Kemia 3: luku 3 Erialaisia kemiallisia reaktioita

Kemia 3: luku 3 Erilaisia kemiallisia reaktioita

Reaktioita voidaan luokitella seuraavasti:

1. palaminen
2. hapettuminen ja pelkistyminen
3. saostuminen
4. hajoaminen
5. protolysoituminen
6. neutraloituminen

Orgaanisille yhdisteille tyypillisiä reaktioita ovat lisäksi

1. korvautumis- eli substituutioreaktio
2. liittymis- eli additioreaktio
3. kondensaatioreaktio
4. hydrolyysireaktio
5. eliminaatioreaktio

Hapettuminen ja pelkistyminen

Hapettuminen on yleisesti määriteltynä elektronien luovuttamista. Samalla kun jokin aine hapettuu, toinen aine pelkistyy eli ottaa vastaan elektroneja. Hapettuminen ja pelkistyminen tapahtuvat siis aina yhtä aikaa. Elintarvikkeiden säilymista parannetaan erilaisilla hapettumisen estoaineilla eli antioksidanteilla. Myös soluissa antioksidanteilla on keskeinen merkitys, koska ne siellä hidastavat tai kokonaan estävät biomolekyylien haitallista hapettumista.

Palaminen

Palaminen tarkoittaa aineen eksotermistä reaktiota hapen kanssa, jolloin usein nähdään liekki. Palamisreaktiot ovat hyvin nopeita hapettumisreaktioita, joista monet saavat aikaan näkyvän liekin. Kaikissa palamisreaktioissa on palavan aineen lisäksi aina mukana happea. Palamisreaktiot ovat eksotermisiä eli reaktiossa vapautuu lämpöenergiaa. Palamisreaktiot eivät kuitenkaan käynnisty itsestään, vaan niiden käynnistymiseen tarvitaan aina ulkoista lämpöenergiaa esim liekin tai kipinän muodossa. Tämän jälkeen reaktio pysyy käynnissä niin pitkään kuin lähtöaineita riittää.

Jos palaminen on täydellistä, liekin väri on puhtaan keltainen eikä se nokea. Tällöin reaktiotuotteina syntyy ainoastaan vettä ja hiilidioksidia. Jos happea ei ole riittävästi, palaminen on epätäydellistä. Palamistuotteina syntyy tällöin myös hiilimonoksidia eli häkää CO (g), joskus jopa nokea C (s). Orgaanisten yhdisteiden täydellinen palaminen tuottaa hiilidioksidia ja vettä.

Hapettuminen ja pelkistyminen elektroninsiirtoreaktioina

Hapettumisessa atomi luovuttaa elektroneja ja pelkistymisessä se ottaa niitä vastaan. Eli se aine joka hapettuu, niin se luovuttaa elektroneja eli se aine toimii pelkistimenä. Vastaavasti pelkistyvä aine toimii hapettimena. Hapettumista ja pelkistymistä voidaan kuvata erillisillä reaktioyhtälöillä, joissa näkyy elektronien luovutus tai vastaanotto. Tällaisia reaktioita kutsutaan osa- tai puolireaktioiksi. Kun nämä reaktiot yhdistetään, tasapainotetaan siirtyvien elektronien määrä reaktioyhtälön kertoimien avulla. Näin saatua reaktioyhtälöä kutsutaan kokonaisreaktion yhtälöksi.

Hapettuminen ja pelkistyminen tapahtuvat aina samanaikaisesti, eivät koskaan erikseen. Orgaanisten yhdisteiden hapettumisessa hapen määrä lisääntyy, vedyn määrä vähenee ja pelkistymisessä vedyn määrä lisääntyy ja hapen määrä vähenee.

Saostuminen

Saostumisreaktioissa muodostuu veteen niukkaliukoisia suoloja. Saostumsireaktioiden avulla voidaan tunnistaa vesiliuoksista eri ioneja, kun tiedetään, mitkä ionit saostavat toisensa. Tällöin puhutaan kvalitatiivisesta analyysistä. Jos näyteliuoksesta saostetaan kaikki määritettävät ionit ja muodostunut saostuma suodatetaan ja punnitaan kuivana, voidaan saostumisreaktioita käyttää myös kvantitatiivisessa  työskentelyssä. Tällöin puhutaan myös gravimetriasta, koska saostumisreaktiossa muodostunut kiinteä reaktiotuote punnitaan.

                                                                                                                     

Hajoaminen

Hajoamisreaktiossa yhdestä lähtöaineesta syntyy kahta tai useampaa reaktiotuotetta. Hajoaminen tapahtuu yleensä lämmön vaikutuksesta. Lämmön vaikutuksesta helposti hajoavia yhdisteitä ovat mm. vetykarbonaatit, nitraatit ja peroksidit. Räjähdysaineissa käytetään hyväksi typpiyhdisteiden hajoamisreaktioita.

Korvautumis- eli substituutioreaktio

Substituutioreaktio on tyypillinen alkaaneille, sykloalkaaneille ja aromaattisille hiilivedyille. Substituutioreaktiossa molekyylin yksi tai useampi vetyatomi korvautuu muilla atomeilla tai atomiryhmillä. Sivutuotteena syntyy lisäksi jokin pieni molekyyliyhdiste.

Halotaanit ovat turvallisia nukutusaineita, koska ne eivät aiheuta pahoinvointia eivätkä lamauta hengitys- ja verenkiertojärjestelmää.

Liittymis- eli additioreaktio

Additioreaktiossa hiilivetyjen kaksois- tai kolmoissidos aukeaa, jolloin molekyyliin liittyy lisää atomeja tai atomiryhmiä. Hydraus on vedyn liittämistä tyydyttymättömään yhdisteeseen, kun taas hydrataatiossa vesimolekyyli liittyy tyydyttymättömään yhdisteeseen. Eli vedyn additio = hydraus ja veden additio = hydrataatio. Elintarviketeollisuudessa hyödynnetään hydrausreaktiota, kun kasviöljyistä valmistetaan margariineja. Marknikovin säännön mukaan vetyatomi liittyy additioreaktiossa ensisijaisesti siihen kaksoissidosen hiiliatomiin, jossa on enemmän vetyatomeja.

Kondensaatioreaktio

Kondensaatioreaktiossa kaksi molekyyliä liittyy yhteen ja niiden väliltä lohkeaa jokin pienimolekyylinen yhdiste. Tavallisesti lohkeava molekyyli on vesi. Kondensaatioreaktiolla muodostuvat eetterit, esterit ja monet biomolekyylit kuten hiilihydraatit, rasvat ja proteiinit.

Dietyylieetteri on helposti höyrystyvä ja syttyvä neste, jota on käytetty nukutusaineena. Esteröitymisreaktiot ovat tasapainoreaktioita, mikä tarkoittaa sitä, että tietyssä vaiheessa reaktiota osa syntyneestä esteristä ja vedestä reagoi takaisin lähtöaineiksi. Tämän takia muista käyttää esteröitymisen reaktioyhtälössä kaksoisnuolta!

Hydrolyysireaktio ja saippuoituminen

Hydrolyysireaktiossa lähtöaine hajoaa veden vaikutuksesta. Esterihydrolyysi on käänteinen reaktio esteröitymiselle. Tällöin vesimolekyyli katkaisee esterisidoksen, jollion saadaan karboksyylihappoa ja alkoholia. Emäksisessä esterihydrolyysissä vapautuva karboksyylihappo neutraloituu suolaksi. Saippuoitumisessa rasva hajotetaan emäksisellä hydrolyysillä ja pitkäketjuiset karboksyylihapot neutraloituvat, jolloin muodostuu saippuaa.

Eliminaatioreaktio

Eliminaatioreaktiossa molekyylistä irtoaa osa, jolloin syntyy kaksi reaktiotuotetta. Alkoholien eliminaatioreaktiossa syntyy alkeenia ja vettä. Eliminaatioreaktio on käänteinen additioreaktiolle. Muistisääntö: additio aukeaa.