Химические реакции разрушают существующие молекулярные химические связи, и в результате образуются новые связи. Типичные химические реакции включают сгорание, восстановление и осаждение. Во время этих химических реакций исходные молекулы распадаются и образуют новые связи с образованием разных материалов. Иногда для начала химической реакции достаточно соединить два вещества, но часто требуется внешний стимул, такой как нагревание веществ. Каждая химическая реакция представляет собой сложное взаимодействие молекулярного притяжения, энергетических уровней и внешних воздействий.

Химические связи и энергетические уровни

Основой всех химических реакций является разрыв связей, или разложение, и создание связей, или синтез. Разложение требует энергии, потому что химические связи изначально стабильны, а энергия необходима для их разрыва. Молекулы в связи имеют более низкий уровень энергии, чем свободные молекулы; добавление энергии позволяет им вырваться на свободу.

Синтез высвобождает энергию, потому что молекулы связываются, чтобы сформировать устойчивую конфигурацию и поэтому отдают энергию. Связанные молекулы имеют более низкий уровень энергии, чем свободные молекулы, и удерживаются в новой связи.

Общая химическая реакция, которая разрушает связи и образует новые, может быть эндотермической (поглощающей тепло) или экзотермической (выделяющей тепло), в зависимости от того, сколько энергии поглощается и производится реакциями разложения и синтеза. Некоторые реакции выделяют тепло в целом, в то время как другие либо поглощают тепло из окружающей среды, либо требуют добавления внешнего тепла для завершения реакции. При нормальных условиях в стабильном окружении, химическая реакция нуждается в внешнем раздражителе, чтобы начаться.

Эндотермические реакции

Поскольку для разрыва химических связей и запуска химических реакций требуется энергия, мало эндотермических реакций происходит само по себе. Процесс обычно требует затрат энергии для запуска реакции и ее поддержания. Даже реакции, которые в целом являются экзотермическими, могут потребовать энергии в начале, чтобы разорвать некоторые из связей.

Реакции разложения являются простыми эндотермическими реакциями и требуют ввода энергии. Например, нагревание оксида ртути производит ртуть и кислород. Эндотермические реакции, которые являются более сложными, могут иметь место, если они могут использовать тепло из окружающей среды. Например, твердый гидроксид бария и хлорид аммония реагируют в эндотермической реакции при комнатной температуре с образованием хлорида бария и аммиака при значительно более низкой температуре. Реакция отводит тепло от самих материалов, их контейнера и окружающего воздуха.

Экзотермические реакции

Реакции, которые производят избыток тепла в целом, более распространены, потому что они, как правило, являются самоподдерживающимися. Реакции синтеза производят тепло, поэтому им не нужен внешний источник тепла для продолжения. Например, добавление небольшого количества натрия в воду приводит к образованию гидроксида натрия и водорода во взрывной экзотермической реакции. Реакция начинается самопроизвольно и продолжается до тех пор, пока один из реагентов не будет израсходован. Обычно он производит столько тепла, что водород сгорает вместе с кислородом воздуха, образуя воду.

Сложные реакции, которые основаны как на разрыве, так и на образовании химических связей, часто нуждаются во внешнем подводе энергии, чтобы начать, но затем становятся самоподдерживающимися. Например, сжигание углеводородов требует источника тепла, чтобы разорвать первые несколько связей. Как правило, материалы, содержащие углеводороды, такие как древесина или мазут, нуждаются в спичке или искре для разложения некоторых связей. Как только начинается образование новых связей с выделением тепла, реакция продолжается, образуя углекислый газ и водяной пар.

Многие обычные промышленные и коммерческие процессы основаны на химических реакциях, особенно экзотермических самоподдерживающихся. Насколько они полезны и какую работу они выполняют, зависит от того, какие материалы реагируют, а какие разрушают и реформируют химические связи.