Kemiallinen reaktio – määritelmä, esimerkit ja energianmuutokset
Kemiallinen reaktio – selkeä määritelmä, konkreettiset esimerkit (ruoste, etikka+ruokasooda), eksotermiset ja endotermiset energiamuutokset helposti ymmärrettävästi.
Kemiallinen reaktio tapahtuu, kun yksi tai useampi kemikaali muuttuu yhdeksi tai useammaksi muuksi kemikaaliksi. Reaktiossa atomien järjestys ja elektronien sitoutuminen muuttuvat, mutta atomien lukumäärä pysyy samana (massan säilymislaki). Esimerkkejä:
- Rauta ja happi muodostavat yhdessä ruostetta
- etikka ja ruokasooda yhdistyvät natriumasetaatiksi, hiilidioksidiksi ja vedeksi.
- palavat tai räjähtävät esineet
- monia reaktioita, jotka tapahtuvat elävien olentojen sisällä
- sähkökemialliset reaktiot akkuja purettaessa tai ladattaessa
Jotkut reaktiot ovat hyvin nopeita, toiset hitaita. Reaktioiden nopeuteen (reaktiokinetic) vaikuttavat muun muassa lämpötila, aineiden konsentraatio, pinta-ala ja katalyytit. Monet reaktiot muuttuvat nopeammin korkeammassa lämpötilassa: esimerkiksi puu ei reagoi ilman kanssa, kun se on kylmää, mutta jos se kuumennetaan tarpeeksi, se alkaa palaa. Reaktioilla on myös oma aktivaatiokykynsä — energiamäärä, joka tarvitaan, jotta reaktio voi alkaa.
Energian muutokset
Joistakin reaktioista vapautuu energiaa. Nämä ovat eksotermisiä reaktioita: reaktion tuotteissa on vähemmän sisäenergiaa kuin lähtöaineissa, ja ylimääräinen energia vapautuu usein lämmöksi tai valona. Toisissa reaktioissa energiaa otetaan sisään; nämä ovat endotermisiä reaktioita. Energian muutokset mitataan tavallisesti jouleina tai kilojouleina per mooli (kJ/mol) ja liittyvät termodynamiikan suureisiin, kuten entalpian muutokseen (ΔH).
Reaktioiden kulkua kuvataan usein energiaprofiililla (reaktiokoordinaattidiagrammi), jossa näkyy lähtöaineiden ja tuotteiden energiat sekä aktivaatioenergia. Katalyytit voivat alentaa aktivaatioenergiaa ja siten nopeuttaa reaktiota ilman, että ne muuttuvat pysyvästi itse reaktiossa.
Tasapaino ja kemiallisen yhtälön tasapainottaminen
Monet reaktiot ovat käänteisiä: tuotteet voivat reagoida muodostaakseen lähtöaineita. Tällöin järjestelmä voi saavuttaa kemiallisen tasapainon, jossa etenevän ja palautuvan reaktion nopeudet ovat yhtä suuret. Kemialliset reaktiot ilmaistaan reaktioyhtälöillä, jotka on tasapainotettava niin, että atomien lukumäärä on molemmilla puolilla sama (massan säilyminen). Tasapainotuksessa käytetään stoikiometriaa, joka kertoo kuinka monta moolia kukin aine kuluttaa ja muodostaa.
Reaktiomekanismit ja biologiset reaktiot
Yksinkertaisissa reaktioissa kaikki tapahtuu yhden askeleen kautta, monissa tapahtuu useita välivaiheita ja välituotteita — tätä kutsutaan reaktiomekanismiksi. Elävissä soluissa tapahtuvat reaktiot (metabolia) koostuvat usein monimutkaisista, usean vaiheen entsyymien katalysoimista reitistöistä. Nämä reaktiot ovat välttämättömiä elintoiminnoille, kuten energian tuotannolle ja solukomponenttien rakentamiselle.
Kemialliset vs. ydinreaktiot
Ydinreaktiot eivät ole kemiallisia reaktioita. Kemiallisissa reaktioissa muutoksissa ovat mukana atomien uloimmat elektronit ja niiden sidokset; ydinreaktioissa tapahtuu muutoksia atomiytimissä olevissa protoneissa ja neutroneissa, ja niihin liittyy yleensä paljon suurempia energiamääriä.
Käytännön merkitys ja turvallisuus
Kemiallisilla reaktioilla on valtava merkitys teollisuudessa, energiantuotannossa, lääketieteessä ja arjessa. Esimerkiksi polttoaineiden palaminen, lannoitteiden ja lääkkeiden valmistus, elintarvikkeiden happamuuden säätö ja akut toimivat kemiallisten reaktioiden avulla. Monet reaktiot voivat olla vaarallisia (palovaarat, myrkylliset kaasut, räjähdykset), joten reaktioiden käsittelyssä on noudatettava asianmukaisia turvallisuusohjeita.
Yhteenvetona: kemiallinen reaktio muuttaa aineiden sidoksia ja elektronijärjestystä tuottaen uusia aineita, noudattaa massan säilymistä, voi luovuttaa tai sitoa energiaa ja sen nopeuteen ja kulkuun vaikuttavat monet kemialliset ja fysikaaliset tekijät.
Ruostuva rauta
Nuotio on esimerkki redoxista
Neljä perustyyppiä
Synteesi
Synteesireaktiossa kaksi tai useampi yksinkertainen aine yhdistyy muodostaakseen monimutkaisemman aineen.
A + B ⟶ A B {\displaystyle A+B\longrightarrow AB} 
"Kaksi tai useampi reaktantti antaa yhden tuotteen" on toinen tapa tunnistaa synteesireaktio. Yksi esimerkki synteesireaktiosta on raudan ja rikin yhdistyminen rauta(II)sulfidiksi:
8 F e + S 8 ⟶ 8 F e S {\displaystyle 8Fe+S_{8}\longrightarrow 8FeS} 
Toinen esimerkki on yksinkertainen vetykaasu, joka yhdistyy yksinkertaisen happikaasun kanssa monimutkaisemmaksi aineeksi, kuten vedeksi.
Hajoaminen
Hajoamisreaktiossa monimutkaisempi aine hajoaa yksinkertaisempiin osiinsa. Se on siis synteesireaktion vastakohta, ja se voidaan kirjoittaa seuraavasti:
A B ⟶ A + B {\displaystyle AB\longrightarrow A+B} 
Yksi esimerkki hajoamisreaktiosta on veden elektrolyysi hapen ja vetykaasun tuottamiseksi:
2 H 2 O ⟶ 2 H 2 + O 2 {\displaystyle 2H_{2}O\longrightarrow 2H_{2}+O_{2}}} 
Yksittäinen korvaaminen
Yksittäisessä korvausreaktiossa yksittäinen yhdistämätön alkuaine korvaa yhdisteessä toisen alkuaineen; toisin sanoen yksi alkuaine vaihtaa paikkaa toisen alkuaineen kanssa yhdisteessä:
A + B C ⟶ A C + B {\displaystyle A+BC\longrightarrow AC+B} 
Yksi esimerkki yksittäisestä syrjäytysreaktiosta on, kun magnesium korvaa vedessä olevan vedyn magnesiumhydroksidilla ja vetykaasulla:
M g + 2 H 2 O ⟶ M g ( O H ) 2 + H 2 {\displaystyle Mg+2H_{2}O\longrightarrow Mg(OH)_{2}+H_{2}}} 
Kaksinkertainen korvaaminen
Kaksoiskorvausreaktiossa kahden yhdisteen anionit ja kationit vaihtavat paikkaa ja muodostavat kaksi täysin erilaista yhdistettä. Nämä reaktiot ovat yleisessä muodossa:
A B + C D ⟶ A D + C B {\displaystyle AB+CD\longrightarrow AD+CB} 
Esimerkiksi kun bariumkloridi (BaCl2 ) ja magnesiumsulfaatti (MgSO4 ) reagoivat, 42−SO-anioni vaihtaa paikkaa 2Cl-anionin kanssa−, jolloin syntyvät yhdisteet BaSO4ja MgCl 2.
Toinen esimerkki kaksoissiirtymäreaktiosta on lyijy(II)nitraatin ja kaliumjodidin reaktio, jossa muodostuu lyijy(II)jodidia ja kaliumnitraattia:
P b ( N O 3 ) 2 + 2 K I ⟶ P b I 2 + 2 K N O 3 {\displaystyle Pb(NO_{3})_{2}+2KI\longrightarrow PbI_{2}+2KNO_{3}}} 
Neljä kemiallista perusreaktiotyyppiä: synteesi, hajoaminen, yksinkertainen korvaaminen ja kaksinkertainen korvaaminen.
Yhtälöt
Kemiallinen reaktio esitetään yhtälön avulla:
A + B ⟶ C + D {\displaystyle \mathrm {A+B\longrightarrow C+D} } 
Tässä A ja B reagoivat kemiallisessa reaktiossa C:ksi ja D:ksi.
Tämä on esimerkki palamisreaktiosta.
C + O 2 ⟶ C O 2 {\displaystyle \mathrm {C+O_{2}\longrightarrow CO_{2}} } 
hiili + happi → hiilidioksidi
Aiheeseen liittyvät sivut
- Orgaaninen reaktio
- Redox
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on kemiallinen reaktio?
A: Kemiallinen reaktio tapahtuu, kun yksi tai useampi kemikaali muuttuu yhdeksi tai useammaksi muuksi kemikaaliksi.
K: Voitko antaa esimerkkejä kemiallisista reaktioista?
V: Kyllä, joitakin esimerkkejä kemiallisista reaktioista ovat raudan ja hapen yhdistyminen ruosteen muodostamiseksi, etikan ja ruokasoodan yhdistyminen natriumasetaatiksi, hiilidioksidin ja veden yhdistyminen, esineiden palaminen tai räjähtäminen ja monet reaktiot, jotka tapahtuvat elävien olentojen sisällä, kuten fotosynteesi.
Kysymys: Ovatko kaikki kemialliset reaktiot nopeita?
V: Ei, jotkut reaktiot ovat nopeita ja toiset hitaita. Jotkin reaktiot tapahtuvat eri nopeuksilla lämpötilasta tai muista asioista riippuen.
K: Mikä on eksoterminen reaktio?
V: Eksoterminen reaktio on reaktio, joka luovuttaa energiaa.
K: Mikä on endoterminen reaktio?
V: Endoterminen reaktio on reaktio, joka ottaa energiaa.
K: Onko ydinreaktioita pidettävä kemiallisina reaktioina?
V: Ei, ydinreaktiot eivät ole kemiallisia reaktioita. Kemiallisissa reaktioissa ovat mukana vain atomien elektronit, kun taas ydinreaktioissa ovat mukana atomiytimissä olevat protonit ja neutronit.
K: Voiko lämpötila vaikuttaa kemiallisen reaktion nopeuteen?
V: Kyllä, lämpötilasta tai muista seikoista riippuen jotkin reaktiot voivat tapahtua eri nopeuksilla. Esimerkiksi puu ei reagoi ilman kanssa, kun se on kylmää, mutta jos se kuumennetaan tarpeeksi, se alkaa palaa.
Etsiä