KE3: Reaktiot ja energia 4/5

ERILAISIA KEMIALLISIA REAKTIOITA

Reaktiomekanismi

  • reaktioyhtälö kertoo kemiallisesta reaktiosta vain lähtöaineet, reaktiotuotteet (ja olosuhteet), mutta ei kerro mitään reaktion etenemisestä

  • reaktiomekanismi selittää

    • reaktion eri vaiheet

    • funktionaalisissa ryhmissä tapahtuvat elektronien siirtymiset

    • sidosten avautumiset, katkeamiset ja syntymiset

    • välituotteet

    • lopputuotteet

  • kun reaktiossa siirtyy elektroneja, sidoksia katkeaa ja sitten muodostuu uusia sidoksia

    • Sidos voi katketa

      • homolyyttisesti: elektronit siirtyvät kummallekin sidosatomille, jolloin muodostuu radikaaleja

      • heterolyyttisesti: sidoselektronit jäävät toiselle sidosatomille, jolloin muodostuu kationi ja anioni

A:B

A   +   B

Homolyyttinen katkeaminen eli radikaalimekanismi

A:B

A : + B

Heterolyyttinen katkeaminen eli ionimekanismi

-

+

Radikaalimekanismi

  • Sidoksen katketessa elektronit jakautuvat tasan sidosatomien kesken
  • Hajoamistapa on tyypillinen poolittomille ja heikosti poolisille sidoksille
  • Atomia tai atomiryhmää, jolla on vapaa ulkoelektroni, kutsutaan radikaaliksi
    • radikaalit ovat erittäin reaktiivisia ja sähköisesti neutraaleja
  • reaktiossa ottavat vastaan toisen atomin tai atomiryhmän parittoman elektronin TAI hajottavat sidoksen ja muodostavat uuden radikaalin

A:B

A   +   B

Homolyyttinen katkeaminen eli radikaalimekanismi

Rad  + A:B

Mahdolliset reaktiot

A:B

A   +   B

Rad:A +  B

Ionimekanismi

A:B

A : + B

-

+

  • Tyypillinen ionisidoksille ja poolisille sidoksille
  • Tavallinen epäorgaanisten yhdisteiden reaktiossa
    • ionien reaktionopeus on suuri
    • lähes jokainen törmäys johtaa reaktioon
  • Tavallinen myös orgaanisten yhdisteiden reaktioissa
    • voi muodostua
      • positiivisesti varautuneita karbokationeita
        • hiileen liittyy elektronegatiivisempi alkuaine
      • negatiivisesti varautuneita karbanioneita
        • hiileen liittyy elektropositiivisempi alkuaine
  • Sidoksen katketessa elektronit jäävät kokonaan elektronegatiivisemmalle atomille

karbokationi

karbanioni

Erilaisia kemiallisia reaktioita

Epäorgaanisten yhdisteiden reaktiot

  • protolysoituminen ja neutraloituminen
  • hapettuminen & pelkistyminen
  • saostuminen
  • hajoaminen
  • kompleksin muodostuminen

Orgaanisten yhdisteiden reaktiot

  • hapettuminen & pelkistyminen
  • krakkautuminen
  • protolysoituminen & neutraloituminen
  • substituutio eli korvautuminen
  • additio eli liittyminen
  • eliminaatio eli lohkeaminen
  • kondensaatio
  • hydrolyysi
  • polymerisaatio

Epäorgaanisten yhdisteiden reaktioita

Protolysoituminen ja neutraloituminen

Happo: aine, joka luovuttaa protonin

Emäs: aine, joka vastaanottaa protonin

H^+
H^+
  • protolysoitumisreaktiossa protoni siirtyy hapolta emäkselle
HCl(aq)+H_2O(l)\rightarrow H_3O^+(aq)+Cl^-(aq)
NH_3(aq)+H_2O(l)\leftrightharpoons NH_4^+(aq)+OH^-(aq)

Vesi on amfolyyttinen aine, joten se voi toimia sekä happona että emäksenä.

Vahvat hapot/emäkset protolysoituvat täysin

Heikot hapot/emäkset protolysoituvat vain osittain

  • neutraloitumisreaktiossa happo ja emäs neutraloivat toisensa

Happo + Emäs

suola + vesi

H_3O^+(aq)+OH^-(aq)\rightarrow 2\ H_2O(l)

nettoreaktio

Lisää KE5-kurssilla!

Hapettuminen ja pelkistyminen

  • elektronien siirtoreaktioita, joissa
    • toinen aine ​luovuttaa elektroneja, jotka
    • toinen aine ottaa vastaan
  • tapahtuvat aina samaan aikaan!
    • ​hapettumis- ja pelkistymisreaktioita voidaan kuvata erikseen osareaktioilla, mutta ne eivät koskaan voi tapahtua niin, toinen reaktioista ei tapahtuisi
  • hapettuvaa ainetta kutsutaan pelkistimeksi
  • pelkistyvää ainetta kutsutaan hapettimeksi

HAPETTUMINEN

PELKISTYMINEN

Palaminen

  • reaktio, jossa aine reagoi hapen kanssa
  • reaktiotuotteet oksideja
  • voi olla
    • nopeaa / hidasta
    • liekillistä / liekitöntä
    • alhaisessa / korkeassa lämpötilassa tapahtuvaa

Lisää KE4-kurssilla!

Saostusreaktiot

Liukeneminen

  • liukenevan aineen ja liuottimen välille muodostuu suunnilleen yhtä voimakkaita sidoksia kuin liukenevassa aineessa
  • liukenemista tapahtuu kaikkien olomuotojen kesken

Muodostuu dynaaminen tasapaino, kun liukemevaa ainetta liukemee ja saostuu samanaikaisesti yhtä paljon.

Saostuminen

kylläinen liuos

  • liuos sisältää suurimman mahdollisen pitoisuuden liuotettavaa ainetta
  • jos liuotettavaa ainetta yritetään liuottaa lisää, saostuu ylimääräinen liuotettava aine
  • liuos on kylläinen kunkin liuotettavan aineen suhteen erikseen
    • ​esimerkiksi kylläiseen sokeriliuokseen pystytään vielä liuottamaan suolaa
  • saostuminen on liukenemisen vastareaktio

Lisää KE5-kurssilla!

Hajoaminen

  • yhdiste pilkkoutuu kahdeksi tai useammaksi uudeksi yhdisteeksi
  • Mistä tunnistaa?
    • lähtöaineena yksittäinen yhdiste
    • reaktion aikaansaamiseksi käytetty lämpöä, valoa tai sähköä
    • tuotteena "pienempiä" yhdisteitä
2\ NaHCO_3(aq)\rightarrow CO_2(g)+H_2O(g)+ Na_2CO_2(aq)

Ruokasoodan hajotessa uunin kuumuudessa muodostuu hiilidioksidia ja vesihöyryä, jotka kohottavat leivonnaiset.

Vetyperoksidi hajoaa helposti valon, lämmön ja epäpuhtauksien vaikutuksesta hapeksi ja vedeksi. Sitä hyödynnetään mm. piilolinssien puhdistusnesteissä, sillä mm. silmästä irronneet proteiinit toimivat katalyyttinä nopeuttaen hajoamisprosessia.

2\ H_2O_2(l)\rightarrow 2\ H_2O(l)+O_2(g)
4\ C_3H_5N_3O_9(s)\rightarrow 12\ CO_2(g) + 10\ H_2O(g) + O_2(g) + 6\ N_2(g) + \text{energiaa}

Räjähdysaineena käytetyn dynamiitin tärkeänä ainesosana käytetty nitroglyseroli räjähtää helposti hajoten pienemmiksi osaksi ja vapauttaen samalla energiaa.

Esimerkkejä

Kompleksiyhdisteiden muodostuminen

Koordinaatiosidos

  • muodostuu, kun sidoksen molemmat elektronit tulevat samalta atomilta
  • selittää esimerkiksi happojen rakennetta
  • Kompleksiyhdisteitä muodostuu, kun keskusatomi ja ligandi muodostavat koordinaatiosidoksen niin, että ligandi luovuttaa molemmat sidoselektronit keskusatomin tyhjälle orbitaalille

Orgaanisten yhdisteiden reaktiot

Hapettuminen ja pelkistyminen

Palaminen

Täydellinen palaminen

  • palaminen on täydellistä, kun happea on riittävästi
  • reaktiotuotteena on vain hiilidioksidia ja vettä (+typpikaasua)
    • ​liekin väri puhtaan keltainen, ei nokea​​

Epätäydellinen palaminen

  • palaminen epätäydellistä, kun happea ei ole riittävästi
  • reaktiotuotteena hiilidioksidin ja veden lisäksi myös hiilimonoksidia ja nokea
    • ​liekki likaisen keltainen ja nokeava
2\ C_3H_7NO_2(s)+4\ O_2(g)\rightarrow 7\ H_2O(g)+6\ CO_2(g)+N_2(g)
CH_3CH_2CH_3(g)+4\ O_2(g)\rightarrow 4\ H_2O(g)+ CO_2(g)+2\ CO(g)

Hapettuminen

  • hapen määrä lisääntyy
  • vedyn määrä vähentyy

Pelkistyminen

  • hapen määrä lisääntyy
  • vedyn määrä lisääntyy

Primäärinen alkoholi

Aldehydi

Karbokysyyli-happo

Sekundäärinen alkoholi

Ketoni

Tertiäärinen alkoholi

Title Text

Krakkautuminen

  • orgaaniset yhdistetään pilkkoutuvat pienemmiksi yhdisteiksi
  • prosessi on käänteinen polymeroinnille
  • menetelmät: 
    • lämpökrakkaus: yhdistettä kuumennetaan hapettomissa olosuhteissa, korkeassa paineessa, ilman katalyyttejä
    • katalyyttinen krakkaus: yhdistettä kuumennetaan alhaisemmassa lämpötilassa ja paineessa katalyyttien läsnäollessa

Polymeroituminen

  • pieniä molekyylejä liitetään yhteen suuremman molekyylin muodostamiseksi
  • additipolymeerit
    • saadaan aikaan additioreaktiolla
  • kondensaatiopolymeerit
    • saadaan aikaan kondensaatioreaktiolla

KE3: Kemialliset reaktiot 4/5

By Opetus.tv

KE3: Kemialliset reaktiot 4/5

  • 566

More from Opetus.tv