Čo je chemická reakcia?

Sviečka horí. Stará reťaz na bicykli zhrdzavie. Koláč v rúre narastie a na slnku rastie list.

Toto všetko sú chemické reakcie. Poďme zistiť, čo sa v nich naozaj deje.

Čo sa deje pri chemickej reakcii?

Všetko okolo teba je z atómov a mnohé z nich sú pospájané do molekúl. Pri chemickej reakcii sa niektoré chemické väzby rozbijú a atómy sa znova pospájajú inak. Tak vznikajú nové látky s novými vlastnosťami.

Vezmi si plyn, ktorý horí v mnohých kuchynských sporákoch: metán, CH₄. Keď horí, každá molekula metánu sa stretne s dvoma molekulami kyslíka zo vzduchu. Ich väzby sa rozbijú a atómy sa preskupia. Vznikne jedna molekula oxidu uhličitého a dve molekuly vody.

Kam sa podejú atómy?

Pri chemickej reakcii žiadny atóm nezanikne a žiadny nový nevznikne. Celková hmotnosť preto zostáva rovnaká.

Približne pred 250 rokmi to francúzsky chemik Antoine Lavoisier ukázal veľmi starostlivým vážením. Vážil všetko, čo do reakcie vstúpilo, aj všetko, čo z nej vyšlo, dokonca aj plyny. Súčty sa vždy zhodovali. Tomuto pravidlu hovoríme zákon zachovania hmotnosti.

Prečo teda z horiaceho polena zostane len malá kôpka popola? Väčšina jeho atómov uletela do vzduchu ako oxid uhličitý a vodná para. Predstav si, že všetky tie plyny pochytáš a odvážiš spolu s popolom. Spolu by vážili toľko ako poleno a kyslík, ktorý pri horení spotrebovalo.

Platí to aj naopak. Hrdzavý klinec váži viac, ako vážil, keď bol lesklý, lebo na seba naviazal kyslík a vodu zo vzduchu.

Ako spoznáš, že prebieha reakcia?

To, ako si atómy vymieňajú partnerov, nevidíš. Často však spoznáš znaky:

• bublinky plynu, keď vzniká nový plyn
• zmenu farby, napríklad keď rozkrojené jablko zhnedne
• teplo alebo svetlo, napríklad plameň alebo svietiacu tyčinku
• novú vôňu, napríklad keď sa z chleba stane hrianka
• pevnú látku, ktorá sa objaví v kvapaline

Pozor však, znaky ťa môžu oklamať. Vriaca voda robí bublinky, a predsa je to stále voda. Topenie, mrznutie ani vrenie nie sú chemické reakcie, lebo molekuly zostávajú rovnaké. Pri skutočnej reakcii vznikne nová látka.

Kde môžeš vidieť reakcie?

Všade! Tu je zopár príkladov:

• Hrdzavenie. Železo sa pomaly spája s kyslíkom a vodou zo vzduchu a mení sa na drobivú červenohnedú hrdzu. Soľ to urýchľuje, preto autá hrdzavejú rýchlejšie tam, kde sa v zime solia cesty.
• Sóda bikarbóna a ocot. Keď ich zmiešaš, začne to šumieť. Tie bublinky sú nový plyn: oxid uhličitý.
• Fotosyntéza. Rastliny berú oxid uhličitý zo vzduchu a vodu z pôdy. S energiou slnečného svetla ich menia na cukor a uvoľňujú kyslík.
• Tvoje telo. Tvoje bunky spájajú cukor z jedla s kyslíkom, ktorý vdýchneš. Tak získavaš energiu na pohyb, premýšľanie aj rast a vzniká pri tom oxid uhličitý, ktorý vydychuješ.

Uvoľňujú reakcie energiu, alebo ju prijímajú?

Mnohé reakcie energiu uvoľňujú. Horenie vydáva teplo a svetlo. Niektoré ohrievače rúk hrejú preto, lebo železný prášok v nich veľmi rýchlo hrdzavie.

Iné reakcie energiu prijímajú. Keď sóda bikarbóna s octom šumí, zmes trochu vychladne. Rastliny prijímajú energiu slnečného svetla, aby vytvorili cukor.

Odkiaľ sa táto energia berie? Rozbiť väzby stojí energiu a pri vzniku nových väzieb sa energia uvoľňuje. Ak sú nové väzby silnejšie ako staré, zostane energia navyše a uvoľní sa ako teplo alebo svetlo. Ak sú slabšie, reakcia musí energiu prijať.

Energia pritom nikdy nevznikne ani nezanikne, iba mení podobu. Tak to hovorí zákon zachovania energie.

Prečo nehorí všetko naraz?

Papier, drevo aj vosk zo sviečky môžu horieť. A predsa ležia na vzduchu a nevzbĺknu. Mnohé reakcie, napríklad horenie, potrebujú postrčenie, aby sa začali: iskru, plameň alebo trochu tepla. Keď horenie začne, samo si vyrába teplo, a to ho udržiava.

Niektoré látky uľahčia začiatok reakcie a samy sa pri tom nespotrebujú. Hovoríme im katalyzátory.

Tvoje telo je plné katalyzátorov, ktorým hovoríme enzýmy. Keď dlho žuješ kúsok chleba, začne chutiť sladko. Enzým v tvojich slinách totiž rozkladá škrob z chleba na cukor.

Poďme hlbšie: Ako sa reakcie zapisujú: chemické rovnice pre dospelých a extra zvedavých

Chemici zapisujú reakcie ako rovnice. Horenie metánu vyzerá takto:

$$\mathrm{CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O}$$

Látky vľavo sú reaktanty (východiskové látky) a látky vpravo sú produkty. Veľké čísla pred vzorcami (2 O₂, 2 H₂O) sa volajú stechiometrické koeficienty. Hovoria, koľko molekúl sa reakcie zúčastní.

Rovnica je vyčíslená, keď je každého druhu atómu na oboch stranách rovnako veľa. Tu je na každej strane 1 atóm uhlíka, 4 atómy vodíka a 4 atómy kyslíka. Pri vyčísľovaní smieš meniť iba čísla pred vzorcami. Malé čísla vo vzorci nikdy nemeň: vznikla by z neho iná látka.

Poďme hlbšie: Odkiaľ sa berie teplo plameňa pre dospelých a extra zvedavých

Dá sa to odhadnúť z priemerných energií väzieb z článku ako sa atómy spájajú do molekúl. Spálenie jedného mólu metánu (16 gramov) rozbije štyri väzby C–H (4 · 415 kJ) a dve väzby O=O (2 · 498 kJ), spolu 2 656 kJ. Vzniknú dve väzby C=O v oxide uhličitom (2 · 799 kJ) a štyri väzby O–H (4 · 464 kJ), spolu 3 454 kJ.

Rozdiel, asi 800 kJ, sa uvoľní ako teplo. Presné merania dávajú 802 kJ, keď voda odíde ako para, a 890 kJ, keď skondenzuje na kvapalinu. Reakciám, ktoré takto teplo uvoľňujú, hovoríme exotermické; reakciám, ktoré teplo prijímajú, endotermické.

Pri sóde bikarbóne s octom je to zložitejšie. Ako celok šumenie teplo prijíma. Väčšina z toho však pripadá na rozpúšťanie pevnej sódy a na únik oxidu uhličitého ako plynu; samotná reakcia kyseliny so sódou vo vode trochu tepla uvoľní.

Poďme hlbšie: Aktivačná energia a katalyzátory pre dospelých a extra zvedavých

Postrčenie, ktoré reakcia potrebuje, sa volá aktivačná energia. Staré väzby sa musia začať rozbíjať skôr, ako vzniknú nové, a to najprv stojí energiu. Pri izbovej teplote je dosť prudká len nepatrná časť zrážok molekúl. Preto môže väčšina palív ležať na vzduchu celé roky. Iné reakcie, napríklad sóda bikarbóna s octom, majú taký nízky kopček, že ako postrčenie stačí teplo miestnosti: začnú, hneď ako sa látky stretnú.

Teplo zrýchľuje pohyb molekúl, a tak sa cez kopček dostane viac zrážok. Podľa hrubého pravidla ide mnoho reakcií pri izbovej teplote asi dvakrát rýchlejšie s každými 10 °C navyše.

Katalyzátor ponúkne reakcii inú cestu s nižším kopčekom. Reakcie sa zúčastní, no na konci z nej vyjde nezmenený. Katalyzátor vo výfuku auta používa platinu, paládium a ródium a mení jedovatý oxid uhoľnatý na oxid uhličitý. Enzýmy dokážu reakcie v tvojom tele zrýchliť miliónkrát aj viac.

Poďme hlbšie: Lavoisier a drobná oprava od Einsteina pre dospelých a extra zvedavých

Lavoisier pravidlo zapísal vo svojej učebnici Traité élémentaire de chimie z roku 1789: pri každej premene je pred ňou aj po nej rovnaké množstvo hmoty. Ruský vedec Michail Lomonosov zapísal podobnú myšlienku už v roku 1756, a preto v niektorých krajinách nesie zákon mená oboch. Lavoisier tiež pomenoval kyslík a vodík a ukázal, že voda sa skladá z nich dvoch. Jeho manželka Marie-Anne Lavoisierová s ním spolupracovala: kreslila jeho prístroje a viedla záznamy z laboratória.

Presne vzaté, produkty reakcie, ktorá energiu uvoľňuje, vážia o maličký kúsok menej, lebo aj energia má hmotnosť ($E = mc^2$). Spálením 16 gramov metánu sa uvoľní 890 kJ, čo zodpovedá asi 10 miliardtinám gramu. Toľko nezaznamená žiadna váha v chemickom laboratóriu, a tak pre chémiu zákon platí.

Over sa

Poleno zhorí na malú kôpku popola. Kam sa podela väčšina jeho atómov?

Oheň ich zničil Do vzduchu, ako oxid uhličitý a vodná para Zmenili sa na teplo

Ukáž odpoveď

Do vzduchu, ako oxid uhličitý a vodná para – Pri reakcii sa atómy nikdy neničia. Uhlík a vodík z dreva sa spojili s kyslíkom a uleteli ako oxid uhličitý a vodná para.

Over sa

Čo z toho je chemická reakcia?

Topenie ľadu Vrenie vody Hrdzavenie klinca

Ukáž odpoveď

Hrdzavenie klinca – Keď sa ľad topí alebo voda vrie, molekuly zostávajú H₂O. Keď železo hrdzavie, jeho atómy sa spájajú s kyslíkom a vodou a vzniká nová látka: hrdza.