Kemiska reaktioner bryter befintliga molekylära kemiska bindningar, och nya bindningar bildas som ett resultat. Typiska kemiska reaktioner inkluderar förbränning, reduktion och utfällning. Under dessa kemiska reaktioner bryts de ursprungliga molekylerna isär och bildar nya bindningar för att producera olika material. Ibland räcker det med att sammanföra två ämnen för att en kemisk reaktion ska börja, men ofta krävs en extern stimulans som att värma upp ämnena. Varje kemisk reaktion är en komplex växelverkan av molekylär attraktion, energinivåer och yttre påverkan.
Kemiska reaktioner skapar och bryter de kemiska bindningarna mellan molekyler, vilket resulterar i nya material som produkterna av den kemiska reaktionen. Kemiska reaktioner kan uppstå spontant eller kräva en yttre trigger som tillförsel av energi. Att bryta kemiska bindningar absorberar energi, medan nya bindningar frigör energi, där den övergripande kemiska reaktionen är endoterm eller exoterm.
Kemiska bindningar och energinivåer
Grunden för alla kemiska reaktioner är brytning av bindningar, eller sönderdelning, och skapandet av bindningar, eller syntes. Nedbrytning kräver energi eftersom de kemiska bindningarna initialt är stabila, och energi krävs för att bryta isär dem. Molekylerna i bindningen har en lägre energinivå än fria molekyler; att lägga till energi gör att de kan bryta sig loss.
Syntes frigör energi eftersom molekylerna binder till en stabil konfiguration och därför ge upp energi. De bundna molekylerna har en lägre energinivå än fria molekyler och hålls i den nya bindningen.
En övergripande kemisk reaktion som bryter binder och bildar nya kan vara endotermiska (upptagande värme) eller exotermiska (avger värme), beroende på hur mycket energi som absorberas och produceras av nedbrytnings- och syntesreaktionerna. Vissa reaktioner producerar värme totalt, medan andra antingen absorberar värme från sin omgivning eller kräver tillsats av yttre värme för att slutföra reaktionen. Under normala förhållanden i stabila omgivningar behöver en kemisk reaktion en extern stimulans för att starta.
Endotermiska reaktioner
Eftersom det tar energi att bryta kemiska bindningar och starta kemiska reaktioner, händer få endotermiska reaktioner av sig själva. Processen kräver vanligtvis en insats av energi för att starta reaktionen och för att upprätthålla den. Även reaktioner som totalt sett är exoterma kan behöva tillföra energi i början för att bryta några av bindningarna.
Nedbrytningsreaktioner är enkla endotermiska reaktioner och kräver tillförsel av energi. Till exempel, upphettning av kvicksilveroxid producerar kvicksilver och syre. Endotermiska reaktioner som är mer komplicerade kan ske om de kan använda värme från sin omgivning. Till exempel reagerar de fasta ämnena bariumhydroxid och ammoniumklorid i en endoterm reaktion vid rumstemperatur för att producera bariumklorid och ammoniak vid en mycket kallare temperatur. Reaktionen tar värme från själva materialen, deras behållare och den omgivande luften.
Exotermiska reaktioner
Reaktioner som genererar ett överskott av värme totalt sett är vanligare eftersom de tenderar att vara självförsörjande. Syntesreaktioner producerar värme, så de behöver ingen extern värmekälla för att fortsätta. Till exempel, tillsats av en liten mängd natrium till vatten producerar natriumhydroxid och väte i en explosiv exoterm reaktion. Reaktionen startar spontant och fortsätter tills en av reaktanterna är förbrukade. Det producerar vanligtvis så mycket värme att vätet brinner med luftens syre för att bilda vatten.
Komplexa reaktioner som är beroende av att både bryta och bilda kemiska bindningar behöver ofta en extern energitillförsel för att starta men är sedan självuppehållande. Till exempel kräver förbränning av kolväten en värmekälla för att bryta de första bindningarna. Vanligtvis behöver material som innehåller kolväten, såsom trä eller eldningsolja, en tändsticka eller en gnista för att bryta ner några av bindningarna. När väl bildandet av nya bindningar med produktionen av värme börjar, fortsätter reaktionen och producerar koldioxid och vattenånga.
Många vanliga industriella och kommersiella processer är beroende av kemiska reaktioner, särskilt exotermiska självuppehållande sådana. Hur användbara de är och hur mycket arbete de gör beror på vilken typ av material som reagerar och de kemiska bindningar som bryts och reformeras.
