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.

Keemiaseadused

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.

Reaktsioonivõrrand

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.

Reaktsiooni mehhanism

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.

Reaktsiooni kiirus

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.

Keemiline süntees

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.

Reaktsioonide klassifikatsioon

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

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 S_N1, S_N2, S_E) , 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 Ad_E), 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