2.4 Kjemiske reaksjoner

Når stoffer forandres

Tenk deg at du sitter ved et bål en sommerkveld. Vedkubbene knaser og spraker, flammene danser i oransje og gult, det stiger røyk mot himmelen, og du kjenner varmen mot ansiktet. Det som skjer foran øynene dine er en kjemisk reaksjon, en av de mest grunnleggende prosessene i naturen.

Men hva er egentlig forskjellen mellom det som skjer med veden i bålet og det som skjer med isen i glasset ditt som sakte smelter? Begge deler endrer seg, men bare den ene er en kjemisk reaksjon.

Når is smelter til vann, er det en fysisk endring. Stoffet er fortsatt H₂O, bare formen har endret seg fra fast til flytende. Det samme gjelder når du klipper papir i biter, det er fortsatt papir, eller når du løser sukker i vann, sukkeret er fortsatt sukker. Men når ved brenner, skjer noe helt annet. Trevirket, som består av karbon og hydrogen, reagerer med oksygen i luften og blir til helt nye stoffer: karbondioksid, vanndamp og aske. De opprinnelige stoffene er borte og nye stoffer med andre egenskaper har tatt plassen. Det er en kjemisk reaksjon.

I dette kapittelet skal vi utforske hva kjemiske reaksjoner er, hvordan vi gjenkjenner dem, hvordan vi skriver dem ned i kjemiens eget språk, og hva som bestemmer hvor raskt de skjer.

Reaktanter, produkter og reaksjonslikninger

I enhver kjemisk reaksjon har vi to typer stoffer. Stoffene vi starter med kalles reaktanter, og stoffene som dannes kalles produkter. Vi kan beskrive reaksjonen med en reaksjonslikning, som er kjemiens eget språk for å fortelle hva som skjer.

Den enkleste formen ser slik ut: Reaktanter pil mot høyre Produkter. Pilen betyr «reagerer til» eller «gir». For eksempel, når hydrogen reagerer med oksygen og danner vann, skriver vi: 2H₂ + O₂ pil 2H₂O. Til venstre for pilen er reaktantene, hydrogen og oksygen. Til høyre er produktet, vann.

Tallene foran de kjemiske formlene kalles tallkoeffisienter. De forteller hvor mange enheter av hvert stoff som er med. Tallet 2 foran H₂ betyr at 2 hydrogenmolekyler reagerer. Tallet 2 foran H₂O betyr at 2 vannmolekyler dannes.

Men hvorfor trenger vi disse tallene? Jo, fordi atomer verken oppstår eller forsvinner i en kjemisk reaksjon. Antall atomer av hvert grunnstoff må være likt på begge sider av pilen. Dette kalles balansering. La oss telle: på venstre side har vi 4 hydrogen (2 ganger H₂) og 2 oksygen (1 ganger O₂). På høyre side har vi 4 hydrogen og 2 oksygen (2 ganger H₂O). Det stemmer, likningen er balansert.

La oss ta et annet eksempel: forbrenning av metan (naturgass). Metan reagerer med oksygen og gir karbondioksid og vann. Balansert blir det: CH₄ + 2O₂ pil CO₂ + 2H₂O. Tell opp: 1 karbon, 4 hydrogen og 4 oksygen på hver side.

Tegn på kjemiske reaksjoner og forbrenning

Hvordan vet du at det har skjedd en kjemisk reaksjon? Det finnes fire vanlige tegn. Det første er fargeendring, som når jern ruster og endres fra grått til rødbrunt. Det andre er gassutvikling, som når du blander natron og eddik og det bobler voldsomt fordi karbondioksid dannes. Det tredje er temperaturendring, enten at det blir varmere eller kaldere. Det fjerde er bunnfall, at det plutselig dannes et fast stoff i en blanding av to væsker.

En av de viktigste typene kjemiske reaksjoner er forbrenning. Forbrenning er en reaksjon der et stoff reagerer med oksygen og avgir varme og lys. Når ved brenner, reagerer karbon og hydrogen med oksygen og danner karbondioksid og vann. Når bensin brenner i motoren, skjer det samme med hydrokarbonene i bensinen. Og når naturgass brenner på komfyren, reagerer metan med oksygen: CH₄ + 2O₂ pil CO₂ + 2H₂O pluss varme.

Men det finnes en viktig forskjell mellom fullstendig og ufullstendig forbrenning. Ved fullstendig forbrenning er det nok oksygen tilgjengelig, og produktene er CO₂ og H₂O. Ved ufullstendig forbrenning er det for lite oksygen, og da dannes karbonmonoksid (CO) og sot (ren karbon) i stedet. Karbonmonoksid er en fargeløs og luktfri gass som er svært giftig. Det er derfor det er så viktig med god ventilasjon når man bruker gassfyring eller vedfyring innendørs.

Oksidasjon, reduksjon og energi

Du har sikkert sett en spiker som har ligget ute i regnet og blitt rødbrunt av rust. Det som har skjedd er at jernet har reagert med oksygen fra luften og dannet jernoksid. Denne typen reaksjon, der et stoff tar opp oksygen, kalles oksidasjon. Rusting er egentlig det samme som forbrenning, bare mye, mye langsommere. Forbrenning er rask oksidasjon med varme og lys, rusting er langsom oksidasjon uten synlige flammer.

Det motsatte av oksidasjon er reduksjon, der et stoff avgir oksygen. Når jernmalm omdannes til rent jern i en smelteovn, fjernes oksygenet fra jernoksidet. Det er en reduksjon.

Alle kjemiske reaksjoner involverer energi, og her skiller vi mellom to typer. Eksotherme reaksjoner frigjør energi til omgivelsene. Forbrenning er det tydeligste eksempelet, du kjenner varmen fra bålet. Rusting er også eksotherm, men så langsom at du ikke merker varmen. Respirasjon i kroppen din er eksotherm, det er slik du holder kroppsvarmen. En enkel huskeregel: «ekso» betyr ut, energien går ut av reaksjonen.

Endotherme reaksjoner tar opp energi fra omgivelsene. Fotosyntese er det viktigste eksempelet: Planter bruker energi fra sollyset til å omdanne karbondioksid og vann til glukose og oksygen. Kjemiske kuldeposer bruker også endotherme reaksjoner, blandingen tar opp varme fra omgivelsene og blir kald. «Endo» betyr inn, energien går inn i reaksjonen.

Det fascinerende er at fotosyntese og forbrenning er motsatte reaksjoner. Planter lagrer solenergi i glukose, og vi frigjør den energien igjen når vi forbrenner ved eller fordøyer mat.

Hva bestemmer hastigheten?

Noen kjemiske reaksjoner skjer på et øyeblikk, som når hydrogen eksploderer i kontakt med en gnist. Andre tar år, som rusting av jern. Hva er det som bestemmer hvor raskt en reaksjon skjer?

Den første faktoren er temperatur. Jo høyere temperatur, desto raskere går reaksjonen. Grunnen er at molekylene beveger seg raskere ved høyere temperatur, og dermed kolliderer de oftere og med mer kraft. Tenk på det som en folkerik festsal: Hvis alle går sakte og forsiktig, møtes folk sjelden. Hvis alle løper rundt, kolliderer folk hele tiden. Det er derfor mat i kjøleskapet holder seg lenger, reaksjonene som bryter ned maten går saktere i kulden.

Den andre faktoren er konsentrasjon, altså hvor tett pakket molekylene er. Jo flere molekyler per volum, desto flere kollisjoner og desto raskere reaksjon. Sterk syre reagerer raskere enn fortynnet syre av denne grunn.

Den tredje faktoren er overflateareal. Hvis du deler opp et stoff i mindre biter, er det flere steder der reaksjonen kan foregå. Treflis brenner mye raskere enn en hel trestokk. Pulverisert sukker løser seg opp langt raskere enn en hel sukkerbit.

Den fjerde og siste faktoren er katalysatorer. En katalysator er et stoff som øker reaksjonshastigheten uten å bli brukt opp selv. Enzymene i kroppen din er katalysatorer som gjør at matfordøyelsen, som ellers ville tatt uker, skjer på noen timer. Katalysatorer i bilens eksosrør bryter ned giftige avgasser til ufarlige stoffer.

Disse fire faktorene, temperatur, konsentrasjon, overflateareal og katalysatorer, er verktøyene vi har for å kontrollere hastigheten på kjemiske reaksjoner.

Oppsummering

I dette kapittelet har vi utforsket kjemiske reaksjoner, prosessene der stoffer endres og nye stoffer dannes. Vi har lært å skille kjemiske endringer (der bindinger brytes og nye dannes) fra fysiske endringer (der stoffet forblir det samme).

Vi har lært å bruke reaksjonslikninger, kjemiens eget språk, med reaktanter til venstre for pilen og produkter til høyre. Tallkoeffisienter foran formlene sikrer at likningen er balansert, altså at antall atomer av hvert grunnstoff er likt på begge sider.

Vi har sett fire tegn på kjemiske reaksjoner: fargeendring, gassutvikling, temperaturendring og bunnfall. Vi har lært om forbrenning som reaksjon med oksygen, og om den viktige forskjellen mellom fullstendig forbrenning (som gir CO₂ og H₂O) og ufullstendig forbrenning (som gir giftig CO).

Vi har forstått oksidasjon (tar opp oksygen) og reduksjon (avgir oksygen), og skillet mellom eksotherme reaksjoner (frigjør energi, som forbrenning) og endotherme reaksjoner (tar opp energi, som fotosyntese).

Til slutt har vi lært at fire faktorer påvirker reaksjonshastigheten: temperatur, konsentrasjon, overflateareal og katalysatorer. Disse verktøyene lar oss kontrollere og forstå hvorfor noen reaksjoner skjer på et øyeblikk og andre tar år.