Kemiallisia reaktioita ympärillämme Fysiikan ja kemian pedagogiikan perusteet Kari Sormunen Syksy 2014
Kemiallinen reaktio Kemiallinen reaktio on prosessi, jossa aineet muuttuvat toisiksi aineiksi: atomien ja molekyylien elektronijakaumat muuttuvat, ja yleensä sidoksia syntyy tai katkeaa. Reaktiossa atomi voi muuttua ioniksi, molekyylit voivat yhdistyä tai hajota, tai molekyylien atomit voivat järjestyä uudestaan. Olomuodon muutosta ei sanota kemialliseksi reaktioksi, koska aine ei itsessään muutu toiseksi aineeksi. Kemiallisissa reaktioissa voivat muuttua vain atomien elektronipilvet, eivät atomien ytimet niin kuin ydinreaktioissa. Jokaisessa kemiallisessa reaktiossa myös sitoutuu tai vapautuu energiaa, tavallisimmin lämpönä. Tällä perusteella reaktiot jaetaan endotermisiin (sitoo energiaa) ja eksotermisiin (energiaa vapautuu) reaktioihin. Nämä energian muutokset ovat kuitenkin paljon pienempiä kuin ydinreaktioissa. Siten aineiden massa ei muutu havaittavasti ja voidaan puhua aineen häviämättömyyden laista. Kemiallisissa reaktioissa alkuaineet eivät muutu toisiksi alkuaineiksi, vaan jokaisen alkuaineen lukumäärä säilyy. Tämän vuoksi kemiallisiin reaktioyhtälöihin merkitään yhdisteiden kaavojen eteen kertoimet, jotka osoittavat, missä suhteessa eri aineiden molekyylejä osallistuu reaktioon. Kemialliset reaktiot voidaan jakaa erityyppisiin ryhmiin. Käymme seuraavassa läpi demonstroiden erilaisia reaktiotyyppejä ja määrittelemme kunkin osion lopussa reaktiotyyppiä kuvaavan käsitteen.
A. -reaktiot Oletko huomannut sormessasi pronssisormuksen aiheuttaman vihreän renkaan? Tai kuparikattojen vihertymisen tai hopeaesineiden tummumisen? Tuleeko sinulle mieleen, millä arkielämästäkin tutulla käsitteellä kyseistä metalliesineeseen kohdistuvaa ilmiötä voisi kuvata? Esimerkiksi kuparin ja ilman hapen reaktio on siis edellä mainitun kaltainen reaktio, jossa elektroneja siirtyy atomeilta toisille. Perusteet elektroniverhon tapahtumille voidaan päätellä jaksollisesta järjestelmästä, tosin kuparin kohdalla sitä ei voida tehdä pääryhmiin perustuen, koska Cu kuuluu ns. sivuryhmiin. Otamme siis tässä tapauksessa annettuna tietona sen, että kuparilla on 2 ns. ulkoelektronia. Hapen osalta voimme jaksollisen järjestelmän avulla päätellä, että se VI pääryhmän alkuaineena haluaisi 2 elektronia lisää uloimmalle elektronikuorelle saavuttaakseen oktetin.
Piirretään havainnollistava kuvasarja elektronien siirtymisestä ja ionien muodostumisesta: Kuparin ja hapen reaktioyhtälöä pitää täydentää (koska happi on ilmassa O 2 -molekyylinä) + Kupariatomit hapettuvat eli ne elektroneja ja niistä tulee Cu 2+ -ioneita. Happiatomit puolestaan vastaanottavat elektroneja eli ne O 2- -ioneiksi. Päättele em. seikat alumiinin ja rikin välisestä reaktiosta jaksollisesta järjestelmää hyväksi käyttäen. Mikä on syntyvän yhdisteen nimi ja kaava? Huomaa siis, ettei hapettuminen edellytä hapen mukanaoloa [hapettuminen on yleiskäsite]! Kirjataan reaktiotyypin nimitys otsikkoon!
B. -reaktiot Mitä tapahtuu, kun lämpimään maitoon lisätään etikkaa? Tutkitaan seuraavaksi, mitä tapahtuu kivennäisvedelle, kun siihen lisätään hopeanitraatin (AgNO 3 ) vesiliuosta. Havainnot: Selitys: Kivennäisvesi sisältää liuenneena useita suoloja, esim. NaCl ja KCl. Vesiliuoksessa tapahtuu ionireaktioita, joiden tuloksena saadaan niukkaliukoista suolaa: Millä arkikielessäkin käytetyllä käsitteellä voisit kuvailla reaktiota? Kirjataan käsite otsikkoon. Kuinka saisit kyseisen reaktiotuotteen mahdollisimman tarkoin talteen? Kemiassa tarkkaan erottamiseen nesteestä voidaan käyttää myös sentrifugia. Mihin sen toiminta perustuu?
C. reaktiot Leivonnaisten kohottamiseen käytetään toisinaan hirvensarvisuolaa, joka sisältää ammoniumvetykarbonaattia NH 4 HCO 3. Yhdiste hajoaa jo +60 o C:n lämpötilassa ammoniakiksi (NH 3 ), vedeksi ja hiilidioksidiksi. Syntyvät ammoniakki- ja hiilidioksidikaasut kohottavat taikinan. Päätellään huolellisesti kyseinen reaktio! + + Reaktiotyypin nimi otsikkoon! Lämmön vaikutuksesta helposti hajoavia yhdisteitä ovat esimerkiksi vetykarbonaatit, karbonaatit, nitraatit ja peroksidit. Nitraatteja käytetään paljon räjähdysaineissa, koska ne hajotessaan tuottavat paljon kaasumaisia aineita ja siten aiheuttavat äkillisen painevaikutuksen. Karbonaatit hajoavat myös happojen vaikutuksesta. Esimerkiksi, pääasiassa kalsiumkarbonaatista koostuva marmori syöpyy happamien sateiden vaikutuksesta, tai kananmunan kuoren saat syöpymään pois etikkaliuoksessa.
D. reaktiot Ruokaetikka valmistetaan laimentamalla väkevää liki 100-prosenttista etikkahappoa siten, että siitä tulee 10-massaprosenttista vesiliuosta. Liuoksen ph on tällöin noin 2 eli se on selvästi. Selitys: Kun väkevästä etikkahaposta CH 3 COOH laimennetaan 10- prosenttinen liuos, tapahtuu reaktio, jossa etikkahappomolekyylit luovuttavat H + -ioneja vesimolekyyleille: Syntyvä oksonium-ioni H 3 O + aiheuttaa vesiliuoksen happamuuden. Lisäksi syntyy asetaatti-ioneja. 100-%:ssa hapossa tätä reaktiota ei tapahtuisi, sillä siinä ei olisi vesimolekyylejä, joille vetyionit voisivat siirtyä.
Ammoniakkia NH 3 käytetään puhdistusaineissa ja hiusväreissä sekä teollisuudessa lannoitteiden ja väriaineiden valmistukseen. Huoneen lämpötilassa ammoniakki on runsaasti veteen liukeneva kassu. Tällöin osa ammoniakkimolekyyleistä ottaa vastaan H + -ionin: Näin muodostuva hydroksidi-ioni OH - aiheuttaa vesiliuosten emäksisyyden. Hapoksi kutsutaan vetyionin ja emäkseksi vetyionin. Happo voi luovuttaa vetyionin vain, jos läsnä on emäs joka voi ottaa sen vastaan! Nimetään reaktiotyyppi yhdessä!
Vesimolekyylin kahtalainen luonne (vrt. eo. kaksi esimerkkikuviota). Vesi voi toimia. Vesi on eräs esimerkki tällaisista aineista eli amfolyyteistä. Käsitteet vahva (happo / emäs) ja heikko (happo / emäs) Vetykloridi on esimerkki vahvasta haposta, koska vesiliuoksessa kaikki vetykloridimolekyylit luovuttavat vetyionin. Etikkahappo luokitellaan sen sijaan heikoksi hapoksi, koska vain osa sen molekyyleistä luovuttaa vetyionin vesiliuoksessa. Myös emäkset luokitellaan vahvoiksi ja heikoiksi sen mukaan, miten täydellisesti tai heikosti ne ottavat vastaan vetyioneja. Entäs väkevä ja vahva sitten? Mitä sitten tarkoittikaan käsite väkevä kemiassa? Mikä on sen vastakohta? Älä siis sekoita esimerkiksi vahvaa ja laimeata happoliuosta käsitteellisesti keskenään!
E. reaktiot Mahalaukun neste sisältää suolahappoa (eli vetykloridin vesiliuosta HCl). Ns. liikahappoisuusvaivaan voidaan nauttia lääkkeitä, jotka sisältävät, esimerkiksi alumiinitrihydroksidia. Mitä arkikielessäkin käytettävää käsitettä käyttäisit em. toimenpiteestä? Nimetään se myös otsikkoon! Eo. kaltaisessa hapon ja emäksen välisessä reaktiossa syntyy reaktiotuotteena ioniyhdistettä ja vettä. Kirjoita suolahapon ja alumiinitrihydroksidin välinen reaktioyhtälö ja nimeä syntyvä suola. + +. AlCl 3 on.
Hapanta maaperää tai vesistöä kalkittaessa samoin kuin rikkidioksidipitoisia savukaasuja pestessä tapahtuu samanlainen -reaktio. Nimetään käsite otsikkoon! Tässä reaktiotyypissä siis happaman liuoksen oksonium-ionit ja emäksisen liuoksen hydroksidi-ionit reagoivat keskenään, jolloin muodostuu vettä: Edellä mainitun reaktion taitekohta saadaan näkymään esimerkiksi ns. titrauksessa indikaattorin avulla.