Johdantoa. Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi?

Transkriptio

1 Mitä on kemia? Johdantoa REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi? Kaikissa kemiallisissa reaktioissa tapahtuu energian muutoksia, jotka liittyvät vanhojen sidosten katkeamiseen ja uusien sidosten muodostumiseen. sidos = elektronit. Tällä kurssilla tarkastellaan kemiallista reaktiota ja sen mekanismeja eli miten reaktio tapahtuu, milloin se tapahtuu (olosuhteet), mitä voidaan havaita. Osa kemiallisista reaktioista havaitaan ihmisaistein, esim. valona, lämpönä, värin muutoksena, sakan muodostumisena jne. Osa reaktioista on mikrotason ilmiöitä, joita ei aistein havaita. Joskus on myös helppo erehtyä: veden kiehuessa syntyvät kaasukuplat eivät kerro kemiallisesta reaktiosta, vaan kuplat ovat veteen liuenneita kaasuja ja kaasuuntunutta vettä. Reaktioita tutkittaessa on varmistuttava mitä tutkittavan ilmiön aikana todella tapahtuu ja mitä reaktiotuotteita lähtöaineista syntyy! Miten kemiallinen reaktio tapahtuu? Kemiallinen reaktio voi tapahtua vain silloin, kun lähtöainemolekyylit, -atomit tai -ionit törmäävät toisiinsa riittävän voimakkaasti ja törmäys osuu oikeasta suunnasta molekyylin, atomin tai ionin reaktioherkkään kohtaan. A B A: Lähtöaineet liikkuvat liian hitaasti, eli niiden liike-energia on pieni törmäys on kimmoinen ja reaktiota ei tapahdu. B: Lähtöaineet liikkuvat nopeasti, liike-energia on suuri jos törmäys osuu oikeaan kohtaan, tapahtuu reaktio. 1

2 Kemialliseen reaktioon liittyviä käsitteitä ja määritelmiä: Reaktiomekanismi tarkoittaa mallia, joka selittää atomi- ja elektronitasolla, miten reaktio tapahtuu (erityisesti orgaanisen kemian reaktiot). Reaktiomekanismin kuvaamiseen käytetään mahdollisimman tarkkoja rakennekaavoja sekä erilaisia nuolia, jotka kuvaavat elektronien liikettä. Fysikaalinen kemia, laskennallinen kemia, synteettinen kemia Kemiallista reaktiota kuvataan tasapainotetulla reaktioyhtälöllä, josta nähdään lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden kemiallisten kaavojen lisäksi myös näiden aineiden olomuodot ja reaktioyhtälön (ns. stoikiometriset) kertoimet. Stoikiometria tulee kreikasta: stoikhein = alkuaine ja metrein = mittaaminen. Kinetiikka on reaktionopeuksia tutkiva ja niitä matemaattisesti mallintava kemian osa-alue. Kemiallisia reaktioita ovat: hapettuminen ja pelkistyminen (palaminen), protolyysi- eli protonin siirtoreaktiot (neutraloituminen), saostuminen, hajoaminen. Orgaanisessa kemiassa lisäksi: substituutio- eli korvautumisreaktiot, additio- eli lisäysreaktiot, eliminaatio- eli poistoreaktiot, kondensaatio eli lohkeaminen, hydrolyysi (saippuan valmistus) ja polymeroitumisreaktiot. Protolyysireaktioita 2

3 Kun happo ja emäs reagoivat keskenään vesiliuoksessa ne neutraloivat toisensa ja syntyy vettä ja suolaa. Reaktioyhtälöä kuvaavia nuolia 3

4 Kemistit välittävät tietoa kemiallisista reaktioista kirjoittamalla lyhennettyjä esityksiä siitä, mitä reaktioastiassa tapahtuu. Näitä esityksiä kutsutaan reaktioyhtälöiksi, esimerkiksi CH 4 g + 2O 2 g CO 2 g + 2H 2 O g lähtöaineet Reaktioyhtälöt reaktiotuotteet tai lopputuotteet Tulkinta aina mukaan. Metaanin palaessa syntyy hiilidioksidia ja vettä. Aineiden olomuodot huoneen lämpötilassa: s=kiinteä (solid), l=neste (liquid), g=kaasu (gas) ja aq=veteen liuenneena (aqueous). Huomaa yo. reaktiossa merkintä H 2 O g, millä tarkoitetaan vesihöyryä (reaktio-olosuhteet!), muuten H 2 O l. Reaktioyhtälön on - Oltava yhtäpitävä kokeellisten havaintojen kanssa - Kerrottava, mitkä aineet reagoivat ja mitä reaktiotuotteita syntyy; muita reaktioon osallistumattomia aineita ei tavallisesti kirjoiteta näkyviin - Kerrottava reaktion ainemääräsuhteet (=moolisuhteet), p, kat., H 2 SO 4, hν 4

5 MUISTA: metallit kiinteitä (elohopea, Hg, nesteenä), happi, typpi, vety ja halogeenit kaksiatomisia, ioniyhdisteet eli suolat kiinteitä, mutta kylläisessä vesiliuoksessa sekä (aq) (veteen liuenneena ioneina) että (s) (kiinteä suolana) hapot ja emäkset veteen liuenneina Kemiallisessa reaktiossa ainetta ei voi hävitä eikä syntyä, vain olomuodot muuttuvat aineen häviämättömyyden periaate. Tämän vuoksi reaktioyhtälö tasapainotetaan, eli etsitään pienimmät kokonaislukukertoimet kemiallisten kaavojen eteen. Kemialliset kaavat: H 2, O 2, KClO 3, C 3 H 5 N 3 O 9, jne. ÄLÄ MUUTA kemiallisia kaavoja (alaindeksejä)! Sähkövarauksen pitää pysyä samana. Eli esimerkiksi ionireaktioissa yhtälön molemmilla puolilla on ionien varausten summan oltava sama. Samoin hapetus-pelkistys ilmiössä hapetuslukujen täytyy olla itseisarvoltaan samat, mutta vastakkaismerkkiset! Reaktioyhtälön kertoimien määrittäminen 5

6 Esimerkki 1, reaktioyhtälön tasapainottaminen: a) Tasapainotetaan reaktioyhtälö: Zn s + HCl aq ZnCl 2 aq + H 2 g. Nyt sinkit Zn ovat tasapainossa, mutta kloorit Cl ja vedyt H eivät. Kirjoitetaan kerroin kaksi vetykloridin (suolahapon) eteen Zn s + 2 HCl aq ZnCl 2 aq + H 2 g. Havaitaan, että näin on saatu tasapainotettu metallisen sinkin reaktio suolahapon kanssa Zn s + 2 HCl aq ZnCl 2 aq + H 2 g. b) Tasapainotetaan reaktioyhtälö KClO 3 s KCl s + O 2 g. Havaitaan, että aluksi vain happi O ei ole tasapainossa. Kirjoitetaan kerroin kaksi kaliumkloraatin eteen ja kerroin kolme happimolekyylin eteen 2 KClO 3 s KCl s + 3 O 2 g. Seuraavaksi tasapainotetaan kaliumit, jotka alun perin oli tasapainossa. Lähtöpuolella on nyt 2 kpl, lopputuotteissa vain yksi, joten kirjoitetaan kerroin 2 kaliumkloridin eteen 2 KClO 3 s 2 KCl s + 3 O 2 g. Havaitaan, että samalla myös kloorit saavuttivat tasapainon. Tasapainotettu reaktio on siis 2 KClO 3 s 2 KCl s + 3 O 2 g. Toinen vaihtoehtoinen tapa: Reaktioyhtälö on siis KClO 3 s KCl s + O 2 g. Tasapainotetaan hapet KClO 3 s KCl s O 2 g. Kerrotaan lopuksi kokonaisluvulla 2 koko reaktioyhtälö 2 KClO 3 s 2 KCl s O 2 g, jolloin tasapainotettu reaktioyhtälö on 2 KClO 3 s 2 KCl s + 3 O 2 g. 6

7 Esimerkki 2, reaktioyhtälön tasapainottaminen: a) Natriummetalli reagoi veden kanssa muodostaen natriumhydroksidin vesiliuoksen ja vetykaasua. Reaktioyhtälö on: Na s + H 2 O l NaOH aq + H 2 g. Tasapainotetaan vedyt Na s + 2 H 2 O l 2 NaOH aq + H 2 g. ja sitten natriumit (hapet tasapainossa) 2 Na s + 2 H 2 O l 2 NaOH aq + H 2 g. Hapet säilyvät tasapainossa. Siis tasapainotettu reaktioyhtälö on: 2 Na s + 2 H 2 O l 2 NaOH aq + H 2 g. b) Kalsiumkarbonaatti hajoaa kuumennettaessa kalsiumoksidiksi ja hiilidioksidiksi. Reaktioyhtälö on: MUISTA triviaalinimet: CaCO 3 s +lämpöä poltettu kalkki = CaO CaO s + CO 2 g. ja sammutettu kalkki Tasapainotetaan ensin hiilet 2 CaCO 3 s +lämpöä Ca OH 2 CaO s + 2 CO 2 g ja sitten kalsiumit 2 CaCO 3 s +lämpöä 2 CaO s + 2 CO 2 g. havaitaan, että reaktio on nyt tasapainotettu. Yhdisteiden nimeäminen A 7

8 Yhdisteiden nimeäminen B Jäikö mieleen? 8