ΧΗΜΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ

1. Τι ονομάζουμε χημικές αντιδράσεις;

Χημικά φαινόμενα (αντιδράσεις) ονομάζονται οι μεταβολές κατά τις οποίες από ορισμένες αρχικές ουσίες (αντιδρώντα) δημιουργούνται νέες (προϊόντα) με διαφορετικές ιδιότητες. Οι χημικές αντιδράσεις πραγματοποιούνται παντού γύρω μας και κάθε χρονική στιγμή, σε κάθε τι που κάνουμε.

Αντικατάσταση Ιωδίου από Χλώριο

2. Πως συμβολίζονται οι χημικές αντιδράσεις;

Κάθε χημική αντίδραση συμβολίζεται με μία χημική εξίσωση. Στη χημική αυτή εξίσωση διακρίνουμε δύο μέλη, που συνδέονται μεταξύ τους με ένα βέλος (®). Στο πρώτο μέλος γράφουμε τα σώματα που έχουμε αρχικά, πριν ξεκινήσει η αντίδραση, που ονομάζονται αντιδρώντα, ενώ στο δεύτερο μέλος γράφουμε τα σώματα που σχηματίζονται κατά την αντίδραση και ονομάζονται προϊόντα. Πολλές φορές χρησιμοποιούμε αδιάκριτα την έκφραση χημική αντίδραση και χημική εξίσωση. Από τα παραπάνω όμως γίνεται φανερό ότι αντιπροσωπεύουν διαφορετικά πράγματα.

3. Πως γράφουμε μια χημική εξίσωση;

Μια χημική εξίσωση όταν γραφεί σωστά πρέπει να ικανοποιεί τρεις ισορροπίες.

Α. Την ποιοτική ισορροπία : Δηλαδή τα ίδια είδη ατόμων που έχουν τα αντιδρώντα πρέπει να υπάρχουν και στα προϊόντα.

Β. Την ποσοτική ισορροπία : Όσα άτομα από κάθε είδος έχουμε στα αντιδρώντα το ίδιο πλήθος θα έχουμε και στα προϊόντα. Δεν έχει καμία σημασία πως βρίσκονται σε ποια μορφή ή σε ποιες ενώσεις. Πρέπει το συνολικό πλήθος ατόμων να είναι το ίδιο.

Η Κρήνη του Ήρωνα

Γ. Ισορροπία φορτίου : Το συνολικό φορτίο των αντιδρώντων πρέπει να είναι ίσο με το συνολικό φορτίο των προϊόντων. Αυτό πρακτικά δεν θα μας απασχολήσει γιατί εμείς δουλεύουμε με μόρια που δεν έχουν φορτίο άρα το συνολικό φορτίο αντιδρώντων είναι ίσο με μηδέν και το συνολικό φορτίο των προϊόντων είναι ίσο με μηδέν.

4. Υπάρχει κάποιο παράδειγμα που να δείχνε αυτά τα πράγματα;

Μπορούμε να δούμε μια απλή χημική αντίδραση π.χ. την αντίδραση του αζώτου με το υδρογόνο προς σχηματισμό αμμωνίας. Το χημικό αυτό φαινόμενο περιγράφεται με την παρακάτω χημική εξίσωση:

Ν₂ + Η₂ ® ΝΗ₃ (1)

Στο πρώτο μέλος γράφουμε τα μόρια των αντιδρώντων, δηλαδή, το άζωτο και το υδρογόνο, ενώ στο δεύτερο μέλος της εξίσωσης γράφουμε τα προϊόντα της αντίδρασης, δηλαδή την αμμωνία. Η γραφή των ενώσεων ακολουθεί τους κανόνες γραφής των χημικών ενώσεων. Από τη στιγμή που θα γραφούν σωστά οι ενώσεις με τους κατάλληλους δείκτες δεν αλλάζουμε πλέον την μορφή των ενώσεων.

Ωστόσο, η χημική εξίσωση (1) δεν είναι ακόμα σωστά γραμμένη, καθώς ο αριθμός των ατόμων κάθε στοιχείου θα πρέπει να είναι ίδιος στα αντιδρώντα και προϊόντα, αφού τα άτομα ούτε φθείρονται, ούτε δημιουργούνται κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης. Θα πρέπει, λοιπόν να γίνει ισοστάθμιση μάζας. Έτσι, βάζουμε κατάλληλους συντελεστές στα δύο μέλη της εξίσωσης, ώστε να ικανοποιηθεί η παραπάνω απαίτηση. Οι συντελεστές μπαίνουν μπροστά στις ενώσεις και επηρεάζουν όλα τα άτομα της ένωσης.

Στο παράδειγμα της σύνθεσης της αμμωνίας, βάζουμε συντελεστή δύο μπροστά από την αμμωνία, ώστε να ισοσταθμίσουμε τα άτομα αζώτου, οπότε η χημική εξίσωση γράφεται:

Ν₂ + Η₂ ® 2ΝΗ₃ (2)

Επίσης βάζουμε συντελεστή τρία μπροστά από το μόριο του υδρογόνου, ώστε να ισοσταθμίσουμε στα δύο μέλη της χημικής εξίσωσης (αντιδρώντα και προϊόντα) τον αριθμό ατόμων υδρογόνου. Έτσι, η χημική εξίσωση παίρνει τη μορφή:

Ν₂ + 3Η₂ ® 2ΝΗ­₃ (3)

Η (3) είναι τώρα σωστά γραμμένη χημική εξίσωση, καθώς έχει γίνει ισοστάθμιση των ατόμων στα δύο μέλη της εξίσωσης. Επιπλέον πολλές φορές αναγράφεται και η φυσική κατάσταση των αντιδρώντων και προϊόντων, όπως θα δούμε παρακάτω.

Συμπερασματικά, λοιπόν, μία χημική εξίσωση περιλαμβάνει:

τα αντιδρώντα και τα προϊόντα που πρέπει να είναι σωστά γραμμένα με βάση τους κανόνες γραφής και τους κατάλληλους συντελεστές, ώστε τα άτομα κάθε στοιχείου να είναι ισάριθμα στα δύο μέλη της χημικής εξίσωσης.

5. Αν σε ένα δοχείο βάλω τα αντιδρώντα θα γίνει η αντίδραση;

Όχι πάντα. Για να πραγματοποιηθεί μία χημική αντίδραση θα πρέπει, σύμφωνα με τη θεωρία των συγκρούσεων, τα μόρια (ή γενικότερα οι δομικές μονάδες της ύλης) των αντιδρώντων να συγκρουστούν και μάλιστα να συγκρουστούν κατάλληλα. Με τον όρο «να συγκρουστούν κατάλληλα» εννοούμε ότι πρέπει να έχουν την κατάλληλη ταχύτητα και ένα ορισμένο προσανατολισμό. Αποτέλεσμα αυτής της σύγκρουσης είναι ότι «σπάνε» οι αρχικοί δεσμοί (των αντιδρώντων) και δημιουργούνται νέοι (των προϊόντων). Έχει εκτιμηθεί ότι μόνο ένα πολύ μικρό ποσοστό των συγκρούσεων των αντιδρώντων είναι αποτελεσματικές.

Σύγκριση δραστικότητας Fe - Cu

6. Οι αντιδράσεις γίνονται αργά ή γρήγορα;

Εύκολα γίνεται αντιληπτό ότι η ταχύτητα με την οποία τα διάφορα χημικά φαινόμενα εξελίσσονται ποικίλλει. Έτσι, π.χ. ο Fe σκουριάζει (διάβρωση) πολύ αργά, ενώ η έκρηξη της πυρίτιδας ή η καύση του Mg με το Ο₂ γίνονται ακαριαία. Επίσης, η αντίδραση 2Η₂ + Ο₂ ® 2Η₂Ο στη συνήθη θερμοκρασία προχωρεί τόσο αργά, ώστε πρακτικά δε γίνεται. Αν όμως τη «βοηθήσουμε» με ένα σπινθήρα, τότε γίνεται έκρηξη, δηλαδή η αντίδραση γίνεται με πολύ μεγάλη ταχύτητα.

Προφανώς ο ρυθμός των ενεργών συγκρούσεων καθορίζει την ταχύτητα μιας αντίδρασης.

Ταχύτητα μιας αντίδρασης ορίζεται η μεταβολή της συγκέντρωσης ενός από τα αντιδρώντα ή τα προϊόντα, στη μονάδα του χρόνου. Αυτό με άλλα λόγια σημαίνει πόσο γρήγορα αντιδρούν τα αντιδρώντα και μετατρέπονται σε προϊόντα.

Η ταχύτητα μιας αντίδρασης μπορεί να αυξηθεί :

Με αύξηση της ποσότητας (συγκέντρωσης) των αντιδρώντων.

Με αύξηση της θερμοκρασίας.

Με την παρουσία καταλυτών. Ο καταλύτης αυξάνει την ταχύτητα της αντίδρασης, χωρίς να καταναλώνεται. Οι αντιδράσεις στους ζωντανούς οργανισμούς καταλύονται από τα ένζυμα ή βιοκαταλύτες.

Με την αύξηση της επιφάνειας επαφής των στερεών σωμάτων που μετέχουν στην αντίδραση. Π.χ. ο άνθρακας σε μεγάλα κομμάτια καίγεται αργά, ενώ σε μορφή σκόνης σχεδόν ακαριαία. Υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που επιδρούν στη ταχύτητα οι οποίοι θα αναφερθούν διεξοδικά αργότερα.

7. Τι συμβαίνει με τις ενεργειακές μεταβολές σε ένα χημικό φαινόμενο;

Είναι πια γνωστό ότι στις χημικές μεταβολές (αντιδράσεις) τα άτομα διατηρούνται, ενώ ανακατανέμονται. Δηλαδή, οι αρχικοί δεσμοί «σπάζουν» και δημιουργούνται καινούργιοι σχηματίζοντας έτσι τα προϊόντα της αντίδρασης. Π.χ. στην αντίδραση H₂ + Cl₂ ® 2HCl, «σπάζουν» οι δεσμοί Η-Η και Cl-Cl και δημιουργείται ο δεσμός H-Cl.

Γενικά, για να «σπάσει» ένας δεσμός, χρειάζεται ενέργεια, ενώ όταν δημιουργείται εκλύεται. Αυτό το «πάρε – δώσε» ενέργειας κρίνει τελικά κατά πόσο η αντίδραση συνολικά ελευθερώνει ή απορροφά ενέργεια σε μορφή θερμότητας.

Εξώθερμη ονομάζεται μία χημική αντίδραση που ελευθερώνει θερμότητα στο περιβάλλον.

Ενδόθερμη είναι η αντίδραση που απορροφά θερμότητα από το περιβάλλον.

8. Πόσο αποτελεσματική είναι μια αντίδραση;

Μια σύγκρουση μεταξύ των ατόμων χαρακτηρίζεται αποτελεσματική όταν δημιουργηθούν προϊόντα.

Πολλές χημικές αντιδράσεις δεν είναι πλήρεις, δηλαδή μέρος μόνο των αντιδρώντων μετατρέπονται σε προϊόντα (αμφίδρομες αντιδράσεις).

Η απόδοση μιας αντίδρασης καθορίζει τη σχέση μεταξύ της ποσότητας ενός προϊόντος που παίρνουμε πρακτικά και της ποσότητας που θα παίρναμε θεωρητικά, αν η αντίδραση ήταν πλήρης (μονόδρομη).

Όπως θα δούμε αναλυτικά στο βιβλίο της Β΄ Λυκείου κατεύθυνσης, μπορούμε να αυξήσουμε την απόδοση μιας αντίδρασης μεταβάλλοντας:

την ποσότητα (συγκέντρωση) των αντιδρώντων ή των προϊόντων

τη θερμοκρασία

την πίεση, εφ΄ όσον στην αντίδραση μετέχουν αέρια.

9. Σε ποιες κατηγορίες διακρίνονται οι χημικές αντιδράσεις;

Οι χημικές αντιδράσεις μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες, τις οξειδοαναγωγικές και τις μεταθετικές. Οι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις όταν πραγματοποιούνται τα στοιχεία που συμμετέχουν αλλάζουν αριθμό οξείδωσης. Κάποιο από τα στοιχεία ανεβάζει τον αριθμό οξείδωσης δηλαδή παθαίνει οξείδωση, ενώ ένα άλλο μειώνει τον αριθμό οξείδωσης δηλαδή παθαίνει αναγωγωγή. Αντίθετα στις μεταθετικές αντιδράσεις κανένα στοιχείο από αυτά που συμμετέχουν δεν εμφανίζει μεταβολή σε αριθμό οξείδωσης.

10. Ποιες κατηγορίες αντιδράσεων έχουμε στις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις;

Απλές οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις είναι οι συνθέσεις, οι αποσυνθέσεις, οι διασπάσεις, οι αντιδράσεις απλής αντικατάστασης. Υπάρχουν, βέβαια, και αντιδράσεις οξειδοαναγωγής πολύπλοκης μορφής, οι οποίες όμως δε θα μας απασχολήσουν στο κεφάλαιο αυτό.