Luku 2.1 (Lukion Kemia (KE4))

Kemialliset reaktiot

Keho vapauttaa hyttysen pistosta ympäröivälle ihoalueelle histamiini-nimistä entsyymiä. Histamiini aiheuttaa kutinaa. Allergisen reaktion hoitoon saa apteekista antihistamiinivalmisteita, jotka ehkäisevät histamiinin aiheuttamia iho-oireita.

Kemialliset reaktiot ovat kemian tieteenalan tärkeä tutkimuskohde, sillä niiden ymmärtäminen, hallitseminen ja hyödyntäminen tekevät kemiasta tieteen. Kemian lisäksi monet muut tieteet hyödyntävät kemiallisia reaktioita.

Esimerkkejä

  • Kemiallisten reaktioiden mahdollisimman tehokas hyödyntäminen on kemianteollisuuden perusta.
  • Reaktioiden avulla valmistetaan lääkeaineita ja kosmetiikkaa.
  • Ruoanlaitto ja ravintoaineiden säilöminen perustuvat kemiallisiin reaktioihin. Ruoanlaiton kemia on jopa oma tieteenalansa, molekyyligastronomia.
  • Ihmisten ja eläinten fysiologia perustuu kemiallisiin reaktioihin, samoin luonnon toiminta. Mieti esimerkiksi aineiden (mm. vesi, hiili ja typpi) kiertokulkua, ilmakehää tai vaikka niinkin arkista ilmiötä kuin hyttysen puremaa.

Kuvagalleria: Kemiallisia reaktioita elinympäristössä

Kemiallinen reaktio on kemiallinen prosessi, jossa aineet muuttuvat toisiksi aineiksi. Mikrotasolla tarkasteltuna reaktioissa atomien ja molekyylien elektronijakaumat muuttuvat, jolloin aineen rakenne muuttuu. Atomi voi esimerkiksi muuttua ioniksi, molekyylit voivat hajota tai yhdistyä, molekyylin atomit voivat järjestyä uudelleen tai korvautua. Samalla sidoksia katkeaa ja muodostuu uusia sidoksia.
Räjähdys on eksoterminen eli energiaa vapauttava reaktio.
Ilotulitteiden värit perustuvat metallien liekkireaktioihin.
Ilotulitteiden värejä: rauta Fe, kalium K, litium Li, kalsium Ca ja kupari Cu
Elävän luonnon toiminnan perustana ovat, yllätys yllätys, kemialliset reaktiot. Niitä tapahtuu ihmisessäkin valtavia määriä koko ajan.
Myrkytetty luonnollisesti muumioitunut rotta. Sekä myrkytys että muumioituminen perustuvat kemiallisiin reaktioihin.
Ruostunut laivarikko. Miten selittäisit kyseisen ilmiön?
Pilaantuneita hedelmiä. Miten selittäisit kyseisen ilmiön?
Aivojen GABA-välittäjäaineiden reaktioita. Miten selittäisit kyseisen ilmiön?
Termiittireaktio. Miten selittäisit kyseisen ilmiön?
Lisää aiheesta
Muut toiminnot

Kemiallisen reaktion tunnuspiirre

Kemiallisen reaktion keskeinen tunnuspiirre on aineen rakenteen muuttuminen. Aistein havaittavat muutokset ovat seurausta atomitason rakenteiden muutoksista. Reaktioiden submikrotason, eli atomien ja elektronien kokoluokan tarkastelussa nähdään, miten atomien ja molekyylien elektronijakaumat muuttuvat.

Reaktioissa lähtöaineatomien väliset sidokset heikkenevät ja uusia sidoksia muodostuu samalla, kun atomit järjestäytyvät uudelleen. Muutoksen suunta on aina kohti tasapainotilannetta tai pysyvämpää rakennetta. Reaktion aikana ilmenee energian muutoksia, kuten lämpö- tai valoilmiöitä. Reaktioon kuluu myös aina jokin aika.

Kemiallista reaktiota voidaan myös esittää animaation keinoin. Oheisessa animaatiossa tapahtuu kemiallinen reaktio, jossa hiilen ja bromin välinen sidos katkeaa ja samalla muodostuu uusi sidos kloorin ja hiilen välille.
Lisää aiheesta
Muut toiminnot

Reaktion tapahtuminen

Vain oikealla nopeudella ja oikeasta suunnasta tapahtuvat reaktiokykyisten rakenneosien väliset törmäykset johtavat siihen, että lähtöaineista muodostuu reaktiotuotteita. Reaktiokykyisten aineiden lisäksi kemiallinen reaktio edellyttää oikeita ulkoisia olosuhteita. Tilanteesta riippuen vaaditaan tietty lämpötila, säteilyn määrä, tietty paine tai pitoisuus tai muu tekijä, jotta reaktio tapahtuu. Olosuhdemuuttujia voi olla yksi tai useampi.

Esimerkiksi vety- ja happimolekyylit törmäilevät huoneen lämpötilassa jatkuvasti toisiinsa, mutta reaktioon johtavia törmäyksiä ei tapahdu merkittävässä määrin. Kun kaasujen liike-energiaa lisätään kuumentamalla, suotuisia törmäyksiä tapahtuu enemmän ja yhä useampi törmäyksistä johtaa kemialliseen reaktioon.

Kemiallinen reaktio vaatii rakenneosien törmäämisen toisiinsa oikeassa kulmassa sopivalla nopeudella.
Lisää aiheesta
Muut toiminnot

Kertaa kemian perusideat

Kemian perusideat

Perusidea

Laki tai malli

Ainetta tai energiaa ei voi luoda tyhjästä, eikä hävittää.

Aineen ja energian häviämättömyyden laki

Kaikki aine koostuu pienistä rakenneyksiköistä, joita ovat mm. atomit, molekyylit ja ionit.

Rakenneyksiköt sitoutuvat toisiinsa sähköisin vetovoimin. Sidoksen voimakkuus ja sitoutumistapa vaihtelevat (erilaiset sidostyypit). Näistä johtuvat aineiden erilaiset ominaisuudet.

Rakenneyksiköt ovat koko ajan lämpöliikkeessä: ne etenevät, pyörivät ja värähtelevät.

Rakenneyksiköiden törmätessä voi tapahtua kemiallinen reaktio. Törmäyksessä ne eivät voi ”koskettaa” toisiaan, ts. ne eivät koskaan liity fyysisesti kiinni toisiinsa.

Lisää aiheesta
Muut toiminnot

Koonti kemiallisista reaktioista

Seuraavaan taulukkoon on koottu kemiallisia reaktioita perusjaon, epäorgaanisen kemian ja orgaanisen kemian reaktioiden mukaan. Tarkemmat reaktiomekanismit ja reaktio-olosuhteet on esitelty reaktiokohtaisesti alaluvuissa.

Erilaisia kemiallisia reaktioita

Reaktio

Epäorgaaninen kemia

Orgaaninen kemia

Happo-emäsreaktiot, protoninsiirtoreaktiot ja neutraloitumisreaktiot

Happo-emäsreaktiossa hapot luovuttavat protonin ja emäkset vastaanottavat protonin (1).

Neutraloitumisreaktiossa hapon ja emäksen reaktiossa syntyy lähes aina suolaa ja vettä.

Happoina toimivat molekyylit, joissa on hapan funktionaalinen ryhmä, esim. karboksyylihappo- ja fenoliryhmä.

Mistä johtui fenolien happamuus? Selvitä.

Aminoryhmä taas on emäksinen funktionaalinen ryhmä.

Palamisreaktiot

Palamisreaktio on reaktio aineen hapen kanssa. Reaktiossa muodostuu oksideja.

Hiiliyhdisteiden palaessa syntyy hiilidioksidia (epätäydellisessä palamisessa hiilimonoksidia), vettä ja muiden aineiden oksideja (mm. typpioksideja).

Hapetus-pelkistysreaktiot

Kun atomi luovuttaa elektronin, se hapettuu. Kun atomi vastaanottaa elektronin, se pelkistyy. Hapetus-pelkistysreaktiossa tapahtuvat molemmat.

Reaktiota kutsutaan myös hapettumis-pelkistymisreaktioksi. Näissä tapahtuu reagoivien aineiden hapetuslukujen muutoksia eli elektronien siirtymisiä.

Orgaanisten aineiden kuten alkoholien ja karbonyyliyhdisteiden hapetus- ja pelkistysreaktioita ovat seuraavat:

HAPETTUMINEN

  • primäärinen alkoholi > aldehydi > karboksyylihappo
  • sekundäärinen alkoholi > ketoni
  • tertiäärinen alkoholi ei hapetu

PELKISTYMINEN on em. reaktioiden käänteisreaktioita.

Saostumisreaktiot,
​ionin(vaihto)reaktiot ja
​tunnistusreaktiot

Saostumisreaktio on esim. NaSO4 (aq) + BaCl2 (aq) →​ BaSO4 (s) + NaCl (aq); jossa muut aineet ovat veteen liukenevia, paitsi BaSO4, joka on niukkaliukoinen. Tämän näkee (s)-merkinnästä.

Em. reaktiota voidaan kutsua myös ioninvaihtoreaktioksi, jossa Na- ja Ba-atomit "vaihtavat" niihin liittyneitä anioneja.

Näitä reaktioita käytetään epäorgaanisessa kemiassa ionien tunnistukseen. Reaktiossa syntyy tietyn värisiä yhdisteitä.

Orgaanisessa kemiassa tunnistusreaktioita ovat funktionaalisten ryhmien aiheuttamat reaktiot. Nämä ovat kuitenkin pääosin aina omia reaktioryhmiä, kuten esim. additioreaktiot tässä kirjassa.

Kondensaatio ja hydrolyysireaktiot

Myös happo-emäsreaktiot ovat kondensaatioreaktioita.

Kondensoitumisessa kaksi molekyyliä liittyy yhteen ja liittymäkohdasta lohkeaa eli kondensoituu pois pieni molekyyli. Lohkeava molekyyli on yleensä vesimolekyyli. Kondensaatioreaktioita ovat mm.: esteröityminen, eetterin muodostuminen, amidin muodostuminen ja peptidisidoksen muodostuminen.

Jatkuvaa kondensaatioreaktiota, joka tuottaa jatkuvasti pidempää ketjua, kutsutaan polykondensaatioksi.

Hydrolyysi on kondensaation käänteinen reaktio.

Hajoamisreaktiot

Esim. karbonaattien hajoaminen hiilidioksidiksi ja metallioksideiksi.

Krakkaus eli pitkien hiiliketjujen pilkkominen.

Kompleksin muodostusreaktiot

Reaktiossa syntyy yhdiste, joka muodostuu keskusatomista ja siihen koordinaatiosidoksin kiinnittyneistä ligandeista. Keskusatomi on yleensä jokin siirtymämetalli-ioni.

Kelaattien muodostuminen on rinnasteinen kompleksien muodostumiseen. Kelaatit ovat yleensä isompia orgaanisia yhdisteitä, jotka pystyvät sitomaan useammalla sidoksella yhden metalliatomin muodostaen rengasmaisen rakenteen.

Substituutio- eli korvautumisreaktiot

Substituutioreaktioita ovat mm. nitraus (reaktio typpihapon kanssa), sulfonointi (reaktio rikkihapon kanssa) ja halogenointi

Substituutioreaktio tapahtuu myös aromaattisilla yhdisteillä, kun esim. bentseenirenkaan vetyjä korvataan toisilla alkuaineilla.

Additio- eli liittymisreaktiot

Additioreaktio kohdistuu kaksois- ja kolmoissidoksiin. Tyypillinen additioreaktio on mm. hydraus, jossa yhdisteeseen liitetään vetyä.

Eliminaatioreaktiot

Eliminaatioreaktiossa syntyy kaksoissidoksellisia yhdisteitä. Reaktiossa irrotetaan usein vettä.

Nämä määritelmät perustuvat Brønstedtin happo-emästeoriaan. Vertaa Brønstedtin teoriaa Arrheniuksen määritelmään, joka toimii ainoastaan vesiliuoksissa, tai Lewisin määritelmään, joka toimii laajemmassakin yhteydessä. Lewisin määritelmässä emäs luovuttaa elektroniparin ja happo vastaanottaa sen. Määritelmä on käytössä esimerkiksi kompleksiyhdisteiden syntymisen yhteydessä.

1. Kemiallisen reaktion keskeinen tunnuspiirre on, että

  • liuoksen väri muuttuu.
  • aineen rakenne muuttuu.
  • lämpötila muuttuu.

2. Kemiallisen reaktion tuote on lähtöainetta

  • epästabiilimpi.
  • raskaampi.
  • pysyvämpi.

3. Reaktiot tapahtuvat vain, jos rakenneosat törmäävät toisiinsa oikealla nopeudella oikeassa kulmassa. Reaktiota voidaan nopeuttaa lisäämällä suotuisten törmäysten todennäköisyyttä. Tämä saadaan aikaiseksi esim.

  • kuumentamalla reaktioseosta.
  • jäähdyttämällä reaktioseosta.
  • sekoittamalla reaktioseosta.

4. Aineen ja energian häviämättömyyden lain mukaan

  • ainetta tai energiaa ei voi luoda tyhjästä eikä hävittää.
  • kemiallisessa reaktiossa syntyy energiaa.
  • kemiallisessa reaktiossa syntyy usein enemmän ainetta kuin on lähtöaineita.

5. Molekyylien lämpöliike voidaan lopettaa jäähdyttämällä systeemin lämpötila riittävän alhaiseksi.

  • Kyllä
  • Ei
Lisää aiheesta
Muut toiminnot
Odota