Una reacción química es un proceso que conduce a la transformación química de un conjunto de sustancias químicas en otro. [1] Clásicamente, las reacciones químicas abarcan cambios que solo involucran las posiciones de los electrones en la formación y ruptura de enlaces químicos entre átomos , sin cambios en los núcleos (sin cambios en los elementos presentes), y a menudo pueden describirse mediante un químico ecuación . La química nuclear es una subdisciplina de la química que involucra las reacciones químicas de inestables y elementos radiactivos donde pueden ocurrir cambios tanto electrónicos como nucleares.
La sustancia (o sustancias) inicialmente implicadas en una reacción química se denominan reactivos o reactivos . Las reacciones químicas generalmente se caracterizan por un cambio químico y dan uno o más productos , que generalmente tienen propiedades diferentes a las de los reactivos. Las reacciones a menudo consisten en una secuencia de subpasos individuales, las llamadas reacciones elementales , y la información sobre el curso de acción preciso es parte del mecanismo de reacción . Las reacciones químicas se describen con ecuaciones químicas , que presentan simbólicamente los materiales de partida, los productos finales y, a veces, los productos intermedios y las condiciones de reacción.
Las reacciones químicas ocurren a una velocidad de reacción característica a una temperatura y concentración química determinadas. Por lo general, las velocidades de reacción aumentan al aumentar la temperatura porque hay más energía térmica disponible para alcanzar la energía de activación necesaria para romper los enlaces entre los átomos.
Las reacciones pueden avanzar en dirección hacia adelante o hacia atrás hasta que se completan o alcanzan el equilibrio . Las reacciones que proceden en la dirección de avance para acercarse al equilibrio a menudo se describen como espontáneas , y no requieren entrada de energía libre para avanzar. Las reacciones no espontáneas requieren la entrada de energía libre para avanzar (los ejemplos incluyen cargar una batería aplicando una fuente de energía eléctrica externa o fotosíntesis impulsada por la absorción de radiación electromagnética en forma de luz solar).
Una reacción puede clasificarse como redox en la que se produce oxidación y reducción o no redox en la que no se produce oxidación ni reducción. La mayoría de las reacciones redox simples se pueden clasificar como reacciones de combinación, descomposición o de desplazamiento simple.
Se utilizan diferentes reacciones químicas durante la síntesis química para obtener un producto deseado. En bioquímica , una serie consecutiva de reacciones químicas (donde el producto de una reacción es el reactivo de la siguiente reacción) forman vías metabólicas . Estas reacciones a menudo son catalizadas por enzimas proteicas . Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones bioquímicas, de modo que pueden producirse síntesis y descomposiciones metabólicas imposibles en condiciones normales a las temperaturas y concentraciones presentes dentro de una célula .
El concepto general de reacción química se ha extendido a reacciones entre entidades más pequeñas que los átomos, incluidas reacciones nucleares , desintegraciones radiactivas y reacciones entre partículas elementales , como se describe en la teoría cuántica de campos .
Historia
Las reacciones químicas como la combustión en el fuego, la fermentación y la reducción de minerales a metales eran conocidas desde la antigüedad. Las teorías iniciales de la transformación de materiales fueron desarrolladas por filósofos griegos, como la Teoría de los Cuatro Elementos de Empédocles, que afirma que cualquier sustancia se compone de los cuatro elementos básicos: fuego, agua, aire y tierra. En la Edad Media , los alquimistas estudiaron las transformaciones químicas . Se trató, en particular, para convertir el plomo en oro , para lo cual utilizan reacciones de aleaciones de plomo y plomo-cobre con azufre . [2]
La producción artificial de sustancias químicas ya era un objetivo central para los alquimistas medievales. [3] Los ejemplos incluyen la síntesis de cloruro de amonio a partir de sustancias orgánicas como se describe en los trabajos (c. 850-950) atribuidos a Jābir ibn Ḥayyān , [4] o la producción de ácidos minerales como el ácido sulfúrico y nítrico por alquimistas posteriores, a partir de c. 1300. [5] La producción de ácidos minerales involucró el calentamiento de minerales sulfatos y nitratos como sulfato de cobre , alumbre y salitre . En el siglo XVII, Johann Rudolph Glauber produjo ácido clorhídrico y sulfato de sodio haciendo reaccionar ácido sulfúrico y cloruro de sodio . Con el desarrollo del proceso de cámara de plomo en 1746 y el proceso Leblanc , que permitió la producción a gran escala de ácido sulfúrico y carbonato de sodio , respectivamente, las reacciones químicas se implementaron en la industria. Una mayor optimización de la tecnología del ácido sulfúrico dio como resultado el proceso de contacto en la década de 1880, [6] y el proceso Haber se desarrolló en 1909-1910 para la síntesis de amoníaco . [7]
Desde el siglo XVI, investigadores como Jan Baptist van Helmont , Robert Boyle e Isaac Newton intentaron establecer teorías de las transformaciones químicas observadas experimentalmente. La teoría del flogisto fue propuesta en 1667 por Johann Joachim Becher . Postuló la existencia de un elemento parecido al fuego llamado "flogisto", que estaba contenido dentro de los cuerpos combustibles y liberado durante la combustión . Esto resultó ser falso en 1785 por Antoine Lavoisier quien encontró la explicación correcta de la combustión como reacción con el oxígeno del aire. [8]
Joseph Louis Gay-Lussac reconoció en 1808 que los gases siempre reaccionan en cierta relación entre sí. Basado en esta idea y la teoría atómica de John Dalton , Joseph Proust había desarrollado la ley de proporciones definidas , que más tarde dio lugar a los conceptos de estequiometría y ecuaciones químicas . [9]
En cuanto a la química orgánica , durante mucho tiempo se creyó que los compuestos obtenidos de organismos vivos eran demasiado complejos para ser obtenidos sintéticamente . Según el concepto de vitalismo , la materia orgánica estaba dotada de una "fuerza vital" y se distinguía de los materiales inorgánicos. Sin embargo, esta separación terminó con la síntesis de urea a partir de precursores inorgánicos por Friedrich Wöhler en 1828. Otros químicos que aportaron importantes contribuciones a la química orgánica incluyen a Alexander William Williamson con su síntesis de éteres y Christopher Kelk Ingold , quien, entre muchos descubrimientos, estableció el Mecanismos de reacciones de sustitución .
Caracteristicas
Las características generales de las reacciones químicas son:
- Evolución de un gas
- Formación de un precipitado
- Cambio de temperatura
- Cambio de estado
Ecuaciones
Las ecuaciones químicas se utilizan para ilustrar gráficamente reacciones químicas. Consisten en fórmulas químicas o estructurales de los reactivos de la izquierda y de los productos de la derecha. Están separados por una flecha (→) que indica la dirección y el tipo de reacción; la flecha se lee como la palabra "cede". [10] La punta de la flecha apunta en la dirección en la que avanza la reacción. Se utiliza una flecha doble (⇌) que apunta en direcciones opuestas para las reacciones de equilibrio . Las ecuaciones deben equilibrarse de acuerdo con la estequiometría , el número de átomos de cada especie debe ser el mismo en ambos lados de la ecuación. Esto se logra escalando el número de moléculas involucradas ( y en un ejemplo esquemático a continuación) por los números enteros apropiados a, b, c y d . [11]
Las reacciones más elaboradas están representadas por esquemas de reacción, que además de los materiales de partida y los productos muestran importantes estados intermedios o de transición . Además, se pueden indicar algunas adiciones relativamente menores a la reacción encima de la flecha de reacción; ejemplos de tales adiciones son agua, calor, iluminación, un catalizador , etc. De manera similar, algunos productos menores se pueden colocar debajo de la flecha, a menudo con un signo menos.
El análisis retrosintético se puede aplicar para diseñar una reacción de síntesis compleja. Aquí, el análisis comienza a partir de los productos, por ejemplo, mediante la división de enlaces químicos seleccionados, para llegar a reactivos iniciales plausibles. Se usa una flecha especial (⇒) en reacciones retro. [12]
Reacciones elementales
La reacción elemental es la división más pequeña en la que se puede descomponer una reacción química, no tiene productos intermedios. [13] La mayoría de las reacciones observadas experimentalmente se construyen a partir de muchas reacciones elementales que ocurren en paralelo o secuencialmente. La secuencia real de las reacciones elementales individuales se conoce como mecanismo de reacción . Una reacción elemental involucra unas pocas moléculas, generalmente una o dos, debido a la baja probabilidad de que varias moléculas se encuentren en un momento determinado. [14]
Las reacciones elementales más importantes son las reacciones unimoleculares y bimoleculares. Solo una molécula está involucrada en una reacción unimolecular; se transforma mediante una isomerización o una disociación en una o más de otras moléculas. Tales reacciones requieren la adición de energía en forma de calor o luz. Un ejemplo típico de reacción unimolecular es la isomerización cis-trans , en la que la forma cis de un compuesto se convierte en la forma trans o viceversa. [15]
En una reacción de disociación típica , un enlace en una molécula se divide ( rompe ) dando como resultado dos fragmentos moleculares. La división puede ser homolítica o heterolítica . En el primer caso, el enlace se divide de modo que cada producto retiene un electrón y se convierte en un radical neutro . En el segundo caso, ambos electrones del enlace químico permanecen con uno de los productos, lo que resulta en iones cargados . La disociación juega un papel importante en el desencadenamiento de reacciones en cadena , como reacciones de polimerización o hidrógeno-oxígeno .
- Disociación de una molécula AB en fragmentos A y B
Para reacciones bimoleculares , dos moléculas chocan y reaccionan entre sí. Su fusión se llama síntesis química o reacción de adición .
Otra posibilidad es que solo una parte de una molécula se transfiera a la otra molécula. Este tipo de reacción ocurre, por ejemplo, en reacciones redox y ácido-base. En las reacciones redox, la partícula transferida es un electrón, mientras que en las reacciones ácido-base es un protón. Este tipo de reacción también se llama metátesis .
por ejemplo
Equilibrio químico
La mayoría de las reacciones químicas son reversibles; es decir, pueden y corren en ambas direcciones. Las reacciones hacia adelante y hacia atrás compiten entre sí y difieren en las velocidades de reacción . Estas velocidades dependen de la concentración y, por lo tanto, cambian con el tiempo de la reacción: la velocidad inversa aumenta gradualmente y se vuelve igual a la velocidad de la reacción directa, estableciendo el llamado equilibrio químico. El tiempo para alcanzar el equilibrio depende de parámetros como la temperatura, la presión y los materiales involucrados, y está determinado por la energía libre mínima . En equilibrio, la energía libre de Gibbs debe ser cero. La dependencia de la presión se puede explicar con el principio de Le Chatelier . Por ejemplo, un aumento de presión debido a la disminución del volumen hace que la reacción se desplace hacia el lado con menos moles de gas. [dieciséis]
El rendimiento de la reacción se estabiliza en el equilibrio, pero puede aumentarse eliminando el producto de la mezcla de reacción o cambiarse aumentando la temperatura o la presión. Un cambio en las concentraciones de los reactivos no afecta la constante de equilibrio, pero sí afecta la posición de equilibrio.
Termodinámica
Las reacciones químicas están determinadas por las leyes de la termodinámica . Las reacciones pueden proceder por sí mismas si son exergónicas , es decir, si liberan energía. La energía libre asociada de la reacción se compone de dos cantidades termodinámicas diferentes, entalpía y entropía : [17]
- .
- G : energía libre, H : entalpía, T : temperatura, S : entropía, Δ : diferencia (cambio entre original y producto)
Las reacciones pueden ser exotérmicas , donde ΔH es negativo y se libera energía. Los ejemplos típicos de reacciones exotérmicas son la precipitación y la cristalización , en las que se forman sólidos ordenados a partir de fases líquidas o gaseosas desordenadas. Por el contrario, en las reacciones endotérmicas , el calor se consume del medio ambiente. Esto puede ocurrir aumentando la entropía del sistema, a menudo mediante la formación de productos de reacción gaseosos, que tienen una alta entropía. Dado que la entropía aumenta con la temperatura, muchas reacciones endotérmicas tienen lugar preferiblemente a altas temperaturas. Por el contrario, muchas reacciones exotérmicas como la cristalización ocurren a bajas temperaturas. Los cambios de temperatura a veces pueden revertir el signo de la entalpía de una reacción, como ocurre con la reducción de monóxido de carbono del dióxido de molibdeno :
- ;
Esta reacción para formar dióxido de carbono y molibdeno es endotérmica a bajas temperaturas, disminuyendo al aumentar la temperatura. [18] ΔH ° es cero en1855 K , y la reacción se vuelve exotérmica por encima de esa temperatura.
Los cambios de temperatura también pueden revertir la tendencia de dirección de una reacción. Por ejemplo, la reacción de cambio de gas de agua
se ve favorecida por las bajas temperaturas, pero su reverso se ve favorecido por las altas. El cambio en la tendencia de la dirección de reacción ocurre en1100 K . [18]
Las reacciones también se pueden caracterizar por la energía interna que tiene en cuenta los cambios en la entropía, el volumen y el potencial químico . Este último depende, entre otras cosas, de las actividades de las sustancias implicadas. [19]
- U : energía interna, S : entropía, p : presión, μ : potencial químico, n : número de moléculas, d : pequeño signo de cambio
Cinética
La velocidad a la que tienen lugar las reacciones se estudia mediante la cinética de reacción . La tasa depende de varios parámetros, como:
- Concentraciones de reactivo , que generalmente hacen que la reacción ocurra a un ritmo más rápido si se elevan a través de un aumento de colisiones por unidad de tiempo. Algunas reacciones, sin embargo, tienen velocidades que son independientes de las concentraciones de reactivo. Se denominan reacciones de orden cero .
- Superficie disponible para el contacto entre los reactivos, en particular los sólidos en sistemas heterogéneos. Las áreas de superficie más grandes conducen a velocidades de reacción más altas.
- Presión : el aumento de la presión disminuye el volumen entre las moléculas y, por lo tanto, aumenta la frecuencia de colisiones entre las moléculas.
- Energía de activación , que se define como la cantidad de energía necesaria para que la reacción se inicie y continúe de forma espontánea. Una energía de activación más alta implica que los reactivos necesitan más energía para comenzar que una reacción con una energía de activación más baja.
- Temperatura , que acelera las reacciones si se eleva, ya que una temperatura más alta aumenta la energía de las moléculas, creando más colisiones por unidad de tiempo,
- La presencia o ausencia de un catalizador . Los catalizadores son sustancias que cambian la vía (mecanismo) de una reacción, lo que a su vez aumenta la velocidad de una reacción al reducir la energía de activación necesaria para que tenga lugar la reacción. Un catalizador no se destruye ni se cambia durante una reacción, por lo que se puede volver a utilizar.
- Para algunas reacciones, se necesita la presencia de radiación electromagnética , sobre todo luz ultravioleta , para promover la ruptura de enlaces para iniciar la reacción. Esto es particularmente cierto para las reacciones que involucran radicales .
Varias teorías permiten calcular las velocidades de reacción a nivel molecular. Este campo se conoce como dinámica de reacción. La velocidad v de una reacción de primer orden , que podría ser la desintegración de una sustancia A, viene dada por:
Su integración produce:
Aquí k es la constante de velocidad de primer orden que tiene dimensión 1 / tiempo, [A] (t) es la concentración en un tiempo t y [A] 0 es la concentración inicial. La velocidad de una reacción de primer orden depende solo de la concentración y las propiedades de la sustancia involucrada, y la reacción en sí puede describirse con la vida media característica . Se necesita más de una constante de tiempo para describir reacciones de orden superior. La dependencia de la temperatura de la constante de velocidad generalmente sigue la ecuación de Arrhenius :
donde E a es la energía de activación y k B es la constante de Boltzmann . Uno de los modelos más simples de velocidad de reacción es la teoría de colisiones . Los modelos más realistas se adaptan a un problema específico e incluyen la teoría del estado de transición , el cálculo de la superficie de energía potencial , la teoría de Marcus y la teoría de Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) . [20]
Tipos de reacciones
Cuatro tipos básicos
Síntesis
En una reacción de síntesis, dos o más sustancias simples se combinan para formar una sustancia más compleja. Estas reacciones están en la forma general:
Dos o más reactivos que producen un producto es otra forma de identificar una reacción de síntesis. Un ejemplo de una reacción de síntesis es la combinación de hierro y azufre para formar sulfuro de hierro (II) :
Otro ejemplo es el gas hidrógeno simple combinado con el gas oxígeno simple para producir una sustancia más compleja, como el agua. [21]
Descomposición
Una reacción de descomposición es cuando una sustancia más compleja se descompone en sus partes más simples. Por lo tanto, es lo opuesto a una reacción de síntesis y se puede escribir como [21] [22]
Un ejemplo de una reacción de descomposición es la electrólisis del agua para producir oxígeno e hidrógeno gaseoso:
Reemplazo único
En una sola reacción de reemplazo , un solo elemento no combinado reemplaza a otro en un compuesto; en otras palabras, un elemento intercambia lugares con otro elemento en un compuesto [21] Estas reacciones vienen en la forma general de:
Un ejemplo de una sola reacción de desplazamiento es cuando el magnesio reemplaza al hidrógeno en el agua para producir hidróxido de magnesio e hidrógeno gaseoso:
Reemplazo doble
En una reacción de doble reemplazo , los aniones y cationes de dos compuestos cambian de lugar y forman dos compuestos completamente diferentes. [21] Estas reacciones están en la forma general: [22]
Por ejemplo, cuando reaccionan el cloruro de bario (BaCl 2 ) y el sulfato de magnesio (MgSO 4 ), el anión SO 4 2− cambia de lugar con el anión 2Cl - , dando los compuestos BaSO 4 y MgCl 2 .
Otro ejemplo de una reacción de doble desplazamiento es la reacción del nitrato de plomo (II) con yoduro de potasio para formar yoduro de plomo (II) y nitrato de potasio :
Combustión
En una reacción de combustión , un elemento o compuesto reacciona con el oxígeno , a menudo produciendo energía en forma de calor o luz . Las reacciones de combustión siempre involucran oxígeno, pero también frecuentemente involucran un hidrocarburo .
Una reacción de combustión también puede resultar de la reacción de carbono , magnesio o azufre con oxígeno.
- [23]
Oxidación y reducción
Las reacciones redox pueden entenderse en términos de transferencia de electrones de una especie involucrada ( agente reductor ) a otra ( agente oxidante ). En este proceso, la primera especie se oxida y la segunda se reduce . Aunque son suficientes para muchos propósitos, estas descripciones no son exactamente correctas. La oxidación se define mejor como un aumento del estado de oxidación y la reducción como una disminución del estado de oxidación. En la práctica, la transferencia de electrones siempre cambiará el estado de oxidación, pero hay muchas reacciones que se clasifican como "redox" aunque no se produzcan transferencias de electrones (como las que involucran enlaces covalentes ). [24] [25]
En la siguiente reacción redox, el sodio metálico peligroso reacciona con cloro gaseoso tóxico para formar el compuesto iónico cloruro de sodio o sal común de mesa:
En la reacción, el sodio metálico pasa de un estado de oxidación de 0 (ya que es un elemento puro) a +1: en otras palabras, el sodio perdió un electrón y se dice que se ha oxidado. Por otro lado, el cloro gaseoso pasa de una oxidación de 0 (también es un elemento puro) a -1: el cloro gana un electrón y se dice que se ha reducido. Debido a que el cloro es el que se reduce, se considera el aceptor de electrones, o en otras palabras, induce la oxidación en el sodio, por lo que el gas de cloro se considera el agente oxidante. Por el contrario, el sodio se oxida o es el donante de electrones y, por lo tanto, induce la reducción en las otras especies y se considera el agente reductor .
A partir de la electronegatividad de sus elementos , se puede predecir cuál de los reactivos implicados sería un agente oxidante o reductor . Los elementos con baja electronegatividad, como la mayoría de los metales, donan electrones y se oxidan fácilmente: son agentes reductores. Por el contrario, muchos iones con alto número de oxidación, como el H2O2, MnO- 4, CrO3, Cr2O2- 7, OsO4 pueden ganar uno o dos electrones extra y son agentes oxidantes fuertes.
El número de electrones donados o aceptados en una reacción redox se puede predecir a partir de la configuración electrónica del elemento reactivo. Los elementos intentan alcanzar la configuración de gas noble de baja energía y, por lo tanto, los metales alcalinos y los halógenos donarán y aceptarán un electrón respectivamente. Los propios gases nobles son químicamente inactivos. [26]
Una clase importante de reacciones redox son las reacciones electroquímicas , en las que los electrones de la fuente de alimentación se utilizan como agente reductor. Estas reacciones son particularmente importantes para la producción de elementos químicos, como el cloro [27] o el aluminio . El proceso inverso en el que los electrones se liberan en reacciones redox y se pueden usar como energía eléctrica es posible y se usa en baterías.
Complejación
En las reacciones de complejación, varios ligandos reaccionan con un átomo de metal para formar un complejo de coordinación . Esto se logra proporcionando pares solitarios del ligando en orbitales vacíos del átomo metálico y formando enlaces dipolares . Los ligandos son bases de Lewis , pueden ser tanto iones como moléculas neutras, como monóxido de carbono, amoniaco o agua. El número de ligandos que reaccionan con un átomo de metal central se puede encontrar usando la regla de los 18 electrones , diciendo que las capas de valencia de un metal de transición acomodarán colectivamente 18 electrones , mientras que la simetría del complejo resultante se puede predecir con el campo cristalino. teoría y teoría de campos de ligandos . Las reacciones de complejación también incluyen intercambio de ligandos , en el que uno o más ligandos son reemplazados por otro, y procesos redox que cambian el estado de oxidación del átomo metálico central. [28]
Reacciones ácido-base
En la teoría ácido-base de Brønsted-Lowry , una reacción ácido-base implica una transferencia de protones (H + ) de una especie (el ácido ) a otra (la base ). Cuando se elimina un protón de un ácido, la especie resultante se denomina base conjugada de ese ácido . Cuando el protón es aceptado por una base, la especie resultante se denomina ácido conjugado de esa base . [29] En otras palabras, los ácidos actúan como donantes de protones y las bases actúan como aceptores de protones de acuerdo con la siguiente ecuación:
La reacción inversa es posible y, por tanto, el ácido / base y la base / ácido conjugado están siempre en equilibrio. El equilibrio está determinado por las constantes de disociación de ácido y base ( K a y K b ) de las sustancias involucradas. Un caso especial de la reacción ácido-base es la neutralización en la que un ácido y una base, tomados exactamente en las mismas cantidades, forman una sal neutra .
Las reacciones ácido-base pueden tener diferentes definiciones dependiendo del concepto ácido-base empleado. Algunas de las más comunes son:
- Definición de Arrhenius : Los ácidos se disocian en agua liberando iones H 3 O + ; las bases se disocian en agua liberando iones OH - .
- Definición de Brønsted-Lowry : los ácidos son donantes de protones (H + ), las bases son aceptores de protones; esto incluye la definición de Arrhenius.
- Definición de Lewis : los ácidos son aceptores de pares de electrones, las bases son donantes de pares de electrones; esto incluye la definición de Brønsted-Lowry.
Precipitación
La precipitación es la formación de un sólido en una solución o dentro de otro sólido durante una reacción química. Suele tener lugar cuando la concentración de iones disueltos supera el límite de solubilidad [30] y forma una sal insoluble. Este proceso se puede ayudar agregando un agente de precipitación o eliminando el solvente. La precipitación rápida da como resultado un residuo amorfo o microcristalino y el proceso lento puede producir monocristales . Este último también se puede obtener mediante recristalización a partir de sales microcristalinas. [31]
Reacciones de estado sólido
Las reacciones pueden tener lugar entre dos sólidos. Sin embargo, debido a las velocidades de difusión relativamente pequeñas en los sólidos, las reacciones químicas correspondientes son muy lentas en comparación con las reacciones en fase líquida y gaseosa. Se aceleran aumentando la temperatura de reacción y dividiendo finamente el reactivo para aumentar el área de la superficie de contacto. [32]
Reacciones en la interfaz sólido | gas
La reacción puede tener lugar en la interfaz sólido / gas, superficies a muy baja presión como vacío ultra alto . Mediante microscopía de túnel de barrido , es posible observar reacciones en la interfaz sólido / gas en el espacio real, si la escala de tiempo de la reacción está en el rango correcto. [33] [34] Las reacciones en la interfaz sólido / gas están en algunos casos relacionadas con la catálisis.
Reacciones fotoquímicas
En las reacciones fotoquímicas , los átomos y las moléculas absorben energía ( fotones ) de la luz de iluminación y se convierten en un estado excitado . Luego pueden liberar esta energía rompiendo enlaces químicos, produciendo así radicales. Las reacciones fotoquímicas incluyen reacciones de hidrógeno-oxígeno, polimerización de radicales , reacciones en cadena y reacciones de reordenamiento . [35]
Many important processes involve photochemistry. The premier example is photosynthesis, in which most plants use solar energy to convert carbon dioxide and water into glucose, disposing of oxygen as a side-product. Humans rely on photochemistry for the formation of vitamin D, and vision is initiated by a photochemical reaction of rhodopsin.[15] In fireflies, an enzyme in the abdomen catalyzes a reaction that results in bioluminescence.[36] Many significant photochemical reactions, such as ozone formation, occur in the Earth atmosphere and constitute atmospheric chemistry.
Catálisis
In catalysis, the reaction does not proceed directly, but through reaction with a third substance known as catalyst. Although the catalyst takes part in the reaction, it is returned to its original state by the end of the reaction and so is not consumed. However, it can be inhibited, deactivated or destroyed by secondary processes. Catalysts can be used in a different phase (heterogeneous) or in the same phase (homogeneous) as the reactants. In heterogeneous catalysis, typical secondary processes include coking where the catalyst becomes covered by polymeric side products. Additionally, heterogeneous catalysts can dissolve into the solution in a solid–liquid system or evaporate in a solid–gas system. Catalysts can only speed up the reaction – chemicals that slow down the reaction are called inhibitors.[37][38] Substances that increase the activity of catalysts are called promoters, and substances that deactivate catalysts are called catalytic poisons. With a catalyst, a reaction which is kinetically inhibited by a high activation energy can take place in circumvention of this activation energy.
Heterogeneous catalysts are usually solids, powdered in order to maximize their surface area. Of particular importance in heterogeneous catalysis are the platinum group metals and other transition metals, which are used in hydrogenations, catalytic reforming and in the synthesis of commodity chemicals such as nitric acid and ammonia. Acids are an example of a homogeneous catalyst, they increase the nucleophilicity of carbonyls, allowing a reaction that would not otherwise proceed with electrophiles. The advantage of homogeneous catalysts is the ease of mixing them with the reactants, but they may also be difficult to separate from the products. Therefore, heterogeneous catalysts are preferred in many industrial processes.[39]
Reacciones en química orgánica
In organic chemistry, in addition to oxidation, reduction or acid–base reactions, a number of other reactions can take place which involve covalent bonds between carbon atoms or carbon and heteroatoms (such as oxygen, nitrogen, halogens, etc.). Many specific reactions in organic chemistry are name reactions designated after their discoverers.
Substitution
In a substitution reaction, a functional group in a particular chemical compound is replaced by another group.[40] These reactions can be distinguished by the type of substituting species into a nucleophilic, electrophilic or radical substitution.
In the first type, a nucleophile, an atom or molecule with an excess of electrons and thus a negative charge or partial charge, replaces another atom or part of the "substrate" molecule. The electron pair from the nucleophile attacks the substrate forming a new bond, while the leaving group departs with an electron pair. The nucleophile may be electrically neutral or negatively charged, whereas the substrate is typically neutral or positively charged. Examples of nucleophiles are hydroxide ion, alkoxides, amines and halides. This type of reaction is found mainly in aliphatic hydrocarbons, and rarely in aromatic hydrocarbon. The latter have high electron density and enter nucleophilic aromatic substitution only with very strong electron withdrawing groups. Nucleophilic substitution can take place by two different mechanisms, SN1 and SN2. In their names, S stands for substitution, N for nucleophilic, and the number represents the kinetic order of the reaction, unimolecular or bimolecular.[41]
The SN1 reaction proceeds in two steps. First, the leaving group is eliminated creating a carbocation. This is followed by a rapid reaction with the nucleophile.[42]
In the SN2 mechanism, the nucleophile forms a transition state with the attacked molecule, and only then the leaving group is cleaved. These two mechanisms differ in the stereochemistry of the products. SN1 leads to the non-stereospecific addition and does not result in a chiral center, but rather in a set of geometric isomers (cis/trans). In contrast, a reversal (Walden inversion) of the previously existing stereochemistry is observed in the SN2 mechanism.[43]
Electrophilic substitution is the counterpart of the nucleophilic substitution in that the attacking atom or molecule, an electrophile, has low electron density and thus a positive charge. Typical electrophiles are the carbon atom of carbonyl groups, carbocations or sulfur or nitronium cations. This reaction takes place almost exclusively in aromatic hydrocarbons, where it is called electrophilic aromatic substitution. The electrophile attack results in the so-called σ-complex, a transition state in which the aromatic system is abolished. Then, the leaving group, usually a proton, is split off and the aromaticity is restored. An alternative to aromatic substitution is electrophilic aliphatic substitution. It is similar to the nucleophilic aliphatic substitution and also has two major types, SE1 and SE2[44]
In the third type of substitution reaction, radical substitution, the attacking particle is a radical.[40] This process usually takes the form of a chain reaction, for example in the reaction of alkanes with halogens. In the first step, light or heat disintegrates the halogen-containing molecules producing the radicals. Then the reaction proceeds as an avalanche until two radicals meet and recombine.[45]
- Reactions during the chain reaction of radical substitution
Addition and elimination
The addition and its counterpart, the elimination, are reactions which change the number of substituents on the carbon atom, and form or cleave multiple bonds. Double and triple bonds can be produced by eliminating a suitable leaving group. Similar to the nucleophilic substitution, there are several possible reaction mechanisms which are named after the respective reaction order. In the E1 mechanism, the leaving group is ejected first, forming a carbocation. The next step, formation of the double bond, takes place with elimination of a proton (deprotonation). The leaving order is reversed in the E1cb mechanism, that is the proton is split off first. This mechanism requires participation of a base.[46] Because of the similar conditions, both reactions in the E1 or E1cb elimination always compete with the SN1 substitution.[47]
The E2 mechanism also requires a base, but there the attack of the base and the elimination of the leaving group proceed simultaneously and produce no ionic intermediate. In contrast to the E1 eliminations, different stereochemical configurations are possible for the reaction product in the E2 mechanism, because the attack of the base preferentially occurs in the anti-position with respect to the leaving group. Because of the similar conditions and reagents, the E2 elimination is always in competition with the SN2-substitution.[48]
The counterpart of elimination is the addition where double or triple bonds are converted into single bonds. Similar to the substitution reactions, there are several types of additions distinguished by the type of the attacking particle. For example, in the electrophilic addition of hydrogen bromide, an electrophile (proton) attacks the double bond forming a carbocation, which then reacts with the nucleophile (bromine). The carbocation can be formed on either side of the double bond depending on the groups attached to its ends, and the preferred configuration can be predicted with the Markovnikov's rule.[49] This rule states that "In the heterolytic addition of a polar molecule to an alkene or alkyne, the more electronegative (nucleophilic) atom (or part) of the polar molecule becomes attached to the carbon atom bearing the smaller number of hydrogen atoms."[50]
If the addition of a functional group takes place at the less substituted carbon atom of the double bond, then the electrophilic substitution with acids is not possible. In this case, one has to use the hydroboration–oxidation reaction, where in the first step, the boron atom acts as electrophile and adds to the less substituted carbon atom. At the second step, the nucleophilic hydroperoxide or halogen anion attacks the boron atom.[51]
While the addition to the electron-rich alkenes and alkynes is mainly electrophilic, the nucleophilic addition plays an important role for the carbon-heteroatom multiple bonds, and especially its most important representative, the carbonyl group. This process is often associated with an elimination, so that after the reaction the carbonyl group is present again. It is therefore called addition-elimination reaction and may occur in carboxylic acid derivatives such as chlorides, esters or anhydrides. This reaction is often catalyzed by acids or bases, where the acids increase by the electrophilicity of the carbonyl group by binding to the oxygen atom, whereas the bases enhance the nucleophilicity of the attacking nucleophile.[52]
Nucleophilic addition of a carbanion or another nucleophile to the double bond of an alpha, beta unsaturated carbonyl compound can proceed via the Michael reaction, which belongs to the larger class of conjugate additions. This is one of the most useful methods for the mild formation of C–C bonds.[53][54][55]
Some additions which can not be executed with nucleophiles and electrophiles, can be succeeded with free radicals. As with the free-radical substitution, the radical addition proceeds as a chain reaction, and such reactions are the basis of the free-radical polymerization.[56]
Other organic reaction mechanisms
In a rearrangement reaction, the carbon skeleton of a molecule is rearranged to give a structural isomer of the original molecule. These include hydride shift reactions such as the Wagner-Meerwein rearrangement, where a hydrogen, alkyl or aryl group migrates from one carbon to a neighboring carbon. Most rearrangements are associated with the breaking and formation of new carbon-carbon bonds. Other examples are sigmatropic reaction such as the Cope rearrangement.[57]
Cyclic rearrangements include cycloadditions and, more generally, pericyclic reactions, wherein two or more double bond-containing molecules form a cyclic molecule. An important example of cycloaddition reaction is the Diels–Alder reaction (the so-called [4+2] cycloaddition) between a conjugated diene and a substituted alkene to form a substituted cyclohexene system.[58]
Whether a certain cycloaddition would proceed depends on the electronic orbitals of the participating species, as only orbitals with the same sign of wave function will overlap and interact constructively to form new bonds. Cycloaddition is usually assisted by light or heat. These perturbations result in different arrangement of electrons in the excited state of the involved molecules and therefore in different effects. For example, the [4+2] Diels-Alder reactions can be assisted by heat whereas the [2+2] cycloaddition is selectively induced by light.[59] Because of the orbital character, the potential for developing stereoisomeric products upon cycloaddition is limited, as described by the Woodward–Hoffmann rules.[60]
Reacciones bioquímicas
Biochemical reactions are mainly controlled by enzymes. These proteins can specifically catalyze a single reaction, so that reactions can be controlled very precisely. The reaction takes place in the active site, a small part of the enzyme which is usually found in a cleft or pocket lined by amino acid residues, and the rest of the enzyme is used mainly for stabilization. The catalytic action of enzymes relies on several mechanisms including the molecular shape ("induced fit"), bond strain, proximity and orientation of molecules relative to the enzyme, proton donation or withdrawal (acid/base catalysis), electrostatic interactions and many others.[61]
The biochemical reactions that occur in living organisms are collectively known as metabolism. Among the most important of its mechanisms is the anabolism, in which different DNA and enzyme-controlled processes result in the production of large molecules such as proteins and carbohydrates from smaller units.[62] Bioenergetics studies the sources of energy for such reactions. An important energy source is glucose, which can be produced by plants via photosynthesis or assimilated from food. All organisms use this energy to produce adenosine triphosphate (ATP), which can then be used to energize other reactions.
Aplicaciones
Chemical reactions are central to chemical engineering where they are used for the synthesis of new compounds from natural raw materials such as petroleum and mineral ores. It is essential to make the reaction as efficient as possible, maximizing the yield and minimizing the amount of reagents, energy inputs and waste. Catalysts are especially helpful for reducing the energy required for the reaction and increasing its reaction rate.[63][64]
Some specific reactions have their niche applications. For example, the thermite reaction is used to generate light and heat in pyrotechnics and welding. Although it is less controllable than the more conventional oxy-fuel welding, arc welding and flash welding, it requires much less equipment and is still used to mend rails, especially in remote areas.[65]
Vigilancia
Mechanisms of monitoring chemical reactions depend strongly on the reaction rate. Relatively slow processes can be analyzed in situ for the concentrations and identities of the individual ingredients. Important tools of real time analysis are the measurement of pH and analysis of optical absorption (color) and emission spectra. A less accessible but rather efficient method is introduction of a radioactive isotope into the reaction and monitoring how it changes over time and where it moves to; this method is often used to analyze redistribution of substances in the human body. Faster reactions are usually studied with ultrafast laser spectroscopy where utilization of femtosecond lasers allows short-lived transition states to be monitored at time scaled down to a few femtoseconds.[66]
Ver también
- Chemical reaction
- Substrate
- Reagent
- Catalyst
- Product
- Chemical reaction model
- Chemist
- Chemistry
- Limiting reagent
- List of organic reactions
- Microscopic reversibility
- Organic reaction
- Reaction progress kinetic analysis
- Reversible reaction
- Combustion
- Mass balance
Referencias
- ^ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "chemical reaction". doi:10.1351/goldbook.C01033
- ^ Weyer, J. (1973). "Neuere Interpretationsmöglichkeiten der Alchemie". Chemie in Unserer Zeit. 7 (6): 177–181. doi:10.1002/ciuz.19730070604.
- ^ See Newman, William R. (2004). Promethean Ambitions: Alchemy and the Quest to Perfect Nature. Chicago: University of Chicago Press. ISBN 9780226575247.
- ^ Kraus, Paul (1942–1943). Jâbir ibn Hayyân: Contribution à l'histoire des idées scientifiques dans l'Islam. I. Le corpus des écrits jâbiriens. II. Jâbir et la science grecque. Cairo: Institut Français d'Archéologie Orientale. ISBN 9783487091150. OCLC 468740510., vol. II, pp. 41–42.
- ^ Karpenko, Vladimír; Norris, John A. (2002). "Vitriol in the History of Chemistry". Chemické listy. 96 (12): 997–1005.
- ^ Friedman, Leonard J.; Friedman, Samantha J. (2008). The History of the Contact Sulfuric Acid Process (PDF). Boca Raton, Florida: Acid Engineering & Consulting, Inc.
- ^ Stranges, Anthony N. (2000). "Germany's synthetic fuel industry, 1935–1940". In Lesch, John E. (ed.). The German Chemical Industry in the Twentieth Century. Kluwer Academic Publishers. p. 170. ISBN 978-0-7923-6487-0.
- ^ Brock, pp. 34–55
- ^ Brock, pp. 104–107
- ^ Myers, Richard (2009). The Basics of Chemistry. Greenwood Publishing Group. p. 55. ISBN 978-0-313-31664-7.
- ^ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "chemical reaction equation". doi:10.1351/goldbook.C01034
- ^ Corey, E.J. (1988). "Robert Robinson Lecture. Retrosynthetic thinking?essentials and examples". Chemical Society Reviews. 17: 111–133. doi:10.1039/CS9881700111.
- ^ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "elementary reaction". doi:10.1351/goldbook.E02035
- ^ Frenking, Gernot (2006). "Elementarreaktionen". Römpp Chemie-Lexikon. Thieme.
- ^ a b Kandori, Hideki (2006). "Retinal Binding Proteins". In Dugave, Christophe (ed.). Cis-trans Isomerization in Biochemistry. Wiley-VCH. p. 56. ISBN 978-3-527-31304-4.
- ^ Atkins, p. 114.
- ^ Atkins, pp. 106–108
- ^ a b Reaction Web
- ^ Atkins, p. 150
- ^ Atkins, p. 963
- ^ a b c d To react or not to react? Archived 2015-01-10 at the Wayback Machine Utah State Office of Education. Retrieved 4 June 2011.
- ^ a b The six types of reaction – The Cavalcade o' Chemistry. Retrieved 11 February 2016
- ^ Wilbraham, Matta, Waterman, Stanley, Antony, Michael, Edward, Dennis (2012). Chemistry. Pearson. pp. 734–735. ISBN 978-0-13-322662-1.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
- ^ Glusker, Jenny P. (1991). "Structural Aspects of Metal Liganding to Functional Groups in Proteins". In Christian B. Anfinsen (ed.). Advances in Protein Chemistry. 42. San Diego: Academic Press. p. 7. ISBN 978-0-12-034242-6.
- ^ Guo, Liang-Hong; Allen, H.; Hill, O. (1991). "Direct Electrochemistry of Proteins and Enzymes". In A.G. Sykes (ed.). Advances in Inorganic Chemistry. 36. San Diego: Academic Press. p. 359. ISBN 978-0-12-023636-7.
- ^ Wiberg, pp. 289–290
- ^ Wiberg, p. 409
- ^ Wiberg, pp. 1180–1205
- ^ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "conjugate acid–base pair". doi:10.1351/goldbook.C01266
- ^ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "precipitation". doi:10.1351/goldbook.P04795
- ^ Wingender, Jörg; Ortanderl, Stefanie (July 2009). "Ausfällung". Römpp Chemie-Lexikon. Thieme.
- ^ Meyer, H. Jürgen (2007). "Festkörperchemie". In Erwin Riedel (ed.). Modern Inorganic Chemistry (in German) (3rd ed.). de Gruyter. p. 171. ISBN 978-3-11-019060-1.
- ^ Wintterlin, J. (1997). "Atomic and Macroscopic Reaction Rates of a Surface-Catalyzed Reaction". Science. 278 (5345): 1931–4. Bibcode:1997Sci...278.1931W. doi:10.1126/science.278.5345.1931. PMID 9395392.
- ^ Waldmann, T.; Künzel, D.; Hoster, H.E.; Groß, A.; Behm, R.J.R. (2012). "Oxidation of an Organic Adlayer: A Bird's Eye View". Journal of the American Chemical Society. 134 (21): 8817–8822. doi:10.1021/ja302593v. PMID 22571820.
- ^ Atkins, pp. 937–950
- ^ Saunders, David Stanley (2002). Insect clocks (Third ed.). Amsterdam: Elsevier. p. 179. ISBN 978-0-444-50407-4.
- ^ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "catalyst". doi:10.1351/goldbook.C00876
- ^ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "inhibitor". doi:10.1351/goldbook.I03035
- ^ Elschenbroich, Christoph (2008). Organometallchemie (6th ed.). Wiesbaden: Vieweg+Teubner Verlag. p. 263. ISBN 978-3-8351-0167-8.
- ^ a b March, Jerry (1985), Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure (3rd ed.), New York: Wiley, ISBN 0-471-85472-7
- ^ Hartshorn, S.R. (1973). Aliphatic Nucleophilic Substitution. London: Cambridge University Press. p. 1. ISBN 978-0-521-09801-4.
- ^ Bateman, Leslie C.; Church, Mervyn G.; Hughes, Edward D.; Ingold, Christopher K.; Taher, Nazeer Ahmed (1940). "188. Mechanism of substitution at a saturated carbon atom. Part XXIII. A kinetic demonstration of the unimolecular solvolysis of alkyl halides. (Section E) a general discussion". Journal of the Chemical Society: 979. doi:10.1039/JR9400000979.
- ^ Brückner, pp. 63–77
- ^ Brückner, pp. 203–206
- ^ Brückner, p. 16
- ^ Brückner, p. 192
- ^ Brückner, p. 183
- ^ Brückner, p. 172
- ^ Wiberg, pp. 950, 1602
- ^ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "Markownikoff rule". doi:10.1351/goldbook.M03707
- ^ Brückner, p. 125
- ^ Latscha, Hans Peter; Kazmaier, Uli; Klein, Helmut Alfons (2008). Organische Chemie: Chemie-basiswissen II (in German). 2 (6th ed.). Springer. p. 273. ISBN 978-3-540-77106-7.
- ^ Organic Reactions. 2004. doi:10.1002/0471264180. ISBN 978-0-471-26418-7.
- ^ Hunt, Ian. "Chapter 18: Enols and Enolates — The Michael Addition reaction". University of Calgary.
- ^ Brückner, p. 580
- ^ Lechner, Manfred; Gehrke, Klaus; Nordmeier, Eckhard (2003). Macromolecular Chemistry (3rd ed.). Basel: Birkhäuser. pp. 53–65. ISBN 978-3-7643-6952-1.
- ^ Fox, Marye Anne; Whitesell, James K. (2004). Organic chemistry (Third ed.). Jones & Bartlett. p. 699. ISBN 978-0-7637-2197-8.
- ^ Diels, O.; Alder, K. (1928). "Synthesen in der hydroaromatischen Reihe". Justus Liebig's Annalen der Chemie. 460: 98–122. doi:10.1002/jlac.19284600106.
- ^ Brückner, pp. 637–647
- ^ Woodward, R.B.; Hoffmann, R. (1965). "Stereochemistry of Electrocyclic Reactions". Journal of the American Chemical Society. 87 (2): 395–397. doi:10.1021/ja01080a054.
- ^ Karlson, Peter; Doenecke, Detlef; Koolman, Jan; Fuchs, Georg; Gerok, Wolfgang (2005). Karlson Biochemistry and Pathobiochemistry (in German) (16th ed.). Thieme. pp. 55–56. ISBN 978-3-13-357815-8.
- ^ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "anabolism". doi:10.1351/goldbook.A00314
- ^ Emig, Gerhard; Klemm, Elias (2005). Technical Chemistry (in German) (5th ed.). Springer. pp. 33–34. ISBN 978-3-540-23452-4.
- ^ Trost, B. (1991). "The atom economy – a search for synthetic efficiency". Science. 254 (5037): 1471–1477. Bibcode:1991Sci...254.1471T. doi:10.1126/science.1962206. PMID 1962206.
- ^ Weismantel, Guy E (1999). John J. McKetta (ed.). Encyclopedia of Chemical Processing and Design. 67. CRC Press. p. 109. ISBN 978-0-8247-2618-8 https://books.google.com/books?id=MfjDlUe8Kc0C&pg=PA109. Missing or empty
|title=
(help) - ^ Atkins, p. 987
Bibliografía
- Atkins, Peter W.; Julio de Paula (2006). Physical Chemistry (4th ed.). Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31546-8.
- Brock, William H. (1997). Viewegs Geschichte der Chemie (in German). Braunschweig: Vieweg. ISBN 978-3-540-67033-9.
- Brückner, Reinhard (2004). Reaktionsmechanismen (in German) (3rd ed.). München: Spektrum Akademischer Verlag. ISBN 978-3-8274-1579-0.
- Wiberg, Egon, Wiberg, Nils and Holleman, Arnold Frederick (2001). Inorganic chemistry. Academic Press. ISBN 978-0-12-352651-9.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
- . Encyclopædia Britannica. 6 (11th ed.). 1911. pp. 26–33.