Typy reakcji

Wstęp

Każdą reakcję chemiczną możemy zaklasyfikować do różnych grup stosując różne kryteria. Warto zatem usystematyzować sobie te sprawy, by stosowana podczas omawiania reakcji nomenklatura nie była przeszkodą w zrozumieniu danego zagadnienia, lecz przeciwnie, zgodnie z założeniami pomagała nam zrozumieć istotę sprawy. Najczęściej stosowane kryteria podziału reakcji chemicznych to ogólny sposób otrzymania produktów (synteza, analiza, wymiana...), mechanizm reakcji (substytucja, addycja ...), ogólny mechanizm procesu (łańcuchowa, równoległe, następcze), zmiany energetyczne (endo- i egzoenergetyczne, nieodwracalne i odwracalne, samorzutne...) itp. itd. Kryteria, i idące za tym podziały, można mnożyć w nieskończoność, pamiętać jednak należy, że mają one pomóc w usystematyzowaniu jakichś danych związanych z reakcją, a nie powinny być tylko mnożeniem niepotrzebnych i nic nie wnoszących informacji. Jeśli zatem spotkamy się z nieznanym nam dotąd podziałem, zastanówmy się czy rzeczywiście w czymś może być nam pomocny i dopiero wtedy zapamiętajmy jego kryteria. Pamiętajmy także, że podziały te mają na celu aspekt praktyczny, wobec czego często nie są ostre, czasem umowne i nie należy przywiązywać do nich zbyt dużej wagi. Tak więc najczęściej o zakwalifikowaniu danej reakcji do jakiejś grupy decydują bardziej względy praktyczne niż formalne.

Podział podstawowy

Synteza - otrzymanie nowego związku przez połączenia atomów lub cząsteczek już istniejących:

C + O₂ –—> CO₂

Rozpad - otrzymanie nowych cząsteczek poprzez destrukcje substratu

2NaHCO₃ ——> Na₂CO₃ + H₂O + CO₂

Wymiana prosta - otrzymanie z dwóch cząsteczek, dwóch nowych przez wymianę fragmentu jednej z nich

2Fe₂O₃ + 3C ——> 2Fe + 3CO₂

Wymiana złożona - otrzymanie z dwóch cząsteczek, dwóch nowych przez wymianę fragmentów obu cząsteczek

BaS + Ag₂SO₄ ——> Ag₂S + BaSO₄

Pamiętajmy, że kryteriów tych (i innych) podziałów nie należy i nie można traktować li tylko formalnie, ale przede wszystkim należy rozumieć ich sens. Nie należy klasyfikować reakcji do danego typu tylko na podstawie jej zapisu (równania), te bowiem często maja formę nie odpowiadająca rzeczywistości (ale za to łatwiejszą do zapamiętania). Najczęściej zapis formalny jest tylko zapisem początkowych substratów i końcowych produktów i nie uwzględnia najczęściej złożoności całego procesu. Szczególna ostrożność należy zachować w przypadku reakcji między elektrolitami w roztworach, gdzie nie istnieją najczęściej cząsteczki a tylko jony i to między nimi odbywają się reakcje. Powyższy przykład na wymianę podwójną może budzić wątpliwości, bowiem w roztworze będą jony i one stworzą nowe cząsteczki. Jest to raczej zespół dwóch reakcji syntezy niż podwójnej wymiany (ale sens wymiany podwójnej tłumaczy, niech więc już tak zostanie).

Podział wg mechanizmu

Dotyczy głównie reakcji związków organicznych i główny podział to substytucja, addycja i eliminacja. W klasycznym podziale odpowiada im w przybliżeniu synteza (addycja, przyłączenia związku B do związku A), wymiana (substytucja, podstawienie, związek B łącząc się ze związkiem A powoduje eliminację cząsteczki Z, będącej dotąd częścią cząsteczki A) i rozpad (eliminacja, z tym, że tu rozpadowi "pomaga" często druga cząsteczka). W reakcjach związków organicznych podziały na poszczególne typy są szczególnie nieostre, bowiem występują duże trudności już na etapie określenia, co jest jeszcze reakcją elementarną a co już musimy uznać za proces złożony.

Ze względu na ładunek w centrum reakcji i ilość biorących w procesie cząsteczek, reakcje organiczne dzielimy na (lub może dokładniej - wyróżniamy wśród nich) elektrofilowe bądź nukleofilowe, jednocząsteczkowe lub dwucząsteczkowe. Ponieważ, jak wspomniałem przed chwilą, trudności pojawiają się już w chwili gdy próbujemy określić zakres pojęcia reakcja, także określenia: jedno- i dwucząsteczkowa nie dotyczą cząsteczkowości całej omawianej reakcji (która najczęściej jest złożonym procesem wewnątrzcząsteczkowych przemian i wzajemnego wpływu reagujących cząsteczek na siebie) lecz określeniem cząsteczkowości najwolniejszego etapu przemiany, którego szybkość determinuje szybkość całego procesu (zwanego przez nas reakcja substytucji bądź addycji).

Ze względu na to, czy proces podstawienia rozpoczyna się przy elemencie cząsteczki A obdarzonym ładunkiem ujemnym (np. grupa karboksylowa i jej elektroujemny atom tlenu) czy też w miejscu o niedomiarze ładunku ujemnego, substytucje dzielimy na elektrofilowe i nukleofilowe (S_E i S_N)

addycje - przyłączanie do cząsteczki A cząsteczki B. Najprostszym przykładem jest wysycanie wiązań wielokrotnych, np. działanie cząsteczki bromu na związek nienasycony i po przyłączeniu dwóch atomów bromu (cząsteczki Br₂) w miejsce wiązania podwójnego powstanie bromopochodnej alkilowej.

substytucje - podstawianie, wymienienie pewnego elementu (najczęściej atomu wodoru) cząsteczki A na cząsteczkę lub grupę B. Jeśli proces odłączania elementu od cząsteczki A jest powolny w stosunku do szybkości późniejszego przyłączenia grupy B, mówimy o substytucji jednocząsteczkowej (szybkość całego procesu wyznacza przemiana jednej cząsteczki). Gdy szybkości obu procesów - odłączania elementu od cząsteczki A i przyłączanie elementu B, mają szybkości porównywalne, mówimy o substytucji dwucząsteczkowej. "Zastąpiliśmy" tu pojęcie rzędowości reakcji pojęciem cząsteczkowości. Nie jest to jedyna niekonsekwencja w nomenklaturze stosowanej w chemii, ale pamiętajmy, że nauka ta rozwijała się przez wieki, że poglądy na różne zjawiska chemiczne ewoluowały, czego spuścizną jest między innymi ta czasem niekonsekwentna nomenklatura. Istnieje międzynarodowa organizacja uczonych (IUPAC), która od lat pracuje nad ujednoliceniem nomenklatury chemicznej (i nie tylko nomenklatury), lecz nie jest w stanie wprowadzić wszystkich zmian od razu, a też i nie wszystko warto zmieniać.

S_N1 - substytucja nukleofilowa jednocząsteczkowa

S_N2 - substytucja nukleofilowa dwucząsteczkowa (linki do stron traktujących o reakcjach SN)

S_E1 - substytucja elektrofilowa jednocząsteczkowa

S_E2 - substytucja elektrofilowa dwucząsteczkowa

Reakcje eliminacji jedno- i dwucząsteczkowej (z zastrzeżeniem jak wyżej przy omawianiu reakcji substytucji)

E1 - eliminacja jednocząsteczkowa

E2 - eliminacja dwucząsteczkowa

Podział wg procesów

Reakcje odwracalne, czyli takie w których między substratami a produktami ustala się stan równowagi ilościowej w danych warunkach. Zarówno reakcja substrat-produkt jak i produkt-substrat przebiega samorzutnie. Ponieważ w początkowej fazie reakcji maleje ilość substratu, maleje też szybkość powstawania produktu. Ponieważ produktu na początku reakcji przybywa (choć coraz wolniej) rośnie szybkość reakcji odwrotnej produkt-substrat. Po pewnym czasie spadek szybkości reakcji "tam" i wzrost prędkości reakcji "z powrotem" powoduje zrównanie się tych szybkości i reakcja osiąga stan równowagi dynamicznej - powstaje tyle samo produktu co zanika na skutek reakcji przeciwnej. Równowagę reakcji opisuje stała równowagi reakcji:

Podając stałą równowagi trzeba także podać jakiego kierunku reakcji ona dotyczy (K_a-xczy K_x-a). Generalnie przyjmujemy, ze kierunku zapisanego w równaniu reakcji od lewej do prawej, tzn. za substraty przyjmujemy lewą stronę równania a prawą za produkty. Przy odwrotnym zapisie substraty i produkty "zamienią się miejscami". Stan równowagi będzie oczywiście taki sam, bez względu czy rozpoczęliśmy reakcje od lewej czy prawej strony równania.

Dla reakcji estryfikacji kwasu octowego metanolem

stała równowagi przybierze postać

a stan równowagi (stężenia wszystkich czterech składników w stanie równowagi, a dokładniej ich stosunek) będzie niezależny od kierunku reakcji, tzn. czy przez zmieszanie kwasu z alkoholem otrzymujemy ester czy też przez hydrolizę estru otrzymujemy alkohol i kwas. Warto pamiętać także, że katalizator nie przesuwa równowagi, a jedyni przyspiesza moment jej osiągnięcia.

łańcuchowe (patrz)

równoległe i następcze (patrz)

Podział ze względu na zmiany energetyczne ( patrz też ... )

Reakcje egzotermiczne, przebiegają z wydzieleniem energii na sposób ciepła (np. utlenianie), reakcje endotermiczne do swojego przebiegu potrzebują dostarczenia energii z zewnątrz.

Jeżeli reakcja odwracalna jest egzo- lub endotermiczna, to w rozważaniach nad przesunięciem stanu równowagi reakcji ciepło traktujemy jak jeden z substratów-produktów reakcji.

Inne typy wyróżniane w chemii

Reakcje redoksowe (utlenienia-redukcji) - reakcje w których wzrasta stopień utlenienia (wartościowość z uwzględnieniem znaku) jednych atomów kosztem spadku stopnia utlenienia innych atomów występujących w reakcji. (Dla przypomnienia: atom wodoru H ma zawsze wartościowość +1, za wyjątkiem związków z metalami, zwanych wodorkami, gdzie przyjmuje wartościowość -1; tlen ma zawsze wartościowość -2, za wyjątkiem fluorku tlenu OF₂, gdzie ma wartościowość +2 oraz nadtlenków gdzie przyjmujemy wartość -1; dla stanów pierwiastkowych i wiązań łączących atomy tego samego pierwiastka przyjmujemy wartościowości 0)

Reakcje dysproporcjonowania - pewien typ reakcji redoks, w którym utlenieniu i redukcji ulegają jednocześnie różne atomy tego samego pierwiastka, ten sam związek pełni role i utleniacza i reduktora. Szczególnie znana jest reakcja dysproporcjonowania zachodząca między dwiema cząsteczkami aldehydu, w której jedna cząsteczka utlenia się do kwasu, kosztem drugiej, która redukuje się do alkoholu (reakcja Cannizzaro).

Reakcje kondensacji - tak określamy reakcje organiczne, w których dwie cząsteczki łączą się tworząc trzecią i jednocześnie powstaje cząsteczka prostego związku (często woda, amoniak, ditlenek węgla ...) Typowym przykładem może być reakcja estryfikacji, gdzie po połączeniu cząsteczki kwasu i alkoholu w ester wydziela się cząsteczka wody.

Reakcje zmydlania - ogólna nazwa grupy reakcji hydrolizy estrów, w wyniku której powstają kwasy tłuszczowe, a dokładniej ich sole (mydła), bowiem reakcję prowadzi się w środowisku zasadowym.

Reakcje polimeryzacji (polikondensacji, kopolimeryzacji) - reakcje, w wyniku których powstają cząsteczki o dużej masie cząsteczkowej i "modułowej" budowie. Pojedynczy "moduł" takiej cząsteczki nazywany jest merem. Polimer osiągamy łącząc cząsteczki tego samego związku zawierające centra nienasycenia (np. etylen - eten w polietylen) lub wydzielające w czasie reakcji proste związki (polikondensacja, np. tworzenie poliestrów), lub w reakcji kopolimeryzacji, łącząc cząsteczki najczęściej dwóch różnych związków.

do strony głównej