Kemiallisen reaktion tasapaino
Stoikiometria
Kemialliset reaktiot tapahtuvat aina aineiden, eli atomien, ionien tai molekyylien välillä. Kun näitä lasketaan käytetään apuna ainemäärää eli mol. Ainemäärä eli 1 mooli on sen verran kun 12 grammassa on atomeja hiili12 isotoopilla. Kokeellisesti 1 moolissa on Avogadron luvun verran atomeja NA = 6,022×1023 kpl/mol. Jos moolit halutaan muuntaa atomeiksi/molekyyleiksi niin kerrotaan NA:lla ja jos kpl määrät halutaan mooleiksi, niin jaetaan NA:lla.
Laskuissa tarvitaan myös atomimassayksiköitä, joka on massan yksikkö puhuttaessa atomeista ja 1u on 1,660540 · 10−27 kg joka on määritelty olevan 1/12 osa hiili12:en massasta. Atomien ja molekyylien massaa voidaan ilmaista normimassana (kg) tai atomimassana (u). Useimmin laskuissa esiintyy atomien massa tietyssä ainemäärässä eli ns. moolimassa M = g/mol. Puhtaat aineet ovat usein molekyyleinä ja harvoin esiintyy yksiatomisia aineita laskuissa. Molekyylimassa saadaan kun lasketaan kaikkien atomien molaariset atomimassat erikseen.
Kaasuilla ainemäärä menee niin että 1 mooli kaasua ottaa tietyn tilavuuden joka on Vm = 22,414 dm3/mol. Eli toisinsanoen ideaalikaasussa 1 moolin verran kaasua on sama kuin 22,4 litraa kaasua.
Hapettuminen ja pelkistyminen
Hapettumis ja pelkistymisreaktioissa elektroneja siirtyy aineelta toiselle. Elektroneja luovuttava aine hapettuu (oksidaatio) ja elektroneja vastaanottava (reduktio) pelkistyy. Lisäksi itse luovuttaja kun hapettuu, niin se pelkistäääää toista ainetta eli on pelkistäjä ja itse vastaanottaja kun pelkistyy, niin se hapettaaaaa toista ainetta eli on hapettaja. Hapettuminen ja pelkistyminen tapahtuvat aina samaan aikaan eli tapahtuu hapetus-pelkistysreaktio eli redox-reaktio.
Kahden alkuaineen välisessä reaktiossa elektronegatiivisempi pelkistyy eli vastaanottaa elektroneja mielellään, sekä vähemmän elektronegatiivisempi hapettuu eli luovuttaa elektroninsa. Pelkistimiä eli atomeja jotka mielellään pelkistää eli tarjoaa mielellään elektroninsa pois ovat mm. alkalimetallit, vety ja hiili. Hapettimia eli jotka mielellään aiheuttaa hapetuksen jollekkin eli riistää niiltä elektronit ovat mm. happi ja halogeenit.
Alkuaineiden hapetusluvut:
. Ioneista yhdisteiksi
Esim. 1
Kaliumkarbonaatti (K2CO3) on muodostunut kun kaksi K+-ionia ja yksi CO32−-ioni liittyy yhteen. Kaliumin (alkalimetalli) hapetusluku on +I , hapen hapetusluku on –II, niin hiilenhapetusluku on oltava +IV. Raudan tai muun metallin hapetusluku voi olla monilla eri arvoilla. Tämä merkitään usein aineen välissä, esim rautaIIkloridi FeCl2.
Esim 2.
2 Mg + O2 -> 2 ( MgO )
Luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien määrän pitää olla sama. Edellä olevassa reaktiossa magnesium hapettuu ja happi pelkistyy.
Esim 3.
Isompien molekyylien atomien hapetuslukuja voi lähteä katsomaan yhtälön avulla esim:
Ca(ClO)2 eli kalsiumhypokloriitti
+II + 2x + 2*(-II) = 0 eli 2+2x+2*(-2)=0
2+ 2x + (-4) = 0
2x + (-2) = 0
2x = 2
x = 1
Esim 4.
Jos muodostat esim rikkihapon ja kaliumhydroksidin reaktion, niin H2SO4 + KOH on lähtöaineet. Huomaa että kun H2SO4 dissosioituu, niin sulfaatti-ioni jää miinus muotoon (SO4)-2, tällöin tarvitset kaliumia 2kpl koska kallen K+ varaus on vaan se yksi. Reaktiotuotteena pitäisi siis muodostua K2SO4:sta. Loput tsekkaat vaan tasapainotuksena vedellä.
Kun muodostat kaavan vaikka sinkki(II)oksidille, niin muista että happi O on arvoltaan –II niin silloin se menee suoraan itsessään sinkki +II kanssa yhteen muodostaen ZnO.
Esimerkki 5. reaktioyhtälön tasapainotuksesta, jossa tasapainotus hapetusluvuilla, jonka jälkeen varausten tasaus emäsliuoksessa OH-hydroksidilla. Vetyjen ja hapen tasaus H2O:lla.
Hapetuslukuesimerkki
Rajoittava lähtöaine
Valmistetaan vettä H20:ta vedystä (100g) ja hapesta (100g). Paljonko tulee vettä?
2 H2 + O2 -> 2 H2O
Huomataan että vetyä tarvitaan kaksinkertainen määrä verrattuna happeen. Mutta tämä ei kerro viellä kumpi loppuu kesken. Lasketaan molemmille lähtöaineille ainemäärät n=m/2*M, jossa moolimassan huomaat kertoo 2:lla, koska ne ovat molekyylejä joissa kaksi atomia. Ainemäärät H2=49,5mol ja O2=3,13mol joten happi loppuu ensimmäisenä ja näin määrää vesimolekyylien lukumäärän. Koska yhdestä O2 molekyylistä saadaan 2kpl H2O:ta, niin kerrotaan tämä hapen ainemäärä 2:lla, niin se on yksittäisten vesimolekyyien (aine)määrä.
Kemialliset reaktiot tapahtuvat aina aineiden, eli atomien, ionien tai molekyylien välillä. Kun näitä lasketaan käytetään apuna ainemäärää eli mol. Ainemäärä eli 1 mooli on sen verran kun 12 grammassa on atomeja hiili12 isotoopilla. Kokeellisesti 1 moolissa on Avogadron luvun verran atomeja NA = 6,022×1023 kpl/mol. Jos moolit halutaan muuntaa atomeiksi/molekyyleiksi niin kerrotaan NA:lla ja jos kpl määrät halutaan mooleiksi, niin jaetaan NA:lla.
Laskuissa tarvitaan myös atomimassayksiköitä, joka on massan yksikkö puhuttaessa atomeista ja 1u on 1,660540 · 10−27 kg joka on määritelty olevan 1/12 osa hiili12:en massasta. Atomien ja molekyylien massaa voidaan ilmaista normimassana (kg) tai atomimassana (u). Useimmin laskuissa esiintyy atomien massa tietyssä ainemäärässä eli ns. moolimassa M = g/mol. Puhtaat aineet ovat usein molekyyleinä ja harvoin esiintyy yksiatomisia aineita laskuissa. Molekyylimassa saadaan kun lasketaan kaikkien atomien molaariset atomimassat erikseen.
Kaasuilla ainemäärä menee niin että 1 mooli kaasua ottaa tietyn tilavuuden joka on Vm = 22,414 dm3/mol. Eli toisinsanoen ideaalikaasussa 1 moolin verran kaasua on sama kuin 22,4 litraa kaasua.
Hapettuminen ja pelkistyminen
Hapettumis ja pelkistymisreaktioissa elektroneja siirtyy aineelta toiselle. Elektroneja luovuttava aine hapettuu (oksidaatio) ja elektroneja vastaanottava (reduktio) pelkistyy. Lisäksi itse luovuttaja kun hapettuu, niin se pelkistäääää toista ainetta eli on pelkistäjä ja itse vastaanottaja kun pelkistyy, niin se hapettaaaaa toista ainetta eli on hapettaja. Hapettuminen ja pelkistyminen tapahtuvat aina samaan aikaan eli tapahtuu hapetus-pelkistysreaktio eli redox-reaktio.
Kahden alkuaineen välisessä reaktiossa elektronegatiivisempi pelkistyy eli vastaanottaa elektroneja mielellään, sekä vähemmän elektronegatiivisempi hapettuu eli luovuttaa elektroninsa. Pelkistimiä eli atomeja jotka mielellään pelkistää eli tarjoaa mielellään elektroninsa pois ovat mm. alkalimetallit, vety ja hiili. Hapettimia eli jotka mielellään aiheuttaa hapetuksen jollekkin eli riistää niiltä elektronit ovat mm. happi ja halogeenit.
Alkuaineiden hapetusluvut:
- Atomin hapetus luku on 0
- Molekyylissä hapetuslukujen summa on 0
- Yksiatomisen ja moniatomisen ionin hapetusluku on ionin varaus
- Vedyn H, hapetusluku on +I (metallihydrideissä –I )
- Hapen hapetusluku on –II (peroksideissa, joissa yksinkertainen happihappisidios H2O2 –I )
- Alkalimetallien +I , Maa-alkalimetallien +II
- Fluorin hapetusluku on yhdisteissä aina –I koska se on elektroneg. aine.
. Ioneista yhdisteiksi
Esim. 1
Kaliumkarbonaatti (K2CO3) on muodostunut kun kaksi K+-ionia ja yksi CO32−-ioni liittyy yhteen. Kaliumin (alkalimetalli) hapetusluku on +I , hapen hapetusluku on –II, niin hiilenhapetusluku on oltava +IV. Raudan tai muun metallin hapetusluku voi olla monilla eri arvoilla. Tämä merkitään usein aineen välissä, esim rautaIIkloridi FeCl2.
Esim 2.
2 Mg + O2 -> 2 ( MgO )
Luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien määrän pitää olla sama. Edellä olevassa reaktiossa magnesium hapettuu ja happi pelkistyy.
Esim 3.
Isompien molekyylien atomien hapetuslukuja voi lähteä katsomaan yhtälön avulla esim:
Ca(ClO)2 eli kalsiumhypokloriitti
+II + 2x + 2*(-II) = 0 eli 2+2x+2*(-2)=0
2+ 2x + (-4) = 0
2x + (-2) = 0
2x = 2
x = 1
Esim 4.
Jos muodostat esim rikkihapon ja kaliumhydroksidin reaktion, niin H2SO4 + KOH on lähtöaineet. Huomaa että kun H2SO4 dissosioituu, niin sulfaatti-ioni jää miinus muotoon (SO4)-2, tällöin tarvitset kaliumia 2kpl koska kallen K+ varaus on vaan se yksi. Reaktiotuotteena pitäisi siis muodostua K2SO4:sta. Loput tsekkaat vaan tasapainotuksena vedellä.
Kun muodostat kaavan vaikka sinkki(II)oksidille, niin muista että happi O on arvoltaan –II niin silloin se menee suoraan itsessään sinkki +II kanssa yhteen muodostaen ZnO.
Esimerkki 5. reaktioyhtälön tasapainotuksesta, jossa tasapainotus hapetusluvuilla, jonka jälkeen varausten tasaus emäsliuoksessa OH-hydroksidilla. Vetyjen ja hapen tasaus H2O:lla.
Hapetuslukuesimerkki
Rajoittava lähtöaine
Valmistetaan vettä H20:ta vedystä (100g) ja hapesta (100g). Paljonko tulee vettä?
2 H2 + O2 -> 2 H2O
Huomataan että vetyä tarvitaan kaksinkertainen määrä verrattuna happeen. Mutta tämä ei kerro viellä kumpi loppuu kesken. Lasketaan molemmille lähtöaineille ainemäärät n=m/2*M, jossa moolimassan huomaat kertoo 2:lla, koska ne ovat molekyylejä joissa kaksi atomia. Ainemäärät H2=49,5mol ja O2=3,13mol joten happi loppuu ensimmäisenä ja näin määrää vesimolekyylien lukumäärän. Koska yhdestä O2 molekyylistä saadaan 2kpl H2O:ta, niin kerrotaan tämä hapen ainemäärä 2:lla, niin se on yksittäisten vesimolekyyien (aine)määrä.
