Lagunemisreaktsioon

Lagunemisreaktsioon on keemiline reaktsioon, milles aine laguneb kaheks või enamaks aineks. See on ainete destruktsioon, mille puhul suuremad või keerulisema struktuuriga molekulid lagunevad lihtsamateks väiksema molekulkaaluga ühenditeks. Klassikaline näide on süsihappe lagunemine süsihappegaasiks ja veeks:

H₂CO₃ → H₂O + CO₂(g)

Lagunemisreaktsioon on vastupidine sünteesireaktsioonile.

Keemiliste sidemete katkemine nõuab tavaliselt energiat ja nii on lagunemisreaktsioonid enamasti endotermilised, toimuvad soojendamisel (kuumutamisel). Aine keemilist lagunemist kõrge temperatuuri toimel nimetatakse termolüüsiks ehk termiliseks lagunemiseks. Aine lagunemiseks vajalik energia võib anda ka radiatsioon, eeskätt päikesevalgus (fotolüüs). Aine lagunemist mikroorganismide osalusel (ensüümide toimel) nimetatakse biolagunemiseks ehk biodegradatsiooniks.

1. Looduses toimub orgaanilise aine lagunemine kas õhuhapniku juuresolekul (aeroobsetes tingimustes) või ilma hapniku osaluseta (anaeroobsetes tingimustes) ja paljudel juhtudel spetsiifiliste ensüümide toimel.

Fossiilkütuste (kaustobioliitide) teke. Maapõues orgaanilist ainet sisaldavate mattunud taimsete setete mittetäielikul lagunemisel kuumuse ja rõhu mõjul anaeroobsetes tingimustes pika aja jooksul eralduvad gaasilised produktid (põhiliselt metaan, näiteks kaevandusgaas või kildagaas, mis tekib kilda kerogeenist jäädes osaliselt selle settekivimi pooridesse ja lõhedesee püsima) ning maasügavusse jääb jääk (antratsiit või pruunsüsi). Taimse ja loomse päritoluga enamasti meresetete lagunemisel veest kergemateks (süsivesinike) molekulideks viib maagaasi ja nafta tekkele.
Maapinnale suhteliselt lähedal, kuid anaeroobses keskkonnas, lagundavad orgaanilist ainet bakterid, näiteks metaanibakterid. Bakterite elutegevuse tulemusena esineb orgaanilise aine biodegradatsioon metaanirikkaks gaasiks (nimetatakse biometaan): näiteks soogaas märgaladel, prügilagaas, seedegaasid loomade soolestikus jm.
Maapinnal lagunevad materjalid ja surnud organismid aeroobsetes tingimustes päikesevalguse, niiskuse ja lagundajate toimel:
- orgaanilise materjali aeroobne lagunemine, mille korral käärimisprotsessis ja oksüdatsioonireaktsioonis eralduv soojus jõuab levida keskkonda (nimetatakse aeglane põlemine). Näiteks mädanemine ja kompostumine. Ammendatud freesturba väljadel on probleemiks jääkturba aeglane põlemine ja CO₂ eraldumine.
- fotolüüs ehk fotokeemilise lagunemise päikesevalguse toimel
- lämmastikku sisaldavate orgaaniliste ainete mikroobne lagunemine (ammonifikatsioon)
- rakkude ja kudede lagunemine pärast surma nende eneste ensüümide toimel (autolüüs)
Süsinikuringe säilimiseks vajalik orgaanilise aine lagunemine toimub spetsiifiliste seente ja bakterite elutegevuse tulemusena ensüümide toimel. Näiteks Maal kõige levinum orgaaniline aine polüsahhariid tselluloos (keskmiselt 33% taimedest) hüdrolüüsub tsellulaasi toimel glükoosini.

2. Elusorganismides.

Aeroobsetes tingimustes vabaneb CO₂ orgaanilistest ainetest loomade, taimede, inimeste ja mikroorganismide hingamise tulemusena.
Anaeroobsetes tingimustes vabaneb CO₂ orgaanilistest ainetest kääritajate ja anaeroobsete hingajate vahendusel.
Lagundav ainevahetus on organismis toimuv keemiline protsess, ainevahetuse osa, milles keerulisematest ainetest tekivad lihtsamad ja milles vabaneb energiat. Näiteks ensümaatiline hüdrolüüs.
Laguahel on ökosüsteemis funktsioneeriv toiduahel.

3. Keemiatööstuses. Lagunemisreaktsioonid omavad olulist tähtsust eelkõige keemiatööstuse kahes olulisemas valdkonnas: metallurgia ja gaasiliste ning vedelate kütuste tootmine. Metallide tootmisel maakidest on põhiprotsess metallioksiidide lagundamine kõrgel temperatuuril (pürometallurgia, elektrometallurgia jm). Ehitusmaterjalide vallas on oluline kustutamata lubja (CaO) tootmine lubjakivi (CaCO₃) kuumutamisel (kaltsineerimine).

Looduslike kõrgmolekulaarsete ühendite ümbertöötlemine gaasilisteks või vedelateks kütusteks on elulise tähtsusega. Selles valdkonnas kasutatavad tehnoloogiad baseeruvad orgaanilise aine lagunemisreaktsioonidel, mis teostatakse anaeroobsetes tingimustes kasutades aine lagundamist kõrge temperatuuri toimel (termolüüs) või biolagundamine bakterite või pärmiseente osalusel.

Fossiilkütuste (vähem muude tahkekütuste ja -jäätmete) termiline lagundamine, mis viiakse läbi ilma õhuhapniku olulise juurdepääsuta. Kasutatavad termokeemilise muundamise tehnoloogiad (meetodid) on järgmised:
- pürolüüs, see mõiste on seotud mitmete tööstuslike termilise lagundamise protsessidega, kusjuures toimub orgaaniliste molekulide süsinikskeleti lõhustumine ja funktsionaalrühmade täielik või osaline eraldumine
- termiline krakkimine, see mõiste seondub just kõrgemate naftakomponentide lagundamise protsessidega
- katalüütiline lagundamine, sealhulgas katalüütiline krakkimine
- destruktiivne destillatsioon, see on pürolüüs spetsiaalses destillatsiooni retordis (võrdluseks: kuivdestillatsioonil pürolüüsiprotsesside osatähtsus ei ole kuigi suur)
- tahke kütuse gaasistamine toimub kõrgel temperatuuril vaba või seotud hapniku (õhk, veeaur jm) piiratud osalusel. Näiteks kerogeen põlevkivi orgaanilise osa võimalikult täielik gaasistamine Kohtla-Järvel (tippaeg 1970. aastatel). Puidust saadavat puugaasi on kasutatud mootorikütusena.
Orgaanilise aine anaeroobne biolagundamine bakterite või pärmiseente substraadispetsiifiliste ensüümide (biokatalüsaatorite) toimel. See on käärimisprotsess, milles eraldub soojust. Kasutatavad anaeroobsed protsessid on järgmised:
- biomassi ja pooltahkete biolagunevate jäätmete (farmiläga, reoveesete, lihatööstuste jäätmed jm) biodegradatsioon mikroorganismide toimel biogaasiks (metaan, vesinik jm). Eesti esimene biogaasigeneraator lasti käiku Aravetel juunis 2012;
- tärklise ja suhkrute fermentatsioon pärmiseente toimel etanooliks (sh bioetanool) ning vähesel määral bakterite toimel butanooliks;
- tselluloosi hüdrolüüs tugevate hapete toimel ja kääritamine bakterite osalusel bioetanooliks või butanooliks (biobutanool).

4. Laboris veel:

5. Põlemine. See on orgaaniliste ainete lagunemine samaaegse või järgneva oksüdatsiooniga hapniku osalusel ning põhiproduktideks on süsihappegaas ja veeaur, vähem muid gaase ning tuhk. Protsessi vallandamiseks on enamasti vajalik süütamine.

tulekahjud ja kütuste põletamine. Põlemine ei saa toimuda tahke materjali või vedeliku kogu massis, kuna ei ole hapniku juurdepääsu ja seetõttu toimub põlemisprotsess valdavalt materjali pinnal. Süttimistemperatuurist kõrgemal toimub materjali lagunemine lenduvateks produktideks, millest moodustub leek, see on tsoon, milles laguproduktid õhuhapniku osalusel oksüdeeruvad põhiliselt süsihappegaasiks ja veeks ning eraldub soojust.
isesüttimine orgaanilist ainet sisaldavates puistangutes ja kuhjatistes, milles on piisavalt, kuid mitte liiga palju, õhku ja niiskust, saab alguse isesoojenemisest eksotermiliste protsesside (käärimine, oksüdatsioon) tagajärjel. Edasi temperatuuri tõus kiireneb kuni süttimiseni. Kuhjatise materjal on isolaatoriks, mis takistab massi jahtumist ja õhuhapniku vaba juurdepäsu. Orgaanilise aine lagunemine toimub erinevate protsesside koosmõjus: biodegradatsioon, oksüdatsioon, põlemine ja termolüüs. See oht esineb teatud aherainemägede (sisaldavad näiteks põlevkivi või diktüoneemakilta) ja suurte kuhjatiste niiske heina, õlgede, freesturba, kompostitava materjali, orgaanilist materjali sisaldavate peenestatud jäätmete jmt korral.
plahvatuslik põlemine võib vallanduda sädemest, kergestisüttiva aine ja sobiva hulga (lähedane ekvivalentsele hulgale) õhuhapniku segus (kogu massis). Näiteks majapidamisgaasi ja õhu segu; (puidu)tolmu ja õhu segu jm ülikiire põlemine koos gaaside soojuspaisumisega
lõhkeainete plahvatusele on iseloomulik, et hargnevate ahelatega eksotermilises reaktsioonis toimub tahkest ainest ülikiire gaasiliste produktide teke kogu massis (mitmesuguste gaasiliste oksiidide teke sisemolekulaarse hapniku või segusse lisatud tugeva oksüdeerija osalusel), mis põhjustab tugevajõulise plahvatuse.

6.Hüdrolüüs. See loetakse üldjuhul aine lagunemiseks, kusjuures toimub keemiliste sidemete lõhustumine ja fragmentidele veemolekuli osade liitumine. Ensümaatiline hüdrolüüs on hüdrolüüsiprotsess, milles ensüümid kiirendavad hüdrolüüsi. Enamasti on tegu mikroorganismide poolt toodetud ensüümidega. Orgaanilise aine hüdrolüüsil saadakse suure molekulmassiga molekulidest väikese (väiksema) molekulmassiga molekulid.

keemialaboris või -tööstuses on kasutatavad happe-katalüütiline või aluse-katalüütiline hüdrolüüs. Näiteks tselluloosi polümeersete molekulide lagundamine tugeva happe toimel. Ammutuntud protsess on seebi valmistamine rasvadest hüdrolüüsil (nimetatakse seebistamiseks) seebikiviga (NaOH)
seedimisel valgud, rasvad, süsivesikud jm lagunevad (hüdrolüüsuvad) ensüümide toimel
kääritamine on orgaanilise materjali biotehnoloogiline töötlemine bakterite ensüümide toimel. Näiteks teatud toiduainete fermentatsioon või biomassi ja poolvedelate jäätmete biodegradatsioon ensümaatilise hüdrolüüsi protsessis.

Vaata ka