Keemilised muutused: mis need on, omadused, näitajad ja praktilised näited

MuutumineSee on võtmetermin, mis määrab muutuste jõu, mis liigutab protsesside arengut, milles teatud elemendid kombineeruvad uute ühendite saamiseks. Enne süsteemis täheldatud variatsioone kasutati seda rangete terminite, nagu hävitamine ja kadumine, kasutamiseks, kuid vaieldamatu põhimõte on see, et ainet ei looda ega hävitata, see muudetakse, Ja see tähendab, et kui täheldatakse millegi puudumist, tähendab see, et see sai osaks teisest ühendist.

Aine on kõik, mis moodustab kehasid, hõivab universumis massi ja ruumi. Iga kord juhtub midagi aine keemiline muutusKeemiliste muutuste käigus paigutavad algained oma aatomeid ja sidemeid ümber, mille tulemusel tekivad uued ühendid, millel on erinevad omadused. Erinevalt füüsikalistest muutustest, mille puhul muutub ainult olek või vorm (näiteks tahkest vedelikuks), muutub keemilise muutuse käigus koostis. ainete sisemine struktuurmis hõlmab uusi funktsioone, kasutusviise ja käitumist.

Keemilised muutused hõlmavad elementide muundumist uuteks ühenditeks, mis hoolimata sellest, et nad on algsete elementide kombinatsioonid, võivad omada täiesti erinevaid omadusi. On protsesse, mille puhul muundumine on pöörduv; see tähendab, et mehaanilise manipuleerimise abil saame algsed elemendid eraldada ja/või muutuse tagasi pöörata (füüsikaline muutus). Keemilise muutuse puhul see nii ei ole, sest selle peamine omadus on protsessi pöördumatusSeetõttu ei saa saadud tooteid tavapärastes tingimustes algsele kujule taastada.

Igapäevaelus ja looduses ümbritsevad meid keemilised nähtused: puidu põletamineToidu seedimine, piima käärimine ja paberi vananemine on kõik reaktsioonide ilmingud, mis reorganiseerivad aatomeid ja tekitavad uusi aineid. Nende muutuste mõistmine võimaldab meil mõista elutähtsaid, tehnoloogilisi, tööstuslikke ja keskkonnaprotsesse.

Mis on keemiline muutus?

Un keemiline muutusKeemiline reaktsioon ehk keemiline reaktsioon on protsess, mille käigus üks või mitu lähteainet (nn. reaktiivid) muunduvad üheks või mitmeks erinevaks aineks (nn. tootmaSee ümberkujundamine hõlmab aatomite reorganiseerimineteatud keemilised sidemed katkevad ja tekivad uued, mille tulemusel tekivad erinevad molekulid, millel on erinevad füüsikalised ja keemilised omadused.

Nende muutuste käigus toimuvad ainet moodustavad osakesed (aatomid, ioonid või molekulid) ümberpaigutused, kuid nad ei kao äraAine jäävuse põhiseaduse kohaselt jäävad reagentides olevad aatomid saadustesse, ehkki erinevalt rühmitatud. Seega, kui aine "lakkab eksisteerimast", on selle aatomid tegelikult saanud saaduse osaks. uued ained.

Keemiliste muutuste väga oluline omadus on see, et enamasti on need raske tagasi pöörata mitte otse. Näiteks kui puutükk põletatakse ja see muutub tuhaks, süsinikdioksiidiks ja veeauruks, ei ole algse puidu taastamiseks lihtsat protsessi. Kuid keerukamates süsteemides võivad järgnevad keemilised muutused saadusi uuesti muuta, käivitades reaktsioonide ahela (nagu toimub looduse biogeokeemilistes tsüklites).

Need protsessid vastutavad paljude nähtuste eest, mida me iga päev jälgime: alates raua oksüdatsioon plastide, ravimite, väetiste või kütuste tööstuslikust tootmisest. Keemia kui teadus on suuresti pühendatud uurimisele kuidas need muutused toimuvad?, millistel tingimustel on need kõige soodsamad ja kuidas neid kontrollitud viisil ära kasutada.

Keemilise ja füüsikalise muutuse erinevus

Kuigi mõlemad mõisted kirjeldavad aine muundumisi, on oluline selgelt eristada Füüsilised muutused y keemilised muutused et õigesti tõlgendada nähtusi, mida me täheldame.

• Füüsiline muutus: Mõjutab agregatsiooniseisund (tahke, vedel, gaasiline) või aine välimuse suhtes, kuid See ei muuda selle keemilist koostistMolekulid jäävad samaks. Tüüpilised näited on jää sulamine veeks, vee aurustumine auruks või soola lahustumine vees. Kõigil neil juhtudel jäävad ainet moodustavad osakesed terveks.
• Keemiline muutus: Keemilise reaktsiooni käigus aatomid ümber korraldama ja moodustavad uusi sidemeid, muutes seeläbi aine koostist ja omadusi. Näiteks kui raud oksüdeerub õhu ja niiskuse juuresolekul, tekib raudoksiid, aine, mis erineb algsest metallist nii välimuse kui ka käitumise poolest.

Praktikas ei hõlma füüsiline muutus uute ainete teket ja on tavaliselt pöörduv suhteliselt kergelt (nagu vee külmumine ja sulamine). Keemilise muutuse käigus tekivad uued ained ja protsess on tavaliselt tavalistes tingimustes pöördumatuvõi nõuab tagasipööramiseks täiendavaid keerulisi protsesse.

Keemiliste muutuste reaktsioonid

Iga keemiline reaktsioon viib keemilise tüübi muutus milles reagendid muunduvad uuteks produktideks oma molekulaarstruktuuri muutuste ja sidemete ühinemise kaudu. Enne reaktsiooni olemasolevaid aineid nimetatakse reagentideks. reaktiividja need, mis hiljem ilmuvad, tootmaKogu protsessi vältel aatomid paigutuvad ümber ilma, et aine ilmuks või kaoks.

Keemiliste protsesside määrava põhimõtte dikteerib massi säilitamise seadus Lavoisieri seadus sätestab, et keemiliste muutuste protsessides jääb kogumass konstantseks, mis tähendab, et reagentides tarbitud massi hulk peab kajastuma ka saadustes. Teisisõnu, Reagentide masside summa on võrdne saaduste masside summagakuigi neil on täiesti erinev välimus ja omadused.

Keemilisi reaktsioone saab liigitada mitmel viisil (näiteks kombinatsioonina, lagunemisena, nihkumisena, redoksreaktsioonina, happe-aluse reaktsioonina, sadestumisena jne), kuid neil kõigil on ühine keskne idee: keemiliste sidemete ümberpaigutamineBioloogilises keskkonnas katalüüsivad reaktsioone sageli ensüümid ja need on osa keerukatest ainevahetusradadest; tööstuses on protsessid kavandatud nii, et need maksimeeriksid saagist ja minimeeriksid jäätmeid või kõrvalsaadusi.

Lisaks hõlmavad need reaktsioonid sageli energia muutusi: mõnes vabastab energiat soojuse, valguse või elektri kujul (eksotermilised reaktsioonid), samas kui teistes on see neelab energiat keskkonnast (endotermilised reaktsioonid). See varieeruvus on seotud reagentide ja saaduste suhtelise stabiilsusega ning keemiliste sidemete reorganiseerumisega reaktsiooni ajal.

Keemilisi muutusi mõjutavad tegurid

Keemilistest muutustest saadud saaduste omadused sõltuvad erinevatest teguritest, mis määravad reaktsiooni kiiruse, ulatuse ja tüübi. Kõige olulisemate tegurite hulgas on:

Aatomite arv: Igas ühendis esinevate aatomite arv mõjutab otsustavalt lõpptoodet, kuna see määrab ära linkide arv ja nende olemust, samuti otseselt uue ühendi molekulaarstruktuuri mõjutades. Näiteks kui kahe valentsi aatomiga element süsinik reageerib hapnikuga (mis on kahevalentne), on selle reaktsiooni tulemuseks süsinikmonooksiid (CO), mis on mürgine gaas. Teisest küljest, kui vaatleme sama stsenaariumi, aga seekord elemendi süsinikuga, mille valents on neli, on reaktsiooni tulemuseks süsinikdioksiid (CO₂).2), mis on elutähtis gaas sellistes protsessides nagu fotosüntees ja hingamineSeega võib aatomite osakaalu väike muutus anda alust ainetele, millel on elusolenditele ja keskkonnale väga erinev mõju.

Temperatuur: Paljud peavad seda reaktsiooni tekke määravaks teguriks, kuna teatud kogus aktiveerimisenergia protsessi käivitamiseks. Temperatuuri tõus tähendab ka temperatuuri tõusu reaktsioonikiirusSõltumata sellest, kas reaktsioon on eksotermiline või endotermiline, on see tingitud asjaolust, et temperatuuri tõustes suureneb aktivatsioonienergiaga võrdse või suurema energiaga molekulide arv, suurendades seega aatomite või molekulide vaheliste efektiivsete kokkupõrgete arvu.

Atraktiivsus ja tõukejõud: See on füüsikaline suurus, mida tuntakse ka kui elektrilaengSee omadus määrab jõud, mis ühendeid ligi tõmbavad või eemale tõukavad, arvestades nende elektri- ja magnetvälju. See mõjutab seda, kui kergesti keemilised ühendid saavad elektrone jagada, omandada või kaotada ning seega ka ioonsete või kovalentsete sidemete moodustumist. Sel viisil aine võime... suhelda teiste osakestega ja teatud protsessides vahetavad energiat kiirguse või elektromagnetilise interaktsiooni kaudu (näiteks footonite kiirgus või neeldumine teatud nähtustes).

Kontsentratsioon: Osalevate elementide kontsentratsioon on reaktsiooni toimumise määrav tegur, kuna suurem kontsentratsioon tähendab suuremat kokkupõrgete tõenäosus reaktiivsete osakeste vahel. Väga lahjendatud lahustes on molekulid üksteisest kaugemal ja reaktsioon on tavaliselt aeglasem; kontsentreeritud lahustes on kokkupõrked sagedasemad ja muundumine kiireneb.

Neile võib lisada ka teisi tegureid, näiteks katalüsaatorid (ained, mis kiirendavad reaktsiooni ilma neid tarbimata), rõhk (eriti gaasiliste reaktsioonide korral), tahkete reagentide kokkupuutepind ja lahustite spetsiifiline olemus. Kõigi nende tegurite kontrollimine võimaldab luua optimaalseid tingimusi nii looduslikes protsessides kui ka tööstuslikes ja laborirakendustes.

Keemiliste muutuste omadused

Keemilistel muutustel on mitmeid ühiseid jooni, mis aitavad meil neid füüsilistest muutustest tuvastada ja eristada. Nende peamiste omaduste hulka kuuluvad:

• Poeg pöördumatu Enamasti tähendab see seda, et kui reagendid on uuteks toodeteks ühendatud, on neid võimatu lihtsate või tavaliste füüsikaliste meetoditega algseteks komponentideks eraldada.
• Modifikatsioon on molekulaarne struktuur osalevate liikide omavahelise kombinatsiooni kaudu; see hõlmab uute keemiliste sidemete purunemist ja moodustumist.
• Nad nõuavad ja omakorda saavad nad vabastada energiatIga keemiline reaktsioon hõlmab energiavahetust keskkonnaga, kas soojuse, valguse või elektrienergia neeldumise või eraldamise teel.
• La kogumass jääb konstantseks, vastavalt massi jäävuse seadusele: reagentide masside summa on võrdne saaduste masside summaga.
• Muutus toimub materjali iseloomulikud omadusedSulamistemperatuur, keemistemperatuur, lahustuvus, tihedus, värvus ja lõhn võivad uute ainete moodustumisel märgatavalt muutuda.
• Paljudel juhtudel avalduvad keemilised muutused läbi nähtavaid mõjusid näiteks mullide teke, sademed, värvimuutused, valguse või soojuse eraldumine või iseloomulike lõhnade teke.

Näidud keemilise muutuse toimumisest

Selleks, et teha vahet, millal oleme keemilise muutuse tunnistajaks, tuleb arvestada mitmete teguritega. keemilise muutuse näitajad Need põhinevad meelte kaudu või lihtsate mõõtmiste abil jälgitavatel signaalidel:

• Sette või sette olemasolu: Kahe aine segamisel saame reaktsiooni toimumisest aru, kui märkame põhjas sette või tahke aine suspensiooni, mis tähendab, et mõned moodustunud uued ained on lahustumatu keskel. Selline sademete teke on tavaline soolalahuste vahelistes reaktsioonides.
• Värvi muutus: Olenemata sellest, kas lisame segule indikaatori või lihtsalt ühendame reagendid, on keemiliste muutuste toimumisel tavaline täheldada a esialgse värvuse muutus ühendist. See muutus viitab uute keemiliste ühendite ilmumisele, millel on valgusega erinev interaktsioon.
• Gaasi areng: Nagu täheldatud, sisaldavad reaktsioonisaadused sageli gaase, mis eralduvad keskkonda. mull või kihisemine. Süsinikdioksiidi, vesiniku või muude gaaside teke on selge märk reaktsiooni toimumisest, näiteks vesinikkarbonaadi segamisel happega.
• Põhiomaduste muutused: Teine viis keemilise muutuse toimumise kinnitamiseks on selliste omaduste mõõtmine nagu happesus või aluselisus (pH)Lõhn, magnetilised või elektrilised omadused. Nende muutus määrab uue produkti moodustumise. Näiteks vesilahustes näitab pH oluline muutus tavaliselt, et H+ ioone on tarbitud või toodetud.⁺ sa OH^-.
• Kuumuse imendumine või eraldumine: Kergesti mõõdetav segu temperatuuri spontaanse muutusena. Kui ainete kombineerimisel segu... soojendab või jahutab Ilma välise kuumuse rakendamiseta on see märk sellest, et keemiline reaktsioon vabastab või neelab energiat.
• Valguse või heli kiirgus: Mõnedes reaktsioonides, eriti põlemised Või plahvatuste korral täheldatakse valguse (leegid, sädemed) või heli (plahvatused, praksatused) otsest kiirgust, mis peegeldab uute saaduste moodustumisega seotud intensiivseid energiamuutusi.

Kõik need näitajad kokkuvõttes võimaldavad meil märkimisväärse usaldusväärsusega tuvastada, kas vaadeldav nähtus vastab keemilisele muutusele või lihtsale füüsikalisele muutusele.

Näited keemilistest muutustest

Keemilised muutused toimuvad köögis, bioloogilistes protsessides, tööstuses, keskkonnas ja paljudes igapäevastes esemetes. Allpool on toodud mõned olulised näited, mis illustreerivad erinevaid olukordi, kus aine läbib keemilise muundumise:

1. La puidu või paberi muutmine tuhaks soojusallikaga kokkupuutel. See on põlemisreaktsioon, mille käigus orgaanilised komponendid reageerivad õhus oleva hapnikuga, tekitades süsinikdioksiidi, veeauru ja tahkeid mineraaljääke.
2. La toidu seedimineSee protsess hõlmab keeruliste elementide muundamist lihtsamateks vormideks, võimaldades organismil saada vajalikke toitaineid. Ensüümid katalüüsivad selles protsessis biomolekulide lagunemist ja sünteesi.
3. Koostisosade segu leivaküpsetamineja selle järgnevat küpsetamist. Pärmide kääritamine tekitab süsihappegaasi, mis jääb tainasse kinni, ja kuumus põhjustab reaktsioone, näiteks Maillardi reaktsiooni suhkrute ja valkude vahel, mis vastutab leiva kuldse värvuse ja iseloomuliku aroomi eest.
4. La veini muundamine äädikaks, mis on tingitud äädikhappebakterite toimest, mis oksüdeerivad veinis sisalduvat etanooli äädikhappeks, muutes joogi maitset, lõhna ja happesust.
5. La piima kääritamine jogurti saamiseksTeatud bakterid muudavad laktoosi piimhappeks, mis alandab pH-d, paksendab piima ja annab jogurtile iseloomuliku hapu maitse.
6. La hapniku muundamine süsinikdioksiidiks, kopsualveoolides veres toodetavas vahetuses, mis on seotud rakkude hingamise ja rakkude keeruliste oksüdatsiooni-redutseerimise reaktsioonidega.
7. El paberi kollasus Aja jooksul ligniini ja teiste orgaaniliste komponentide oksüdeerumise tõttu, mis seovad hapnikku ja muudavad nende sidemeid, muutes värvi, vastupidavust ja tekstuuri.
8. La raua oksüdatsioon Õhu ja niiskusega kokkupuutel moodustab see punakaspruuni värvusega ja algsest metallist erinevate mehaaniliste omadustega raudoksiidi (rooste).
9. La jogurti või juustu tootmine piimast bakterite ja ensüümide toimel, mis muudavad suhkruid, valke ja rasvu, luues uusi ühendeid, millel on spetsiifiline maitse, tekstuur ja toiteväärtus.
10. El kookide küpsetaminekus toimub mitu reaktsiooni: gaaside eraldumine pärmide või küpsetuspulbrite poolt, pruunistumine suhkrute karamelliseerumise teel ning reaktsioonid valkude ja süsivesikute vahel, mis tekitavad aromaatseid ühendeid.

Need näited näitavad, et keemilised muutused on olulised elutähtsate protsesside, toidutootmise, tehnoloogiliste seadmete toimimise ja igapäevaste loodusnähtuste mõistmise jaoks.

Keemiliste muutuste ja nende olemuse mõistmine põhijooned, mida näitajad lubage meil neid ära tunda ja mida näited Neid jälgitakse meie keskkonnas, mis lihtsustab meid ümbritseva materiaalse reaalsuse sügavamat tõlgendamist ning keemiliste reaktsioonide tohutu potentsiaali teadlikku ärakasutamist igapäevaelus, teaduses ja tööstuses.