Eine chemische Reaktion ist ein Prozess, der zur Transformation eines Satzes von chemischen Substanzen zu einem anderen führt. Chemische Reaktionen können entweder unwillkürlich sein, keinen Eingang der Energie, oder nichtunwillkürlich, normalerweise im Anschluss an den Eingang von einem Typ der Energie, wie Hitze, Licht oder Elektrizität verlangend. Klassisch umfassen chemische Reaktionen Änderungen, die ausschließlich die Bewegung von Elektronen im Formen und Brechen von chemischen Obligationen einschließen, obwohl das Gesamtkonzept einer chemischen Reaktion, insbesondere der Begriff einer chemischen Gleichung, auf Transformationen von elementaren Partikeln (solcher, wie illustriert, durch Diagramme von Feynman), sowie Kernreaktionen anwendbar ist.

Die Substanz (oder Substanzen) am Anfang beteiligt an einer chemischen Reaktion werden Reaktionspartner oder Reagenzien genannt. Chemische Reaktionen werden gewöhnlich durch eine chemische Änderung charakterisiert, und sie geben ein oder mehr Produkte nach, die gewöhnlich von den Reaktionspartnern verschiedene Eigenschaften haben. Reaktionen bestehen häufig aus einer Folge von individuellen Subschritten, den so genannten elementaren Reaktionen, und die Information über den genauen Kurs der Handlung ist ein Teil des Reaktionsmechanismus. Chemische Reaktionen werden mit chemischen Gleichungen beschrieben, die grafisch die Ausgangsmaterialien, Endprodukte, und manchmal Zwischenprodukte und Reaktionsbedingungen präsentieren.

Verschiedene chemische Reaktionen werden in der Kombination in der chemischen Synthese verwendet, um ein gewünschtes Produkt zu erhalten. In der Biochemie bilden Reihen von chemischen durch Enzyme katalysierten Reaktionen metabolische Pfade, durch die Synthesen und unter gewöhnlichen Bedingungen unmögliche Zergliederungen innerhalb einer Zelle durchgeführt werden.

Geschichte

Chemische Reaktionen wie Verbrennen im Feuer, der Gärung und der Verminderung von Erzen zu Metallen waren seit der Altertümlichkeit bekannt. Anfängliche Theorien der Transformation von Materialien wurden von griechischen Philosophen wie die Vier-Elemente-Theorie von Empedocles entwickelt, der feststellt, dass jede Substanz aus den vier Grundelementen - Feuer, Wasser, Luft und Erde zusammengesetzt wird. Im Mittleren Alter wurden chemische Transformationen von Alchimisten studiert. Sie haben insbesondere versucht, um Leitung in Gold umzuwandeln, für den Zweck sie Reaktionen der Leitungs- und Leitungskupferlegierung mit dem Schwefel verwendet haben.

Die Produktion von chemischen Substanzen, die in der Natur nicht normalerweise vorkommen, ist lange wie die Synthese von Schwefel- und Stickstoffsäuren versucht worden, die dem umstrittenen Alchimisten Jābir ibn Hayyān zugeschrieben sind. Der Prozess ist mit Heizung des Sulfats und der Nitrat-Minerale wie Kupfersulfat, Alaun und Salpeter verbunden gewesen. Im 17. Jahrhundert hat Johann Rudolph Glauber Salzsäure- und Natriumssulfat erzeugt, indem er Schwefelsäure und Natriumchlorid reagiert hat. Mit der Entwicklung des Leitungsraum-Prozesses 1746 und des Prozesses von Leblanc, groß angelegte Produktion von Schwefelsäure und Natriumkarbonat beziehungsweise erlaubend, sind chemische Reaktionen durchgeführt in die Industrie geworden. Die weitere Optimierung der Schwefelsäure-Technologie ist auf den Kontakt-Prozess in den 1880er Jahren hinausgelaufen, und der Prozess von Haber wurde in 1909-1910 für die Ammoniak-Synthese entwickelt.

Aus dem 16. Jahrhundert haben Forscher einschließlich Jan Baptist van Helmonts, Robert Boyles und Isaac Newtons versucht, Theorien der experimentell beobachteten chemischen Transformationen einzusetzen. Die phlogiston Theorie wurde 1667 von Johann Joachim Becher vorgeschlagen. Es hat verlangt, dass die Existenz eines feuerähnlichen Elements "phlogiston" genannt hat, der innerhalb von brennbaren Körpern enthalten und während des Verbrennens veröffentlicht wurde. Das hat sich erwiesen, 1785 durch Antoine Lavoisier falsch zu sein, der die richtige Erklärung des Verbrennens als Reaktion mit Sauerstoff von der Luft gefunden hat.

Joseph Louis Gay-Lussac hat 1808 anerkannt, dass Benzin immer in einer bestimmten Beziehung mit einander reagiert. Gestützt auf dieser Idee und der Atomtheorie von John Dalton hatte Joseph Proust das Gesetz von bestimmten Verhältnissen entwickelt, die später auf die Konzepte der Stöchiometrie und chemischen Gleichungen hinausgelaufen sind.

Bezüglich der organischen Chemie wurde es lange geglaubt, dass bei lebenden Organismen erhaltene Zusammensetzungen zu kompliziert waren, um synthetisch erhalten zu werden. Gemäß dem Konzept von vitalism war organische Sache mit einer "Lebenskraft" ausgestattet und hat von anorganischen Materialien unterschieden. Diese Trennung wurde jedoch durch die Synthese des Harnstoffs von anorganischen Vorgängern von Friedrich Wöhler 1828 beendet. Andere Chemiker, die Hauptbeiträge zur organischen Chemie gebracht haben, schließen Alexander William Williamson mit seiner Synthese des Äthers und Christopher Kelk Ingolds ein, der, unter vielen Entdeckungen, die Mechanismen von Ersatz-Reaktionen eingesetzt hat.

Gleichungen

Chemische Gleichungen werden verwendet, um chemische Reaktionen grafisch zu illustrieren. Sie bestehen aus chemischen oder strukturellen Formeln der Reaktionspartner links und derjenigen der Produkte rechts. Sie werden durch einen Pfeil () getrennt, der die Richtung und den Typ der Reaktion anzeigt. Der Tipp des Pfeils weist in der Richtung hin, in der die Reaktion weitergeht. Ein doppelter Pfeil , in entgegengesetzten Richtungen hinweisend, wird für Gleichgewicht-Reaktionen verwendet. Gleichungen sollten gemäß der Stöchiometrie erwogen werden, die Zahl von Atomen jeder Art sollte dasselbe an beiden Seiten der Gleichung sein. Das wird durch das Schuppen der Zahl von beteiligten Molekülen (A, B, C und D in einem schematischen Beispiel unten) durch die passenden ganzen Zahlen a, b, c und d erreicht.

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Mehr wohl durchdachte Reaktionen werden durch Reaktionsschemas vertreten, die zusätzlich zu Ausgangsmaterialien und Produkten wichtige Zwischenglieder oder Übergang-Staaten zeigen. Außerdem können einige relativ geringe Hinzufügungen zur Reaktion über dem Reaktionspfeil angezeigt werden; Beispiele solcher Hinzufügungen sind Wasser, Hitze, Beleuchtung, ein Katalysator usw. Ähnlich können einige geringe Produkte unter dem Pfeil, häufig mit minus das Zeichen gelegt werden.

Analyse von Retrosynthetic kann angewandt werden, um eine komplizierte Synthese-Reaktion zu entwerfen. Hier haben die Analyse-Anfänge von den Produkten, zum Beispiel durch das Aufspalten chemische Obligationen ausgewählt, um plausible anfängliche Reagenzien zu erreichen. Ein spezieller Pfeil () wird in retro Reaktionen verwendet.

Elementare Reaktionen

Die elementare Reaktion ist die kleinste Abteilung, in die eine chemische Reaktion dazu zersetzt werden kann, hat es keine Zwischenprodukte. Am meisten experimentell beobachtete Reaktionen werden von vielen elementaren Reaktionen aufgebaut, die in der Parallele oder folgend vorkommen. Die wirkliche Folge der individuellen elementaren Reaktionen ist als Reaktionsmechanismus bekannt. Eine elementare Reaktion ist mit einigen Molekülen, gewöhnlich ein oder zwei, wegen der niedrigen Wahrscheinlichkeit für mehrere Moleküle verbunden, um sich in einer bestimmten Zeit zu treffen.

Die wichtigsten elementaren Reaktionen sind monomolekulare und bimolecular Reaktionen. Nur ein Molekül wird an einer monomolekularen Reaktion beteiligt; es wird durch einen isomerization oder eine Trennung in einem oder mehr anderen Molekülen umgestaltet. Solche Reaktion verlangt Hinzufügung der Energie in der Form der Hitze oder des Lichtes. Ein typisches Beispiel einer monomolekularen Reaktion ist der cis-trans isomerization, in dem sich die Cis-Form einer Zusammensetzung zum Umgestalten oder umgekehrt umwandelt.

In einer typischen Trennungsreaktion spaltet sich ein Band in einem Molekül auf, auf zwei molekulare Bruchstücke hinauslaufend. Das Aufspalten kann homolytic oder heterolytic sein. Im ersten Fall wird das Band geteilt, so dass jedes Produkt ein Elektron behält und ein neutraler Radikaler wird. Im zweiten Fall bleiben beide Elektronen des chemischen Bandes mit einem der Produkte, auf beladene Ionen hinauslaufend. Trennung spielt eine wichtige Rolle im Auslösen von Kettenreaktionen, wie Wasserstoffsauerstoff oder polymerization Reaktionen.

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Für bimolecular Reaktionen kollidieren zwei Moleküle und reagieren mit einander. Ihre Fusion wird chemische Synthese oder eine Hinzufügungsreaktion genannt.

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Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass nur ein Teil eines Moleküls dem anderen Molekül übertragen wird. Dieser Typ der Reaktion, kommt zum Beispiel, in redox und Sauer-Grundreaktionen vor. In redox Reaktionen ist die übertragene Partikel ein Elektron, wohingegen in Sauer-Grundreaktionen es ein Proton ist. Dieser Typ der Reaktion wird auch metathesis genannt.

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zum Beispiel

:NaCl + AgNO  NaNO + AgCl

Chemisches Gleichgewicht

Die meisten chemischen Reaktionen sind umkehrbar, der ist, können sie und wirklich in beiden Richtungen laufen. Der nachschicken und die Rückreaktionen bewerben sich mit einander und unterscheiden sich in Reaktionsraten. Diese Raten hängen von der Konzentration ab und ändern sich deshalb mit der Zeit der Reaktion: Die Rückrate nimmt allmählich zu und wird gleich der Rate der Vorwärtsreaktion, das so genannte chemische Gleichgewicht gründend. Die Zeit, um Gleichgewicht zu erreichen, hängt von solchen Rahmen wie Temperatur, Druck und die Materialien beteiligt ab, und wird durch die minimale freie Energie bestimmt. Im Gleichgewicht der Gibbs muss freie Energie Null sein. Die Druck-Abhängigkeit kann mit dem Grundsatz des Le Chatelier erklärt werden. Zum Beispiel verursacht eine Zunahme im Druck wegen des abnehmenden Volumens die Reaktion, sich beiseite mit den weniger Maulwürfen von Benzin zu bewegen.

Der Reaktionsertrag, der am Gleichgewicht stabilisiert ist, aber kann durch das Entfernen des Produktes von der Reaktionsmischung oder die Erhöhung der Temperatur oder des Drucks vergrößert werden. Die Änderung in den anfänglichen Konzentrationen der Substanzen betrifft das Gleichgewicht nicht.

Thermodynamik

Chemische Reaktionen werden durch die Gesetze der Thermodynamik bestimmt. Reaktionen können durch sich weitergehen, wenn sie exergonic sind, ist dieser, wenn sie Energie veröffentlichen. Die verbundene freie Energie der Reaktion wird aus zwei verschiedenen thermodynamischen Mengen, enthalpy und Wärmegewicht zusammengesetzt:

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Reaktionen können exothermic sein, wo ΔH negativ ist und Energie veröffentlicht wird. Typische Beispiele von exothermic Reaktionen sind Niederschlag und Kristallisierung, in der bestellte Festkörper von unordentlichen gasartigen oder flüssigen Phasen gebildet werden. Im Gegensatz, in endothermic Reaktionen, wird Hitze von der Umgebung verbraucht. Das kann durch die Erhöhung des Wärmegewichtes des Systems häufig durch die Bildung von gasartigen Reaktionsprodukten vorkommen, die hohes Wärmegewicht haben. Seit den Wärmegewicht-Zunahmen mit der Temperatur finden viele endothermic Reaktionen vorzugsweise bei hohen Temperaturen statt. Im Gegenteil kommen viele exothermic Reaktionen wie Kristallisierung bei niedrigen Temperaturen vor. Änderungen in der Temperatur können manchmal die Richtung einer Reaktion, als in der Reaktion von Boudouard umkehren:

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Diese Reaktion zwischen Kohlendioxyd und Kohlenstoff, um Kohlenmonoxid zu bilden, ist endothermic bei Temperaturen über etwa 800 °C und ist exothermic unter dieser Temperatur.

Reaktionen können auch durch die innere Energie charakterisiert werden, die Änderungen im Wärmegewicht, Volumen und chemischen Potenzial in Betracht zieht. Der Letztere hängt unter anderem auf den Tätigkeiten der beteiligten Substanzen ab.

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Kinetik

Die Geschwindigkeit, mit der Reaktionen stattfindet, wird durch die Reaktionskinetik studiert. Die Rate hängt von verschiedenen Rahmen ab wie:

• Reaktionspartner-Konzentrationen, die gewöhnlich die Reaktion an einer schnelleren Rate, wenn erhoben, durch vergrößerte Kollisionen pro Einheitszeit geschehen lassen. Einige Reaktionen haben jedoch Raten, die von Reaktionspartner-Konzentrationen unabhängig sind. Diese werden Nullordnungsreaktionen genannt.
• Fläche, die für den Kontakt zwischen den Reaktionspartnern in besonderen festen in heterogenen Systemen verfügbar ist. Größere Flächen führen zu höheren Reaktionsraten.
• Druck - Erhöhung des Drucks vermindert das Volumen zwischen Molekülen und vergrößert deshalb die Frequenz von Kollisionen zwischen den Molekülen.
• Aktivierungsenergie, die als der Betrag der Energie definiert wird, die erforderlich ist, die Reaktion anfangen und spontan fortfahren zu lassen. Höhere Aktivierungsenergie deutet an, dass die Reaktionspartner mehr Energie brauchen anzufangen als eine Reaktion mit einer niedrigeren Aktivierungsenergie.
• Temperatur, die Reaktionen, wenn erhoben, seit der höheren Temperatur beschleunigt, vergrößert die Energie der Moleküle, mehr Kollisionen pro Einheitszeit, schaffend
• Die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Katalysators. Katalysatoren sind Substanzen, die den Pfad (Mechanismus) einer Reaktion ändern, die der Reihe nach die Geschwindigkeit einer Reaktion durch das Senken der für die Reaktion erforderlichen Aktivierungsenergie vergrößert stattzufinden. Ein Katalysator wird nicht zerstört oder während einer Reaktion geändert, so kann er wieder verwendet werden.
• Für einige Reaktionen ist die Anwesenheit der elektromagnetischen Radiation, am meisten namentlich ultravioletten Lichtes, erforderlich, um das Brechen von Obligationen zu fördern, um die Reaktion anzufangen. Das ist für Reaktionen besonders wahr, die mit Radikalen verbunden sind.

Mehrere Theorien erlauben, die Reaktionsraten am molekularen Niveau zu berechnen. Dieses Feld wird Reaktionsdynamik genannt. Durch die Rate v einer Reaktion der ersten Ordnung, die Zerfall einer Substanz A sein konnte, wird gegeben:

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Seine Integrationserträge:

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Hier ist k Rate der ersten Ordnung unveränderliche habende Dimension 1/Zeit, (t) ist Konzentration auf einmal t und der anfänglichen Konzentration zu sein. Die Rate einer Reaktion der ersten Ordnung hängt nur von der Konzentration und den Eigenschaften der beteiligten Substanz ab, und die Reaktion selbst kann mit der charakteristischen Halbwertzeit beschrieben werden. Mehr als ein unveränderliches Mal ist erforderlich, wenn man Reaktionen der höheren Ordnung beschreibt. Die Temperaturabhängigkeit der Rate unveränderlich folgt gewöhnlich der Gleichung von Arrhenius:

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wo E die Aktivierungsenergie ist und k der unveränderliche Boltzmann ist. Eines der einfachsten Modelle der Reaktionsrate ist die Kollisionstheorie. Realistischere Modelle werden zu einem spezifischen Problem geschneidert und schließen die Übergang-Zustandtheorie, die Berechnung der potenziellen Energieoberfläche, der Theorie von Marcus und der Theorie von Rice Ramsperger Kassel Marcus (RRKM) ein.

Reaktionstypen

Vier grundlegende Typen

Synthese

In einer Synthese-Reaktion verbinden sich zwei oder mehr einfache Substanzen, um eine kompliziertere Substanz zu bilden. Zwei oder mehr Reaktionspartner, die ein Produkt nachgeben, sind eine andere Weise, eine Synthese-Reaktion zu identifizieren. Diese Reaktionen sind in der allgemeinen Form:

+ B  AB

Zum Beispiel kann einfaches mit einfachem Sauerstoff-Benzin verbundenes Wasserstoffbenzin eine kompliziertere Substanz wie Wasser erzeugen.

Zergliederung

Eine Zergliederungsreaktion ist das Gegenteil einer Synthese-Reaktion, wo eine kompliziertere Substanz unten in seine einfacheren Teile zerfällt. Diese Reaktionen sind in der allgemeinen Form:

AB  + B

Einzelner Ersatz

In einer einzelnen Ersatzreaktion ersetzt ein einzelnes ungebundenes Element einen anderen in einer Zusammensetzung.

Doppelter Ersatz

In einer doppelten Ersatzreaktion schalten Teile von zwei Zusammensetzungen Plätze, zwei neue Zusammensetzungen zu bilden.

Das ist, wenn die Anionen und cations von zwei verschiedenen Molekülen Plätze schalten, zwei völlig verschiedene Zusammensetzungen bildend. Diese Reaktionen sind in der allgemeinen Form:

:AB + CD  N.CHR. + CB

Ein Beispiel einer doppelten Versetzungsreaktion ist die Reaktion der Leitung (II) Nitrat mit dem Kalium iodide, um Leitung (II) iodide und Kalium-Nitrat zu bilden:

:Pb (NICHT) + 2 KI  PbI + 2 KNO

Oxydation und die Verminderung

Reaktionen von Redox können in Bezug auf die Übertragung von Elektronen von einer beteiligter Art verstanden werden (Reagenz reduzierend), zu einem anderen (das Oxidieren von Reagenz). In diesem Prozess wird die ehemalige Art oxidiert, und der Letztere, wird so der Begriff redox reduziert. Obwohl genügend, zu vielen Zwecken sind diese Beschreibungen nicht genau richtig. Oxydation wird als eine Zunahme in der Oxydationszahl und die Verminderung als eine Abnahme in der Oxydationszahl besser definiert. In der Praxis wird die Übertragung von Elektronen immer die Oxydationszahl ändern, aber es gibt viele Reaktionen, die als "redox" klassifiziert werden, wenn auch keine Elektronübertragung (wie diejenigen vorkommt, die covalent Obligationen einschließen).

Ein Beispiel einer redox Reaktion ist:

:2 SO + ICH  SO + 2 ICH

Hier werde ich auf mich reduziert, und SO (thiosulfate Anion) wird zu SO oxidiert.

Der der beteiligten Reaktionspartner reduzieren oder Reagenz oxidieren würde, kann von der Elektronegativität ihrer Elemente vorausgesagt werden. Elemente mit der niedrigen Elektronegativität, wie die meisten Metalle, schenken leicht Elektronen und oxidieren - sie reduzieren Reagenzien. Im Gegenteil, viele Ionen mit hohen Oxydationszahlen, solcher als,) kann ein oder zwei Extraelektronen gewinnen und sind starke Oxidieren-Agenten.

Die Zahl von Elektronen, die geschenkt oder in einer redox Reaktion akzeptiert sind, kann von der Elektronkonfiguration des Reaktionspartner-Elements vorausgesagt werden. Elemente versuchen, die niedrige Energie edle Gaskonfiguration zu erreichen, und deshalb werden alkalische Metalle und Halogene schenken und ein Elektron beziehungsweise akzeptieren, und das edle Benzin selbst ist chemisch untätig.

Eine wichtige Klasse von redox Reaktionen ist die elektrochemischen Reaktionen, wo die Elektronen von der Macht-Versorgung als ein abnehmender Agent verwendet werden. Diese Reaktionen sind für die Produktion von chemischen Elementen, wie Chlor oder Aluminium besonders wichtig. Der Rückprozess, in dem Elektronen in redox Reaktionen veröffentlicht werden und als elektrische Energie verwendet werden können, ist möglich und wird in den Batterien verwendet.

Complexation

In complexation Reaktionen reagieren mehrere ligands mit einem Metallatom, um einen Koordinationskomplex zu bilden. Das wird durch die Versorgung einsamen Paaren des ligand in leeren orbitals des Metallatoms und das Formen zweipoliger Obligationen erreicht. Die ligands sind Basen von Lewis, sie können beide Ionen und neutrale Moleküle, wie Kohlenmonoxid, Ammoniak oder Wasser sein. Die Zahl von ligands, die mit einem Hauptmetallatom reagieren, kann mit der 18-Elektronen-Regel gefunden werden, sagend, dass die Wertigkeitsschalen eines Übergang-Metalls 18 Elektronen insgesamt anpassen werden, wohingegen die Symmetrie des resultierenden Komplexes mit der Kristallfeldtheorie und ligand Feldtheorie vorausgesagt werden kann. Reaktionen von Complexation schließen auch Ligand-Austausch ein, in dem oder mehr ligands von einem anderen und Redox-Prozessen ersetzt werden, die den Oxydationsstaat des Hauptmetallatoms ändern.

Sauer-Grundreaktionen

Sauer-Grundreaktionen sind mit Übertragung von Protonen von einem Molekül (Säure) zu anderem (Basis) verbunden. Hier handeln Säuren als Protonenspender und Basen als Annehmer.

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Die verbundene Protonenübertragung läuft auf die so genannte verbundene Säure und verbundene Basis hinaus. Die Rückreaktion ist möglich, und so sind die Säure/Basis und konjugierte Basis/Säure immer im Gleichgewicht. Das Gleichgewicht wird durch die sauren und Grundtrennungskonstanten (K und K) der beteiligten Substanzen bestimmt. Ein spezieller Fall der Sauer-Grundreaktion ist die Neutralisierung, wo eine Säure und eine Basis, die an genau denselben Beträgen genommen ist, ein neutrales Salz bilden.

Sauer-Grundreaktionen können verschiedene Definitionen haben, je nachdem das Sauer-Grundkonzept verwendet hat. Einige der allgemeinsten sind:

• Definition von Arrhenius: Säuren trennen sich in Wasser ab, das HO Ionen veröffentlicht; Basen trennen sich in Wasser ab, das OH Ionen veröffentlicht.
• Definition von Brønsted-Lowry: Säuren sind Proton (H) Spender, Basen sind Protonenannehmer; das schließt die Definition von Arrhenius ein.
• Definition von Lewis: Säuren sind Elektronpaar-Annehmer, Basen sind Elektronpaar-Spender; das schließt die Definition von Brønsted-Lowry ein.

Niederschlag

Niederschlag ist die Bildung eines Festkörpers in einer Lösung oder innerhalb eines anderen Festkörpers während einer chemischen Reaktion. Es findet gewöhnlich statt, wenn die Konzentration von aufgelösten Ionen die Löslichkeitsgrenze überschreitet und ein unlösliches Salz bildet. Diesem Prozess kann durch das Hinzufügen eines sich niederschlagenden Agenten oder durch die Eliminierung des Lösungsmittels geholfen werden. Schneller Niederschlag läuft auf einen amorphen oder mikrokristallenen Rückstand hinaus, und langsamer Prozess kann Monokristalle nachgeben. Die Letzteren können auch durch die Rekristallisierung bei mikrokristallenen Salzen erhalten werden.

Halbleiterreaktionen

Reaktionen können zwischen zwei Festkörpern stattfinden. Jedoch, wegen der relativ kleinen Verbreitungsraten in Festkörpern, sind die entsprechenden chemischen Reaktionen im Vergleich mit flüssigen und Gasphase-Reaktionen sehr langsam. Sie werden durch die Erhöhung der Reaktionstemperatur und fein das Teilen des Reaktionspartners beschleunigt, um die Kontaktieren-Fläche zu vergrößern.

Fotochemische Reaktionen

In fotochemischen Reaktionen absorbieren Atome und Moleküle Energie (Fotonen) des Beleuchtungslichtes und wandeln sich zu einem aufgeregten Staat um. Sie können dann diese Energie veröffentlichen, indem sie chemische Obligationen dadurch brechen, Radikale erzeugend. Fotochemische Reaktionen schließen Wasserstoffsauerstoff-Reaktionen, radikalen polymerization, Kettenreaktionen und Neuordnungsreaktionen ein.

Viele wichtige Prozesse sind mit Photochemie verbunden. Das Hauptbeispiel ist Fotosynthese, in der die meisten Werke Sonnenenergie verwenden, Kohlendioxyd und Wasser in Traubenzucker umzuwandeln, über Sauerstoff als ein Nebenprodukt verfügend. Menschen verlassen sich auf die Photochemie für die Bildung des Vitamins D, und Vision wird durch eine fotochemische Reaktion von rhodopsin begonnen. In Leuchtkäfern katalysiert ein Enzym im Abdomen eine Reaktion, die auf bioluminescence hinausläuft. Viele bedeutende fotochemische Reaktionen, wie Ozon-Bildung, kommen in der Erdatmosphäre vor und setzen atmosphärische Chemie ein.

Katalyse

In der Katalyse geht die Reaktion direkt, aber durch eine dritte als Katalysator bekannte Substanz nicht weiter. Verschieden von anderen Reagenzien, die an der chemischen Reaktion teilnehmen, wird ein Katalysator durch die Reaktion selbst nicht verbraucht; jedoch kann es gehemmt, ausgeschaltet oder durch sekundäre Prozesse zerstört werden. Katalysatoren können in einer verschiedenen Phase (heterogen) oder in derselben Phase (homogenous) wie die Reaktionspartner verwendet werden. In der heterogenen Katalyse schließen typische sekundäre Prozesse das Verkoken ein, wo sich der Katalysator durch polymere Seitenprodukte belegt. Zusätzlich können sich heterogene Katalysatoren in die Lösung in einem fest-flüssigen System auflösen oder in einem Fest-Gassystem verdampfen. Katalysatoren können nur die Reaktion - Chemikalien beschleunigen, die sich verlangsamen, die Reaktion werden Hemmstoffe genannt. Substanzen, die die Tätigkeit von Katalysatoren vergrößern, werden Befürworter genannt, und Substanzen, die Katalysatoren ausschalten, werden katalytische Gifte genannt. Mit einem Katalysator kann eine Reaktion, die durch eine hohe Aktivierungsenergie kinetisch gehemmt wird, in der Vereitelung dieser Aktivierungsenergie stattfinden.

Heterogene Katalysatoren sind gewöhnlich Festkörper, bestäubt, um ihre Fläche zu maximieren. Der besonderen Wichtigkeit in der heterogenen Katalyse sind die Platin-Gruppenmetalle und anderen Übergang-Metalle, die in hydrogenations, dem katalytischen Verbessern und in der Synthese von Warenchemikalien wie Stickstoffsäure und Ammoniak verwendet werden. Säuren sind ein Beispiel eines homogenen Katalysators, sie vergrößern den nucleophilicity von carbonyls, eine Reaktion erlaubend, die mit electrophiles nicht sonst fortfahren würde. Der Vorteil von homogenen Katalysatoren ist die Bequemlichkeit des Mischens von ihnen mit den Reaktionspartnern, aber sie können auch schwierig sein, sich von den Produkten zu trennen. Deshalb werden heterogene Katalysatoren in vielen Industrieprozessen bevorzugt.

Reaktionen in der organischen Chemie

In der organischen Chemie, zusätzlich zur Oxydation, der Verminderung oder den Sauer-Grundreaktionen, können mehrere andere Reaktionen stattfinden, die covalent Obligationen zwischen Kohlenstoff-Atomen oder Kohlenstoff und heteroatoms (wie Sauerstoff, Stickstoff, Halogene, usw.) einschließen. Viele spezifische Reaktionen in der organischen Chemie sind nach ihren Entdeckern benannte Namenreaktionen.

Ersatz

In einer Ersatz-Reaktion wird eine funktionelle Gruppe in einer besonderen chemischen Zusammensetzung von einer anderen Gruppe ersetzt. Diese Reaktionen können durch den Typ bemerkenswert sein, Arten in einen nucleophilic, electrophilic oder radikalen Ersatz einzusetzen.

Im ersten Typ ersetzt ein nucleophile, ein Atom oder Molekül mit einem Übermaß an Elektronen und so einer negativen Anklage oder teilweiser Anklage, ein anderes Atom oder einen Teil des "Substrat"-Moleküls. Das Elektronpaar vom nucleophile greift das Substrat an, das ein neues Band bildet, während die abreisende Gruppe mit einem Elektronpaar fortgeht. Der nucleophile kann elektrisch neutral oder negativ beladen sein, wohingegen das Substrat normalerweise neutral oder positiv beladen ist. Beispiele von nucleophiles sind Hydroxyd-Ion, alkoxides, Amine und Halogenide. Dieser Typ der Reaktion wird hauptsächlich in aliphatic Kohlenwasserstoffen, und selten im aromatischen Kohlenwasserstoff gefunden. Die Letzteren haben hohe Elektrondichte und gehen in nucleophilic aromatischen Ersatz nur mit sehr starken Elektronzurücktreten-Gruppen ein. Ersatz von Nucleophilic kann durch zwei verschiedene Mechanismen, S1 und S2 stattfinden. In ihren Namen tritt S für Ersatz, N für nucleophilic ein, und die Zahl vertritt die kinetische Ordnung der Reaktion, monomolekular oder bimolecular.

Die S1 Reaktion geht in zwei Schritten weiter. Erstens wird die abreisende Gruppe beseitigt, einen carbocation schaffend. Dem wird von einer schnellen Reaktion mit dem nucleophile gefolgt.

Im S2 Mechanismus bildet der nucleophile einen Übergang-Staat mit dem angegriffenen Molekül, und nur dann wird die abreisende Gruppe zerspaltet. Diese zwei Mechanismen unterscheiden sich im stereochemistry der Produkte. S1 führt zur nichtstereospezifischen Hinzufügung und läuft auf kein chiral Zentrum, aber eher in einer Reihe geometrischer isomers (cis/trans) hinaus. Im Gegensatz wird eine Umkehrung (Inversion von Walden) des vorher vorhandenen stereochemistry im S2 Mechanismus beobachtet.

Ersatz von Electrophilic ist die Kopie des nucleophilic Ersatzes darin das Angreifen-Atom oder Molekül, ein electrophile, haben niedrige Elektrondichte und so eine positive Anklage. Typische electrophiles sind das Kohlenstoff-Atom von carbonyl Gruppen, carbocations oder Schwefel oder nitronium cations. Diese Reaktion findet fast exklusiv in aromatischen Kohlenwasserstoffen statt, wo es electrophilic aromatischen Ersatz genannt wird. Der Electrophile-Angriff läuft auf den so genannten σ-complex, einen Übergang-Staat hinaus, in dem das aromatische System abgeschafft wird. Dann wird die abreisende Gruppe, gewöhnlich ein Proton, abgespaltet, und der aromaticity wird wieder hergestellt. Eine Alternative zum aromatischen Ersatz ist electrophilic aliphatic Ersatz. Es ist dem nucleophilic aliphatic Ersatz ähnlich und hat auch zwei Haupttypen, S1 und S2

Im dritten Typ der Ersatz-Reaktion, des radikalen Ersatzes, ist die Angreifen-Partikel ein Radikaler. Dieser Prozess nimmt gewöhnlich die Form einer Kettenreaktion zum Beispiel in der Reaktion von alkanes mit Halogenen an. Im ersten Schritt, dem Licht oder der Hitze löst die Halogen enthaltenden Moleküle auf, die die Radikalen erzeugen. Dann der Reaktionserlös als eine Lawine, bis sich zwei Radikale treffen und sich wiederverbinden.

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Hinzufügung und Beseitigung

Die Hinzufügung und sein Kollege, die Beseitigung, sind Reaktionen, die die Zahl von substituents auf dem Kohlenstoff-Atom ändern, und bilden oder vielfache Obligationen zerspalten. Doppelte und dreifache Obligationen können durch das Beseitigen einer passenden abreisenden Gruppe erzeugt werden. Ähnlich dem nucleophilic Ersatz gibt es mehrere mögliche Reaktionsmechanismen, die nach der jeweiligen Reaktionsordnung genannt werden. Im E1 Mechanismus wird die abreisende Gruppe zuerst vertrieben, einen carbocation bildend. Der nächste Schritt, Bildung der Doppelbindung, findet mit der Beseitigung eines Protons (Deprotonierung) statt. Die Verlassen-Ordnung wird im E1cb Mechanismus umgekehrt, der das Proton ist, wird zuerst abgespaltet. Dieser Mechanismus verlangt Teilnahme einer Basis. Wegen der ähnlichen Bedingungen bewerben sich beide Reaktionen im E1 oder E1cb Beseitigung immer mit dem S1 Ersatz.

Der E2 Mechanismus verlangt auch eine Basis, aber dort gehen der Angriff der Basis und die Beseitigung der abreisenden Gruppe gleichzeitig weiter und erzeugen kein ionisches Zwischenglied. Im Gegensatz zu E1 eliminations sind verschiedene stereochemische Konfigurationen für das Reaktionsprodukt im E2 Mechanismus möglich, weil der Angriff der Basis bevorzugt in der Antiposition in Bezug auf die abreisende Gruppe vorkommt. Wegen der ähnlichen Bedingungen und Reagenzien ist die E2 Beseitigung immer in der Konkurrenz mit dem S2-Ersatz.

Die Kopie der Beseitigung ist die Hinzufügung, wo doppelte oder dreifache Obligationen in einzelne Obligationen umgewandelt werden. Ähnlich den Ersatz-Reaktionen gibt es mehrere Typen von durch den Typ der Angreifen-Partikel bemerkenswerten Hinzufügungen. Zum Beispiel, in der electrophilic Hinzufügung des Wasserstoffbromids, greift ein electrophile (Proton) die Doppelbindung an, die einen carbocation bildet, der dann mit dem nucleophile (Brom) reagiert. Der carbocation kann auf beiden Seiten der Doppelbindung gebildet werden, je nachdem die Gruppen seinen Enden angehaftet haben, und die bevorzugte Konfiguration mit der Regierung von Markovnikov vorausgesagt werden kann. Diese Regel stellt fest, dass "In der heterolytic Hinzufügung eines polaren Moleküls zu einem alkene oder alkyne mehr electronegative (nucleophilic) Atom (oder Teil) des polaren Moleküls beigefügt dem Kohlenstoff-Atom wird, das die kleinere Zahl von Wasserstoffatomen trägt."

Wenn die Hinzufügung einer funktionellen Gruppe am weniger eingesetzten Kohlenstoff-Atom der Doppelbindung stattfindet, dann ist der electrophilic Ersatz mit Säuren nicht möglich. In diesem Fall muss man die Hydroboration-Oxydationsreaktion verwenden, wo im ersten Schritt, die Bor-Atom-Taten als electrophile und zum weniger eingesetzten Kohlenstoff-Atom beiträgt. Am zweiten Schritt, dem nucleophilic Hydroperoxyd oder Halogen-Anion greift das Bor-Atom an.

Während die Hinzufügung zum elektronreichen alkenes und alkynes hauptsächlich electrophilic ist, spielt die nucleophilic Hinzufügung eine wichtige Rolle für den Kohlenstoff-heteroatom vielfache Obligationen, und besonders sein wichtigster Vertreter, die carbonyl Gruppe. Dieser Prozess wird häufig mit einer Beseitigung vereinigt, so dass nach der Reaktion die carbonyl Gruppe wieder anwesend ist. Es wird deshalb Hinzufügungsbeseitigungsreaktion genannt und kann in carboxylic sauren Ableitungen wie Chloride, esters oder Anhydride vorkommen. Diese Reaktion wird häufig durch Säuren oder Basen katalysiert, wo die Säuren durch den electrophilicity der carbonyl Gruppe durch die Schwergängigkeit zum Sauerstoff-Atom zunehmen, wohingegen die Basen den nucleophilicity des Angreifens nucleophile erhöhen.

Die Hinzufügung von Nucleophilic eines carbanion oder eines anderen nucleophile zur Doppelbindung eines Alphas, Beta ungesättigte Carbonyl-Zusammensetzung kann über die Reaktion von Michael weitergehen, die der größeren Klasse von verbundenen Hinzufügungen gehört. Das ist eine der nützlichsten Methoden für die milde Bildung von C-C Obligationen.

Einigen Hinzufügungen, die mit nucleophiles und electrophiles nicht durchgeführt werden können, kann mit freien Radikalen nachgefolgt werden. Als mit dem frei-radikalen Ersatz der radikale Hinzufügungserlös weil sind eine Kettenreaktion und solche Reaktionen die Basis des frei-radikalen polymerization.

Andere organische Reaktionsmechanismen

In einer Neuordnungsreaktion wird das Kohlenstoffgerüst eines Moleküls umgeordnet, um einen strukturellen isomer des ursprünglichen Moleküls zu geben. Diese schließen Hydride-Verschiebungsreaktionen wie die Neuordnung von Wagner-Meerwein ein, wo ein Wasserstoff, alkyl oder aryl Gruppe von einem Kohlenstoff bis einen benachbarten Kohlenstoff abwandern. Die meisten Neuordnungen werden mit dem Brechen und der Bildung von neuen Obligationen des Kohlenstoff-Kohlenstoff vereinigt. Andere Beispiele sind sigmatropic Reaktion wie die Mantel-Neuordnung.

Zyklische Neuordnungen schließen cycloadditions und, mehr allgemein, pericyclic Reaktionen ein, worin zwei oder mehr Doppelbindung enthaltende Moleküle ein zyklisches Molekül bilden. Ein wichtiges Beispiel der cycloaddition Reaktion ist die Diels-Erle-Reaktion (das so genannte [4+2] cycloaddition) zwischen einem konjugierten diene und einem eingesetzten alkene, um ein eingesetztes cyclohexene System zu bilden.

Ob ein bestimmter cycloaddition weitergehen würde, hängt vom elektronischen orbitals der teilnehmenden Arten ab, weil nur orbitals mit demselben Zeichen der Welle-Funktion überlappen und konstruktiv aufeinander wirken wird, um neue Obligationen zu bilden. Cycloaddition wird gewöhnlich durch das Licht oder die Hitze geholfen. Diese Unruhen laufen auf verschiedene Einordnung von Elektronen im aufgeregten Staat der beteiligten Moleküle und deshalb in verschiedenen Effekten hinaus. Zum Beispiel [4+2] kann Diels-Erle-Reaktionen durch die Hitze geholfen werden, wohingegen [2+2] cycloaddition durch das Licht auswählend veranlasst wird. Wegen des Augenhöhlencharakters wird das Potenzial, um stereoisomeric Produkte auf cycloaddition zu entwickeln, wie beschrieben, durch die Regierungen von Woodward-Hoffmann beschränkt.

Biochemische Reaktionen

Biochemische Reaktionen werden von Enzymen hauptsächlich kontrolliert. Diese Proteine können eine einzelne Reaktion spezifisch katalysieren, so dass Reaktionen sehr genau kontrolliert werden können. Die Reaktion findet in der aktiven Seite, einem kleinen Teil des Enzyms statt, das gewöhnlich in einer Spalte oder Tasche gefunden wird, die durch Aminosäure-Rückstände liniert ist, und der Rest des Enzyms wird hauptsächlich für die Stabilisierung verwendet. Die katalytische Handlung von Enzymen verlässt sich auf mehrere Mechanismen einschließlich der molekularen Gestalt ("veranlasst passend"), Band-Beanspruchung, Nähe und Orientierung von Molekülen hinsichtlich des Enzyms, der Protonenspende oder des Abzugs (saure/stützen Katalyse), elektrostatische Wechselwirkungen und viele andere.

Die biochemischen Reaktionen, die in lebenden Organismen vorkommen, sind als Metabolismus insgesamt bekannt. Unter den wichtigsten von seinen Mechanismen ist der anabolism, auf den verschiedene DNA und Enzym-kontrollierte Prozesse auf die Produktion von großen Molekülen wie Proteine und Kohlenhydrate von kleineren Einheiten hinauslaufen. Bioenergetik studiert die Energiequellen für solche Reaktionen. Eine wichtige Energiequelle ist Traubenzucker, der von Werken über die Fotosynthese erzeugt oder vom Essen assimiliert werden kann. Alle Organismen verwenden diese Energie, Adenosin triphosphate (ATP) zu erzeugen, der dann verwendet werden kann, um andere Reaktionen zu kräftigen.

Anwendungen

Chemische Reaktionen sind zur chemischen Technik zentral, wo sie für die Synthese von neuen Zusammensetzungen von natürlichen Rohstoffen wie Erdöl- und Mineralerze verwendet werden. Es ist notwendig, die Reaktion so effizient zu machen wie möglich, den Ertrag maximierend und den Betrag von Reagenzien, Energieeingängen und Verschwendung minimierend. Katalysatoren sind besonders nützlich, für die Energie zu reduzieren, die für die Reaktion erforderlich ist und seine Reaktionsrate zu vergrößern.

Einige spezifische Reaktionen haben ihre Nische-Anwendungen. Zum Beispiel wird die thermite Reaktion verwendet, um Licht und Hitze in der Feuerwerkerei und dem Schweißen zu erzeugen. Obwohl es weniger kontrollierbar ist als das herkömmlichere Oxy-Kraftstoffschweißen, die elektrische Schweißung und das Blitz-Schweißen, verlangt es viel weniger Ausrüstung und wird noch verwendet, um Schienen besonders in entfernten Gebieten auszubessern.

Überwachung

Mechanismen, chemische Reaktionen zu kontrollieren, hängen stark von der Reaktionsrate ab. Relativ langsame Prozesse können in situ für die Konzentrationen und Identität der individuellen Zutaten analysiert werden. Wichtige Werkzeuge der Echtzeitanalyse sind das Maß des pH und die Analyse der optischen Absorption (Farbe) und Emissionsspektren. Eine weniger zugängliche, aber ziemlich effiziente Methode ist Einführung eines radioaktiven Isotops in die Reaktion und Überwachung, wie es sich mit der Zeit ändert, und wohin es sich dazu bewegt; diese Methode wird häufig verwendet, um Neuverteilung von Substanzen im menschlichen Körper zu analysieren. Schnellere Reaktionen werden gewöhnlich mit der ultraschnellen Laserspektroskopie studiert, wo die Anwendung von Femtosekunde-Lasern kurzlebigen Übergang-Staaten erlaubt, in der zu ein paar Femtosekunden heruntergeschraubten Zeit kontrolliert zu werden.

Siehe auch

• Chemiker
• Chemie
• Liste von organischen Reaktionen
• Organische Reaktion
• Reaktionsfortschritt kinetische Analyse

Bibliografie

• Atkins, Peter W. und Julio de Paula Physical Chemistry, 4. Ausgabe, Wiley-VCH, Weinheim 2006, internationale Standardbuchnummer 978-3-527-31546-8
• Brock, William H. Viewegs Geschichte der Chemie. Vieweg, Braunschweig 1997, internationale Standardbuchnummer 3-540-67033-5.
• Brückner, Reinhard Reaktionsmechanismen. 3. Hrsg., Spektrum Akademischer Verlag, München 2004, internationale Standardbuchnummer 3-8274-1579-9
• Wiberg, Egon, Wiberg, Nils und Holleman, Anorganische Chemie von Arnold Frederick, Akademische Presse, 2001 internationale Standardbuchnummer 0123526515