Kemiallinen reaktio

Kemia » Kemiallinen reaktio

Tämän osion osaamistavoite on: kemiallisen reaktion yleisen periaatteen ymmärtäminen ja reaktion nopeuteen vaikuttavien seikkojen huomioon ottaminen omassa työssä

Kun erilaiset aineet kohtaavat toisiaan, voi tapahtua kemiallinen reaktio. Kemiallisia reaktioita tapahtuu ympärillämme ja omassa kehossamme koko ajan: kasvien yhteyttäminen (jonka seurauksena saamme happea hengitettäväksemme) ja ruoansulatus (jonka ansiosta saamme energiaa elintoimintoihimme), ovat esimerkkejä kemiallisesta reaktiosta. Monet asiat olisivat elämässämme mahdottomia ilman kemiallisia reaktioita. Toisinaan on kuitenkin syytä yrittää estää kemiallista reaktiota tapahtumasta: emme halua ruoan pilaantuvan tai sairauden hoitoon valmistetun lääkeaineen hajoavan alkutekijöihinsä emmekä oikein pidä siitäkään, jos automme ruostuu.

Tässä osiossa opit kemiallisen reaktion kulun ja keinoja hidastaa tai nopeuttaa kemiallista reaktiota. Nämä taidot ovat välttämättömiä, jotta pystyt käsittelemään kemikaaleja turvallisesti ja osaat ottaa mahdolliset seuraukset huomioon käyttäessäsi erilaisia työtehtäviesi vaatimia aineita.

Mitä kemiallisessa reaktiossa tapahtuu

Kemiallisen reaktion tapahtuminen edellyttää, että reagoivat aineet kohtaavat toisensa. Kohtaamisen seurauksena atomien väliset sidokset katkeavat. Tämän jälkeen atomien välille muodostuu uusia sidoksia, jolloin muodostuu uusia yhdisteitä.

reaktio1_1000reaktio2_1000reaktio3_1000

Kemiallista reaktiota ei siis voi tapahtua, jos aineet eivät pääse toistensa luokse. Yksi tapa estää reaktiota tapahtumasta on estää aineiden kohtaaminen.

Kemiallinen reaktio matemaattisessa muodossa

Reaktioyhtälö kuvaa kemiallista reaktiota hyvin tiivistetyssä muodossa. Reaktion lähtöaineet ovat vasemmalla puolella. Nuoli tarkoittaa reaktion suuntaa. Oikealla puolella on reaktiotuotteet eli ne yhdisteet, joita reaktion seurauksena syntyy.

Esimerkiksi hiilen palaminen hiilidioksidiksi:

C + O2 → CO2

Reaktioyhtälö on nimensä mukaisesti yhtälö: nuoli vastaa yhtäsuuruusmerkkiä (=). Kemiassa tämä yhtä suuruus tarkoittaa sitä, että nuolen vasemmalla ja oikealla puolella täytyy olla sama määrä atomeja. Jos lähtöaineiden puolella on 5 happiatomia (O), täytyy myös reaktiotuotteiden puolelta löytyä 5 happiatomia. Atomit voivat olla ryhmittyneet täysin eri tavalla kuin alussa, mutta niitä on silti löydyttävä yhtä monta molemmilta puolilta. Jotta reaktioyhtälö saataisiin tasapainoon (eli yhtäsuuruus olisi voimassa), joudutaan yhtälöön mahdollisesti laittamaan erilaisia kertoimia: yhdisteen edessä oleva numero tarkoittaa, että otetaan kyseistä yhdistettä numeron ilmoittama lukumäärä eikä vain yksi kappale.

Huomaa ero:

  • H2 = molekyyli, joka koostuu kahdesta vetyatomista
  • 2 H = kaksi irrallista vetyatomia

 

Näin ollen ymmärrät, mitä seuraavat merkinnät tarkoittavat:

  • H2O = yksi molekyyli, joka koostuu yhdestä happiatomista ja kahdesta vetyatomista
  • 2 H2O = kaksi kappaletta yllä olevia molekyylejä eli yhteensä 4 vetyatomi ja 2 happiatomia
  • 3 H2O = kolme kappaletta vesimolekyylejä eli yhteensä 6 vetyatomia ja 3 happiatomia

 

Esimerkiksi veden muodostuminen vedystä ja hapesta (eli vedyn palaminen):

2 H2 + O2 → 2 H2O

Molemmilla puolilla pitää olla 4 vetyatomia ja 2 happiatomia.

Joskus (mutta ei aina) on reaktioyhtälöön merkitty sekin, jos reaktiossa vapautuu energiaa tai, jos reaktio erityisesti vaatii energiaa tapahtuakseen. Tällöin voi reaktioyhtälön jommalla kummalla puolella lukea myös 'energiaa'.

Esimerkiksi metaanin palaminen (eli metaanin reaktio hapen kanssa):

CH4 + O2→ CO2 + 2 H2O + energiaa

Esimerkiksi yhteyttäminen (miten kasvit tuottavat sokeria ja hengittämämme hapen):

6 CO2 + 6 H2O + energiaa → C6H12O6 + 6 O2

Tehtävä C:

Alla on kolme reaktioyhtälöä, joissa kaikissa syntyy sama kuvitteellinen yhdiste A3D2. Mikä reaktioyhtälöistä on oikein? Miksi juuri se? Mikä muissa yhtälöissä on vikana?

1)    A4E + D2E→A3D2 + A2E2

2)    A4E2 + D3→A3D2 + ADE2

3)    A3DE2 + D3E→A3D2 + D2E2

Vastaus tehtävään löytyy sivun alalaidasta.

Reaktion nopeuteen vaikuttavat seikat

Oletetaan, että haluamme kahden aineen reagoivan keskenään. Laitamme ne reaktiota varten koeputkeen ja katsomme, mitä tapahtuu. Siihen, tapahtuuko koeputkessa yhtään mitään tai kuinka nopeasti siellä tapahtuu, vaikuttaa 6 erilaista asiaa.

1) Aineiden omat ominaisuudet

Aineet ovat erilaisia. Kaikki atomit eivät ole halukkaita reagoimaan toisten aineiden kanssa, toiset taas ovat vähän liiankin halukkaita muodostamaan yhdisteitä. Jalokaasut (jaksollisen järjestelmän 8. korkea sarake, jossa ylimpänä He) eivät reagoi toisten aineiden kanssa, koska niillä on jo valmiiksi uloimmalla elektronikuorellaan oktetti eli halutut 8 elektronia. Typpi, joka yksittäisinä atomeina on hyvin reaktiivinen aine, ei puolestaan reagoi toisten aineiden kanssa kovinkaan helposti, jos se on kaasumaisessa olomuodossa molekyyleinä N2: tämä johtuu siitä, että typpimolekyylissä on kolmoissidos, jonka purkaminen vaatii paljon energiaa.

2) Sekoittaminen

Jotta reaktio voisi tapahtua, täytyy reagoivien aineiden kohdata toisensa. Jos koeputkea ravistetaan tai sen sisältöä sekoitetaan lasisauvalla, reagoivat aineet lähtevät liikkeelle. Kun ne liikkuvat, ne törmäävät helpommin toisiinsa, jolloin myös reaktio voi tapahtua. Sekoittamisen vaikutuksen näkee hyvin esimerkiksi siinä, miten sokeri liukenee veteen: Jos vain kaadat lusikallisen sokeria vesilasilliseen, se jää kasaksi lasin pohjalle. Jos myös sekoitat, sokeri liukenee veteen ja katoaa näkyvistä.

3) Määrä

Mitä enemmän reagoivien aineiden atomeja tai molekyylejä koeputkessa on, sitä helpommin ne törmäävät toisiinsa: ruuhkassa on sangen todennäköistä törmätä toiseen. Jos reagoivia aineita on hyvin vähän, ne eivät välttämättä kohtaa toisiaan milloinkaan, vaikka koeputkea kuinka ravistaisi.

4) Lämpötila

Lämpö on aineen rakenneosasten liike-energiaa. Mitä lämpimämpää aine on, sitä nopeammin sen rakenneosat liikkuvat. Niin ollen myös koeputkea lämmittämällä saadaan siellä olevat reagoivat aineet liikkumaan nopeammin. Mitä nopeammin aineosaset liikkuvat, sitä nopeammin ne todennäköisesti törmävät toisiinsa. Lämpöenergia myös mahdollistaa lämpöä vaativien reaktioiden tapahtumisen: kaikki reaktiot eivät voi tapahtua ilman ylimääräistä lämmitystä.

5) Aineen hienojakoisuus

Jos laitat vesilasilliseen sokeripalan tai lusikallisen tomusokeria, huomaat varmasti eron siinä, miten nopeasti sokeri liukenee veteen. Reagoivien aineiden jauhaminen hienoksi lisää aineen pinta-alaa. Kun aine ei ole yksittäisiä atomeja tai molekyylejä, reaktiot tapahtuvat aineen pinnalla. Mitä suurempi pinta-ala on, sitä enemmän yksittäisten hiukkasten reaktioita voi tapahtua, jolloin reaktio kokonaisuudessaan tapahtuu nopeammin.

6) Katalyytti

Reagoivat aineet eivät välttämättä tiedä, mitä niiden tulisi tehdä muodostaakseen haluttua lopputuotetta. Katalyytti on reaktioastiaan lisättävä apuaine, joka kertoo reagoiville aineille sen, mitä tulee tehdä. Itse katalyytti ei kulu reaktiossa, joten reaktion loputtua, kaikki katalyytti on edelleen koeputkessa, se ei katoa sieltä minnekään. Katalyyttiä voi ajatella eräänlaisena muottina, mihin reagoivat aineet asettuvat, jotta voivat sitten tarttua kiinni toisiinsa halutulla tavalla. Elämän kannalta katalyytit ovat tärkeitä, koska omien elintoimintojemme vaatimat reaktiot tapahtuisivat aivan liian hitaasti ilman katalyytteinä toimivia entsyymejä.

Tehtävä D:

Alla on kuvailtu kolme erilaista reaktiota. Mieti kaikkea yllä oppimaasi apuna käyttäen keinoja hidastaa näitä reaktioita (tapojen ei tarvitse olla sinun itsesi toteutettavissa). Mieti ensin itse kaikki tapaukset ja tarkista vasta sitten mietintösi tulos oikeista vastauksista sivun alalaidasta.

  1. Rautaesine ruostuu, kun se joutuu kosketuksiin ilman hapen kanssa kosteissa olosuhteissa. Ruosteen koostumus vaihtelee olosuhteiden mukaan, mutta aina se on huokoista ja lohkeilevaa, joten ilmassa oleva happi ja vesi pääsevät helposti sen alle jatkamaan ruostumisreaktiota. Jos asialle ei tehdä mitään, lopulta rautaesine on läpeensä ruostunut. Miten estät rautaesinettä ruostumasta tai hidastat reaktiota?
  2. Ruoan pilaantuminen on joukko erilaisia kemiallisia reaktiota. Osa näistä reaktioista on ruoka-aineiden reaktiota ilman hapen kanssa, osa tapahtuu myös hapettomissa olosuhteissa. Jauheliha on erityisen herkkä pilaantumaan. Millä keinoin jauhelihan pilaantumista voisi hidastaa?
  3. Otsonikato aiheutuu siitä, että ilmakehään päässeet CFC-yhdisteet (kloori-fluori-hiiliyhdisteet) vapauttavat ilmakehään klooria, joka katalysoi reaktiota, jossa otsoni O3 hajoaa takaisin happimolekyyleiksi O2. Samanlainen katalysoiva vaikutus on myös bromilla, jota käytetään palonsuoja-aineissa. Mitä vähemmän yläilmakehässä on otsonia, sitä enemmän maahan asti pääsee ultraviolettisäteilyä, joka aiheuttaa ihosyöpää ja silmän verkkokalvon rappeutumista niin ihmisille kuin eläimillekin. Mitä keinoja olisi estää otsonin hajoaminen?

Kertaus: mitä sinun tulee osata tämän osion tehtyäsi

  • Mitä kemiallisessa reaktiossa tapahtuu
  • Kemiallisen reaktioyhtälön tasapainon tarkistaminen
  • Reaktion nopeuteen vaikuttavat 6 asiaa ja niiden soveltaminen käytäntöön

 

Oikeat vastaukset:

Tehtävä C:

Reaktio 2, koska vain siinä molemmilta puolilta löytyy yhtä monta kutakin atomia

Tehtävä D:

  1. Rauta ei ruostu, jos se on ihan kuivissa olosuhteissa: eli pidetään rautaesine kuivana. Jos vesi ja happi eivät pääse käsiksi rautaan, se ei ruostu: säilytetään rautaesine ilmatiiviissä taatusti kuivassa rasiassa tai käytetään suojarasvaa tai -öljyä. Röpelöinen pinta ruostuu nopeammin kuin sileä: valmistetaan rautaesine mahdollisimman sileäpintaiseksi.
  2. Pidetään jauheliha koko ajan kylmänä: kylmässä reaktiot tapahtuvat hitaammin. Pakataan jauheliha myyntiä varten suojakaasuun (yleensä käytetään typpeä N2): jos paketissa ei ole happea, hapen reaktiot eivät ole mahdollisia. Pidetään jauhelihakimpale mahdollisimman tiiviinä: pienempi pinta-ala hidastaa reaktioita.
  3. Estetään kloorin ja bromin pääsy ilmakehään: käytännössä tämä tarkoittaa näitä aineita sisältävien tuotteiden käytön lopettamista. CFC-yhdisteet (joita ennen oli kaikissa suihkedeodoranteissa ja hiuslakoissa ja muissa painepakkauksissa ja jääkaappien jäähdystysnesteissä) on kansainvälisen sopimuksen ansiosta saatu lähestulkoon kielletyiksi, samoin bromia sisältävien aineiden käyttöä valvotaan. Tämä ei kuitenkaan auta poistamaan ilmakehästä sinne jo päässyttä klooria ja bromia. Koska kloori ja bromi toimivat otsonin hajoamisreaktiossa katalyytteinä, ne eivät itse kulu reaktiossa vaan voivat toimia ilmakehässä vuosikymmeniä.

Päivitetty: 27.06.2016