Химические взаимодействия

Обновлено: 16.06.2024

Все химические реакции во время обжарки влияют на вкус, аромат, тело готового напитка. Ход реакций определяет время и температура. Увеличение или уменьшение этих показателей могут сместить ход реакции и кардинально изменить профиль обжарки. Поэтому обжарщики должны понимать процесс обжарки, в том числе, на химическом уровне.

Рассказываем, какие химические реакции влияют на вкус чашки кофе.

Реакция Майяра изменяет цвет и аромат кофе

Реакция Майяра — серия химических реакций, в результате которых кофе приобретает коричневый цвет и характерный аромат. Такая же реакция происходит, когда выпекают хлеб или жарят стейк на гриле. Реакция названа в честь французского доктора Луи Камиля Майяра, который впервые описал ее в 1910 году.

Процесс начинается при температуре около +130°C. Высокая температура вызывает реакцию между углеводами и белками в зерне. Когда они реагируют, азот в аминокислоте связывается с углеродной цепью сахара и выделяет молекулу воды. Это вызывает изменения цвета, вкуса и содержания питательных веществ.

Изменения цвета зерен происходит из-за образования меланоидинов — крупных молекул, которые придают кофе коричневый цвет и могут иметь жареный и хлебный аромат и горький вкус. Также меланоидины играют важную роль в формировании крема при приготовлении эспрессо.



Меланоидины влияют на образование крема в эспрессо

Продолжительность реакции Майяра напрямую влияет на конечный профиль кофе. Чем дольше протекает реакция Майяра, тем больше образуется меланоидинов, кислоты разрушаются, и кофе становится более плотным.

Деградация Штрекера помогает кофе стать более фруктовым

Реакция названа в честь Адольфа Штрекера, немецкого химика.

Химический процесс, в котором аминокислоты взаимодействуют с молекулами карбонильной группы — соединениями, созданными реакцией Майяра. В итоге образуются альдегиды и кетоны — ароматические соединения, за счет которых кофе приобретает фруктовый вкус.

Очень часто среди обжарщиков при обсуждении профилей обжарки принято объединять реакцию Майяра и деградацию Штрекера в один процесс, так как они тесно связаны между собой. Подробнее о том, как можно управлять дескрипторами и вкусом кофе с помощью изменения продолжительности разных реакций мы написали в этой статье.



Продукт реакции Штекера — альдегиды — придают кофе фруктовый вкус

Карамелизация увеличивает сладость кофе

При температуре выше +170°C сложные углеводы начинают распадаться на более мелкие молекулы сахара, которые могут растворяться в воде. В результате этой стадии обжарки уровень сладости кофе увеличивается, во вкусе появляются карамельные и ореховые ароматы. Карамелизация продолжается до конца обжарки.



Кофе приобретает сладость за счет процесса карамелизации, протекающего при обжарке

Почему это важно знать

Обжарщик должен понимать, как образуются и изменяются химические соединения в процессе обжарки. А также то, что разные реакции протекают на разных температурах и стадиях. Регулируя температуру и скорость стадий обжарки, он сможет корректировать вкус кофе.

Химические реакции

Часто мы даже не подозреваем, что на наших глазах идет химическая реакция, а нередко и сами являемся ее участниками. Разбираемся, что же такое химические реакции, каковы их типы, классификация, скорость и признаки




Без химических реакций была бы невозможна эволюция в природе. В открытом космосе встречаются в основном только атомы водорода (H) и гелия (He). Это объясняется отсутствием необходимых условий для прохождения химических реакций.

А вот на Земле ситуация в корне иная. Здесь химические элементы поражают своим разнообразием и могут вступать в различные взаимодействия. Богатство природного мира напрямую зависит от количества и качества химических реакций. Переход от неорганического вещества к живому стал возможен только благодаря химическим процессам. Да и сам человек представляет собой мини-фабрику, где идут не только простые, но и сложнейшие химические реакции по синтезу и расщеплению веществ. Эффективность этой живой «фабрики» поражает воображение.

Химическая реакция – это процесс превращения одного или нескольких веществ в другие вещества, в результате чего происходит перераспределение электронов и ядер. Сами ядра атомов при этом не меняются:

Химические реакции нельзя путать с физическими процессами. В физических процессах вещества сохраняют свой состав, хотя могут образовывать смеси, изменять внешнюю форму либо агрегатное состояние. Так, превращение воды в пар или лед является физическим процессом, а не химической реакцией. Химическое взаимодействие, в результате которого образуется вода, описывается формулой:

Отличаются химические реакции и от ядерных реакций, в которых происходят изменения в ядрах атомов и образуются атомы новых элементов. В ходе химических процессов новые вещества получаются в результате изменений, происходящих в электронной оболочке атомов.

Выделяют следующие типы химических реакций: реакции соединения, разложения, замещения и обмена.

Реакция соединения представляет собой образование одного сложного вещества в результате соединения двух или более веществ. Например:

В результате реакции разложения происходит распад одного сложного вещества на несколько простых.

Реакция замещения протекает между простыми и сложными веществами, при этом атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе.

Zn + 2HCL = ZnCl₂ + H₂

Реакция обмена возможна между двумя сложными веществами, в результате чего они обмениваются своими составными частями и образуются два новых сложных вещества.

MgO + H2SO₄ = MgSO₄ + H₂O


Существует целый ряд признаков, по которым можно классифицировать химические реакции: по агрегатному состоянию, по изменению степеней окисления реагентов, по тепловому эффекту реакции, по направлению протекания, по наличию катализаторов.

По агрегатному состоянию (газообразному, жидкому, твердому) реагирующих веществ химические реакции подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Гомогенные реакции протекают в одной фазе, например, в виде раствора:

HCl + NaOH = NaCl + H₂O

Гетерогенные реакции осуществляются на границе раздела двух фаз. Например, твердое вещество и газ:

По изменению степеней окисления реагентов выделяют окислительно- восстановительные реакции. Окисление – это процесс отдачи электронов, что приводит к увеличению степени окисления. Восстановление – это присоединение электронов и уменьшение степени окисления. Элемент, отдающий электроны, называется восстановителем, а элемент, принимающий электроны, – окислителем. Например, в реакции Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu железо отдает два электрона и является восстановителем, а медь принимает два электрона и выступает в качестве окислителя.

По тепловому эффекту химические реакции делятся на экзотермические (сопровождающиеся выделением тепла +Q) и эндотермические (идущие с поглощением тепла -Q).

Яркий пример экзотермических реакций – процесс горения:

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O +Q

К эндотермическим реакциям относятся реакции разложения:

CaCO₃ = CaO + CO₂ –Q

По направлению протекания химические реакции бывают обратимыми и необратимыми. Обратимые реакции одновременно протекают в двух противоположных направлениях: H₂ + I₂ = 2HI

Необратимые реакции идут только в одном направлении: 2Mg + O₂ = 2MgO

По наличию катализаторов (веществ, участвующих в реакции, изменяющих ее скорость, но остающихся неизменными после завершения реакции) химические реакции подразделяются на каталитические (протекающие в присутствии катализаторов) и некаталитические (идущие без катализаторов). В уравнениях каталитических реакций химическая формула катализатора записывается над знаком равенства или обратимости.

Скорость химической реакции показывает, как изменяется концентрация реагирующих веществ в единицу времени. Скорость реакции тем выше, чем больше количество реагирующих веществ и чем меньше время самой реакции. Данные процессы изучаются специальным разделом химии – химической кинетикой.

Скорость химических реакций зависит от следующих условий: наличие катализатора, степень измельченности реагирующих веществ, давление и температура, природа веществ, вступающих в реакцию, концентрация реагентов.

В соответствие с правилом Вант-Гофа в случае возрастания температуры на каждые 10 градусов по Цельсию скорость химической реакции увеличивается в 2-4 раза.

В результате химических реакций происходит превращение одних веществ в другие. При этом изменяются не только сами вещества, но и их свойства. Такие изменения и являются признаками химических реакций. К ним относятся:

  • Яркое свечение и выделение или поглощение тепла


Отвечает Анастасия Чистякова, старший методист по естественно-научному направлению Домашней школы «ИнтернетУрок»

Скорость химической реакции зависит от целого ряда факторов.

1. Природа веществ, вступающих в химическую реакцию. Так, чем активнее металл, тем он быстрее окисляется и более бурно взаимодействует с водой. Знание природы реагирующих веществ позволяет предсказать скорость протекания химической реакции.

2. Концентрация реагентов. Чем выше их концентрация, тем больше скорость реакции, поскольку с увеличением концентрации возрастает количество столкновений молекул реагирующих веществ. Например, горение в чистом кислороде идет гораздо активнее, чем на воздухе, так как концентрация кислорода в воздушной среде в пять раз ниже.

3. Площадь поверхности реагирующих веществ. Чем эта площадь больше, тем выше скорость реакции. Твердые вещества поэтому измельчают, а жидкости – распыляют. К примеру, если кусок мрамора превратить в порошок, то его реакция с соляной кислотой намного ускорится.

4. Температура. Повышение температуры на каждый градус ведет к возрастанию скорости реакции. Это связано с увеличение числа активных молекул, имеющих повышенную энергию, способствующую вступлению веществ в химическую реакцию.

5. Давление. Оно оказывает существенное воздействие на скорость реакции в газообразном состоянии. При увеличении давления скорость реакции возрастает, что объясняется повышением концентрации молекул реагирующих веществ.

6. Катализатор. Скорость реакции увеличивается в присутствии специальных веществ – катализаторов. Они образуют промежуточные вещества, которые более активно реагируют между собой. При этом сам катализатор в процессе реакции не расходуется. Существуют также вещества, замедляющие процесс реакции (ингибиторы).

Какие химические реакции считаются самыми важными


[Deposit Photos]

Самыми важными в мире реакциями считаются те, благодаря которым происходит жизнь на Земле. Таковыми являются следующие процессы (обратите внимание: не реакции, а процессы, каждый из которых подразумевает протекание огромного количества самых разных реакций):

  1. фотосинтез;
  2. дыхание (тканевое и бестканевое);
  3. биосинтез белка;
  4. гидролиз;
  5. ферментативные процессы.

Необходимо уточнить, что любая реакция, которая протекает в живом организме, имеет значение, однако при отсутствии хотя бы одного из перечисленных выше процессов жизнь на планете стала бы невозможной.

Итак, рассмотрим эти процессы более детально.

Фотосинтез

Этот процесс происходит в тканях растений, который заключается в следующем: в результате реакции воды и углекислого газа под действием огромного количества ферментативных систем происходит синтез глюкозы и выделяется кислород. В учебнике по биологии этот процесс описывают следующим образом:

Эту «схему» нельзя назвать достоверной, так как она не учитывает всех тех сложнейших биохимических реакций, которые обуславливают именно такой ход процесса. Если смешать углекислый газ с водой без создания специальных условий, которые возможны только в живом организме, не получится ничего, кроме газированной воды. Кроме того, даже при участии специальных ферментов глюкоза не является единственным продуктом реакции: образуются и другие органические вещества, большую часть из которых составляют углеводы. Однако для наглядности эта схема может использоваться.

Пользу от этой реакции сложно недооценить: и глюкоза, и кислород (побочный продукт реакции) имеют принципиально важное значение. Если глюкоза нужна растению, чтобы обеспечивать энергетический обмен в клетках, то кислород нужен всем живым организмам, которые населяют нашу планету (за исключением, пожалуй, анаэробов — организмов, которые живут и размножаются в бескислородной среде). При этой реакции происходит снижение концентрации углекислого газа на планете. Уничтожение зеленых насаждений приводит к снижению фотосинтеза, а это, в свою очередь, становится причиной развития парникового эффекта.

Дыхание

Что представляет собой этот процесс с точки зрения химии?

В традиционном представлении человека процесс дыхания заключается в банальном потреблении кислорода и выделении углекислого газа. В принципе, это так. Однако подобная характеристика является в высшей степени абстрактной и неточной: упускается из виду огромное количество принципиально важных биохимических процессов. Необходимо также разграничить понятия наружное и тканевое дыхание. Газообмен между организмом человека и окружающей средой – это наружное дыхание, а тканевое дыхание — это совокупность огромного количества реакций, которые протекают как в присутствии кислорода, так и без него. В любом случае, цель всего процесса дыхания — это получение энергии, которая накапливается в макроэргических связях аденозинтрифосфорной кислоты (сокращенно это соединение называется АТФ).

Процесс внутреннего дыхания можно представить следующим образом:

первый этап — бескислородный (он же гликолиз): из одной молекулы глюкозы получается две молекулы АТФ и молочная кислота;

второй этап — кислородный, в результате которого путем расщепления молочной кислоты (синтезированной во время гликолиза) получается 36 молекул АТФ.

Без энергии организм человека функционировать не сможет, поэтому кислород является жизненно важным элементом.

Биосинтез белка

Все высшие животные созданы из белка — полимера, который, в свою очередь, состоит из большого количества аминокислот. Синтез белков включает в себя огромное количество реакций, которые происходят благодаря рибосомам, иРНК и тРНК. Благодаря взаимодействию разных видов рибонуклеиновых кислот происходит транспорт аминокислот к рибосомам с последующим соединением мономеров в белковую молекулу. То есть без этого процесса создание животных организмов не будет представляться возможным.


Схема синтеза белка рибосомой. Сверху вниз — инициация, элонгация и терминация трансляции [Wikimedia]

Нажмите здесь, чтобы найти эксперименты по химии на изучение свойств белков.

Гидролиз

Этот процесс заключается в диссоциации (разложении под действием воды) сложных молекул или же ионных структур. Часто гидролиз протекает с образованием новых веществ. Рассматривая этот вопрос ближе к теме статьи, необходимо отметить, что начальные стадии пищеварения — это только гидролиз.

Как всё происходит: в организм человека в большинстве случаев поступают органические соединения (крахмал, клетчатка, белки, глицерин и высшие жирные кислоты), а вот всасываются в кишечнике только лишь мономеры (если до процесса пищеварения присутствовали полимеры).

Для нормального процесса пищеварения требуется поставлять мономерные соединения. Без процесса гидролиза с расщеплением сложных соединений это не представляется возможным.

Ферментативные процессы

Без наличия биологических катализаторов, именуемых ферментами, любой обменный процесс протекал бы в сотню, а то и тысячу раз медленнее. Благодаря этому метаболизм бы крайне замедлился. А с ферментами (при условии их нормальной активности) происходит всё четко и в установленные сроки.

Вывод

Все химические реакции значимы, однако те из них, которые приведены в этих примерах для поддержания жизни на земле принципиально важны. На них держится весь организм!

Металлические наноайсберги в углеродном море помогли ускорить химические реакции

Российские ученые предложили новый способ синтеза высокоактивных металлоуглеродных катализаторов — для этого металлические наночастицы погрузили в графитоподобный сверхчистый углерод. Предложенный способ синтеза универсален, доступен и легко управляем. Благодаря тонкому пористому слою углерода получающиеся системы защищены от вымывания активных металлов, а потому могут работать несколько циклов. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Catalysis.

О том, что металлы ускоряют химические процессы, известно давно, но использовать в катализаторе только их очень дорого, поэтому часто они распыляются по поверхности углерода. При этом важно, чтобы оба компонента были очень чистыми, иначе реакции пойдут «не туда». Кроме того, металл должен крепко держаться на поверхности, в противном случае его просто смоет при первом же воздействии, то есть катализатор будет одноразовым. В этом и состоят основные задачи современного катализа: обеспечить, чтобы реакция шла в строго заданном направлении, и других процессов не было; а также чтобы катализатор служил как можно дольше. В идеале он должен быть дешевым.

Российские ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург), Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН (Москва) и Центра новых химических технологий ИК СО РАН (Омск) предложили оригинальный метод синтеза катализаторов на основе наночастиц металла на углероде. Авторы смешали карбид кальция с различными солями металлов и нагрели в потоке хлора. При таком воздействии соли металлов восстановились до чистых металлов, а карбид кальция разложился до высокочистого углерода. Интересно, что частицы металлов «проплавили» углерод и частично погрузились в него: получились своего рода металлические айсберги в углеродном море. Более того, тонкая (всего в несколько атомов толщиной) углеродная пленка покрывала металлические верхушки, прочно удерживая металл и не давая ему покинуть поверхность. Такие системы оказались устойчивы к вымыванию и поэтому могут служить множество циклов.

Однако оставался вопрос: как такая система будет «работать», если активный металл окутан тонким слоем неактивного углерода? На помощь ученым пришел особый метод: отдельные молекулы азота располагаются в порах при охлаждении, а затем при повышении температуры покидают их. Зная, сколько молекул было поглощено и при каких условиях, можно говорить о количестве пор и их размере. Оказалось, что тонкий слой углерода, покрывающий металл, вовсе не сплошной. В нем есть очень маленькие поры, через которые к активным наночастицам проникают реагенты, и происходит химическая реакция.

«Наши катализаторы не уступают коммерческим и при этом работают намного дольше без потери своей активности, потому что металлы не вымываются», — рассказал Андрей Лебедев, соавтор работы, студент СПбГУ.

«Метод является универсальным: получены палладий, платина, золото, серебро, медь и многие другие металлы на углероде, и даже их сплавы», — отметил руководитель проекта по гранту РНФ Константин Родыгин, научный сотрудник СПбГУ.

Свежий взгляд на химические реакции

В современной химии существует множество различных классификаций химических реакций, основанных на изменении существенных свойств веществ участвующих в реакции: изменение степени окисления элементов, изменения в различный группах молекул и т.д. В этой статье я хочу предложить тип классификации, основанный не на конечном множестве различных типов реакций, а на иных принципах, которые по моему мнению, позволяют делать некоторые предположения об осуществимости и условиях реализации той или иной гипотетической или реальной химической реакции.

В настоящее время известно более ста миллионов различных химических веществ, большая часть из которых органические, а точное количество возможных химических реакций настолько велико, что исследовать их все лабораторным путем весьма трудоемкая задача.

Развития компьютерного моделирования во многих отраслях науки и в частности в химии, внедрение перспективных разработок из области искусственного интеллекта, нейронных сетей и машинного обучения позволяет значительно сократить требуемые объемы лабораторных исследований для решения той или иной задачи.

Предлагаемая классификация разрабатывается мной для применения в системах машинного обучения и на текущий момент может являться неполной и/или неточной.

Хочу также отметить, что я не являюсь экспертом в области химии, а лишь увлекаюсь данной наукой как хобби, поэтому возможен непреднамеренный плагиат и другие неточности. Изложенные идеи основаны исключительно на моем понимании химии, поэтому я всегда буду рад квалифицированным комментарии от знающих людей, по обсуждаемой здесь теме.

Итак, отправной точкой этого небольшого исследования будет тот общепризнанный факт, что структура молекулы имеет в химии первостепенное значение. Из чего состоит структура? С математической точки зрения, в общем случае это циклический граф, в вершинах которого находятся атомы, а ребра представлены химическими связями.


Химическая связь весьма интересный объект. По общим представлениям при образовании новой химической связи освобождается некоторое количество энергии, а для разрыва химической связи требуется примерно такое же количество энергии затратить.

В теории химическая реакции выглядит примерно следующим образом: есть реагент или реагенты, которые при определённых условиях (температура; давление; катализатор и т.д.) реагируют между собой и образуют продукт или продукты реакции.

Что происходит в процессе реакции? В общем случае я бы ответил на этот вопрос следующим образом: происходит структурное перераспределение существующих в продукте химических связей, а также образование новых связей и разрыв существующих.

Химическая реакции может выглядеть, например так:


Однако мы начнем с более простых примеров из неорганической химии, для понимания которых будет достаточно школьных знаний. В процессе рассмотрения примеров различных химических реакций я постараюсь объяснить суть предлагаемого метода классификации химических реакций.

Рассмотрим реакцию оксида натрия с водой

Обратим особое внимание на химические связи. Изучив схему реакции, можем сделать вывод о том, что химическая реакция не изменила общее количество и качество химических связей, а лишь распределила их между молекулами в другом порядке.

Можно привести большое количество примеров химических реакций, которые не меняют общее количество и качество химических связей, а лишь распределяют их между молекулами в другом порядке. Однако реакции с условно бесконечными цепями, типа полимеризации этилена или тетрафторэтилена к данному классу химических реакций причислять не следует, т.к. по аналогии с математикой фактор бесконечности весьма специфичен.

Определим этот класс реакций как распределительные и введем следующее обозначение класса: +0R0. Первое число указывает на общее изменение степени окисления всех атомов в процессе реакции +N или –N, второе обозначает количество реформированных исходных связей. Знак минус или плюс указывает на то, что реакция необратима, т.е. протекает только в одном направлении, для обратимых реакций знак указывать не будем.

Общепринято разделять данный класс реакций на три типа:

(I) реакция соединения;

(II) реакция разложения;

(III) реакция обмена.

Далее нам понадобятся некоторые справочные данные о степени окисления:

У всех простых веществ степень окисления равна нулю

Степень окисления кислорода в оксидах всегда равна -2, в соединениях типа перекиси водорода степень окисления кислорода -1 т.к. молекула содержит o-o связь.

Водород в соединении с металлами (в гидридах) проявляет степень окисления −1, а в соединениях с неметаллами, как правило, +1 (кроме $SiH_4, B_2H_6$). Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле должна быть равной нулю, а в сложном ионе — заряду этого иона.

Вооружившись новыми знаниями, рассмотрим реакцию горения метана


Из схемы реакции следует, что общее количество химических связей, как и в предыдущем примере не изменилось, однако все восемь исходных химических связей были преобразованы в процессе реакции. Степень окисления атома углерода изменилась с -4 до +4, и соответственно 4 атома кислорода изменили свою степень окисления с 0 на -2.

Согласно используемой классификации данную реакцию определим как +8R8. Обратную реакцию соответственно можно классифицировать как -8R8. Особо отметим тот факт, что для целей классификации, практическая осуществимость конкретной химической реакции не имеет существенного значения.

И ещё один простой пример


Также следует обратить внимание, что: Общее количество химических связей до и после реакции не изменяется, но это не точно. В Википедии данный факт объясняют следующим образом:

В химических реакциях должно выполняться правило сохранения алгебраической суммы степеней окисления всех атомов. Именно это правило делает понятие степени окисления столь важным в современной химии. Если в ходе химической реакции степень окисления атома повышается, говорят, что он окисляется, если же степень окисления атома понижается, говорят, что он восстанавливается. В полном уравнении химической реакции окислительные и восстановительные процессы должны точно компенсировать друг друга.

Например, реакции горения углерода и реакция термического разложения карбоната натрия без ошибок валентности должны выглядеть примерно так:


Однако, в реакция термического разложения Тетракарбонилникеля или Гексакарбонил хрома это правило нарушается:


В качестве небольшого отступления: реакция восстановления диоксида углерода до этилена, которую по неподтвержденным пока данным, научились осуществлять при использованием специального медного катализатора.


Реакцию можно классифицировать как -12R12 (реформированы все 12 исходных связей).

Возникает резонный вопрос: всегда ли количество реформированных связей равно по модулю изменению степени окисления? Совсем не обязательно. Например, в реакции гидролиза диэтилового эфира, реформируется только одна O-H связь в O-C связь, при этом степени окисления атомов не меняются.


Теперь рассмотрим самый важный вопрос: зачем нужна подобная классификация?

Как и любая другая классификация, для обобщения и определения некоторых специфических особенностей и закономерностей.

Одна из масштабных задач, создание компьютерной системы способной предугадывать продукты химических реакций, а также генерировать возможные реакции для синтеза достаточно сложных химических веществ.

Не будем делать грандиозных фундаментальных выводов, а сделаем пока лишь некоторые достаточно очевидные предположения, которые возможно подтвердить или опровергнуть только экспериментальным путем.

Реакции класса 0R0 не требуют для реализации существенных энергозатрат, а реакции с большим |N| протекают со значительным поглощением или выделением энергии.

Среднестатистическая сложность реализации обратной реакции возрастает пропорционально росту N и R.

Другие предположения, которые можно обсудить в комментариях к данной статье.

На этом всё, если будут получены какие-либо подтвержденные результаты исследований, то я обязательно напишу продолжение данной статьи.

Читайте также: