající v galvanických článcích (bateriích), metabolismus v živých organismech (např. buněčné dýchání).
• Příklad rovnice: Reakce zinku s měďnatými ionty:

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

V této reakci se zinek (Zn) oxiduje (ztrácí 2 elektrony) a měďnatý ion (Cu²⁺) se redukuje (přijímá 2 elektrony).

Acidobazické reakce (Neutralizace)

Acidobazické reakce jsou děje, při kterých dochází k přenosu protonu (vodíkového kationtu, H⁺) mezi kyselinou a zásadou.

• Kyselina: Látka schopná odštěpit (darovat) proton.
• Zásada: Látka schopná proton přijmout.

Nejznámějším typem je neutralizace, při které reaguje kyselina se hydroxidem za vzniku soli a vody. Jde o speciální případ podvojné záměny.

• Příklad: Reakce kyseliny sírové s hydroxidem draselným.

H₂SO₄ + 2 KOH → K₂SO₄ + 2 H₂O

Polymerizační reakce

Při polymeraci se mnoho malých molekul, tzv. monomerů, spojuje do dlouhých řetězců nebo sítí a vytváří tak obří molekulu, polymer. Tyto reakce jsou základem výroby všech plastů a syntetických materiálů.

• Příklad: Vznik polyethylenu z molekul ethenu.

n CH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ

🌍 Příklady a význam v praxi

Chemické reakce jsou všudypřítomné a tvoří základ našeho světa i technologického pokroku.

V přírodě a živých organismech

• Fotosyntéza: Klíčová endotermní reakce, při které zelené rostliny za pomoci slunečního světla přeměňují oxid uhličitý a vodu na glukózu (zásobní energii) a kyslík.
• Buněčné dýchání: Exotermní redoxní reakce probíhající v buňkách organismů, při které se glukóza a kyslík přeměňují zpět na oxid uhličitý a vodu za uvolnění energie pro životní funkce.
• Trávení: Soubor hydrolytických reakcí, při kterých enzymy štěpí složité živiny (bílkoviny, cukry, tuky) na jednodušší látky, které může tělo vstřebat.
• Krasové jevy: Rozpouštění vápence (uhličitanu vápenatého) slabou kyselinou uhličitou, která vzniká reakcí dešťové vody s oxidem uhličitým ve vzduchu.

V průmyslu a domácnosti

• Haberův–Boschův proces: Průmyslová syntéza amoniaku z vodíku a dusíku za vysokého tlaku, teploty a použití katalyzátorů. Amoniak je základem pro výrobu průmyslových hnojiv.
• Spalování: Rychlá exotermní redoxní reakce hořlavé látky s oxidačním činidlem (obvykle kyslíkem) za vzniku tepla a světla. Je základem pro výrobu energie v tepelných elektrárnách a pro pohon spalovacích motorů.
• Výroba železa ve vysoké peci: Redoxní reakce, při které se železná ruda (oxidy železa) redukuje oxidem uhelnatým na surové železo.
• Tuhnutí betonu: Komplexní série reakcí, při kterých cement reaguje s vodou (hydratace) a vytváří pevnou a odolnou strukturu.

💡 Pro laiky

Představte si chemickou reakci jako vaření v kuchyni, kde používáte různé ingredience.

• Reaktanty jsou vaše ingredience – například mouka, vejce, cukr a mléko. Každá má své vlastnosti.
• Chemická reakce je samotný proces vaření nebo pečení. Mícháte, zahříváte a ingredience se mění. Vazby mezi nimi se "trhají" a tvoří se nové.
• Produkty jsou výsledek – v tomto případě bábovka. Bábovka má úplně jiné vlastnosti než původní ingredience, i když je stále složená ze stejných základních prvků (atomů).

Podmínky jsou také důležité. Když ingredience jen smícháte, nic se nestane. Musíte dodat aktivační energii – tedy zapnout troubu na správnou teplotu (dodat teplo), aby pečení (reakce) vůbec začalo. A pokud přidáte katalyzátor (např. kypřicí prášek), celý proces proběhne mnohem rychleji a lépe.