Reaktioyhtälö - Yleinen kemia

Kemiallinen reaktio on prosessi, jossa kaikki tai vain osa lähtöaineista muuttuvat reaktiotuotteiksi. Lähtöaineiden atomien tai ionien väliset sidokset katkeavat, ja syntyy uusia sidoksia. Sidosten katkaiseminen vaatii energiaa, kun taas sidosten syntyminen vapauttaa energiaa. Useimmissa reaktioissa lähtöaineet ja reaktiotuotteet eivät ole kemiallisesti tasapainossa, mikä tarkoittaa sitä, että reaktioyhtälön vasemmalla ja oikealla puolella ei ole samaa määrää atomeja. Kemiallisten reaktioiden tasapainottaminen tarkoittaa tämän epätasapainon korjaamista. Reaktioyhtälö on yksinkertaistettu tapa osoittaa, mitkä aineet ovat reagoineet keskenään (reaktion lähtöaineet) ja mitä reaktion seurauksena on syntynyt (reaktiotuotteet).

Reaktioyhtälön tasapainottaminen¶

Kemiallisten reaktioiden tasapainottamisessa käytetään seuraavia sääntöjä:

Reaktion molemmilta puolilta tulee löytää samoja atomeja yhtä paljon.
Kertoimia käytetään vain yhdisteiden tai alkuaineiden edessä.
Tasapainotus aloitetaan yleensä monimutkaisimmasta yhdisteestä tai molekyylistä ja edetään yksinkertaisempia kohti.
Täten viimeisenä kannattaa tasapainottaa alkuaineet laittamalla niiden eteen sopiva kerroin.
Hiilivetyjen palamisreaktioiden tasapainottaminen onnistuu kemiallisten merkkien mukaisessa aakkosjärjestyksessä C-H-O, eli ensimmäisenä tasapainotetaan hiili, sitten vety ja viimeisenä happi.
Lopullisessa tasapainotetussa reaktioyhtälössä tulee käyttää mahdollisimman pieniä kokonaislukuja.

Reaktioyhtälöiden tasapainottamista voi harjoitella seuraavan pelin avulla.

Hapetusluvut¶

Kemiallisissa reaktioissa atomit voivat luovuttaa tai vastaanottaa elektroneja, mistä aiheutuu niiden hapetuslukujen muutos. Hapetusluku on luku, joka kuvaa, kuinka monta elektronia atomi on menettänyt tai saanut. Jos atomi luovuttaa elektroneja, sen hapetusluku kasvaa ja se hapettuu. Vastaavasti, jos atomin hapetusluku pienenee, se vastaanottaa elektroneja ja se pelkistyy.

Hapetuslukujen määrittäminen¶

Hapetusluvun määrittäminen edellyttää usein hieman tietoa kemiallisten sidosten tyypistä ja yleisistä hapetuslukusäännöistä. Tässä muutamia yleisiä hapetuslukusääntöjä:

Hapetuslukuja merkitään roomalaisilla kirjaimilla. Atomien tyypillisimmät hapetusluvut löytyvät kirjan taulukoista.
Yksi- ja moniatomiset alkuaineet, kuten rauta (Fe) tai happi (O₂), ovat hapetusluvultaa aina nolla.
Yhdisteessä elektronegatiivisempi atomi saa negatiivisen hapetusluvun, kun taas vähemmän elektronegatiivinen atomi saa positiivisen hapetusluvun.
Yksiatomisen ionin hapetusluku on yhtä suuri kuin ionin varaus. Täten alkalimetallien hapetusluku yhdisteissä on +I ja maa-alkalimetallien +II.
Hapen hapetusluku on yleensä -II, paitsi vetyperoksidissa (H₂O₂), jossa sen hapetusluku on -I.
Vetyatomin hapetusluku on yleensä +I, paitsi metallisissa hydrideissä alkali- (esim. NaH) ja maa-alkalimetallien kanssa (esim. MgH₂), joissa se on -I.
Fluorin hapetusluku on kaikkein elektronegatiivisimpana atomin aina -I.
Varauksettomassa molekyylissä atomien hapetuslukujen summa on nolla.
Moniatomisissa ioneissa atomien hapetuslukujen summan tulee olla yhtä suuri kuin ionin varaus. Esimerkiksi karbonaatti-ionissa (CO₃^2-) hiilen hapetusluku on +IV.

Hapetusluvut ovat tärkeä käsite kemiallisten reaktioiden ymmärtämisessä ja tasapainottamisessa. Hapetusluku on fysikaalinen suure, joka ilmaisee, kuinka monta elektronia atomi on menettänyt tai vastaavasti saanut kemiallisessa reaktiossa.

Hapetuslukujen käyttö kemiallisten reaktioiden tasapainottamisessa¶

Hapetusluvut voivat auttaa kemiallisten reaktioiden tasapainottamisessa, sillä reaktiossa tiettyjen atomien hapetusluvut muuttuvat. Hapetuslukujen muutosten perusteella voidaan laskea, kuinka monta elektronia atomit ovat luovuttaneet tai vastaanottaneet reaktioss ja näin voidaan määrittää reaktioyhtälön kertoimet, jotta luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien määrä on yhtä suuri. Toisin sanoen, hapetuslukujen muutokset tulee olla yhtä suuret reaktioyhtälön kummallakin puolella.

Esimerkki: rauta(III)oksidin muodostuminen

Tasapainotetaan reaktioyhtälö $\mathrm{Fe + O_2 → Fe_2O_3}$

Lähtöaineiden hapetusluvut ovat 0, koska kyseessä on alkuaineita.
Reaktiotuotteen yhdisteessä happi on elektronegatiivisempi, joten sen hapetusluku on -II (kuten hapella yleensä). Koska yhdisteessä on kolme happea, on niiden hapetuslukujen summa -VI.
Koska reaktiotuotteena saatu yhdiste on varaukseton, sen hapetuslukujen summan tulee olla nolla.
Täten raudan hapetusluku tulee olla +III, jotta 2 ∙ +III = +VI.

Elektroneita luovutetaan ja vastaanotetaan yhteensä 6 kappaletta. Kun yksi rauta-atomi siis luovuttaa kolme elektronia ja hapettuu, tulee rauta-atomeja olla kaksi kappaletta. Kun yksi happiatomi vastaanottaa kaksi elektronia ja pelkistyy, tulee happiatomeja olla kolme kappaletta.

Muodostetaan tämän tiedon perusteella reaktioyhtälö $\mathrm{2 \ Fe + \frac{3}{2} \ O_2 → Fe_2O_3}$ .

Kyseisessä reaktioyhtälössä hapen kerroin ei tosin ole kokonaisluku, joten kerrotaan yhtälö lopuksi puolittain kahdella ja saadaan lopulliseksi vastauksesi

$\mathrm{4 \ Fe + 3 \ O_2 → 2 \ Fe_2O_3}$

Esimerkki: vetyperoksidin hajoaminen

$\mathrm{H_2O_2 → H_2O + O_2}$

Lähtöaineiden puolella vetyperoksidissa hapen hapetusluku on -I mutta reaktiotuotteiden puolella vedessä -II ja alkuaineena 0. Vedyn hapetusluku on kummallakin puolella elektropositiivisempana +I.

Vetyperoksidin kahdesta happiatomista toinen siis vastaanottaa elektronin (pelkistyy) ja toinen luovuttaa elektronin (hapettuu). Reaktiotuotteiden happimolekyyli on kuitenkin kaksiatominen molekyyli, joten kahden happiatomin tulee hapettua. Täten vetyperoksidia on oltava enemmän kuin yksi molekyyli. Jos vetyperoksidin eteen laitetaan kerroin kaksi, on käytettävissä yhteensä neljä happiatomia, joista kaksi hapettuu ja kaksi pelkistyy. Tällöin myös vetyatomit ovat tasapainossa.

$\mathrm{2 \ H_2O_2 → 2 \ H_2O + O_2}$