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 vaan prosessiksi, joka on laajempi, myös reaktiot sisältävä käsite. Olomuodon muutoksessa heikot kemialliset sidokset katkeavat. Kemiallisen konformaation muutos on seurausta näiden sidosten uudelleenjärjestymisestä. 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 ja eksotermisiin reaktioihin. Nämä energian muutokset ovat kuitenkin paljon pienempiä kuin ydinreaktioissa. Siten aineiden massa ei muutu havaittavasti ja voidaan puhua aineen häviämättömyyden laista.

Reaktioyhtälö

Pääartikkeli: Reaktioyhtälö

Reaktioyhtälö eli reaktiokaava ilmoittaa reaktion alku- ja lopputilan aineet eli lähtöaineet ja tuotteet.

Kemiallisissa reaktioissa eivät kuitenkaan alkuaineet muutu toisiksi alkuaineeksi, vaan jokaisen alkuaineen atomeja on reaktion jälkeen yhtä monta kuin sitä ennenkin. Tämän vuoksi reaktioyhtälöitä kirjoitetettaessa lisätään molekyylikaavojen eteen kertoimet, joilla ne tasapainotetaan niin, että yhtälön vasemmalla ja oikealla puolella on samoja atomeja yhtä suuri määrä, ja myös yhteenlaskettu sähkövaraus on sama molemmilla puolilla.

Reaktioyhtälössä voidaan myös ilmoittaa aineen olomuoto: (g) tarkoittaa kaasumaista ainetta, (l) nestemäistä, (s) kiinteää, (aq) vesiliuosta. Esimerkiksi barium- ja sulfaatti-ionien saostumista voidaan kuvata yhtälöllä:

Ba²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → BaSO₄(s).

Reaktioyhtälön nuolen yläpuolelle voidaan kirjoittaa käytettävät reaktio-olot tai tarvittavan katalyytin nimi. Jos reaktio tapahtuu molempiin suuntiin, käytetään kaksisuuntaista nuolta.

Energia, nopeus, mekanismit

Kemiallinen reaktio sitoo tai vapauttaa lähes aina lämpöenergiaa. Lämpöä sitovaa reaktioa kutsutaan endotermiseksi ja lämpöä vapauttavaa eksotermiseksi.

Reaktionopeus riippuu reagoivien aineiden luonteesta ja käytettävistä olosuhteista. Reaktion nopeutta voidaan suurentaa lisäämällä lähtöaineita tai kasvattamalla reagoivien kiinteiden aineiden pinta-alaa, nostamalla lämpötilaa tai käyttämällä sopivaa katalyyttiä. Vastaavasti reaktionopeutta voidaan hidastaa sopivaa inhibiittoria käyttämällä.

Reaktioyhtälö, esimerkiksi vetyjodidin muodostuminen H₂(g) + I₂(g) → 2 HI(g), ei yleensä kerro suoraan, miten aineet todellisuudessa reagoivat. Tutkimuksin yritetään selvittää reaktioiden mekanismeja eli sitä, mistä alkeisreaktioista reaktiot koostuvat. Kun mekanismi tunnetaan, reaktiota voidaan säädellä paremmin. Vetyjodidin on ehdotettu muodostuvan seuraavissa alkeisreaktioissa:

1. I₂ → I + I
2. I + I + H₂ → HI + HI.

Reaktioiden energioita ja tasapainoasemia tutkivaa alaa kutsutaan kemialliseksi termodynamiikaksi. Reaktioiden nopeuksia ja mekanismeja tutkii reaktiokinetiikka.

Reaktiotyyppejä

• Homogeenisessa reaktiossa aineet reagoivat samassa faasissa. Heterogeenisessa reaktiossa aineet reagoivat eri faasien rajapinnassa.
• Alkeisreaktiot tarkoittavat niitä reaktiovaiheita, joista tavallisen reaktioyhtälön kuvaama reaktio koostuu.
• Puolireaktio on hapetus-pelkistysreaktion toinen osa, jolla ilmaistaan joko hapetus tai pelkistys.
• Tasapainoreaktio tarkoittaa reaktiota, joka voi edetä sekä eteen- että taaksepäin ja jossa syntyy lopulta tasapaino lähtöaineiden ja tuotteiden välille.
• Additiossa reagoivat aineet liittyvät yhteen.
• Eliminaatiossa aineesta poistuu osa.
• Happo-emäsreaktio on hapon ja emäksen välillä tapahtuva reaktio.
• Hapetus-pelkistysreaktiossa yksi aine hapettuu ja toinen pelkistyy.
• Hydrolyysi on veden aiheuttama molekyylin hajoaminen.
• Ionisoituminen tarkoittaa ioniksi muuttumista.
• Kondensaatioreaktio on reaktio, jossa kaksi molekyyliä yhtyy siten, että niistä lohkeaa pieni molekyyli, yleensä vesimolekyyli.
• Palaminen tarkoittaa etenkin hiili- tai vetypitoisten aineiden yhtymistä happeen.
• Polaarisessa reaktiossa negatiivista varausta sisältävä ryhmä liittyy positiivista varausta sisältävään kohtaan.
• Polymeroitumisessa molekyylit muodostavat pitkiä ketjuja.
• Substituutiossa molekyylin jokin ryhmä korvautuu toisella.
• Toisiintuminen tarkoittaa orgaanista reaktiota, jossa molekyyli jollakin tapaa järjestäytyy uudelleen.

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Kemiallinen reaktio Wikimedia Commonsissa