Reakcje odwracalne i nieodwracalne. Reakcje odwracalne – jednocześnie następuje wytwarzanie cząsteczek produktów oraz odtwarzanie cząsteczek substratów. Zapis sugeruje odwracalność reakcji chemicznej: A dodać B dwie strzałki skierowane w przeciwnych kierunkach A B. Reakcja nieodwracalna – cząsteczki substratów ulegają przekształceniu w produkty. Ponowne przekształcenie produktów w substraty jest niemożliwe. Zapis sugeruje nieodwracalność reakcji chemicznej: A dodać B strzałka w prawo A B. Przykłady reakcji odwracalnych. 1. Ładowanie i rozładowywanie akumulatorów. Ładowanie i rozładowywanie akumulatorów samochodowych, baterii jest procesem odwracalnym. Przedstawiono schemat działania akumulatora kwasowo-ołowiowego podczas jego ładowania i rozładowywania. Na schemacie zobrazowano ładowanie akumulatora i rozładowywanie. Ładowanie: w elektrolicie - rozcieńczonym kwasie siarkowym - zanurzone są dwie prostokątne płytki. Na elektrodach w trakcie poboru prądu wydziela się siarczek ołowiu dwa. Pomiędzy płytkami umieszczono strzałki skierowane w stronę elektrolitu z napisem: rozkład. Od płytki po lewej stronie, czyli od katody, prowadzi strzałka do anody z rzymską jedynką. Drugi schemat dotyczy rozładowywania: w elektrolicie – rozcieńczonym kwasie siarkowym jest zanurzona katoda wykonana z tlenku ołowiu oraz anoda wykonana z ołowiu. W stronę katody jest skierowana strzałka z napisem H 3 O plus, w stronę anody – S O 4 dwa minus. Od anody do katody biegnie strzałka z rzymską cyfrą jeden, natomiast nad źródłem prądu jest strzałka skierowana od katody do anody. Pod ilustracją jest równanie reakcji: Pe be es o cztery dodać dwa ha trzy o plus dodać es o indeks dolny cztery indeks górny dwa minus dodać pe be es o cztery dodać sześć ha dwa o strzałki w dwie strony pe be o dwa dodać sześć ha trzy o plus dodać trzy es o indeks dolny cztery indeks górny dwa minus dodać pe be. Podczas poboru prądu z akumulatora, na katodzie i anodzie zachodzą reakcje chemiczne. Anoda – utlenianie: pe be na zerowym stopniu utlenienia dodać es o indeks dolny cztery indeks górny dwa minus strzałki w dwie strony pe be na drugim stopniu utlenienia es o cztery dodać dwa e minus. Katoda – redukcja: pe be na czwartym stopniu utlenienia o dwa dodać es o indeks dolny cztery indeks górny dwa minus dodać cztery ha plus dodać dwa e minus strzałki w dwie strony pe be na drugim stopniu utlenienia es o cztery dodać dwa ha dwa o. Podczas poboru energii na obu elektrodach wydziela się siarczan sześć ołowiu dwa. W trakcie ładowania akumulatora kwasowo-ołowiowego przebiegają dokładnie takie same reakcje chemiczne, tylko w przeciwnym kierunku. 2. Produkcja amoniaku metodą Habera-Bocha Produkcja amoniaku metodą Habera-Bocha jest kolejnym przykładem reakcji odwracalnej. Reakcja polega na bezpośredniej syntezie amoniaku z azotu i wodoru. Przebiega zgodnie z reakcją chemiczną: en dwa w stanie gazowym dodać 3 ha dwa w stanie gazowym strzałki w dwie strony dwa en ha trzy w stanie gazowym. Nowoczesne zakłady zajmujące się syntezą amoniaku, produkują go ponad 3000 ton dziennie na jednej linii produkcyjnej. Schemat przedstawia system otrzymywania amoniaku metodą Habera–Boscha: Proces przebiega w trzech etapach: pierwszy etap - azot i wodór trafiają do sprężarki, gdzie osiągają ciśnienie kilkuset atmosfer, etap drugi - gazy reagują w konwertorze zawierającym katalizator (metaliczne żelazo z dodatkiem promotorów), etap trzeci - gazy wypływające z konwertora są oziębiane do temperatury minus 50 stopni Celsjusza. Celem operacji jest wykroplenie amoniaku z poreakcyjnej mieszaniny gazów – nieprzereagowany azot i wodór pozostają w tych warunkach w fazie gazowej. 3. Rozpuszczanie tlenku węgla cztery w wodzie. Rozpuszczanie tlenku węgla cztery w wodzie jest również procesem odwracalnym i przebiega zgodnie z poniższym równaniem reakcji chemicznej. Reakcja chemiczna zależy od ciśnienia C O 2 w otoczeniu. Na przykład w gazowanych napojach kolorowych, wtryskiwany jest C O 2 pod wysokim ciśnieniem, który wymusza równowagę reakcji w prawo, wytwarzając dużo kwasu węglowego i rozpuszczając tlenek węgla cztery. Film przedstawia nalewanie piwa do kieliszka. Na górze tworzy się piana, która wylewa się z kieliszka. W momencie pozostawienia napoju gazowanego w szklance przez określony czas, ciśnienie dwutlenku węgla jest niskie, więc kwas węglowy rozkłada się z powrotem na tlenek węgla cztery i wodę, z czego C O 2 dostaje się do atmosfery. Jest to również przyczyną zakwaszenia oceanów, ponieważ wraz ze wzrostem globalnego poziomu C O 2, wzrasta ilość tlenku węgla cztery rozpuszczającego się w oceanie. Powoduje to powstawanie większej ilości kwasu węglowego, co obniża pH wody oceanicznej. Przykłady reakcji nieodwracalnych. 1. Denaturacja białka. Denaturacja białka jest procesem nieodwracalnym polegającym na niszczeniu przestrzennej struktury białka pod wpływem takich warunków jak: wysoka temperatura, sole metali ciężkich, stężone kwasy, wysokie ciśnienie, promieniowanie ultrafioletowe. Pod wpływem tych czynników następuje rozerwanie wiązań wodorowych, jonowych i mostków disiarczkowych, czyli zostają zniszczone wiązania stabilizujące strukturę łańcuchów polipeptydowych. Zdjęcie ukazuje jajko sadzone, obok którego w podstawkach stoją dwa jajka na miękko. Jajka mają przyklejone oczy i namalowane buzie. Jedno jajko ma domalowane łzy, drugie ma zdziwioną minę. Doklejono jajkom włosy. 2. Spalanie drewna. Film przedstawia płonące kawałki drewna. Proces spalania drewna powoduje nieodwracalną zmianę jego zawartości - wilgoć odparowuje, a palne części materiału wypalają się i nie pozostają, ani nie wracają do stanu pierwotnego. Schłodzenie lub dodanie utraconej ilości wilgoci nie przekształci węgla drzewnego z powrotem w naturalne drewno. Równanie reakcji: ce dodać o dwa strzałka do góry strzałka w prawo ce o dwa strzałka w górę dodać energia. 3. Pieczenie ciasta, ciasteczek. Film przedstawia ciasteczka pieczone na blasze. Początkowo ciastka są uformowane w kostki. W trakcie pieczenia - pod wpływem temperatury – zaczynają się spłaszczać i puchną. Składniki ciasta - takie jak jajka i mąka stanowią reagenty. Są one mieszane ze sobą i pieczone, aby utworzyć ciasto, które jest produktem reakcji chemicznej. Ciasta nie można „upiec” ani „zmieszać”, aby zmienić je z powrotem w surowe jajka, mąkę i inne składniki, dlatego pieczenie ciasta jest reakcją nieodwracalną. Rozkład proszku do pieczenia pod wpływem temperatury. Równanie reakcji: 2 en a ha ce o trzy dodać ha trzy o plus strzałka w prawo, nad strzałką napis temperatura, en a plus dodać ha dwa o dodać ce o dwa strzałka w górę. 4. Korozja materiału. Na zdjęciu znajduje się samochód, który ma skorodowaną karoserię. Auto nie ma kół. Stoi na łące. Korozja to nieodwracalna reakcja międzyfazowa materiału (metalu, ceramiki, polimeru) z otoczeniem, która powoduje zużycie materiału lub rozpuszczenie w materiale elementu środowiska. Często, ale niekoniecznie, korozja powoduje skutki szkodliwe dla użytkowania rozważanego materiału. Na przykład korozja żelaza w roztworach kwasów beztlenowych wynika z dwóch oddzielnych reakcji. Reakcja pierwsza: ef e strzałka w prawo ef e indeks górny dwa plus dodać dwa e indeks górny minus. Reakcja druga: dwa ha indeks górny plus dodać dwa e indeks górny minus strzałka w prawo ha dwa. 5. Przygotowywanie cementu. Zdjęcie przedstawia wiadro z zaprawą murarską. Jest szara, ma bardzo gęstą konsystencję. Do zaprawy włożono kielnię murarską. Uwodnienie cementu to seria nieodwracalnych reakcji chemicznych między cementem a wodą. Podczas hydratacji pasta cementowo-wodna zestala się i utwardza, „sklejając” kruszywo w jednolitą masę. Przedstawiono dwie najważniejsze reakcje chemiczne procesu wiązania cementu portlandzkiego. Reakcja pierwsza: sześć ce a o mnożone przez es i o dwa dodać dziewięć ha dwa o strzałka w prawo sześć ce a o mnożone przez es i o dwa mnożone przez dziewięć ha dwa o. Reakcja druga: trzy ce a o mnożone przez a el dwa o trzy dodać dwanaście ha dwa o strzałka w prawo trzy ce a o mnożone przez a el dwa o trzy mnożone przez dwanaście ha dwa o.