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화학 반응

Chemical reaction
산화철(III)을 이용한 테르마이트 반응.바깥으로 날아가는 불꽃은 녹은 쇳덩어리들이 연기를 내뿜고 있다.

화학반응은 한 세트의 화학물질다른 [1]세트로 바꾸는 과정이다.전통적으로 화학반응은 원자간 화학결합형성 및 파괴에 전자의 위치만 관여하는 변화를 포함하며, 원자핵에 대한 변화(원소에 대한 변화 없음)는 없으며, 종종 화학방정식으로 설명될 수 있다.핵화학은 불안정방사성 원소의 화학반응을 수반하는 화학의 하위 분야로 전자적 및 핵적 변화가 모두 일어날 수 있다.

처음에 화학 반응에 관여하는 물질을 반응물 또는 시약이라고 합니다.화학반응은 보통 화학변화에 의해 특징지어지며, 일반적으로 반응물질과 다른 특성을 가진 하나 이상의 생성물을 생성한다.반응은 종종 일련의 개별 하위 단계, 이른바 기본 반응으로 구성되며, 정확한 거동에 대한 정보는 반응 메커니즘의 일부이다.화학반응은 화학방정식으로 설명되며, 화학방정식은 시작물질, 최종생성물, 때로는 중간생성물과 반응조건을 상징적으로 나타낸다.

화학반응은 주어진 온도와 화학농도에서 특징적인 반응속도로 일어난다.일반적으로 반응 속도는 온도가 상승할수록 증가하는데, 이는 원자 간의 결합을 끊는 데 필요한 활성화 에너지에 도달하기 위해 더 많은 열에너지가 있기 때문입니다.반응이 완료되거나 균형에 도달할 때까지 전진 또는 역방향으로 진행될 수 있습니다.평형에 접근하기 위해 전진 방향으로 진행되는 반응은 종종 자발적이고 일정한 온도와 압력에서 발생할 경우 자유 에너지를 감소시키는 것으로 설명된다.자발적이지 않은 반응은 앞으로 나아가기 위해 에너지 입력을 요구한다(예: 외부 전원에 의해 구동되는 배터리 충전 또는 보통 햇빛의 형태로 전자파 방사선의 흡수에 의해 구동되는 광합성을 포함한다).

반응은 산화환원발생하는 레독스 또는 산화환원이 발생하지 않는 비레독스로 분류할 수 있다.대부분의 단순한 산화환원반응은 결합반응, 분해반응 또는 단일치환반응으로 분류될 수 있다.

원하는 제품을 얻기 위해 화학합성 중에 다른 화학반응이 사용된다.생화학에서 연속된 일련의 화학 반응(한 반응의 산물이 다음 반응의 반응물)은 대사 경로를 형성한다.이러한 반응은 종종 단백질 효소에 의해 촉매된다.효소는 생화학 반응의 속도를 증가시켜, 일반적인 조건에서는 불가능한 대사 합성과 분해를 세포 내의 온도와 농도에서 일어날 수 있다.

화학 반응의 일반적인 개념은 양자장 이론에서 설명한 것처럼 원자보다 작은 물체들 간의 반응, 방사성 붕괴, 그리고 소립자 의 반응을 포함하여 확장되었다.

역사

Antoine Lavoisier는 산소와 화학 반응으로 연소 이론을 발전시켰다.

불에서의 연소, 발효, 금속으로의 광석 감소와 같은 화학 반응은 고대부터 알려져 있었다.물질의 변형에 대한 초기 이론은 어떤 물질도 불, 물, 공기, 그리고 흙의 네 가지 기본 요소로 구성된다고 말하는 엠페도클레스4원소 이론과 같은 그리스 철학자들에 의해 개발되었다.중세에는 연금술사들이 화학적 변화를 연구했다.그들은 특히 납을 으로 바꾸려고 시도했고, 이를 위해 납과 납-동 합금과 [2]유황의 반응을 이용했다.

화학 물질의 인위적인 생산은 이미 중세 연금술사들의 [3]중심 목표였다.예로는 자비르 이븐 [4]에이얀의 작품(850–950)에 기술된 유기 물질로부터 염화 암모늄을 합성하거나 [5]1300년부터 이후의 연금술사에 의한 황산질산 등의 광물산 생산을 들 수 있다.광산의 생산은 황산동, 명반, 소금같은 질산염 광물과 황산동 광물의 가열과 관련이 있었다.17세기에 요한 루돌프 글라우버황산과 염화나트륨을 반응시켜 염산과 황산나트륨생산했다.1746년 납 챔버 공정과 르블랑 공정의 개발로 황산과 탄산나트륨을 각각 대량으로 생산할 수 있게 되면서 화학반응이 산업계에 구현되었다.황산 기술의 추가적인 최적화로 1880년대에 [6]접촉 과정이 이루어졌고, Haber 공정은 암모니아 [7]합성을 위해 1909-1910년에 개발되었습니다.

16세기부터, 얀 침례교 판 헬몬트, 로버트 보일, 그리고 아이작 뉴턴을 포함한 연구원들은 실험적으로 관찰된 화학적 변환에 대한 이론을 세우려고 노력했다.프롤기스톤 이론은 1667년 요한 요아힘 베커에 의해 제안되었다.그것은 "플로기스톤"이라고 불리는 불 같은 원소의 존재를 가정했다. 이 원소는 가연성 물체 안에 포함되어 연소 에 방출되었다.이것은 1785년 Antoine Lavoisier에 의해 거짓으로 판명되었는데,[8] 그는 연소에 대한 정확한 설명을 공기 중의 산소와 반응하는 것을 발견했다.

조셉 루이스 게이-루삭은 1808년에 가스가 항상 서로 일정한 관계에서 반응한다는 것을 인식했다.아이디어와 존 달튼의 원자론에 기초하여, 조셉 프루스트는 일정한 비율의 법칙을 개발하였고, 이것은 후에 화학 계량학과 화학 [9]방정식의 개념을 낳았다.

유기화학에 관해서는 생물로부터 얻은 화합물은 합성하기에는 너무 복잡하다고 오랫동안 믿어왔다.활력주의의 개념에 따르면 유기물은 "활력"을 부여받고 무기 물질과 구별된다.그러나 이 분리는 1828년 프리드리히 뵐러에 의해 무기 전구체로부터 요소를 합성함으로써 끝이 났다.유기 화학에 주요한 공헌을 한 다른 화학자들로는 알렉산더 윌리엄슨에테르 합성으로 치환 반응의 메커니즘을 확립한 크리스토퍼 켈크 잉골드가 있다.

특성.

화학 반응의 일반적인 특성은 다음과 같습니다.

방정식

등식에서 알 수 있듯이CH4 + 2O2 → CO2 + 2 HO이며2, 질량 보존의 법칙에 따라 반응 중 각 원소의 양이 변하지 않도록 하기 위해 반응물 측 산소가스 앞과 제품 측 물 에 계수가 2가 있어야 한다.

화학 방정식은 화학 반응을 그래픽으로 설명하기 위해 사용된다.왼쪽의 반응물과 오른쪽의 제품의 화학식 또는 구조식으로 구성됩니다.반응 방향과 유형을 나타내는 화살표(→)로 구분되어 있으며, 화살표는 "반사"[10]라는 단어로 읽힙니다.화살표 끝은 반응이 진행되는 방향을 가리킵니다.평형 반응에는 반대 방향을 가리키는 쌍화살표())를 사용한다.화학량법에 따라 방정식은 균형을 이루어야 하며, 각 종의 원자 수는 방정식의 양쪽에서 동일해야 한다.이것은 관련된 분자의 수(아래의 개략적인 예에서는 A, B, C 및 D)를 적절한 정수 a, b, c [11]d로 스케일링함으로써 달성된다.

A + B → C + D

보다 정교한 반응은 시작 재료 및 제품 외에 중요한 중간체 또는 전이 상태를 나타내는 반응 체계로 나타납니다.또한 반응 화살표 위에 비교적 작은 첨가물을 표시할 수 있습니다. 이러한 첨가물의 예로는 물, 열, 조명, 촉매 등이 있습니다.마찬가지로 일부 부제품은 화살표 아래에 배치될 수 있으며, 종종 마이너스 기호가 붙어 있습니다.

유기반응의 예: 케톤과산화카르본산으로 에스테르로 산화시킨다.

역합성 분석을 적용하여 복잡한 합성 반응을 설계할 수 있습니다.여기서 분석은 예를 들어 선택된 화학 결합을 분할하여 신뢰할 수 있는 초기 시약에 도달하는 제품에서 시작한다.복고 [12]반응에는 특수 화살표())가 사용됩니다.

기본 반응

기초반응은 화학반응이 분해될 수 있는 최소분할로 중간생성물이 [13]없다.실험적으로 관찰된 대부분의 반응들은 병렬 또는 순차적으로 일어나는 많은 기본 반응들로부터 만들어진다.개별 기본 반응의 실제 순서는 반응 메커니즘으로 알려져 있습니다.소립자 반응은 몇 개의 분자, 보통 한두 개의 분자를 포함하는데, 그 이유는 여러 분자가 [14]특정 시간에 만날 확률이 낮기 때문이다.

빛(h)) 또는 열(δ)에 의해 유도되는 아조벤젠의 이성화

가장 중요한 기본 반응은 단분자 반응과 쌍분자 반응이다.단분자 반응에 관여하는 분자는 단분자이며 이성화 또는 해리에 의해 하나 이상의 다른 분자로 변환된다.이러한 반응에는 열이나 빛의 형태로 에너지를 추가해야 합니다.단분자 반응의 전형적인 예는 cis-trans 이성질화이며, 화합물의 cis 형태가 트랜스 형태로 변환되거나 그 반대이다.[15]

전형적인 해리 반응에서 분자 내의 결합은 분열(파손)되어 두 개의 분자 조각이 된다.분할은 균질화 또는 이종 분해될 수 있습니다.첫 번째 경우 결합은 각 제품이 전자를 유지하도록 분할되어 중성라디칼이 된다.두 번째 경우 화학결합의 양쪽 전자가 하나의 생성물과 함께 남아 하전 이온을 생성한다.해리는 수소-산소 반응이나 중합 반응같은 연쇄 반응을 일으키는 데 중요한 역할을 한다.

분자 AB의 단편 A와 B로의 해리

이분자 반응의 경우 두 분자가 서로 충돌하고 반응합니다.이들의 합병을 화학합성 또는 부가반응이라고 한다.

또 다른 가능성은 한 분자의 일부만 다른 분자로 옮겨진다는 것이다.이러한 유형의 반응은 를 들어 산화환원 반응과 산염기 반응에서 일어난다.산화환원 반응에서 전달된 입자는 전자이고, 산염기 반응에서는 양성자이다.이런 종류의 반응은 메타세시스라고도 불린다.

예를들면

화학적 평형

대부분의 화학 반응은 가역적이다. 즉, 그것들은 양방향으로 진행될 수 있다.순방향 반응과 역방향 반응은 서로 경쟁하며 반응 속도가 다릅니다.이러한 속도는 농도에 따라 달라지며, 따라서 반응 시간에 따라 변화한다: 역속도는 점차 증가하며 순방향 반응 속도와 같아지며 소위 화학적 평형을 확립한다.평형에 도달하는 시간은 온도, 압력 및 관련된 물질과 같은 매개변수에 따라 달라지며 최소 자유 에너지에 의해 결정됩니다.평형상태에서 깁스 자유에너지는 0이어야 한다.압력 의존성은 르 샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다.예를 들어, 부피 감소로 인한 압력 증가는 가스 [16]몰이 적은 쪽으로 반응을 이동시킵니다.

반응수율은 평형상태에서 안정되지만 반응혼합물에서 생성물을 제거함으로써 증가하거나 온도나 압력을 증가시켜 변화시킬 수 있다.반응물의 농도 변화는 평형 상수에 영향을 미치지 않지만 평형 위치에 영향을 미친다.

열역학

화학반응은 열역학 법칙에 의해 결정된다.반응들은 발기성이면, 즉 자유 에너지를 방출하면 저절로 진행될 수 있다.반응의 관련 자유 에너지 변화는 엔탈피[17]엔트로피의 두 가지 다른 열역학적 양의 변화로 구성됩니다.

G= - T S { \ = \ - T \ \ S} 。
G: 자유 에너지, H: 엔탈피, T: 온도, S: 엔트로피, δ: 차이(원래와 제품의 변화)

반응은 발열될 수 있으며, 여기서 δH는 음수이고 에너지는 방출된다.발열 반응의 전형적인 예로는 연소, 강수결정화가 있으며, 이 경우 질서 정연한 고형물은 기체 또는 액체상에서 형성된다.반면 흡열 반응에서는 환경으로부터 열이 소비됩니다.이것은 종종 엔트로피가 높은 가스 또는 용해 반응 생성물의 형성을 통해 시스템의 엔트로피를 증가시킴으로써 발생할 수 있습니다.자유 에너지 변화에서의 엔트로피 항은 온도에 따라 증가하므로 많은 흡열 반응이 고온에서 일어나는 것이 바람직하다.반대로 결정화 등의 발열 반응은 저온에서 발생하는 것이 바람직하다.온도 변화는 때때로 반응의 엔탈피 신호를 반전시킬 수 있습니다. 예를 들어 일산화탄소 감소는 이산화 몰리브덴의 경우입니다.

() + 2 ( ) 2 2() + (s { 2 CO ( g ) + 2 (}、 2 ( ) + ( s ) 、 、 style 。

이산화탄소몰리브덴형성하기 위한 이 반응은 낮은 온도에서 흡열되고 온도가 [18]상승할수록 감소합니다.1855K에서는 δH°가 0이 되어 그 온도 이상으로 발열한다.

온도 변화도 반응의 방향성을 반전시킬 수 있다.를 들어, 물 가스 이동 반응은

저온에서 선호되지만 그 반대는 고온에서 선호됩니다.반응 방향[18]변화는 1100K에서 일어난다.

반응들은 또한 엔트로피, 부피 및 화학적 잠재력의 변화를 고려하는 내부 에너지 변화로 특징지을 수 있습니다.후자는 무엇보다도 관련 [19]물질의 활동에 의존한다.

U: 내부 에너지, S: 엔트로피, p: 압력, μ: 화학 퍼텐셜, n: 분자수, d: 작은 변화 부호

동력학

반응이 일어나는 속도는 반응 속도론에 의해 연구된다.환율은 다음과 같은 다양한 파라미터에 따라 달라집니다.

  • 단위시간당 충돌이 증가하여 상승할 경우 반응이 더 빠른 속도로 발생하는 반응물질 농도.그러나 일부 반응은 제한된 수의 촉매 부위로 인해 반응물 농도와 무관한 속도를 가집니다.이것들은 제로 오더 반응이라고 불립니다.
  • 반응물, 특히 이종 시스템의 고체 반응물 간 접촉에 사용할 수 있는 표면적.표면적이 클수록 반응률이 높아집니다.
  • 압력 – 압력이 증가하면 분자 간의 부피가 감소하므로 분자 간의 충돌 빈도가 높아집니다.
  • 활성화 에너지 - 반응을 자발적으로 시작하고 진행하는 데 필요한 에너지의 양으로 정의됩니다.활성화 에너지가 높으면 활성화 에너지가 낮은 반응보다 반응물이 시작하는데 더 많은 에너지가 필요하다는 것을 의미합니다.
  • 온도가 올라가면 반응이 빨라지는 것은 온도가 높아지면 분자의 에너지가 증가하기 때문에 단위시간당 더 많은 충돌이 발생하기 때문이다.
  • 촉매의 유무촉매는 반응물 또는 중간체와의 약한 결합을 만들고 반응 경로(기계)를 변화시키는 물질로, 반응 발생에 필요한 활성화 에너지를 감소시킴으로써 반응 속도를 증가시킨다.촉매는 반응 중에 파괴되거나 변화하지 않기 때문에 다시 사용할 수 있습니다.
  • 일부 반응의 경우, 전자파 복사, 특히 자외선의 존재는 반응을 시작하기 위한 결합의 분해를 촉진하기 위해 필요하다.이것은 특히 래디칼과 관련된 반응에 해당된다.

몇 가지 이론은 분자 수준에서 반응 속도를 계산할 수 있도록 한다.이 필드를 반응 역학이라고 합니다.물질 A의 분해일 수 있는 1차 반응의 속도 v는 다음과 같이 구한다.

통합 결과:

여기서 k는 1차 레이트 상수로 치수 1/시간을 가지며, [A](t)는 시간 t에서의 농도, [A]0는 초기 농도이다.1차 반응 속도는 관련 물질의 농도와 특성에 따라 달라지며 반응 자체는 특징적인 반감기로 기술될 수 있다.고차 반응을 설명할 때는 두 개 이상의 시간 상수가 필요합니다.속도 상수의 온도 의존성은 보통 Arrhenius 방정식을 따릅니다.

여기a E는 활성화 에너지이고B k는 볼츠만 상수이다.반응 속도의 가장 간단한 모델 중 하나는 충돌 이론이다.보다 현실적인 모델은 특정 문제에 맞게 조정되며 전이 상태 이론, 잠재적 에너지 표면의 계산, 마커스 이론 라이스-람스퍼거-카셀-마르쿠스([20]RRKM) 이론을 포함한다.

반응 유형

4가지 기본 유형

합성, 분해, 단일 치환, 이중 치환의 4가지 기본 화학 반응 유형을 나타냅니다.

합성

합성 반응에서는, 2개 이상의 단순한 물질이 결합해 보다 복잡한 물질을 형성한다.이러한 반응은 일반적인 형태로 나타납니다.

하나의 생성물을 생성하는 두 개 이상의 반응물은 합성 반응을 식별하는 또 다른 방법이다.합성 반응의 한 예는 과 유황의 결합 철로 만드는 것이다.II) 황화물:

또 다른 예는 [21]물과 같은 더 복잡한 물질을 생산하기 위해 단순한 수소 가스와 단순한 산소가스를 결합한 것이다.

분해

분해 반응은 더 복잡한 물질이 더 단순한 부분으로 분해되는 것입니다.따라서 그것은 합성 반응의 반대이며, 다음과 같이 쓸[21][22] 수 있다.

분해 반응의 한 예는 물을 전기 분해하여 산소와 수소가스를 만드는 것입니다.

단일 치환

단일 변위 반응에서 결합되지 않은 단일 원소가 화합물 내의 다른 원소를 대체한다. 즉, 한 원소가 화합물[21] 내의 다른 원소와 자리를 교환한다. 이러한 반응은 일반적인 형태로 다음과 같이 나타난다.

단일 치환 반응의 한 예는 마그네슘이 수산화 마그네슘과 수소 가스를 만들기 위해 물 속의 수소를 대체하는 입니다.

이중 변위

이중 치환 반응에서 두 화합물의 음이온과 양이온이 위치를 바꿔 완전히 다른 두 [21]화합물을 형성합니다.이러한 반응은 일반적인 [22]형태로 나타납니다.

예를 들어 염화바륨(BaCl2)과 황산마그네슘(MgSO4)이 반응할 때 SO 음이온이42− 2Cl 음이온과 전환되어 BaaS와4 MgCl2 화합물이 생성됩니다.

이중 변위 반응의 또 다른 예는의 반응이다.II) 납을 형성하기 위해 요오드화칼륨포함한 질산염(II) 요오드화물질산칼륨:

연소

연소 반응에서 원소나 화합물은 산화제(일반적으로 산소)와 반응하며, 종종 열이나 빛의 형태로 에너지를 생성합니다.연소 반응은 종종 탄화수소를 수반한다.예를 들어 산소 중 옥탄 1몰(114g)의 연소

릴리즈 5500kJ연소 반응은 탄소, 마그네슘 또는 [23]황이 산소와 반응하는 경우에도 발생할 수 있습니다.

산화 환원

산화 환원 반응의 그림
염화나트륨은 금속나트륨과 염소 가스의 산화환원반응을 통해 형성된다.

산화환원반응은 관련된 한 종(환원제)에서 다른 종(산화제)으로의 전자의 이동으로 이해할 수 있다.이 과정에서 전자는 산화되어 후자는 환원된다.많은 목적을 위해 충분하지만, 이러한 설명은 정확하지 않다.산화는 원자의 산화 상태의 증가, 환원성은 산화 상태의 감소로 정의된다.실제로, 전자의 전달은 항상 산화 상태를 변화시키지만, 전자 전달이 일어나지 않더라도 "redox"[24][25]로 분류되는 많은 반응들이 있다.

다음 산화환원 반응에서 위험한 나트륨 금속은 독성 염소 가스와 반응하여 이온 화합물 염화나트륨 또는 일반적인 식탁 소금을 형성합니다.

이 반응에서 나트륨 금속은 0(순수 원소이므로)의 산화 상태에서 +1: 즉, 나트륨은 하나의 전자를 잃고 산화되었다고 한다.한편 염소 가스는 0의 산화(순수 원소이기도 함)에서 -1로 변화한다: 염소는 1개의 전자를 얻고 환원되었다고 한다.염소는 환원된 것이므로 전자수용체, 즉 나트륨의 산화를 유도하는 것으로 간주되며, 따라서 염소 가스는 산화제로 간주됩니다.반대로 나트륨은 산화되거나 전자공여체이므로 다른 종의 감소를 유도하고 환원제로 간주된다.

관련된 반응물 중 어떤 것이 환원제인지 산화제인지 원소의 전기 음성도를 통해 예측할 수 있다.대부분의 금속과 같이 전기음성도가 낮은 원소는 쉽게 전자를 공급하고 산화됩니다. 즉, 환원제입니다.반면 HO, MnO
4
, CrO
3
, CrO
2
2−
7
, OsO
4

2

2
비산소 원자의 산화수가 높은 산화물이나 이온은 1~2개의 추가 전자를 얻을 수 있어 강력한 산화제이다.

일부 주요 그룹 원소의 경우 반응물 원소의 전자배치로부터 레독스 반응으로 제공되거나 받아들여지는 전자의 수를 예측할 수 있다.원소는 저에너지 귀가스 구성에 도달하기 위해 노력하고, 따라서 알칼리 금속과 할로겐은 각각 하나의 전자를 기증하고 받아들입니다.희가스 자체는 화학적으로 [26]활성화되지 않는다.

산화 및 환원 반반응에 계수를 곱하여 산화에서 손실된 전자의 수가 환원에서 얻은 전자의 수와 같도록 하여 전체적인 산화 환원 반반응을 균형 있게 할 수 있다.

산화환원반응의 중요한 종류는 부극 전원으로부터의 전자를 환원제로 사용하고, 산화제로서 정극에서의 전자인출을 이용하는 전해전기화학반응이다.이러한 반응은 염소 또는 알루미늄과 같은[27] 화학 원소의 생산에 특히 중요합니다.산화환원 반응으로 전자가 방출되고 화학 에너지가 전기에너지로 변환되는 역프로세스가 가능하며 배터리에 사용됩니다.

복잡화

페로센 – 두 55 클라이건드 사이에 끼인 철 원자

착화 반응에서 여러 리간드가 금속 원자와 반응하여 배위 복합체를 형성한다.이것은 배위자의 단일 을 금속 원자의 빈 궤도제공하고 쌍극자 결합을 형성함으로써 달성된다.리간드는 루이스 염기이며 일산화탄소, 암모니아 또는 물과 같은 이온과 중성 분자일 수 있습니다.중심 금속 원자와 반응하는 리간드의 수는 전이 금속의 원자가 껍질이 18개의 전자를 집합적으로 수용하는 반면, 결정장 이론과 리간드이론으로 복합체의 대칭을 예측할 수 있다는 18개의 전자 법칙을 사용하여 구할 수 있다.복합반응에는 하나 이상의 리간드가 다른 리간드로 치환되는 리간드 교환과 중심금속 원자의 [28]산화상태를 변화시키는 산화환원법도 포함된다.

산염기 반응

브뢴스테드-저산염기 이론, 산염기 반응은 한 종()에서 다른 종(염기)으로 양성자(H+)의 전달을 수반한다.양성자가 산에서 제거되면, 그 결과 생기는 종은 산의 결합염기라고 불립니다.양성자가 염기에 의해 받아들여질 때, 그 결과 생기는 종은 염기의 [29]결합산이라고 불립니다.즉, 산은 양성자 공여체 역할을 하고 염기는 양성자 수용체 역할을 한다.

역반응이 가능하므로 산/염기 및 복합염기/산은 항상 평형상태이다.평형은 관련 물질의 산 염기 해리 상수(Ka b K)에 의해 결정된다.산-염기 반응의 특별한 경우는 산과 염기가 정확히 동일한 양으로 섭취되어 중성염이 되는 중화이다.

산-염기 반응은 사용된 산-염기 개념에 따라 다른 정의를 가질 수 있다.가장 일반적인 예는 다음과 같습니다.

  • Arrhenius 정의:산은 HO 이온을 방출하는3+ 물에서 분해되고 염기는 OH 이온을 방출하는 물에서 분해됩니다.
  • 브뢴스테드-Lowry 정의:산은 양성자(H+) 공여체이고 염기는 양성자 수용체이다. 이것은 아레니우스 정의를 포함한다.
  • Lewis 정의:산은 전자-쌍 수용체이고 염기는 전자-쌍 공여체이다. 여기에는 Brönsted-Lowry 정의가 포함된다.

강수량

강수량

침전이란 화학반응 중에 용액이나 다른 고체 내부에 고체가 형성되는 것을 말한다.용해된 이온의 농도가 용해도 한계를[30] 넘어 불용성 소금을 형성할 때 주로 발생한다.이 과정은 침전제를 첨가하거나 용제를 제거함으로써 도움이 될 수 있습니다.빠른 강수량은 비정질 또는 미결정 잔류물을 발생시키고 느린 과정은 단일 결정을 발생시킬 수 있습니다.후자는 또한 [31]미결정염에서 재결정하여 얻을 수 있다.

고체 반응

두 고체 사이에서 반응이 일어날 수 있습니다.그러나 고형물은 상대적으로 확산 속도가 작기 때문에 액상과 기체상 반응에 비해 화학반응이 매우 느리다.반응온도를 높이고 반응물질을 미세분할하여 접촉면적을 [32]증가시킴으로써 가속한다.

고체/가스 계면에서의 반응

초고진공과 같은 매우 낮은 압력에서 고체 가스 계면에서 반응이 발생할 수 있습니다.주사 터널링 현미경을 통해 반응의 시간 척도가 정확한 [33][34]범위 내에 있으면 실제 공간의 고체 가스 계면에서의 반응을 관찰할 수 있다.고체 가스 계면에서의 반응은 경우에 따라 촉매 작용과 관련이 있다.

광화학 반응

파테노에서는- 들뜸 올레핀에 광 들뜸 카르보닐기 Büchi 반응을 첨가하여 옥세탄을 생성한다.

광화학반응에서 원자와 분자는 조명광의 에너지(광자)를 흡수해 들뜬 상태로 변환한다.그런 다음 화학적 결합을 끊음으로써 이 에너지를 방출할 수 있고, 그로 인해 라디칼이 생성된다.광화학 반응에는 수소-산소 반응, 라디칼 중합, 연쇄 반응 및 재배열 [35]반응이 포함된다.

많은 중요한 과정들이 광화학과 관련되어 있다.대표적인 예가 광합성인데, 대부분의 식물은 이산화탄소와 물을 포도당으로 바꾸기 위해 태양 에너지를 사용하고, 산소를 부생물로 처분한다.인간은 비타민 D의 형성을 위해 광화학에 의존하며 시력은 [15]로돕신의 광화학 반응에 의해 시작된다.반딧불이의 복부에 있는 효소는 생체발광[36]일으키는 반응을 촉매한다.오존 형성과 같은 많은 중요한 광화학 반응이 지구 대기에서 일어나 대기 화학을 구성합니다.

촉매 작용

흡열 화학 반응에서 촉매의 효과를 보여주는 개략적인 퍼텐셜 에너지 다이어그램.촉매가 있으면 활성화 에너지가 낮은 다른 반응 경로(빨간색)가 열립니다.최종 결과와 전체적인 열역학은 동일합니다.
고체 이종 촉매는 표면적을 최대화하기 위해 세라믹 촉매변환기의 메시에 도금됩니다.이 배기 컨버터는 푸조 106 S2 1100에서 가져온 것입니다.

촉매 작용에서 반응은 직접적으로 진행되지 않고 촉매로 알려진 세 번째 물질과의 반응을 통해 진행된다.촉매는 반응에 관여하여 반응물 또는 중간체와 약한 결합을 형성하지만 반응 종료 시 원래 상태로 돌아가므로 소비되지 않는다.그러나 2차 프로세스에 의해 억제, 비활성화 또는 파괴될 수 있습니다.촉매는 반응물과 다른 상(이질적) 또는 동일한 상(동질적)에서 사용할 수 있습니다.이종 촉매 작용에서 일반적인 2차 공정에는 촉매가 고분자 측 생성물에 의해 덮이는 코킹이 포함된다.또한 이종 촉매는 고체-액체 시스템에서 용액에 용해되거나 고체-가스 시스템에서 증발될 수 있습니다.촉매는 반응 속도만 높일 수 있습니다. 즉, 반응을 느리게 하는 화학 물질을 [37][38]억제제라고 합니다.촉매의 활성을 증가시키는 물질을 촉진제라고 하며, 촉매를 비활성화하는 물질을 촉매 독이라고 합니다.촉매에 의해 높은 활성화 에너지에 의해 동태적으로 억제되는 반응이 이 활성화 에너지를 우회하여 일어날 수 있다.

이종 촉매는 일반적으로 표면적을 최대화하기 위해 분말 형태의 고체 촉매입니다.이종 촉매 작용에서 특히 중요한 것은 수소화, 촉매 개질 및 질산 암모니아와 같은 일반 화학 물질의 합성에 사용되는 백금족 금속 및 기타 전이 금속입니다.산은 균질 촉매의 한 예이며, 카르보닐의 친핵성을 증가시켜 그렇지 않으면 전자 친필로는 진행되지 않는 반응을 가능하게 합니다.균질 촉매의 장점은 반응물과 혼합하기 쉽다는 것이지만 제품에서 분리하기 어려울 수도 있습니다.따라서 많은 산업 [39]공정에서 이종 촉매가 선호됩니다.

유기화학에서의 반응

유기화학에서는 산화, 환원 또는 산염기 반응 외에도 탄소 원자 또는 탄소와 헤테로아톰(산소, 질소, 할로겐 등) 사이의 공유 결합을 포함하는 많은 다른 반응이 일어날 수 있다.유기화학의 많은 특이적 반응은 발견자의 이름을 딴 반응이다.

대체

치환반응에서는 특정 화합물 중의 관능기를 다른 [40]기로 치환한다.이러한 반응은 친핵성, 친전자성 또는 라디칼 치환으로 치환되는 종의 유형에 따라 구별될 수 있다.

S1N 메커니즘
S2N 메커니즘

첫 번째 유형에서, 친핵성 물질, 즉 전자가 초과되어 음전하 또는 부분 전하가 있는 원자 또는 분자가 다른 원자 또는 "기질" 분자의 일부를 대체한다.친핵성 전자 쌍은 새로운 결합을 형성하며 기질을 공격하는 반면, 이탈 그룹은 전자 쌍과 함께 출발합니다.친핵체는 전기적으로 중성 또는 음전하를 띠지만 기질은 일반적으로 중성 또는 양전하를 띠게 됩니다.친핵성으로는 수산화이온, 알콕시드, 아민, 할로겐화물 등이 있다.이러한 유형의 반응은 주로 지방족 탄화수소에서 발견되며 방향족 탄화수소에서는 거의 발견되지 않습니다.후자는 높은 전자 밀도를 가지며 매우 강한 전자 인출기로만 친핵성 방향족 치환에 들어간다.친핵 치환은 S1N S2라는N 두 가지 다른 메커니즘에 의해 발생할 수 있다.이들의 이름에서 S는 치환을, N은 친핵성을, 숫자는 반응의 운동 순서를 나타낸다.[41]

S2N 반응의 세 단계.친핵은 녹색이고 이탈 그룹은 빨간색입니다.
S2N 반응이 스테레오 반전(월든 반전)을 일으킨다.

S1N 반응은 두 단계로 진행된다.우선 이탈기를 제거하여 카르보케이션을 생성한다.이것은 [42]친핵체와의 빠른 반응이 뒤따른다.

S2N 기구에서 친핵체는 공격받은 분자와 전이 상태를 형성하고, 그 후에만 이탈기를 절단한다.이 두 가지 메커니즘은 제품의 입체 화학에서 다르다.S1은N 비스테레오특이적 첨가로 이어져 키랄 중심을 낳지 않고 기하학적 이성질체(cis/trans) 세트를 낳는다.반면 S2N 메커니즘에서는 [43]기존 입체화학의 반전(월든 반전)이 관찰된다.

친전자 치환은 공격하는 원자 또는 분자인 전자친이 낮은 전자밀도를 가지며 따라서 양의 전하를 갖는다는 점에서 친핵 치환의 대응물이다.전형적인 친전자성분은 카보닐기, 카보닐기 또는 황이나 니트로늄 양이온의 탄소 원자입니다.이러한 반응은 방향족 탄화수소에서 거의 전적으로 일어나며, 친전자 방향족 치환이라고 합니다.친전자성 공격은 이른바 γ-complex라는 아로마 시스템이 폐지되는 전이 상태를 초래한다.그리고 나서, 보통 양성자였던 이탈 그룹은 분리되고 방향성은 회복된다.방향족 치환의 대안은 친전자성 지방족 치환이다.그것은 친핵성 지방족 치환과 유사하며 또한 S1과E S2의E[44] 두 가지 주요 유형을 가지고 있다.

친전자성 방향족 치환 메커니즘

세 번째 유형의 치환 반응인 라디칼 치환에서 공격 입자는 라디칼이다.[40]이 과정은 보통 연쇄 반응의 형태를 취합니다. 예를 들어 알칸과 할로겐의 반응입니다.첫 번째 단계에서는 빛 또는 열이 라디칼을 생성하는 할로겐 함유 분자를 분해한다.그 후 두 개의 래디칼이 만나 [45]재결합할 때까지 반응은 눈사태로 진행됩니다.

래디칼 치환 연쇄 반응 중 반응

추가 및 삭제

첨가물과 그 상대물인 제거물은 탄소 원자의 치환기 수를 변화시키고 여러 의 결합을 형성하거나 분해하는 반응이다.적절한 이탈기를 제거함으로써 이중 및 삼중 결합을 생성할 수 있다.친핵 치환과 유사하게, 각각의 반응 순서를 따서 명명된 몇 가지 가능한 반응 메커니즘이 있다.E1 기구에서는 먼저 이탈기를 배출하여 카르보케이션을 형성한다.다음 단계인 이중 결합의 형성은 양성자(탈양성자)의 제거와 함께 이루어집니다.E1cb 메커니즘에서는 탈퇴 순서가 반대로 되어 있습니다.즉, 양성자가 먼저 분리됩니다.이 메커니즘에는 [46]베이스의 참여가 필요합니다.같은 조건이기 때문에 E1 또는 E1cb 제거의 두 반응은 항상 S1N [47]치환과 경합합니다.

E1 삭제
E1cb 제거
E2 삭제

E2 메커니즘도 염기를 필요로 하지만, 염기의 공격과 이탈 그룹의 제거가 동시에 진행되어 이온 중간체를 생성하지 않는다.E1 제거와는 달리, E2 기구의 반응 생성물에 대하여 염기의 공격이 이탈기에 대하여 우선적으로 반위치로 발생하기 때문에 다른 입체 화학적 구성이 가능하다.유사한 조건과 시약 때문에 E2 제거는 항상 S2N 치환과 [48]경쟁합니다.

브롬화수소의 친전자성 첨가

제거의 상대는 이중 또는 삼중 채권을 단일 채권으로 전환하는 추가이다.치환 반응과 마찬가지로 공격 입자의 종류에 따라 구별되는 몇 가지 유형의 첨가물이 있다.예를 들어 브롬화수소의 친전자성 첨가에서 친전자성(프로톤)이 카보케이션을 형성하는 이중결합을 공격하고 친전자성(브로민)과 반응한다.카르보케이션은 단부에 부착된 그룹에 따라 이중 결합의 양쪽에 형성될 수 있으며, 마르코프니코프 [49]법칙으로 바람직한 구성을 예측할 수 있다.이 법칙은 "극성 분자가 알켄이나 알킨에 이질적으로 첨가되면 극성 분자의 전기음성(핵성) 원자(또는 일부)가 적은 수의 [50]수소 원자를 가진 탄소 원자에 더 많이 부착된다"고 명시한다.

이중결합의 덜 치환된 탄소원자에서 관능기의 첨가가 일어나면 산에 의한 친전자 치환이 불가능하다.이 경우 첫 번째 단계에서 붕소 원자가 친전자 역할을 하고 덜 치환된 탄소 원자에 첨가되는 수소화 산화 반응을 사용해야 한다.두 번째 단계에서는 친핵성 하이드로페옥사이드 또는 할로겐 음이온이 붕소 [51]원자를 공격한다.

전자가 풍부한 알켄 및 알킨에 대한 첨가는 주로 전자친성이지만, 친핵 첨가는 탄소-헤테로 원자 다중 결합, 특히 가장 중요한 대표인 카르보닐기에 중요한 역할을 한다.이 과정은 종종 제거와 관련이 있기 때문에 반응 후 카르보닐기가 다시 존재합니다.따라서 이것은 부가-제거 반응이라고 불리며 염소화물, 에스테르 또는 무수물과 같은 카르본산 유도체에서 발생할 수 있다.이러한 반응은 종종 산이나 염기에 의해 촉매되는데, 여기서 산들은 산소 원자에 결합함으로써 카르보닐기의 전자 친화성에 의해 증가하는 반면, 염기는 공격하는 [52]친핵성의 친핵성을 강화한다.

산촉매첨가제거기구

알파, 베타 불포화 카르보닐 화합물의 이중 결합에 대한 카르보니온 또는 다른 친핵성 첨가는 더 큰 종류의 켤레 첨가에 속하는 마이클 반응을 통해 진행될 수 있다.이것은 C-C [53][54][55]결합의 가벼운 형성에 가장 유용한 방법 중 하나이다.

친핵체 및 전자 친핵체로는 실행할 수 없는 일부 첨가물은 유리기로 성공할 수 있다.프리라디칼 치환과 마찬가지로 라디칼 첨가는 연쇄반응으로 진행되며, 이러한 반응이 프리라디칼 [56]중합체의 기초가 된다.

기타 유기 반응 메커니즘

3-메틸-1,5-헥사디엔의 코프 전위
Diels-Alder 반응 메커니즘
Diels-Alder 반응에서의 궤도 중첩

재배치 반응에서 분자의 탄소 골격을 재배치하여 원래 분자의 구조 이성질을 얻는다.여기에는 수소, 알킬 또는 아릴기하나의 탄소에서 이웃하는 탄소로 이동하는 와그너-메어바인 재배열같은 수소화물 이동 반응이 포함됩니다.대부분의 재배치는 새로운 탄소-탄소 결합의 파괴와 형성과 관련이 있다.다른 예로는 코프 재배열과 같은 [57]시그매트로피 반응이 있습니다.

순환적 전위에는 시클로디션과 보다 일반적으로 둘 이상의 이중결합을 포함한 분자가 고리형 분자를 형성하는 순환적 반응이 포함된다.시클로덱스 반응의 중요한 예로는 치환된 시클로헥센 [58]시스템을 형성하기 위한 켤레디엔과 치환된 알켄 사이의 디엘-알더 반응(일명 [4+2] 시클로덱스 반응)이 있다.

특정 사이클로드디션이 진행될지 여부는 참여 종의 전자 궤도에 달려있다. 왜냐하면 오직 동일한 파동 함수의 징후를 가진 궤도만이 새로운 결합을 형성하기 위해 상호 작용적으로 중첩될 것이기 때문이다.사이클로디션은 보통 빛이나 열의 도움을 받습니다.이러한 섭동은 관련된 분자의 들뜬 상태에서 전자의 배열이 달라서 다른 효과를 가져온다.예를 들어 [4+2] Diels-Alder 반응은 열에 의해 보조될 수 있지만 [2+2] 사이클로드디션은 [59]빛에 의해 선택적으로 유도된다.궤도 특성 때문에, 우드워드-호프만 [60]규칙에 의해 기술된 바와 같이, 사이클로드 디지션 시 입체 이성체 생성물을 개발할 가능성은 제한된다.

생화학 반응

효소 활성의 유도 적합 모델 그림

생화학반응은 주로 효소에 의해 제어된다.단백질들은 특정한 단일 반응을 촉매할 수 있기 때문에 반응을 매우 정밀하게 제어할 수 있다.반응은 활성 부위인 효소의 작은 부분인 아미노산 잔류물이 늘어선 틈이나 주머니에서 발견되며, 나머지 효소는 주로 안정화를 위해 사용된다.효소의 촉매 작용은 분자 모양("유도 적합"), 효소에 대한 결합 변형, 근접성 및 방향, 양성자 기증 또는 이탈(산/염기 촉매), 정전 상호작용 [61]등을 포함한 여러 메커니즘에 의존합니다.

살아있는 유기체에서 일어나는 생화학적 반응은 총체적으로 신진대사로 알려져 있다.그것의 메커니즘 중 가장 중요한 것은 다른 DNA와 효소로 제어되는 과정이 더 작은 [62]단위에서 단백질과 탄수화물과 같은 큰 분자를 생산하게 되는 동화작용이다.생물 에너지학은 그러한 반응에 대한 에너지원을 연구한다.중요한 에너지원은 포도당과 산소로, 각각 식물에 의해 광합성을 통해 생산되거나 음식과 공기에서 흡수될 수 있다.모든 유기체는 이 에너지를 아데노신 삼인산(ATP)을 생산하기 위해 사용하며, 이는 다른 반응을 활성화하는 데 사용될 수 있다.

적용들

철도 용접에서의 테르마이트 반응 과정.그 직후, 액체 철은 레일 틈새 주변의 몰드로 흐릅니다.

화학 반응은 석유, 광물 광석, 공기 중의 산소와 같은 천연 원료로부터 새로운 화합물을 합성하는 데 사용되는 화학 공학의 중심입니다.가능한 한 효율적으로 반응하여 수율을 극대화하고 시약, 에너지 입력 및 폐기물의 양을 최소화하는 것이 중요합니다.촉매는 반응에 필요한 에너지를 줄이고 반응 속도를 [63][64]높이는 데 특히 유용합니다.

일부 특정 반응에는 틈새 응용 프로그램이 있습니다.예를 들어, 테르마이트 반응은 폭약 기술 및 용접에서 빛과 열을 발생시키는 데 사용됩니다.기존의 옥시 연료 용접, 아크 용접 및 플래시 용접에 비해 제어성이 떨어지지만, 훨씬 적은 장비를 필요로 하며,[65] 여전히 특히 원격 지역에서 레일을 수리하는 데 사용됩니다.

감시

화학 반응을 모니터링하는 메커니즘은 반응 속도에 크게 좌우됩니다.개별 성분의 농도와 동일성에 대해 비교적 느린 공정을 현장에서 분석할 수 있습니다.실시간 분석의 중요한 도구는 pH 측정과 광학 흡수(색상) 및 발광 스펙트럼 분석이다.접근성은 떨어지지만 다소 효율적인 방법은 방사성 동위원소를 반응에 도입하여 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하고 어디로 이동하는지 모니터링하는 것이다. 이 방법은 인체 내 물질의 재분배를 분석하는 데 자주 사용된다.일반적으로 고속 레이저 분광법을 통해 보다 빠른 반응이 연구됩니다. 여기펨토초 레이저를 사용하면 몇 [66]펨토초로 축소된 시간에 단수명 전이 상태를 모니터링할 수 있습니다.

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