Kemiska reaktioner är centrala inom kemin eftersom de innebär att atomer omgrupperas och bildar nya ämnen. Dessa reaktioner kan vara snabba eller långsamma, och de kan leda till stor förändring eller vara mer subtila. Genom att förstå och kunna förutsäga kemiska reaktioner kan vi skapa nya material, läkemedel och energikällor som kan förändra världen omkring oss. I nästa underartikel kommer vi att gå in djupare på hur kemiska reaktioner sker och vilka faktorer som påverkar dem.

Vad är en kemisk reaktion?

Kemiska reaktioner är centrala i kemin eftersom de innebär omvandlingar av ämnen. Dessa reaktioner sker genom förändringar av de intramolekylära bindningarna inom ämnena, vilket leder till bildandet av nya bindningar och brytning av gamla bindningar.

Kemiska reaktioner kan yttra sig på många olika sätt. Till exempel kan matlagning, förbränning av bränslen i fordon, växters tillväxt och synförmåga involvera en mängd olika kemiska reaktioner.

I gymnasiekemin fokuserar man traditionellt mycket på två typer av kemiska reaktioner – redoxreaktioner där elektroner förflyttas från ett ämne till ett annat, och syra/bas-reaktioner där protoner förflyttas mellan ämnen. Dessa reaktioner är av stor betydelse och har många praktiska tillämpningar.

Vad är inte en kemisk reaktion?

Det är viktigt att skilja mellan kemiska reaktioner och andra typer av händelser som involverar atomer och molekyler. Exempel på händelser som inte räknas som kemiska reaktioner inkluderar fasövergångar, såsom smältning, stelning, kokning, kondensering eller sublimering. Dessa processer innebär ingen omvandling av ämnen eftersom samma ämne fortsätter att vara när fasövergången sker. Dessutom är det vanligtvis intermolekylära bindningar som är involverade i dessa händelser (med undantag för metaller och salter).

Även att blanda ämnen tillsammans klassificeras inte som en kemisk reaktion. I dessa fall bildas inga nya bindningar eller intramolekylära förändringar, utan istället är det främst intermolekylära krafter som är inblandade. När sand och salt blandas är det ett tydligt exempel på en blandning där inga kemiska reaktioner äger rum.

Det är värt att notera att i vissa fall kan definitionen av kemiska reaktioner bli svår att tolka, särskilt när jonbindningar och metallbindningar är inblandade. Dessa typer av bindningar kan ses som både intramolekylära och intermolekylära vilket leder till komplexitet i tolkningen.

Reaktionsformel?

En reaktionsformel syftar på en formel som representerar en kemisk reaktion. Reaktionsformeln visar på ett kompakt sätt de olika ämnena som är inblandade i reaktionen och hur de omvandlas till nya ämnen. Ett exempel på en reaktionsformel är:

CH4(g) + 2O2(g) ⟶ 2H2O(l) + CO2(g)

I denna reaktion förbränns metan med syre.

Allt som står till vänster om “⟶” kallas reaktanter, det vill säga de ämnen som reagerar med varandra för att bilda nya ämnen.

Allt som står till höger om “⟶” kallas produkter, vilket är de nya ämnen som bildas som ett resultat av reaktionen.

För att ge ytterligare information om reaktionen inkluderas även aggregationsformerna för de olika ämnena. Till exempel betecknar “(g)” att ämnet är i gasfas, “(l)” betyder flytande fas, “(s)” indikerar fast fas och “(aq)” anger att ämnet är löst i vatten. Denna information ger ytterligare detaljer om de fysikaliska egenskaperna hos ämnena i reaktionen.

Utbyte

In kemi är begreppet utbyte av stor nytta när kemiska reaktioner genomförs. Utbyte avser hur mycket produkt som produceras som ett absolut värde i mol eller gram, eller som ett relativt värde.

Faktiskt utbyte, även känt som absolut utbyte, beskriver den mängd massa eller substans som uppnås som ett resultat av reaktionen.

Teoretiskt utbyte representerar den mängd massa eller substans som skulle ha producerats om all reaktant hade omvandlats till produkt utan några experimentella fel. Det teoretiska utbytet beräknas utifrån reaktionsformeln och molförhållandet.

Relativt utbyte, ibland kallat bara utbyte, är ett mått på hur väl faktiskt utbyte matchar det teoretiska utbytet. Formeln för relativt utbyte är: Relativt utbyte = (Faktiskt utbyte / Teoretiskt utbyte) * 100%

• Om det relativa utbytet är runt 1, har vi fått ut lika mycket produkt som man optimalt kan få ur reaktionen.
• Om det relativa utbytet är över 1, innehåller produkten säkerligen föroreningar av olika slag (eller så har du räknat fel).
• Det vanligaste är att det relativa utbytet är under 1. En oerfaren laborant kan mycket väl få utybyten under 0,1 på labbar organkemi, eftersom produkt lätt kan gå förlorad vid filtreringar, tvättar och överföringar om man är lite slarvig.

Procentuellt utbyte (ibland också bara kallad utbyte) är en variant av relativt utbyte där skillnaden är att resultatet har omvandlats från decimalform till procentform. Detta kan matematiskt uttryckas som:

Procentuellt utbyte = (Faktiskt utbyte / Teoretiskt utbyte) * 100%

Med andra ord multiplicerar man det relativa utbytet med 100 för att få det procentuella utbytet.

För att öka utbytet i en reaktion kan man antingen påverka den kemiska jämvikten eller minimera de experimentella fel som kan uppstå i laborationen. Genom att optimera dessa faktorer kan man sträva efter att maximera det procentuella utbytet i en kemisk reaktion.

Molförhållande

En balanserad reaktionsformel är en beskrivning av en kemisk reaktion som tydligt anger vilka ämnen som reagerar och bildas vid reaktionen, samt i vilka proportioner dessa ämnen reagerar och bildas. Dessa proportioner refereras till som molförhållanden, alternativt substansmängdförhållanden, och det är exakt detta som denna artikel kommer att behandla.

När man tittar på den generella formen av en reaktionsformel:

aA + bB ⟶ cC + dD

Där ämnena A och B reagerar för att bilda C och D, så representerar de små bokstäverna koefficienter som anger proportionerna. Med hjälp av reaktionsformeln kan vi utläsa följande aspekter:

• Om vi har a stycken molekyler av A kan vi bilda d stycken molekyler av D.
• Om vi har 2a molekyler av A kan vi bilda 2d molekyler av D.
• Om vi har a dussin molekyler av A kan vi bilda d dussin molekyler av D.
• Om vi har a mol av A kan vi bilda d mol av D.

Gemensamt för alla exemplen ovan är att förhållandet mellan substansmängden A och substansmängden D är detsamma, nämligen a:d. Det innebär att den molekylära relationen mellan substansmängderna A och D är fastställt och kan uttryckas som en ratio eller en multiplikator i den balanserade reaktionsformeln.

Reaktionshastighet

En reaktion inträffar beroende på hur mycket energi som frigörs eller erhålls genom att genomföra reaktionen. Vidare diskuteras denna energiaspekt i artikeln “Energi”. Denna artikel fokuserar istället på reaktionshastighet eller kemisk kinetik, det vill säga hur snabbt en reaktion sker. Kemisk kinetik studerar förloppen och hastigheten för kemiska reaktioner, samt de faktorer som påverkar reaktionshastigheten.

Vad som påverkar reaktionshastigheten

Det finns flera faktorer som påverkar reaktionshastigheten. Nedan kommer vi att förklara de vanligaste orsakerna till variation i reaktionshastighet.

Koncentration

Koncentrationen av ämnena som reagerar kommer att påverka reaktionshastigheten. Detta gäller då de ämnen som reagerar båda är vätskor eller gaser.

Reaktionen kan bero olika mycket på de olika reaktanterna.

I en reaktion kan hastigheten bero bara på reaktant A (förutsatt att det finns någon mängd av reaktant B i blandningen) om det måste ske en slags självreaktion inom ämne A innan den slutgiltiga reaktionen kan ske.

Reaktionshastigheten beror oftast på koncentrationen hos båda reaktanter om ingen självreaktion hos ett ämne måste ske innan reaktionen mellan ämnena äger rum.

Exponering

Om det är ett fast ämne som ska reagera med en gas eller flytande ämne så spelar exponeringsytan på det fasta ämnet stor roll. Ju mer yta som exponeras för gasen eller vätskan, ju snabbare kan reaktionen gå.

Katalysatorer

När en reaktion sker så genomgås en fas som kallas aktiverat komplex eller övergångskomplex. Detta är den mest instabila fasen i reaktionen, och kräver en del energi för att nå upp till. Tänk dig att du behöver knuffa en stor rund boll som väger 50 kg över ett back-krön som ligger ca 1 meter upp för att få den att rulla ned för backen som är 2 meter hög. Du måste tillföra energi, så kallad aktiveringsenergi till bollen för att få den till det mest instabila läget (på krönet av backen) för att denna sedan ska kunna rulla ned till en lägre energinivå än den hade från början, vilket här är en meter nedanför startpositionen.

En katalysator stabiliserar det aktiverande komplexet så att man inte behöver samla ihop så mycket energi för att reaktionen ska ske. Detta kan jämföras med att din kompis Kata Lysator gräver bort en bit av krönet så att du bara behöver knuffa bollen upp 0,5 meter så att den kan falla 1,5 meter. Totalt så har bollen fallit precis lika långt relativt till startpositionen som förut, men det går snabbare att samla upp energi för att knuffa upp bollen en liten bit än att knuffa den hela vägen, vilket betyder att reaktionen går snabbare.

Snabbt sammanfattat kan man säga att en katalysator minskar aktiveringsenergin för en reaktion, och det går då snabbare att spontant samla upp tillräckligt med energi på en plats för att genomföra reaktionen.