Keemiline reaktsioon

Keemiline reaktsioon on protsess, mille käigus ühest või mitmest keemilisest ainest (lähteaine(te)st) tekib keemiliste sidemete katkemise või moodustumise tulemusena üks või mitu uute omadustega keemilist ainet (saadust, produkti). Erinevalt tuumareaktsioonidest ei toimu keemilises reaktsioonis aatomituumade muutusi. Ühe keemilise aine muutumine teiseks keemilises protsessis nõuab energiat, et ületada energeetiline barjäär. Keemiline reaktsioon saab toimuda ainete segus või lahuses, kui üks aine on kontaktis teise ainega ja süsteem saab mingil viisil energiat (soojus, valgus, elektrivool või mehaaniline jõud) või tuleb see molekulide enda sisemisest energiast. Aine molekulid saavad muutuda reaktsioonivõimeliseks, kui nad saavutavad energiataseme, mida nimetatakse aktivatsioonienergiaks. Mida suurem on reaktsiooni toimumiseks vajalik aktivatsioonienergia, seda aeglasem on protsess. Reaktsiooni aktivatsioonienergiat saab madaldada katalüsaatori abil. Keemiline muutus on aatomitevahelisi keemilisi sidemeid moodustavate elektronide ümberpaiknemine, st ühtede sidemete katkemine ja uute sidemete moodustumine. Reaktsiooni käigus tekivad uued molekulid, kuid aatomid ei teki ega kao.  Pikemalt artiklis Keemiaseadused Keemilised reaktsioonid alluvad kindlatele seaduspärasustele, mis võimaldavad mõista reaktsioonide olemust ja teha stöhhiomeetria ning reaktsioonide tasakaalu, kineetika, soojusefektide ja termodünaamika arvutusi. Mõnda tüüpi reaktsioonide korral on edukalt rakendatavad eripärased reeglid. Näiteks: Markovnikovi reegel ütleb, et liitumisel alkeenidele või alküünidele ühineb elektrofiil (E+, näiteks H+ või R+ jt) selle süsiniku aatomiga, millega on seotud rohkem vesiniku aatomeid; Zaitsevi reegel ütleb, et aluse poolt industreeritud elimineerimisreaktsioon annab eelistatult suurema asendatusega saaduse ehk reaktsioonisaadustes domineerib rohkem alküülrühmi sisaldav alkeen.  Pikemalt artiklis Reaktsioonivõrrand  Pikemalt artiklis Stöhhiomeetria Keemilist reaktsiooni kirjeldatakse reaktsioonivõrrandiga, mis näitab protsessis osalevaid lähteaineid ja lõppsaadusi. Vastavalt massi jäävuse seadusele saab võrrandi pooled võrdsustada, nii et mõlemal poolel on iga elemendi aatomeid võrdne arv. Täpsem reaktsioonivõrrand kajastab ka reaktsiooni mehhanismi: vaheastmeid ehk elementaarreaktsioone. Tasakaalulise reaktsiooni korral kasutatakse poolte vahel topeltnooli, millest üks näitab paremale, teine vasakule. Orgaaniliste reaktsioonide korral, kui tekib kõrvalsaadusi, võrrandi pooli ei võrdsustata ja poolte vahel kasutatakse üht noolt. Retrosünteesi (see on sünteesi planeerimine "tagurpidi" lähtudes soovitud lõppühendi struktuurist) võrrandites kasutatakse laia noolt.  Pikemalt artiklis Reaktsiooni mehhanism Keemilise reaktsiooni mehhanismi all mõistetakse reaktsiooni kulgemise viisi lähteainetelt saadustele. Mehhanism kirjeldab millised sidemed katkevad, millised tekivad, millises järjekorras sidemete katkemine/tekkimine toimub, millised vaheühendid tekivad ja kaovad, millised on üksikud elementaarreaktsioonid, nende kiirused, tasakaalud jne.  Pikemalt artiklis Keemiline kineetika Keemilise reaktsiooni kiirus näitab, kuidas reaktsiooni komponentide kontsentratsioon või rõhk ajas muutub. Reaktsiooni kiirus on võrdeline reaktsioonis osalevate molekulide kontsentratsioonidega, kuid sõltub ka temperatuurist ja teistest teguritest. Sellega tegeleb keemiline kineetika.  Pikemalt artiklis Keemiline süntees Keemiline süntees on vajaliku saaduse saamiseks kasutatav keemiline reaktsioon või mitme reaktsiooni jada koos vajalike keemiliste ja füüsikaliste protseduuride rakendamisega. Enamasti on tegu lihtsamatest ühenditest keerukamate keemiliste ühendite saamisega. Sünteesi tootlikkust näitab saagis, mis arvutatakse reaktsioonivõrrandi(te) ja stöhhiomeetria põhjal. Keemilisi reaktsioone võib klassifitseerida paljude tunnuste põhjal. 1) Reaktsioonis osalevate ainete olemuse alusel anorgaaniline reaktsioon, milles osalevad anorgaanilised ained orgaaniline reaktsioon, milles osalevad orgaanilised ühendid või vähemalt põhikomponent on orgaaniline aine biokeemiline reaktsioon, need on eluslooduses toimuvad või neid imiteerivad reaktsioonid 2) Faasilise oleku alusel homogeenne reaktsioon, kui ained reageerivad samas faasis heterogeenne reaktsioon, kui ained reageerivad faaside piirpinnal reaktsioonid vedelfaasis (lahustes), tahkefaasis, gaasifaasis, plasmas sadestamisreaktsioon kemosorptsioon on gaasi, vedeliku neeldumine vedelikus või kogunemine tahke aine pinnale keemilise reaktsiooni tulemusena 3) Reaktsiooniga kaasneva energeetilise efekti põhjal eksotermilistes reaktsioonides vabaneb energiat, seega eraldub soojust (ΔH on negatiivne) endotermilistes reaktsioonides toimub soojuse neeldumine (ΔH on positiivne) 4) Reaktsiooni initsieerimisviisi alusel initsieerimisreaktsioon, protoneerimine termokeemiline reaktsioon, termolüüs katalüütiline reaktsioon, katalüüs, biokatalüüs, autokatalüüs, organokatalüüs fotokeemiline reaktsioon, fotosüntees, fotolüüs elektrokeemiline reaktsioon 5) Intermediaadi olemuse järgi radikaalreaktsioon, mida alustab keemilise sideme homolüütiline katkemine (homolüüs), nii et mõlemale fragmendile jääb üks elektron polaarne ehk ioonreaktsioon, mida alustab keemilise sideme heterolüütiline katkemine (heterolüüs), nii et sideme elektronpaar läheb ühele fragmendile: elektrofiilne, nukleofiilne, karbokatioonne, karbanioonne reaktsioon 6) Reaktsiooni mehhanismi/tee järgi pöörduv reaktsioon, tasakaaluline reaktsioon pöördumatu reaktsioon ahelreaktsioon, liitumispolümerisatsioon, initsieerimine, ahela kasv, ahela ülekanne astmeline reaktsioonon üle aktiivse intermediaadi kulgev protsess intramolekulaarne reaktsioon ehk sisemolekulaarne reaktsioon monomolekulaarne reaktsioon, bimolekulaarne reaktsioon, trimolekulaarne reaktsioon kooskõlareaktsioon, peritsükliline reaktsioon – esineb sidemete kooskõlastatud ümberkujunemine ilma aktiivse intermediaadi moodustamiseta, nagu tsükkelliitumine, een-reaktsioon jt 7) Konkureerivate reaktsioonide alusel kõrvalreaktsioon on keemilises sünteesis esinev mittesoovitud protsess paralleelsed reaktsioonid konsekutiivsed reaktsioonid, see on esmase saaduse edasireageerimine testreaktsioon 8) Olulisemad reaktsioonitüübid keemilise muutuse iseloomu või saaduse iseloomu põhjal asendusreaktsioon (sealhulgas SN1, SN2, SE) , derivatiseerimine, hüdrolüüs, väljatõrjumisreaktsioon happe-aluse reaktsioon, neutralisatsioon ioonreaktsioon, ionisatsioonireaktsioon, ioonse kompleksi moodustumine intramolekulaarsed reaktsioonid: isomerisatsioon, ümbergrupeering ehk ümberasetusreaktsioon, tautomerisatsioon, tsüklisatsioon lagunemisreaktsioon, elimineerimisreaktsioon (sealhulgas E1, E2), fragmentatsioon, termolüüs, elektrolüüs, keemiline plahvatus liitumisreaktsioon (sealhulgas AdE), ühinemisreaktsioon, sidestusreaktsioon, kondensatsioonireaktsioon, tsükloliitumine, sünteesireaktsioon polümerisatsioon, polükondensatsioon, oligomerisatsioon, telomerisatsioon, dimerisatsioon redoksreaktsioon, oksüdatsioon, reduktsioon, põlemine, keemiline plahvatus, korrosioon mitmekomponentne reaktsioon (multi-komponentne reaktsioon), kaskaadreaktsioon kelaatumine Keemiatööstuse toorainete keemilise töötlemise protsesside korral kasutatakse keemiatehnoloogias juurdunud terminoloogiat. Näiteks termokeemiline muundamine (pürolüüs, krakkimine, utmine, destruktiivne destillatsioon, gaasistamine, hüdropürolüüs, kaltsineerimine), biolagunemine (anaeroobne biodegradatsioon, fermentatsioon ehk kääritamine). 9) Seoses funktsionaalrühmade muutustega – vaata artiklit "Orgaaniline reaktsioon" 10) Saaduste selektiivse moodustumise järgi selektiivne reaktsioon ehk valiv reaktsioon on selline, milles reagent annab saaduse valikuliselt ühe ainega lähtesegus olevatest komponentidest. Siin on tegu kemoselektiivsusega. Selektiivseid reaktsioone kasutatakse keemilises analüüsis mingi ühendi määramiseks, aga ka sünteesis teatud komponendi eraldamiseks segust (näiteks Sommelet' reaktsioon) põhiliselt orgaaniliste reaktsioonidega on seotud regioselektiivsus, stereospetsiifilisus, stereoselektiivsus, enantioselektiivsus, diastereoselektiivsus Nimelised reaktsioonid Keemiline kineetika Reaktsiooni mehhanism Keemiaseadused Reaktsioonikoordinaat Orgaaniline süntees Orgaaniline reaktsioon Siirdeseisund Biokeemia Konversioon (keemia) Termodünaamiline versus kineetiline kontroll Statsionaarne olek (keemia) Intermediaat Saagis (keemia)