Η χρήση των βελών αντίδρασης στη χημεία

Οι χημικοί αντιπροσωπεύουν τις χημικές αντιδράσεις μέσω χημικών εξισώσεων, οι οποίες δεν είναι τίποτα άλλο από τη συμβολική αναπαράσταση του τι πραγματικά συμβαίνει κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Σε μια χημική εξίσωση, μπορούμε να βρούμε τα αντιδρώντα στα αριστερά, τα προϊόντα στα δεξιά και το βέλος αντίδρασης μεταξύ τους.

Ένα βέλος αντίδρασης είναι ένα σύμβολο που αντιπροσωπεύει τη διαδικασία αλλαγής που συμβαίνει κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης και δείχνει ορισμένα σημαντικά χαρακτηριστικά της αντίδρασης . Μπορείτε να πείτε εάν η αντίδραση είναι αναστρέψιμη ή όχι, εάν βρίσκεται σε ισορροπία, εάν είναι μια διαδικασία συντονισμού και πολλά άλλα. Αυτό δείχνει ότι ένα βέλος αντίδρασης είναι πολύ περισσότερο από ένα απλό βέλος που δείχνει από τα αντιδρώντα προς τα προϊόντα, επομένως είναι σημαντικό να μάθετε να αναγνωρίζετε λεπτές διαφορές στο σχήμα, ώστε να μπορείτε να τις ερμηνεύσετε σωστά.

Μια επισκόπηση των περισσότερων από τα βέλη που χρησιμοποιούνται στη χημεία παρουσιάζεται παρακάτω, μαζί με την αντίστοιχη σημασία τους.

01 – Το βέλος της απλής αντίδρασης

Αυτό είναι το απλούστερο βέλος αντίδρασης. Αποτελείται αποκλειστικά από ένα απλό βέλος που δείχνει προς τα δεξιά και υποδεικνύει την εμφάνιση μιας χημικής αντίδρασης που μετατρέπει μη αναστρέψιμα τα αντιδρώντα σε προϊόντα.

Αυτό το βέλος μπορεί επίσης να δείχνει από δεξιά προς τα αριστερά ή σε διαφορετικές κατευθύνσεις ανάλογα με την περίπτωση, αλλά αντιπροσωπεύει πάντα μια αντίδραση κατά την οποία ό,τι βρίσκεται στην πλευρά της ουράς γίνεται αυτό που εμφανίζεται στην άκρη του.

02 – Τα βέλη ισορροπίας

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να υποδείξουμε ότι μια χημική αντίδραση είναι αναστρέψιμη, δηλαδή ότι μπορεί να συμβεί και προς τις δύο κατευθύνσεις. Λόγω των νόμων της χημικής κινητικής, κάθε χημική αντίδραση που είναι αναστρέψιμη μπορεί τελικά να φτάσει σε ισορροπία στην οποία τόσο η μπροστινή όσο και η αντίστροφη αντίδραση συμβαίνουν με τον ίδιο ρυθμό. Για το λόγο αυτό, οι αναστρέψιμες χημικές αντιδράσεις ονομάζονται συχνά χημικές ισορροπίες.

Το διπλό βέλος του Van’t Hoff

Ο πιο λογικός τρόπος για να αναπαραστήσουμε μια χημική αντίδραση που μπορεί να συμβεί και στις δύο κατευθύνσεις είναι ο συνδυασμός δύο απλών βελών αντίδρασης που δείχνουν προς αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτό το βέλος ονομάζεται διπλό βέλος και ο πρώτος που το χρησιμοποίησε για να αναπαραστήσει την αναστρεψιμότητα των χημικών αντιδράσεων ήταν ο Jacobus Henricus van’t Hoff το 1884.

Το Βέλος Balanced Dynamic Balance

Ο H. Marshal τροποποίησε το διπλό βέλος του van’t Hoff το 1902 για να απλοποιήσει τη γραφή του. Αντί να τοποθετήσει κυριολεκτικά δύο μονά βέλη, το ένα πάνω στο άλλο, τα αντικατέστησε με δύο μισά βέλη ή βέλη με μισά σημεία. Αυτός ο τρόπος αναπαράστασης της χημικής ισορροπίας είναι πολύ πιο συνηθισμένος σήμερα.

Όταν και τα δύο μισά βέλη έχουν το ίδιο μήκος, τόσο η μπροστινή όσο και η αντίστροφη αντίδραση λέγεται ότι έχουν συγκρίσιμους ρυθμούς. Επομένως, στην κατάσταση ισορροπίας, οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων είναι επίσης συγκρίσιμες. Μπορεί κανείς να μιλήσει σε αυτή την περίπτωση για «ισορροπημένη» ισορροπία.

Το βέλος δυναμικής ισορροπίας μετατοπίστηκε προς τα προϊόντα

Μια παραλλαγή του παραπάνω βέλους ισορροπίας αποτελείται από το μισό βέλος να είναι μακρύτερο από το άλλο. Αυτό δείχνει ότι η μία από τις δύο αντιδράσεις είναι ταχύτερη από την άλλη, επομένως η ισορροπία ευνοεί τη μία από τις δύο πλευρές της εξίσωσης.

Όταν το επάνω βέλος που δείχνει προς τα δεξιά είναι μακρύτερο από το κάτω, βρισκόμαστε στην παρουσία ενός βέλους ισορροπίας μετατοπισμένο προς τα προϊόντα ή που ευνοεί τα προϊόντα, καθώς η προς τα εμπρός αντίδραση είναι ταχύτερη από την αντίστροφη.

Αυτό δείχνει ότι η συγκέντρωση των προϊόντων σε κατάσταση ισορροπίας είναι σημαντικά μεγαλύτερη από εκείνη των αντιδρώντων.

Το βέλος της δυναμικής ισορροπίας μετατοπίστηκε προς τα αντιδρώντα

Το βέλος ισορροπίας που μετατοπίζεται προς τα αντιδρώντα είναι το αντίθετο από το προηγούμενο βέλος. Σε αυτή την περίπτωση, η αντίστροφη αντίδραση είναι ταχύτερη από την αντίστροφη αντίδραση και η ισορροπία ωφελεί τα αντιδρώντα.

03 – Το βέλος της αντήχησης

Το βέλος συντονισμού αποτελείται από ένα βέλος διπλής κεφαλής, αν και μερικές φορές αναπαρίσταται και ως βέλος με δύο μισές κεφαλές στις απέναντι πλευρές, όπως φαίνεται στην εικόνα.

Αυτός ο τύπος βέλους δεν αντιπροσωπεύει μια χημική αντίδραση καθεαυτή, αλλά μάλλον τη διαδικασία μετεγκατάστασης και εσωτερικής κίνησης ηλεκτρονίων pi σε ένα μόριο που μετατρέπει μια δομή Lewis σε μια άλλη. Αυτός ο τύπος διαδικασίας ονομάζεται συντονισμός (εξ ου και το όνομα που δόθηκε σε αυτό το βέλος) και είναι μια εντελώς αναστρέψιμη διαδικασία, γι’ αυτό το βέλος έχει δύο άκρες.

04 – Το βέλος άγνωστης αντίδρασης

Σε ορισμένες συγκεκριμένες περιπτώσεις, οι χημικοί γνωρίζουν τα αρχικά αντιδρώντα και τα προϊόντα μιας αντίδρασης, αλλά δεν γνωρίζουν ποιος τύπος αντίδρασης συμβαίνει στην πραγματικότητα ή εάν είναι πραγματικά μία ή περισσότερες διαδοχικές αντιδράσεις. Για να υποδείξει την έλλειψη γνώσης των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών μιας αντίδρασης ή, γενικά, του τρόπου με τον οποίο τα αντιδρώντα μετατρέπονται σε προϊόντα, χρησιμοποιείται ένα διακεκομμένο βέλος.

Αυτό το βέλος χρησιμοποιείται επίσης όταν προτείνετε μια συγκεκριμένη αντίδραση ως μέρος ενός μηχανισμού αντίδρασης, αλλά δεν γνωρίζετε αν αυτή είναι στην πραγματικότητα η αντίδραση που συμβαίνει. Δηλαδή να προτείνει βήματα για τα οποία δεν υπάρχουν οριστικά ή οριστικά στοιχεία.

05 – Το βέλος της ρετροσύνθεσης

Το βέλος ρετροσύνθεσης χρησιμοποιείται συχνά στη συνθετική οργανική χημεία και υποδεικνύει την άμεση προέλευση μιας ουσίας από μια άλλη. Αυτό το βέλος διαβάζεται ως «προέρχεται από», οπότε η παραπάνω αντίδραση θα έγραφε «Το Α προέρχεται από το Β» αναφερόμενος στο γεγονός ότι, σε μια συνθετική οδό, η ουσία Β είναι η ένωση ή η ουσία που έρχεται αμέσως πριν από τη σύνθεση του Α.

Ονομάζεται βέλος ρετροσύνθεσης επειδή στη συνθετική οργανική χημεία, όταν θέλετε να συνθέσετε μια συγκεκριμένη ένωση, η ανάλυση της διαδρομής ξεκινά από το τελικό προϊόν που θέλετε να αποκτήσετε. Έτσι, εξετάζονται τα προηγούμενα βήματα που πρέπει να γίνουν από πίσω (το επιθυμητό άκρο) προς τα εμπρός (τα αρχικά αντιδραστήρια της σύνθεσης).

Είναι σαν να θέλατε να πάτε από την πόλη Β στην πόλη Α, αλλά ο χάρτης σχεδιάζεται με την ιχνηλάτηση της διαδρομής από τον προορισμό, Α, προς την αρχή, Β.

06 – Το βέλος της μη αντίδρασης

Τέλος, εκτός από το ότι έχουν βέλη που υποδεικνύουν την παρουσία διαφορετικών τύπων αντιδράσεων, οι χημικοί ενδιαφέρονται επίσης να αναπαραστήσουν αντιδράσεις που δεν συμβαίνουν υπό ορισμένες συνθήκες ή απλώς δεν συμβαίνουν ποτέ. Για αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποιούνται τα βέλη απουσίας αντίδρασης ή μη αντίδρασης.

Αυτά τα βέλη μπορούν να ερμηνευθούν ως τα αντιδρώντα που δεν αντιδρούν μεταξύ τους ή ως τα αντιδρώντα που δεν παράγουν τέτοια προϊόντα. Για παράδειγμα, οι πρωτοταγείς αλκοόλες μπορούν να οξειδωθούν σε αλδεΰδες και καρβοξυλικά οξέα, αλλά οι τριτοταγείς αλκοόλες δεν μπορούν, ανεξάρτητα από το πόσο ισχυρός είναι ο οξειδωτικός παράγοντας. Εάν θέλετε να τονίσετε αυτό το τελευταίο γεγονός, θα χρησιμοποιούσατε το βέλος μη αντίδρασης για να υποδείξετε ότι μια τριτοταγής αλκοόλη δεν οξειδώνεται.

07 – Βέλη κινήσεων ηλεκτρονίων

Εκτός από τα ίδια τα βέλη της αντίδρασης, υπάρχουν και άλλα βέλη που χρησιμοποιούνται επίσης συχνά από τους χημικούς σε χημικές εξισώσεις, ειδικά όταν δίνεται έμφαση στους μηχανισμούς αντίδρασης. Αυτή είναι η περίπτωση με τα κυρτά βέλη.

Τα κυρτά βέλη χρησιμοποιούνται για να υποδείξουν με σαφήνεια την κίνηση των ηλεκτρονίων κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η ουρά του βέλους ξεκινά από το μέρος όπου βρίσκονται τα ηλεκτρόνια που εμπλέκονται στη διαδικασία, είτε πρόκειται για χημικό δεσμό, είτε για ασύζευκτο ηλεκτρόνιο σε μια ελεύθερη ρίζα, είτε για ένα μη κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων. Από την άλλη πλευρά, η αιχμή του βέλους υποδεικνύει το άτομο ή το μέρος όπου κινούνται τα ηλεκτρόνια.

Υπάρχουν δύο τύποι κυρτών βελών:

Καμπύλη κεφαλή ή βέλος πλήρους σημείου

Όταν ένα κυρτό βέλος έχει πλήρη κεφαλή, υποδηλώνει ότι υπάρχει κίνηση ενός ζεύγους ηλεκτρονίων. Αυτό το ζεύγος ηλεκτρονίων μπορεί να αποτελείται από ένα μόνο ζεύγος ηλεκτρονίων, όπως αυτά του στοιχείου Α στο παραπάνω σχήμα, τα οποία προσβάλλουν το άτομο άνθρακα της καρβονυλικής ομάδας.

Από την άλλη πλευρά, το ζεύγος ηλεκτρονίων μπορεί επίσης να προέρχεται από έναν ομοιοπολικό δεσμό, όπως τα ηλεκτρόνια pi του διπλού δεσμού της καρβονυλικής ομάδας στα δεξιά της προηγούμενης εικόνας, τα οποία περνούν στο άτομο οξυγόνου.

Μισό μυτερό κυρτό βέλος ή αγκίστρι

Τα μισοφέγγυρα καμπύλα βέλη, που ονομάζονται επίσης βέλη με κεφαλή αγκίστρου, υποδεικνύουν την κίνηση ενός μόνο ηλεκτρονίου. Αυτός ο τύπος βέλους χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει την ομολυτική διάσπαση ομοιοπολικών δεσμών, καθώς και τις επιθέσεις ελεύθερων ριζών σε διαφορετικά μόρια.

08 – Ειδικό κάθετο βέλος

Υπάρχει ένα σύνολο από κατακόρυφα βέλη σε κοινή χρήση στη χημεία. Τρία από αυτά αντιπροσωπεύουν συγκεκριμένες διαδικασίες φυσικής αλλαγής, ενώ τα άλλα χρησιμοποιούνται για την αναπαράσταση ηλεκτρονίων που βρίσκονται σε ορισμένα ενεργειακά επίπεδα.

το βέλος απελευθέρωσης αερίου

Όταν μια χημική αντίδραση που συμβαίνει στην υγρή, υδατική ή στερεή φάση έχει ως προϊόν ένα αέριο, αυτό μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα σε πολλές περιπτώσεις, είτε με το σχηματισμό φυσαλίδων μέσα σε ένα υγρό είτε με την εμφάνιση ενός έγχρωμου αερίου.

Αν και συχνά είναι περιττό γιατί όταν υποδεικνύεται η φυσική κατάσταση της ουσίας γνωρίζουμε ήδη ότι είναι αέριο, μερικές φορές το σύμβολο ή ο χημικός τύπος του αερίου συνοδεύεται από ένα προς τα πάνω κατακόρυφο βέλος που υποδεικνύει την απελευθέρωσή του από το μέσο αντίδρασης.

Το βέλος της βροχόπτωσης

Το βέλος καθίζησης είναι ένα κατακόρυφο βέλος που δείχνει προς τα κάτω, που αντιπροσωπεύει ότι, στις περισσότερες κατακρημνίσεις, τα στερεά που σχηματίζονται είναι πιο πυκνά από τον διαλύτη και βυθίζονται στον πυθμένα (με αποτέλεσμα να παρασύρονται προς τα κάτω).

το βέλος παλινδρόμησης

Η παλινδρόμηση είναι μια πειραματική διαδικασία κατά την οποία ένα υγρό ή διάλυμα θερμαίνεται μέχρι βρασμού σε ένα δοχείο εφοδιασμένο με συμπυκνωτή. Αυτό προκαλεί την εξάτμιση του διαλύτη (διαδικασία που αντιπροσωπεύεται από το επάνω βέλος) και στη συνέχεια να συμπυκνωθεί και να πέσει ξανά προς τα κάτω (διαδικασία που αντιπροσωπεύεται από το κάτω βέλος).

Βέλη για την αναπαράσταση των ηλεκτρονίων

Τέλος, μια άλλη κοινή χρήση των βελών στη χημεία είναι η αναπαράσταση ηλεκτρονίων μαζί με έναν από τους κβαντικούς αριθμούς τους , το σπιν ηλεκτρονίων. Το σπιν ενός ηλεκτρονίου μπορεί να έχει μόνο δύο τιμές, οι οποίες είναι +1/2 και -1/2, και αυτές συνήθως αντιπροσωπεύονται από μισοκεφαλικά βέλη που δείχνουν προς τα πάνω και προς τα κάτω αντίστοιχα. Λόγω της αρχής αποκλεισμού Pauli, δύο ηλεκτρόνια δεν μπορούν να βρίσκονται στο ίδιο τροχιακό ηλεκτρονίων και να έχουν το ίδιο σπιν, έτσι τα ζεύγη ηλεκτρονίων στο ίδιο τροχιακό έχουν πάντα αντίθετα σπιν και αναπαρίστανται ως ζεύγος κατακόρυφων βελών με μια μέση άκρη να δείχνει απέναντι κατευθύνσεις.

Εκτός από αυτά τα παραδείγματα, υπάρχουν μερικά άλλα βέλη με πολύ συγκεκριμένες και λιγότερο συχνές χρήσεις, αλλά αυτά είναι αναμφίβολα τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα. Η κατανόηση της σημασίας του επιτρέπει την καλύτερη ερμηνεία όλων των πληροφοριών που κωδικοποιούνται σε κάτι τόσο απλό όσο μια χημική εξίσωση.

βιβλιογραφικές αναφορές

• Ashenhurst, J. (2020, 12 Φεβρουαρίου). Οι 8 τύποι βελών στην οργανική χημεία, εξηγούνται . Ανακτήθηκε από https://www.masterorganicchemistry.com/2011/02/09/the-8-types-of-arrows-in-organic-chemistry-explained/
• Χημική εξίσωση (ν). 03. Συμβολολογία και Δομή Χημικής Εξίσωσης . Ανακτήθηκε από https://sites.google.com/site/ecuacionquim/ecuacion-quimica/03-lenguaje-y-estructura-de-una-ecuacion-quimica
• Lakshminarayanan, A. (2010). Βέλη στη Χημεία . Ανακτήθηκε από https://www.ias.ac.in/public/Volumes/reso/015/01/0051-0063.pdf
• Liu, C. (nd). Ένας οδηγός για την αποκρυπτογράφηση βελών χημείας . Ανακτήθηκε από https://blog.cambridgecoaching.com/guide-to-deciphering-chemistry-arrows
• Reed Organic Chemistry Online. (ν). Βέλη ROCO: Λίστα . Ανακτήθηκε από https://www.reed.edu/chemistry/ROCO/Arrows/arrow_list.html
• Πανεπιστήμιο του Γκουαναχουάτο. (ν). ΕΝΟΤΗΤΑ 1 – Σύμβολα σε χημικές εξισώσεις | Χημικές Αντιδράσεις . Ανακτήθηκε από https://oa.ugto.mx/oa/oa-rg-0001374/tema_1__smbolos_en_las_ecuaciones_qumicas.html