4.1 Reaksjonstyper

Når noe nytt blir til

Du har lagt en jernspiker i en blå kobbersulfatløsning, og over noen timer blir spikeren rødlig mens væsken bleknes. Noe har skjedd -- en kjemisk reaksjon, en prosess der ett eller flere stoffer (reaktanter) omdannes til helt nye stoffer (produkter). Men hvordan vet du at det faktisk er kjemi og ikke bare fysikk?

Det finnes tydelige tegn. En fargeendring (som kobber som blir grønt når det oksiderer), en temperaturendring (varme avgis eller tas opp), gassutvikling (bobler), bunnfall (et uløselig stoff felles ut), lysutvikling (forbrenning) eller en luktendring -- alle peker mot at nye stoffer er dannet. Men vær på vakt: når vann koker, går det fra væske til gass uten at $\text{H}_2\text{O}$-molekylene endrer seg. Det er en fysisk faseovergang, ikke en kjemisk reaksjon. Surnet melk som lukter vondt og spikeren som blir rødlig er derimot ekte kjemi.

Vi beskriver reaksjoner med en reaksjonslikning: $\text{Reaktanter} \rightarrow \text{Produkter}$, for eksempel $2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$. Og det aller viktigste prinsippet gjelder alltid: massens bevaringslov -- antall atomer av hvert grunnstoff må være likt på begge sider. I dette kapittelet skal vi møte fire store reaksjonsfamilier.

Protoner som bytter eier

Den første familien er syre-basereaksjoner, også kalt protolyse. Etter Brønsted-Lowry er en syre et stoff som kan avgi protoner ($\text{H}^+$), mens en base er et stoff som kan ta opp protoner. En protolysereaksjon er rett og slett en overføring av et proton fra syre til base, og den generelle formen er $\text{Syre} + \text{Base} \rightarrow \text{Konjugert base} + \text{Konjugert syre}$.

Se på saltsyre i vann: $\text{HCl}(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightarrow \text{H}_3\text{O}^+(aq) + \text{Cl}^-(aq)$. Her gir $\text{HCl}$ fra seg sitt proton og blir til $\text{Cl}^-$ (den konjugerte basen), mens vann tar imot protonet og blir til oksoniumionet $\text{H}_3\text{O}^+$ (den konjugerte syren). Når en syre møter en base, skjer ofte en nøytralisering som danner salt og vann: $\text{HCl}(aq) + \text{NaOH}(aq) \rightarrow \text{NaCl}(aq) + \text{H}_2\text{O}(l)$.

Protonene kan også vandre uten vann. Når ammoniakkgass møter saltsyregass, skjer $\text{NH}_3(g) + \text{HCl}(g) \rightarrow \text{NH}_4\text{Cl}(s)$. Her er $\text{HCl}$ syren som avgir $\text{H}^+$, og $\text{NH}_3$ basen som tar det opp og blir $\text{NH}_4^+$. Produktet er ammoniumklorid, et salt som danner en hvit røyk -- en nydelig demonstrasjon av en syre-basereaksjon.

Elektroner som overføres

Den andre store familien er redoksreaksjoner, der det ikke er protoner men elektroner som overføres mellom atomer. To prosesser skjer alltid samtidig: oksidasjon er tap av elektroner (oksidasjonstallet øker), og reduksjon er opptak av elektroner (oksidasjonstallet minker). Den engelske huskeregelen er OIL RIG: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain.

I hver redoksreaksjon finnes et par av aktører. Reduksjonsmidlet er stoffet som avgir elektroner -- og blir dermed selv oksidert. Oksidasjonsmidlet er stoffet som tar opp elektroner -- og blir selv redusert. Det høres bakvendt ut, men logikken er klar: den som gir bort, oksideres; den som mottar, reduseres.

Når magnesium brenner i oksygen, $2\text{Mg}(s) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\text{MgO}(s)$, gir magnesium fra seg elektroner ($\text{Mg} \rightarrow \text{Mg}^{2+} + 2e^-$, oksidasjon) mens oksygen tar dem imot ($\text{O}_2 + 4e^- \rightarrow 2\text{O}^{2-}$, reduksjon). Magnesium er reduksjonsmidlet, oksygen er oksidasjonsmidlet. Et annet eksempel: sink i saltsyre, $\text{Zn}(s) + 2\text{HCl}(aq) \rightarrow \text{ZnCl}_2(aq) + \text{H}_2(g)$. Her oksideres sink ($\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-$) mens hydrogenionene reduseres ($2\text{H}^+ + 2e^- \rightarrow \text{H}_2$). Du ser det med egne øyne: hydrogengass bobler opp mens sinkmetallet løses opp.

Bunnfall og komplekser

De to siste familiene gir tydelige, synlige resultater. En fellingsreaksjon skjer når to løsninger blandes og et uløselig stoff -- et bunnfall -- plutselig dannes. Blander du sølvnitrat og natriumklorid, får du $\text{AgNO}_3(aq) + \text{NaCl}(aq) \rightarrow \text{AgCl}(s) + \text{NaNO}_3(aq)$, der sølvklorid feller ut som et hvitt bunnfall. For å forutsi om det felles noe, trenger du noen løselighetsregler. Alle nitrater, alle natrium- og kaliumsalter, og de fleste klorider, bromider og jodider er løselige. Derimot er de fleste karbonater og sulfider uløselige, og det samme gjelder de fleste sølv- og bly(II)-salter. Blander du $\text{BaCl}_2$ og $\text{Na}_2\text{SO}_4$, felles uløselig $\text{BaSO}_4$ ut som hvitt bunnfall -- men blander du $\text{NaCl}$ og $\text{KNO}_3$, er begge produktene løselige, og ingenting feller.

Den siste familien er kompleksdanning, der et metallion binder seg til ett eller flere molekyler eller ioner vi kaller ligander -- som $\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$ eller $\text{CN}^-$, alle stoffer som kan donere et elektronpar. Tilsetter du ammoniakk til en lyseblå kobberløsning, skjer $\text{Cu}^{2+}(aq) + 4\text{NH}_3(aq) \rightarrow [\text{Cu}(\text{NH}_3)_4]^{2+}(aq)$, og løsningen slår om til dyp mørkeblå. Her er $\text{Cu}^{2+}$ sentralatomet, de fire $\text{NH}_3$ er ligandene, og komplekset heter tetramminkobber(II)-ion. Kompleksdanning kan til og med løse opp bunnfall: uløselig $\text{AgCl}$ løses når ammoniakk tilsettes, fordi det dannes det løselige komplekset $[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+$ (diamminsølv(I)-ion) -- et triks som brukes i sølvpolering.

Oppsummering

Kjemiske reaksjoner kjennetegnes av fargeendring, temperaturendring, gassutvikling, felling eller lysutvikling -- men en faseovergang som koking er bare fysisk. Vi har møtt fire store reaksjonsfamilier. Syre-basereaksjoner (protolyse) overfører protoner fra syre til base. Redoksreaksjoner overfører elektroner: oksidasjon er tap (OIL), reduksjon er opptak (RIG), der reduksjonsmidlet selv oksideres og oksidasjonsmidlet selv reduseres. Fellingsreaksjoner danner et uløselig bunnfall når løsninger blandes, styrt av løselighetsreglene. Og kompleksdanning binder ligander til et metallion, som når ammoniakk gjør kobberløsningen mørkeblå eller løser opp $\text{AgCl}$. Gjennom alle disse gjelder massens bevaringslov: antall atomer av hvert grunnstoff er likt på begge sider.